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金相培训质量部Kay2014.12晶体:原子在三维空间中有规则的周期性重复排列的物质。晶体结构:晶体中的原子在三维空间有规律的重复排列方式。阵点:把晶体中物质质点抽象成纯粹几何点,这些点叫做阵点。空间点阵:阵点有规则地周期重复排列所形成的空间几何图形。晶格:将阵点用直线连接起来的空间格子。晶胞:晶格中完全反映晶格特征的最小几何单元。晶胞是一个平行六面体。金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构三种典型的金属晶体结构体心立方晶格bcc面心立方晶格fcc密排六方晶格hcp晶体中原子堆垛方式和间隙金属原子八面体间隙金属原子四面体间隙(a)(b)面心立方结构中的间隙(a)八面体间隙(b)四面体间隙金属与合金的晶体结构晶粒:组成固态金属的结晶颗粒叫做晶粒。多晶型性:固态金属在不同温度和压力下具有不同的晶体结构的现象。晶粒的形貌合金相结构合金:由两种或两种以上金属或金属与非金属,经过熔炼、烧结或其它方法组合而成并且具有金属特性的物质叫做合金。合金的组元:组成合金最基本的独立的物质。合金相:合金中结构相同,成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。组织:借助于肉眼、金相显微镜等仪器观察到的金属内部的组成与形貌叫做组织。包括:晶粒大小与形状、相的数量、形态、大小、分布等。合金相分成两大类:固溶体与金属化合物固溶体:合金组元之间以不同比例互相混合后所形成固相的晶体结构与组成合金的某一组元的晶体结构相同。这种相叫做固溶体。金属化合物:合金组元之间发生相互作用而形成的晶格类型和性能均不同于任一组元的具有金属特性的新相叫做金属化合物。金属结晶:金属从内部原子不规则排列的液态转变到规则排列的固态的过程。纯金属的结晶合金相图:是利用图解方法表示合金系中相的组成与成分、温度之间的关系的图形,又称为状态图或平衡图。均晶相图:两组元在液态、固态都无限互溶,从液相中直接结晶出单相固溶体的合金系相图。共晶相图:二组元在液态无限溶解,固态有限溶解,通过共晶反应形成两相机械混合物的二元相图叫二元共晶相图。包晶相图:二组元在液态无限溶解,固态下有限溶解、发生包晶反应的相图叫二元包晶相图。共晶相图•二组元在液态无限溶解,固态有限溶解,通过共晶反应形成两相机械混合物的二元相图叫二元共晶相图。•金属材料中Al-Si,Al-Sn,Pb-Bi,Pb-Sn,Ag-Cu等合金系以及Fe-C合金、陶瓷材料MgO-CaO系中都具有此类相图。•组元为Pb和Sn,在成分线两端,为相图的独立组成物。•相区有单相区L,a,b。a相为Sn在Pb中有限溶解的固溶体。b相为Pb在Sn中有限溶解的固溶体。•两个单相区之间为相应的两相区。•两相区中任引一水平线,可确定与之毗邻的单相。•相界线有液相线AOB,固相线AC和BD。•固溶线CE和DF,沿CE线自a中析出次生b相。沿DF线自b相析出次生a相。•水平线COD为共晶反应线,合金在此线对应的温度发生共晶反应,自液相L同时析出a和b两个固相。以反应式表示:LO→aC十bD•根据相律,三相反应的自由度f=2-3+1=0,故共晶反应为无变数反应,反应中温度不变,参加反应的三相成分恒定。•相图中O点为共晶反应点,共晶反应线与共晶反应点有如下关系:所有共晶反应线成分范围的合金都发生共晶反应,而发生共晶反应时液相成分均为O点,O点成分的液相同时为a、b二相所饱和,而同时析出两个固相。•具有O点成分的合金叫共晶合金,O点以左成分的合金为亚共晶合金,O点以右为过共晶合金。•合金I(0.1Sn):•0-1:L相;•1-2:液相中析出a相,L→a;•2-3:a相;•3-4:a中析出次生b相,以bII表示,从而与液中直接析出的b相区别。•最后室温下组织为a+bII。•合金I(0.1Sn):•合金II(0.4Sn)。Pb-0.4Sn合金属亚共晶合金,其不同温度范围发生的反应和反应前后的状态如下:0-1:L相;1:L相;1-2:L→a;两相成分和量都发生变化;2:LO+aC;2-2’:共晶反应LO→aC十bD;2’:aC+共晶(aC十bD)。2’-3:a中析出次生b,a→bII,自液相中析出的初生a相和共晶中的a相都发生析出,同时其成分变化;3:最后得到aE+bIIF+(aE十bF)共晶的组织。•合金II(0.4Sn)•从相的状态看,最后为a+b二相,但由于结晶中不同转变形成的相分布形态不同,因而组织不同。•自液相中直接形成的a相叫初生相,具有树枝状形态,为粗大枝晶,共晶反应形成的两相组织为细密层片状组织,次生的二次b显微镜下可见,可作为独立组织。•最后室温下组织为a+bII+共晶(a+b)3种。•各组织的相对量可由杠杆定律确定。共晶组织为49%,未发生变化。共晶反应后2’时的a相在冷却中析出次生b,其相对量发生变化:bII=51%×(0.19-0.02)/(1-0.02)×100%=8.85%初生a=(1-0.49-0.0885)×100%=42.15%•合金III(0.619Sn),Pb-0.619Sn合金为共晶合金。0-1为液相;1-1’发生共晶反应,LO→aC十bD共晶反应后得到共晶组织(aC十bD),二相呈现层片状相间分布;1’-2有析出过程,a→bII,b→aII,析出过程都在共晶组织内进行,不改变共晶组织形态,但共晶中二相成分和相对量发生变化。•合金IV(0.8Sn)•过共晶合金结晶过程类似于亚共晶合金,最后得到组织:bF+aIIE+(aE十bF)共晶。•可划分为7个组织区:a单相组织;a+bII;a+bII+(a+b)共晶;(a+b)共晶;b+aII+(a+b)共晶;b+aII;b单相组织•可以看出,两相区中,由两相可组成不同的组织状态。•初生相和共晶体具有不同的显微形态而成为不同的组织。•注意区分:组织组成物a初、b初、(a+b)、aII、bII;相组成物a,b。•初晶为金属基固溶体的,具有微观粗糙界面,实际生长为树枝状(Al-Si亚共晶合金中的初晶a相);•初晶为非金属的,具有光滑界面,实际生长为规则的多面体(Al-Si过共晶合金中的初晶Si相)相图应用---相图与合金的性能相图与合金的铸造、热处理30铸锭(件)的缺陷微观偏析:枝晶偏析、晶界偏析和胞状偏析。枝晶偏析:由于冷却速度较快,使液相中的原子来得及扩散而固相中的原子来不及扩散。以至于固溶体先结晶中心和后结晶部分成分不同,成为晶内偏析。晶界偏析:晶界处最后凝固,所以晶界富集了大量溶质原子,造成成分不均匀;胞状偏析:晶体以胞状界面方式生长时,溶质被排斥到垂直于生长方向的两个柱状晶之间,产生成分不均匀。31铸锭(件)的缺陷•宏观偏析:正常偏析、反偏析和重力偏析。正常偏析指在溶质分配系数小于1的合金中,先凝固的部分溶质较少,后凝固的部分溶质较多的现象。反偏析与正常偏析相反,即分配系数小于1的合金中,先凝固部分的溶质反而较多,后凝固部分反而溶质较少。32反偏析产生的原因大致是,凝固收缩造成的压力使溶质通过柱状晶之间的液态通道被吸引到铸件的外层。重力偏析是由于先析出相与剩余液相之间存在密度差,造成其中一相上浮另一相下沉,从而带来铸件上下成分不均匀。33铸锭(件)的缺陷•夹杂与气孔夹杂一般指液态合金中存在的固态小颗粒。它们或从炉膛、浇注系统上脱落,从而混入液态合金;或来自于液态合金中化学反应的生成物,例如,钢在用铝脱氧时生成的脱氧产物氧化铝。34气孔指铸件中存在的微小空洞。由于某种气体因凝固降温而使溶解度下降,从而从液体中析出;或由于液相中存在生成气体的化学反应。35铸锭(件)的缺陷•缩孔和疏松凝固是液态变为固态的过程,因此体积一般会收缩。如果没有足够的液体补充、某些液体占据的空间区域凝固以后就不能完全充满,即产生空洞(一般都很小)。如果空洞的空间分布比较集中,则称为缩孔;如果空洞的空间分布比较分散,则称为疏松。36疏松的空洞尺寸一般远小于集中缩孔。集中缩孔可以通过浇注系统的改进来克服。抑制疏松较为困难,它与合金的液相线到固相线的温度差有关,温度差越大,越容易出现疏松。Fe-C合金纯铁铁的同素异晶转变重结晶:固态下的相变结晶过程铁素体:碳溶于α-Fe中的间隙固溶体。符号:F或α。奥氏体:碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体。符号:A或γ。δ铁素体:碳溶于体心立方晶格δ-Fe中的间隙固溶体渗碳体:铁与碳形成的间隙化合物。含碳量6.69%符号:Fe3C或Cm。4.1铁碳合金中的基本相•奥氏体•铁素体•渗碳体•相图分析特征点,单相区,两相区,恒温转变水平线•七种平衡组织分析铁碳合金结晶过程及组织铁碳合金分类:碳钢:0.0218%<WC<2.11%的铁碳合金。亚共析钢:0.0218%<WC<0.77%的铁碳合金。共析钢:WC=0.77%的铁碳合金。过共析钢:0.77%<WC<2.11%的铁碳合金。铸铁:WC>2.11%的铁碳合金亚共晶白口铁:2.11%<WC<4.3%的铁碳合金。共晶白口铁:WC=4.3%的铁碳合金过共晶白口铁:4.3%<WC<6.69%的铁碳合金工业纯铁:WC<0.0218%的铁碳合金。1:工业纯铁2:共析钢3&4:碳钢5:共晶白口铁6:亚共晶白口铁7:过共晶白口铁600X4.4碳含量对钢(平衡态)的组织与性能的影响•经不同冶炼方法生产的工业用碳钢,其含碳量一般小于1.3%。•除少数以铸钢件直接使用外,绝大多数先浇注成钢锭,再经热轧成各种型材后供应。•经热轧后,作为机械零件与工具材料的优质碳钢,尚需经热、冷加工与热处理等制造工艺过程。•钢材的冶金质量及其加工工艺所产生的组织缺陷,均将成为影响性能的重要因素。•但是,在一般情况下,钢的化学成分及其含量乃是决定性能的最本质因素。•铁素体的力学性能近于纯铁,其各项指标大致为:抗拉强度sb=176~274MPa,屈服强度s0.2=98~166MPa,延伸率d=30%~50%,收缩率y=70%~80%,布氏硬度HB=50~80,冲击韧性Ak=1.5~2×102J。•铁素体具有低强度、硬度和高塑性、韧性的特性。•渗碳体具有脆而硬的特性,相当于布氏硬度HB=800,其它性能指标则由于脆性影响而难以测求。•共析钢的性能取决于珠光体组织的性能,即由铁素体与渗碳体两相含量的混合比及其片间距(弥散度)所决定。•珠光体的力学性能指标大致为:sb=980MPa,s0.2=588MPa,d=10%,y=12%~15%,HB=240。•珠光体的强化效果显然与层片相间分布的共析渗碳体的作用直接相关。•对于由铁素体和珠光体组成的亚共析钢,当含碳量增加时,由于珠光体组成量的增多,其强度、硬度随之提高,而塑性、韧性相应降低。•对于由珠光体和二次渗碳体组成的过共析钢,当含碳量超过0.77%之后,由于二次渗碳体的出现将进一步提高钢的强度、硬度,而塑性、韧性继续下降。•当含碳量高于1.0%之后,因二次渗碳体数量增多且呈连续网状分布,导致钢的脆性而引起抗拉强度sb明显降低,但表征局部表面抗压能力的硬度,却继续提高。4.5杂质元素对钢的组织与性能的影响1)硫•钢中的硫主要来自炼钢生铁原料与所加的矿石等。•固态下硫在铁中的溶解度极小,故钢中微量硫大都化合为FeS(熔点1190℃),并与g-Fe形成低熔点(989℃)的共晶体。•当钢锭结晶接近完成时,少量的共晶体呈网状分布分布于初晶g-Fe的晶界处。•含有FeS的钢高温热轧(如1150~1250℃开坯)时,低熔点共晶沿着晶界熔融,导致开裂。•若钢液脱氧不良,FeO含量较多时,将形成更低熔点的三元共晶(Fe+FeO+FeS),其热脆性更严重。•因此,钢中含硫量应严格控制。•例外:易削钢中硫、锰含量均较高,通过MnS对钢的塑性影响而有利于切屑的易断性,提高碳钢加工表面光洁度,减少刀具与工件表面的摩擦,延长刀具的使用寿命。2)磷•其来源主要与炼钢用原料有关。•磷在a-Fe中的溶解度很大,1049℃时可达2.55%P,而室温时仍可保持1%P左右,故通常钢中所含的微量磷均固溶于a-Fe,结晶过程中产生较严重的偏析。•但P产生的固溶强化效果较大。•但当含磷量较多时,随着强度、硬度的提南,其韧性明显降低。•特别是当钢中微量磷出现偏析情况下,将引起较大的
本文标题:金相培训-共晶相图
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