[材料科学]第五章 相图.ppt

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