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[材料科学]第五章 相图
第五章 材料的相结构及相图 授课教师:熊礼威 计划学时:6学时 课后作业 课后习题3(1) 课后习题5 课后习题8(2) 3.铁—碳合金的平衡结晶过程及组织 铁-碳合金分类:通常按有无共晶反应将其分为碳钢和铸铁两大类 ωc2.11%为铸铁;0.0218%ωc2.11%的为碳钢;ωc0.0218%为工业纯铁。按Fe-Fe3C系结晶的铸铁,断口呈白亮色,称为白口铸铁。 按Fe-C系结晶的铸铁,断口呈灰色,称灰口铸铁。 钢的共同点:在高温下都可以进入奥氏体单相区, 铸铁的共同点:都含有共晶体。 在工程上按组织特征又将其细分为七种类型、所划分出的各类铁—碳合金的名称、含碳量范围以及室温平衡组织见表 珠光体+二次渗碳体+莱氏体 莱氏体 一次渗碳体+莱氏体 2.11~4.3 4.3 4.3~6.69 亚共晶白口铸铁 共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁 铸铁 先共析铁素体+珠光体 珠光体 先共析二次渗碳体+珠光体 0.0218~0.77 0.77 0.77~2.11 亚共析钢 共析钢 过共析钢 钢 铁素体;或铁素体+三次渗碳体 0.0218 工业纯铁 铁 室温平衡组织 ωc(%) 分类名称 种 类 (1)含碳ωc=0.01%的合金(工业纯铁) 发生两次同素异构转变 (2) ωc=0.77%的合金(共析钢) 共析钢α:Fe3C=7.91:1 片距:0.7~1um随T变,珠光体 亚共析钢:先共析Fe素体+珠光体 珠光体太少时, Fe3C附于α晶界 估算碳含量 过共析钢:先共析 Fe3C+珠光体 一般因为Fe3C量10% 故沿γ晶界呈网状分布,先共析二次渗碳体量: 二次渗碳体最大量 (5)共晶白口铸铁(wC=4.3%) 组织组成物:1 相组成物: 2 (6)亚共晶白口铸铁 组织组成物:3 相组成物: 2 (7)过共晶白口铸铁 组织组成物:2 相组成物: 2 4.含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响 (1)对平衡组织的影响 随含碳量的增加,组织变化 随含碳量的增加,Fe3C形态 变化 Fe3CⅢ (薄片状)→共析Fe3C(层片状) → Fe3CⅡ(网状) → 共晶Fe3C(连续基体) → Fe3CⅠ(粗大片状) (2)含碳量对力学性能的影响 铁素体硬度强度低,而塑性好,渗碳体硬而脆。珠光体是由细片状渗碳体分布在铁素体基体上,起了强化作用。 亚共析钢随着含碳量增加,珠光体数量逐渐增多,因而强度、硬度上升,塑性与韧性下降; 过共析钢除珠光体外,还出现了二次渗碳体,当WC不超过1%时,在晶界上未形成连续网状,故对性能影响不大, 当WC超过1%以后,因二次渗碳体的数量逐渐增多而呈连续网状分布,则使钢的脆性大大增加,塑性下降 (3)对可锻性的影响 钢的可锻性首先与含碳量有关,低碳钢的可锻性较好,随着含碳量的增加。可锻性逐渐变差 C%2.11% (4)对流动性的影响 主要因数:化学成分和浇注温度。 钢液的流动性随含碳量的提高而提高。原因:熔点影响大于固液线差的影响 铸铁流动性总是比钢好 共晶成分的铸铁因其结晶温度最低,同时又是在恒温下凝固,结晶的温度间隔为零,所以流动性最好。 适合铸造:C%~4.3%,流动性好。 适合热处理:0.0218-2.11%,有固态相变。 第四节 相图的热力学基础 相图是以热力学为基础的。 相图热力学理论对于指导相图的建立、正确理解分析相应用相图等方面具有十分重要的作用 一、吉布斯自由能与成分的关系 当一个给定系统内发生任意无限小可逆变化时,系统内能变化: 吉布斯自由能 组分可变体系的吉布斯自由能的微分式,是热力学的基本方程式 以二元系为例 A、B两种金属组元混合而形成固溶体时,自由能的变化: Stiring公式: ΔH=0:理想溶体,形成时没有热效应 ΔH0:吸热效应的固溶体 ΔH0:放热效应的固溶体 稀薄固溶体:作为理想溶体考虑 在稀薄 固溶体中,溶质 的微量增加对 内能的影响很小 ,但却可以使熵值显著增加。 当 XA→0 (XB→1)或 XB→0 (xA→1)时,曲线的斜率很大(图5-66) 意味着两组元间相互完全不溶解的情况是很难存在的, 同时也说 明了要想得到很纯物质是相当困难的 求导,并令 xA(或 xB)等于 0. 5时混合熵SAB最大 二、克劳修斯—克莱普隆方程 某物质处于两相平衡状态 在恒温恒压下 克劳修斯—克莱普隆方程适应于任何物质的两相平衡体系 ΔH可为蒸发热、熔化热或升华热,ΔV为参加反应的相的摩尔体积差。 根据等温定压下的平衡条件 △G=0 如果是从固相或液相过渡到气相,前有的体积与后者相比可以忽略 按气体方程式 蒸气压方程式,式中K、A、B、C为积分常数。 4)过共晶合金 过共晶合金的初生相为β相 ,室温组织为β+αⅡ+(α+β)。 亚共晶、共晶及过共
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