金属材料-相图.ppt

材料科学导论-金属材料,梁玉军材料科学与化学工程学院,,金属材料-相图,1.2铁碳合金,1.1二元合金状态图,基本概念,凝固一般非晶体由液态向固态转变的过程。,结晶由液态金属转变为固态晶体的过程。,晶体原子排列时有序的，原子在三维空间做规则的、周期性的、重复排列。有一定的熔点和凝固点，性能趋向各向异性。,非晶体原子排列杂乱无章呈无序状态，没有一定的熔点和凝固点，性能趋向各向同性。,金属的结晶,纯金属的冷却曲线（理想状态）,金属的结晶,纯金属的冷却曲线（实际）,金属的结晶,合金的冷却曲线,金属的结晶,结晶的必要条件----过冷度,金属的结晶过程,,原子团,形核,晶核长大,小晶粒,晶粒（外形不规则的小晶体）,,,,,形核自身晶核、外来晶核,晶核长大方式树枝状方式,晶界晶粒间的分界面；,单晶体结晶方位完全一致的的晶体多晶体由多晶粒组成的晶体结构,细化晶粒的方法,增加冷却速度，增大过冷度；增加外来晶核;采用机械、超声波振动、电磁搅拌等；,晶粒粗细对材料力学性能的影响,晶粒越细，强度越高，塑性和韧性也越好。,晶粒的大小通常是指以晶粒度来表示。而晶粒度又是以单位界面内晶粒数目的多少来划分和标定的。通常是晶粒愈小材料强度、塑性愈好。晶粒大小对材料的物理化学性能也有明显的影响。如硅钢片中晶粒愈大磁滞损耗愈少耐蚀不锈钢中晶粒愈大耐腐蚀性愈好。可见，按照材料的不同用途和种类应合理的控制其晶粒大小。这就需要我们了解一些金属结晶时影响晶粒大小的因素。,金属的同素异构转变,金属的同素异构转变的慨念金属在固态下，随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象。金属的同素异构转变的意义可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织，从而达到改善材料性能的目的。,相图,根据相图可确定不同成分的材料在不同温度下组成相的种类、各相的相对量、成分及温度变化时可能发生的变化。仅在热力学平衡条件下成立，不能确定结构、分布状态和具体形貌。,合金结晶与二元合金相图,合金结晶的基本规律与纯金属的结晶基本相同，也是在一定过冷度下成核和长大来完成结晶的。但是，其结晶过程更复杂，得到的组织可以是单相或是多相，既可是纯固溶体也可是化合物或两相组成的机械混合物。而具体成分的合金显微组织可能是其中的一个相或一个基本组织，也可能是多个相及基本组织的组合。而且在不同温度下，同一化学成分合金的显微组织也可能不同。对如此复杂的情况，只用冷却曲线或语言简单叙述是很不方便的。因此，出现了用相图这种形式来表述合金的结晶及冷却的相变状况。,相图是在平衡态下测画出来的。因此也称合金的平衡状态图。相图是表示在平衡状态下合金的化学成分、相、组织与温度的关系图。由于受到几何表述的限制，虽然合金系中的组元可以是多个，但是，只能测画出二元合金的二元相图和三元合金的三元相图，三元以上的合金通常是不能直接用相图来表述。即使三元合金的相图也是很复杂的。本书只介绍二元合金相图。,二元合金相图的测画,在每个二元合金系中都有无数个不同化学成分比例的合金。每一个具体成分合金都可以用热分析法测定出它的冷却曲线。将这些冷却曲线上的相转变点都转画到一个以温度为纵轴，化学成分为横轴的坐标中相对应的点上，则这些相变点所形成的各条曲线就构成了一个二元合金系的相图。,实际上测画一个合金系的相图时，只需精确地测定这个合金系中一些有代表性的合金冷却曲线。再在温度化学成分的坐标上将相同意义的相变点所对应的点用平滑曲线连接起来就了这个合金系的相图。在相图上将各个交点标出字符，将各个相区内填上相应的相或基本组织的代号就得到了一张完整的相图了。,二元合金状态图,把各合金的结晶开始温度点连接起来，即为液相线；把结晶终了温度点连接起来，即为固相线。这样就构成了Pb-Sb二元合金相图。,二元匀晶相图,1匀晶相同及其分析（1）匀晶转变由液相直接结晶出单相固溶体的转变。（2）匀晶相图具有匀晶转变特征的相图。,二元匀晶相图,相图分析两点纯组元的熔点；两线L,S相线；三区L,α,Lα。,1．匀晶相图分析及合金的结晶过程,以Cu－Ni合金为例，图中a点是纯铜的熔点1083C；b点是纯镍的熔点1452C；aa3a2a1b曲线是液相开始结晶的温度线，称为液相线，在其线以上的区域合金系全部是呈液相L状态，称为液相区。ab3b2b1b曲线是液相全部结晶结束的温度线，称为固相线；在其线以下的区域合金系全部结晶成同一种均匀的固溶体相，此区称为固相区。在液相线与团相线围成的区域内是液相与团相共存的区域L十，称为两相区。,铜与镍两组元组成的二元合金在固态下是无限固溶的，所以，任何成分比例都结晶成单相固溶体。由液相直接结晶成单相固溶体的结晶转变称为匀晶转变。在Cu－Ni合金系中，除纯Cu和纯Ni的结晶是纯金属的结晶，其结晶温度是一个点之外，其它任一个合金的结晶都是在一个相应的温度区间内完成结晶的。虽然温度区间的大小和温度的高低不同，但结晶规律是相同的。下面以Ni质量分数为20开的Cu-Ni合金为例阐述其结晶过程。,从上图可见，WNi50的合金化学成分垂线与液相线相交于L1，与固相线相交于3当该合金由液相缓慢冷却平衡状态至t1温度时，由液相中开始结晶出相。随着温度的不断降低相比例不断增加，剩余液相的比例不断减少直至到t3温度，液相L全部结晶成以相。在温度由t1降到t3的结晶转变过程中，不仅L与两相所占的比例不断变化，而且L和两相的化学成分，通过原子扩散也不断地变化。在t1时，结晶出来的相的化学成分为几点所对应的成分含Ni高于合金成分，剩余液相的化学成分为L1点所对应的成分。,在t1、t3温度时相的化学成分分别为2，3点对应的成分。而剩余液相的化学成分分别为L2、L3点对应的成分。这就是说，在不同温度下刚刚结晶出来的固相的化学成分是不相同的，其变化规律是沿着固相线变化。与此同时剩余液相的化学成分也相应地沿着液相线变化。但是，由于冷却速度很慢平衡态，又处在足够高的温度下，所以，当结晶结束时，无论是先结晶的目相，还是后结晶出来的相，其化学成分都将通过原子足够长时间的扩散而趋平均匀相同。并且相的晶粒通常都是不规则的多面体状，称等轴晶粒。,2.枝晶偏析,由前述可知不同温度下结晶出来的相成分是不同的，温度高时结晶出来的相含熔点高的镍元素多，温度低时结晶的相含镍少。由于在实际生产中冷却速度较快不能保证平衡态，原子扩散迁移滞后于结晶，相化学成分的均匀性得不到保证。这时就会出现在一个晶粒内，各处成分的不均匀现象。称为晶内偏析。因为相是以枝晶方式结晶，先形成的主干和后形成的支干就会有化学成分之差，所以也称枝晶偏析。,在CuNi合金枝晶偏析中，白色区域是先结晶的部分，镍的质量分数高于合金成分，黑色区域是后结晶的部分，铜的质量分数高于合金成分。枝晶偏析会降低合金的力学性能尤其是塑性和韧性和工艺性能。对于有枝晶偏析的铸锭和铸件可采用在低于固相线100C～200C的温度下进行较长时间的加热，通过原子的相互扩散而使成分趋于均匀，消除枝晶偏析。这种热处理方法称为均匀化退火，也称扩散退火。,4稳态凝固时的溶质分布（3）溶质分布液、固相内溶质完全混合（平衡凝固）－a;固相不混合、液相完全混合－b;固相不混合、液相完全不混合－c；固相不混合、液相部分混合－d。,二元匀晶相图,二元匀晶相图,4稳态凝固时的溶质分布4区域熔炼（上述溶质分布规律的应用）,二元匀晶相图,5成分过冷及其对晶体生长形态的影响（1）成分过冷由成分变化与实际温度分布共同决定的过冷。（2）形成界面溶质浓度从高到低－液相线温度从低到高。（图示溶质分布曲线－匀晶相图－液相线温度分布曲线－实际温度分布曲－成分过冷区。）,二元共晶相图及合金凝固,共晶转变由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相的转变。共晶相图具有共晶转变特征的相图。（液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶，且发生共晶反应。共晶组织共晶转变产物。（是两相混合物）,二元共晶相图及合金凝固,1相图分析（相图三要素）（1）点纯组元熔点；最大溶解度点；共晶点（是亚共晶、过共晶合金成分分界点）等。（2）线结晶开始、结束线；溶解度曲线；共晶线等。（3）区3个单相区；3个两相区；1个三相区。,二元共晶相图及合金凝固,2合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例）（1）Wsn19％的合金①凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。②二次相（次生相）的生成脱溶转变（二次析出或二次再结晶）。③室温组织（α＋βⅡ）及其相对量计算。,二元包晶相图及合金凝固,包晶转变由一个特定成分的固相和液相生成另一个特点成分固相的转变。包晶相图具有包晶转变特征的相图。1相图分析点、线、区。,思考题,1在纯金属的冷却曲线上为什么会出现一水平台阶,2为什么晶粒越细小其力学性能越好,3如果结晶时晶核不多而生长速度快，则结晶后的晶粒是粗还是细,铁碳合金,本节重点铁碳合金状态图在铸造、压力加工、焊接中的应用；本节难点铁碳合金状态图的理解；,铁碳合金由于其资源广泛、冶炼方便、价格低廉、性能优越，在工业生产中广泛使用。,铁碳合金的基本组织,铁素体碳溶解在αFe中的间隙固溶F）。塑性（δ45-50）、韧性好，强度、硬度低。奥氏体碳溶解在γFe中的间隙固溶体（A）。塑性好。渗碳体铁与碳形成的金属化合物（Fe3C）。硬度很高（HBW800），塑性、韧性几乎为零。珠光体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体（P）。莱氏体是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏体与渗碳体的共晶体（Ld）。硬度高，塑性差。,两种反应,,,,1148℃,1、共晶反应,一定成分的液相在一定的温度下同时结晶出两种成分和结构均不相同的固相的反应。,L4.3c,A2.11cFe3C6.69c,共晶反应的产物即莱氏体LdA2.11cFe3C6.69c,,,2、共析反应,一定成分的固相在一定的温度下同时析出两种成分和结构均不相同的新的固相的反应。,A2.11c,727℃,F0.02cFe3C6.69c,共析反应的产物即珠光体P＝F0.02cFe3C6.69c,铁碳合金状态图分析,,,渗碳体的熔点,,共晶点,,共析线,,共析点,,纯铁的熔点,,共晶线,,ACD线液相线,,AECF线固相线,碳在奥氏体中的最大溶解度,A3线,Acm,铁碳合金相图中主要特性点的含义,,相图中主要线的含义,ACD线液相线是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。AECF线固相线各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终止线。ECF水平线共晶线含碳量为4.3的液态合金冷却到此线时，在1148℃由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共晶反应。PSK水平线共析线（A1线）含碳量为0.77的奥氏体冷却到此线时，在727℃同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共析反应。GS线（A3线）是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。ES线称Acm线是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。,典型合金结晶过程分析,铁碳合金,,含碳量为2.116.69的铁碳合金。共晶生铁含碳量为4.3;亚共晶生铁含碳量在2.114.3之间；过共晶生铁含碳量在4.36.69之间；,含碳量小于0.02的铁碳合金。,工业纯铁,钢,生铁,含碳量为0.022.11的铁碳合金。根据金相组织的不同，可分为三种。共析钢含碳量为0.77;亚共析钢含碳量在0.020.77之间；过共析钢含碳量在0.772.11之间；,铁碳合金状态图分析,,A奥氏体,P珠光体,F铁素体,共析钢和亚共析钢的结晶过程分析,过共析钢结晶过程分析,共晶生铁结晶过程分析,L’d变态莱氏体,亚共晶、过共晶生铁结晶过程分析,,钢,碳素钢,,碳素结构钢（0.38C,优质碳素结构钢0.2-0.7C用途广,碳素工具钢T8等,合金钢,,合金结构钢,合金工具钢,特殊性能钢,,不锈钢,耐热钢,耐磨钢,其它,,量具钢,模具钢,刃具钢,轴承钢,弹簧钢,调质钢,渗碳钢,低合金结构钢,,（1.5C,16Mn、20Cr,9Cr2、CrWMn,2Cr13、1Cr18Ni9,1.6工业用钢分类及选材,热处理,,普通热处理,表面热处理,,退火,正火,淬火,回火,表面淬火,化学热处理,渗碳,渗氮,碳氮共渗,,,其它热处理,,形变,真空,激光,1.7钢的热处理,1.7.1退火和正火,退火将钢加热、保温，然后随炉冷却或埋入灰中缓慢冷却。,目的降低硬度，便于机加工。细化晶粒，提高塑性和韧性。消除应力。,应用铸件、锻件、焊接及其它毛坯的热处理。,1、完全退火将亚共析钢加热到Ac3线以上3050℃，保温后缓慢冷却.2、球化退火将过共析钢加热到Ac1线以上2030℃，保温后缓慢冷却.3、低温退火将钢加热到Ac1线以下，保温后缓慢冷却.再结晶退火消除冲压件冷变形所产生的加工硬化（再结晶温度以上150250℃），降低硬度，恢复塑性。,应用（1）取代部分完全退火；（2）用于普通结构件的最终热处理；（3）用于过共析钢，减少或消除网状二次渗碳体，为球化处理作准备。,正火将钢加热到Ac3线以上3050℃（亚共析钢）或Accm以上3050℃（过共析钢），保温后在空气中冷却。得到的是细珠光体组织（索氏体）。,1.7.2淬火和回火,将钢加热到Ac3或Ac1线以上3050℃，保温后在淬火介质中快速冷却（γFe向aFe同素异晶转变），以获得马氏体（M组织（碳在aFe中的严重过饱和固溶体）。,马氏体形成过程中将伴随着体积膨胀，造成淬火内应力，应采取以下措施（1）严格控制淬火加热温度温度低，硬度低；温度高，晶粒粗大，应力大，易产生裂纹。（2）合理选择淬火介质淬透性好，选油淬。（3）正确选择淬火方法采用水油双介质淬火法。,回火将钢重新加热到Ac1线以上某温度，保温后冷却的热处理工艺。,目的主要是消除淬火内应力，降低钢的脆性，防止产生裂纹。,回火三种形式（1）低温回火（150250℃），目的是降低淬火钢的内应力和脆性，并保持高硬度（5664HRC和耐磨性。如模具、刃具等。（2）中温回火（350500℃），目的是使钢获得高弹性，并保持较高硬度（3550HRC和一定的韧性。如弹簧、锻模等。（3）高温回火调质处理（500650℃），硬度2035HRC，强度及韧性等综合性能较好。如连杆、曲轴、齿轮等。,国家相关科技计划中对金属材料领域的部署情况,国家自然科学基金国家攀登计划国家前沿高技术领域,1）提供钢的高洁净度基础理论、微米亚微米组织的形成理论、非平衡状态的物理金属学问题、高洁净度钢的微合金化基础理论等四个理论基础。建立合计设计方法和理论、加工技术、分析测试技术、服役性能等相关技术的基础理论。,本方向的发展目标和战略重点,2）为发展高效、低耗、环境友好的非铁金属提取冶金新技术和高性能非铁金属材料制备、加工、成形新技术奠定理论基础。这些技术包括符合我国资源特点的非铁金属提取过程强化技术；短流程、近终形制备成形技术；台金成分与结构优化设计技术；固态转变组织精确控制技术。,Thanksforyourattention,