《工程材料及成型技术》讲稿(3)

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温度 就是时间—温度曲线，反映合金在结晶和

相变过程的状态，可应用热分析法建立曲线。

3、过冷度（△T）

△T=T0-Tn Tn—实际结晶温度

冷却速度越大， To—理论结晶温度 o 时间

Tn越低，过冷 图 2，1 纯金属的冷却曲线 度越大。

二、结晶过程

图2，2 纯金属结晶程示意图

1，形核

当液态金属过冷到一定温度，一些尺寸较大的原子团开始变得稳定而成为结晶核心，称为晶核，其过程称为形核。

a.均质形核 液体中时聚时散的原子团自发形核 b.异质形核 依附于液体中高熔点杂质形核

2，长大

即液体中原子向晶核扩散，使晶核尺寸增大

的过程。

长大方式：通常为树枝状（见图2，3）

图2.3 树枝晶生长示意图

三、 晶粒大小及其控制 1．晶粒度的概念

一般金属结晶后，获得由大量晶粒所组成的多晶体，晶体的大小称为晶粒度。它常用单位截面积上的晶粒数或晶粒的平均直径来表示。 2．晶粒大小对金属力学性能的影响

可用 Hell-Patch方程说明这个关系

бs =б0＋K.d

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б0.K 均为常数， d为晶粒平均直径。

方程说明材料强度与晶粒直径成反比，晶粒越粗大，材料力学性能越低。因此，实际生产中

都力求细化晶粒。

3、控制晶粒大小的途径

① 控制过冷度

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当过冷度增大，形核率N增大很快，结晶核心增加很多。 结晶后晶粒就细。 ② 变质处理（孕育处理）

在液体金属中加入高熔点细颗粒（变质剂）作为异质形核的核心。

以细化晶粒、改善组织，如在铁水中加入Si-Fe,Mn-Fe作孕育剂可细化晶粒。 ③ 搅拌和振动。

把树枝晶搅断作为新晶核。

四． 合金的结晶 1．合金结晶的特点

（1） 结晶在一个温度区间而不是一个温度进行。如纯铁在1538℃结晶，而含碳0.6％的Fe-C

合金在1500℃开始结晶，1430℃才结束。

(2) 结晶过程有成分的变化。如含0.6％碳的Fe-C合金，先结晶的固相含碳量低，后结晶固

相含碳量高。

2.合金结晶的规律——相图。

相图：反映合金系中不同成分的合金在不同温度下的组织状态和相间平衡关系的图象，亦称状态图。它揭示了合金系的成分，组织与性能的关系。 (1)相图的建立

图2.5利用热分析法建立Cu-Ni合金相图

(2)匀晶相图分析

图2.6匀晶相图及含60％Ni的Cu-Ni合金的结晶过程

理解相图上坐标和曲线的意义。 分析结晶过程

a.在横坐标60处画垂线，确定垂线与曲线交叉点t1,t1

b.分析结晶过程，以交叉点为特征点。

t1以上，合金为L状态，

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t1～t3，合金为L＋?两相平衡，并发生L→?（结晶） t3以下，合金为固态，组织为?

思考题：

1． 金属结晶的基本规律是什么？晶核的成核率和长大速度受到哪些因素的影响？ 2． 为什么材料一般希望获得细晶粒？细化晶粒的方法有哪些？

3.3．铁碳合金的平衡态相图 一、Fe-Fe3C相图

1 . 纯铁的性能及同素异构转变

性能： 常温的熔点为1538℃，具有磁性。

力学性能： 抗拉强度 бb=180 – 230 MPa——低强度 延伸率 Ψ= 70 - 80％ ——高塑性

同素异构转变： 纯金属随温度变化，其晶体

结构发生变化的现象。

纯铁的同素异构转变如下： ?-Fe ?1394???r- Fe ????-Fe

912 (Bcc) (Fcc) (Bcc) 其冷却曲线如图 2 – 15

金属的同素异构转变为其相变强化（热处

理强化）提供可能。 图 2- 15 纯铁的冷却曲线 2. 铁碳合金的基本组织

纯金属： ?-Fe （Bcc） ??? r- Fe (Fcc)

912 ↓溶入C ↓溶入C

固溶体 ＋ 铁素体＋碳化物 奥化体＋碳化物 化合物 ↓ ↓ 混合物： 珠光体 莱氏体 ① 固溶体

a. 铁素体 （Ferrite, F） 碳在?-Fe中的固溶体，BCC结构， 形态呈白色多边形。 最大含碳量 0.0218％ (在727℃) 性能：固溶强化低， 硬度低（50-80HBS），塑性高（?=30-50％）

b. 奥氏体（Austenite ,A） 碳在r- Fe中的固溶体，FCC结构， 是存在于727℃以上的组织。

注意：最大溶解度在1148℃，其含碳量为 2.11％。

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当温度下降到727℃，其含碳量为0.77％。

所以，当温度从1148℃下降到727℃，奥氏体为了减少含碳量将不断析出 Fe3 CⅡ(含碳6.69％) 即发生A→Fe3 CⅡ

性能：高塑性 ， 是理想的锻造组织。

② 金属间化合物— 渗碳体 （Fe3 C,或Cementite, Cem）

成分：含6.69％碳

结构：碳在铁中的间隙化合物，复杂斜方结构。 性能：硬度高（800HBS），脆性大（?≈0），强度低（бb=30MPa） 根据形成条件不同，渗碳体有五种形式：

一次渗碳体（Fe3 CⅠ） 从液体中结晶，呈条状分布。 二次渗碳体（Fe3 CⅡ） 从奥氏体析出，呈网状分布。

三次渗碳体（Fe3 CⅢ）从铁素体中析出，沿铁素体晶界分布。 共晶渗碳体，从共晶转变形成，是莱氏体的基体组织（白色）。

共析渗碳体，从共析转变形成，呈片层与铁素体交替分布。 ③ 混合物

a.珠光体（Pearlite, P） 成分： 含0.77％碳 组织： 88％ F ＋ 12％ Fe3 C 混合物，片层状结构 性能： 硬度 180 – 220 HBS

延伸率 10 ％ 综合力学性能高

抗拉强度 бb= 750 MPa

b.莱氏体 （Ledeburite, Le 或Ld）

成分： 含 4.3％ 碳 组织： 60％ Fe3 C ＋ 40％ P

性能： 高硬度 ，耐磨， 但脆性大。 3. Fe-Fe3 C 相图

图 2. 16. 标注组织的 Fe- Fe3 C 相图

分析相图中的特征点，曲线和水平线

二、铁碳合金的平衡结晶过程

图 2.17. 六种典型合金的结晶过程分析

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1.碳钢的结晶过程

① 共析钢（含碳量 0.77％ ）

图 2.18.共析钢的结晶过程 图 2.19. 共析钢的显微组织

关键点是在Ts( A1 )温度发生共析反应，即

??F0.0218 ＋Fe3 C A0.77?其室温显微组织 珠光体 （F ＋ Fe3的混合物）。

珠光体中铁素体 ( F ) 和 Fe3 C 的相对含量可以利用杠杆定律计算 杠杆定律：

根据相对量相等和含碳量相等可有

QF ＋ QFe3c= 1 相对量相等 QF×0.0218＋ QFe3c×6.69=0.77 含碳量相等

解方程组得：

QF= QF

e3cTs6.69?0.77= 88.7％

6.69?0.0 …… 此处隐藏：1341字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……