2.1 纯 金属的结晶
2.2 合金的结晶
2.3 金属的塑性加工
2.4 钢的热处理
2.5 钢的合金化
2.6 表面技术第 2章 金属材料的组织与性能控制
1,纯金属的结晶条件
2,纯金属的结晶过程
3,同素异构转变
4,细化铸态金属晶粒的措施
2.1 纯金属的结晶
1,纯金属的结晶条件晶体液体结晶,液体 --> 晶体凝固,液体 --> 固体（晶体 或 非晶体）
冷却曲线
t
T
T0
Tn
理论结晶温度开始结晶温度}?T
过冷度
T= T0 - Tn
纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度 （ 克服界面能）
冷却速度越大，则过冷度越大。
2,纯金属的结晶过程液态金属 形核 晶核长大 完全结晶形核 和 晶核长大 的过程
（ 1）形核过程两种形核方式 —— 自发形核 与 非自发形核自发形核由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。
非自发形核 —— 是依附于外来杂质上生成的晶核。
（ 2）晶核长大过程两种长大方式 —— 平面生长 与 树枝状生长 。
平面生长树枝状生长
3．同素异构转变金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。
纯铁的同素异构转变
-Fe,bcc-Fe,fcc-Fe,bcc
1394?C 912?C
-Fe,fcc
-Fe,bcc
912?C
纯铁的冷却曲线
T
t
1538
1394
912
}?-Fe,bcc
}?-Fe,bcc
}?-Fe,fcc
Cooling curve
770
铁磁性
4,细化铸态金属晶粒的措施晶粒度 —— 表示晶粒大小，分 8级 （ p111)。
晶粒度 1 2 3 4 5 6 7 8
单位面积晶粒数
（个 /mm2）
16 32 64 128 256 512 1024 2048
晶粒平均直径
（ μm ）
250 177 125 88 62 44 31 22
细晶强化 —— 晶粒细化使金属机械性能提高的现象比较,细晶强化 -->强度、硬度、塑性、韧性 ↑
固溶强化 -->强度、硬度 ↑,塑性、韧性 ↓
细化晶粒的措施
1,提高过冷度
2,变质处理
3,振动结晶
（ 1）提高过冷度形核率 N,长大速度 G 与 过冷度?T 的关系
T
G，
N
G
N
（ 2）变质处理在液体金属中加入 变质剂 (孕育剂 )，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。
变质剂的作用,作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。
（ 3）振动结晶振动的作用,使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。
——机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。
2.2.1,二元合金 的 结晶
2.2.2 合金 的 性能与相图的关系
2.2.3 铁碳合金的结晶
2.2 合金 的结晶
1．匀晶相图
2．共晶相图
3．包晶相图
4．共析相图
2.2.1 二元合金 的 结晶
1．匀晶相图相图 （平衡图、状态图）
平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。
Cu Ni
Ni%
T,?C
20 40 60 80 100
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1083
1455L
L+?
铜 -镍合金匀晶相图
Cu Ni
Ni%
T,?C
20 40 60 80 100
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1083
1455L
L+?
纯铜熔点纯镍熔点液相线固相线液相区固相区液固两相区匀晶合金的结晶过程
a
b
c
d
T,?C
t
L
L
L
匀晶转变 L
冷却曲线
Cu Ni
Ni%
T,?C
20 40 60 80 100
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1083
1455L
L+?
匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，
而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。
杠杆定律
Cu Ni
Ni%
T,?C
20 40 60 80 100
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1083
1455L
L+?
1
2a
c
b
a1 b1 c1 T1
T2
1,在两相区内，对应每一确定的温度，两相的成分是确定的。
2,随着温度的降低，
两相的成分分别沿液相线和固相线变化。
杠杆定律,在两相区内，对应每一确定的温度 T1,两相质量的比值是确定的。即
QL/Q?=b1c1/a1b1
杠杆定律推论,在两相区内，对应温度 T1
时两相在合金 b中的相对质量各为
QL/QH=b1c1/a1c1
Q?/QH=a1b1/a1c1
=1- QL/QH
例：求 30%Ni合金在 1280?时?相的相对量
Cu Ni
Ni%
T,?C
20 40 60 80 100
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1083
1455L
L+?
a
c
30
a1 b1 c1 1280?C
解：作成分线和温度线如图。
6618
根据杠杆定律推论,Q? / QH =
a1b1 /a1c1
=12/48=1/4
答：所求 合金在
1280?时?相的相对质量为 1/4。
2．共晶相图
Pb Sn
Sn%
T,?C
铅 -锡合金共晶相图液相线
L
固相线
+?
L +? L +固溶线
固溶线共晶转变分析
Pb Sn
T,?C
L
+?
L +? L +?
共晶反应线表示从 c点到 e点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。
c e
共晶点表示 d点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。
d
Ldc +?e
共晶反应要点
Pb Sn
T,?C
L
+?
L +? L +?183
c ed
共晶转变在恒温下进行。
转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。
存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。
成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。
X1合金结晶过程分析
c e
f g
X1
T,?C
t
L
L
L
L+?
冷却曲线
+?Ⅱ
Ⅱ
1
2
3
4{Pb Sn
T,?C
L
+?
L +? L +?183
d
X1合金结晶特点
T,?C
t
L
L
L
L+?
冷却曲线?
+?Ⅱ?
Ⅱ
1.没有共晶反应过程，
而是经过匀晶反应形成单相?固相。
2.要经过脱溶反应，
室温 组织组成物 为
+?Ⅱ
组织组成物组织中，由一定的相构成的，
具有一定形态特征的组成部分。
X2合金结晶过程分析
（ 共晶合金 ）
X2
T,?C
t
L
(?+?)
L
(?+?)
L
L?(?+?) 共晶体冷却曲线
(?+?)
Pb Sn
T,?C
L
+?
L +? L +?183
c ed
X3合金结晶过程分析
（ 亚共晶合金 ）
X3
T,?C
t
L
L+?
(?+?)+? +?Ⅱ
1
2 (?+?)+?
Pb Sn
T,?C
L
+?
L +? L +?183
c ed
L+(?+?)+?
标注了组织组成物的相图
3．包晶相图包晶转变,Ld +?ce
Pt Ag
Ag%
T,?C
铂 -银合金包晶相图
L
+?
L +?
L +?c e d
f g
T,?C
t
L
L +?
L +
+? Ⅱ
4,共析相图共析转变, (? +?) 共析体
A B
T,?C
+?
+ +?
c ed
L +?
L
2.2.2 相图与性能的关系
1,合金的使用性能与相图的关系
● 固溶体中溶质浓度 ↑ → 强度、硬度 ↑
● 组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。
2,合金的工艺性能与相图的关系
● 铸造性能液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶成分的合金），
则流动性好，不易形成分散缩孔。
● 锻造、轧制性能单相固溶体合金，
变形抗力小，变形均匀，
不易开裂。
1．铁碳相图
2．结晶过程
3．成分 -组织 -性能关系
4,Fe-Fe3C相图的应用
2.2.3 铁碳合金 的 结晶
1．铁碳相图 (Fe-Fe3C相图 )
(1) Fe-Fe3C相图的组元
● Fe —— α –Fe,δ -Fe (bcc) 和 γ -Fe (fcc)
强度、硬度低，韧性、塑性好。
● Fe3C —— 熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。
(2) Fe-Fe3C相图的相
● Fe3C （ Cem,Cm,渗碳体） —— 复杂晶体结构
● 液相 L
● δ 相 （高温铁素体 ） —— δ –Fe（ C） 固溶体
● γ 相（ A,奥氏体） —— γ -Fe（ C） 固溶体
● α 相 （ F,铁素体） —— α -Fe（ C） 固溶体
(3) 相图中重要的点和线液相线 ABCD
固相线 AHJECF
包晶线 HJB,包晶点 J
共晶线 ECF,共晶点 C
L4.3?(A2.11+Fe3C)
高温莱氏体,Le或 Ld
共析线 PSK,共析点 S
A0.77?(F0.02+Fe3C)
珠光体,P
ES线,C在 A中的固溶线
PQ线,C在 F中的固溶线
2．铁碳合金的平衡结晶过程
Fe-C 合金分类工业纯铁 —— C % ≤ 0.0218 %
钢 —— 0.0218 % ＜ C % ≤ 2.11 %
亚共析钢 ＜ 0.77 %
共析钢 ＝ 0.77 %
过共析钢 ＞ 0.77 %
白口铸铁 —— 2.11 % ＜ C % ＜ 6.69 %
亚共晶白口铁 ＜ 4.3 %
共晶白口铁 ＝ 4.3 %
过共晶白口铁 ＞ 4.3 %
类型 亚共析钢 共析钢 过共析钢钢号 20 45 60 T8 T10 T12
碳质量分数／％ 0.20 0.45 0.60 0.80 1.00 1.20
几种常见碳钢
(1)工业纯铁 ( C % ≤ 0.0218 % ) 结晶过程室温组织
F+Fe3CⅢ (微量 )
500×
(2)共析钢 ( C % = 0.77 % )结晶过程室温组织,层片状 P
(F+共析 Fe3C)
500×
P中各相的相对量：
Fe3C % = ( 0.77 – xF ) / ( 6.69 – xF )
≈ 0.77 / 6.69 = 12 %
F % ≈ 1 – 12 % = 88 %
珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于
Fe3C和 F之间。
(3)亚共析钢 ( C % = 0.4 % )结晶过程室温组织,
F+P,500×
各组织组成物的相对量：
P % = ( 0.4 – 0.0218 ) / ( 0.77 – 0.0218 )
≈ 51 %
F % ≈ 1 – 51 % = 49 %
各相的相对量：
Fe3C % ≈ 0.4 / 6.69 = 6 %
F % ≈ 1 – 6 % = 94 %
(4)过共析钢 ( C % = 1.2 % )结晶过程室温组织,
P+Fe3CII 400×
各组织组成物的相对量：
Fe3CII % = ( 1.2 – 0.77 ) / ( 6.69 – 0.77 )
≈ 7 %
P % ≈ 1 – 7 % = 93 %
各相的相对量：
Fe3CII % ≈ 1.2 / 6.69 = 18 %
F % ≈ 1 – 18 % = 82 %
(5)共晶白口铁 ( C % = 4.3 % )结晶过程室温组织,（低温） 莱氏体 Le′
（ P+Fe3CII +共晶 Fe3C）,500×
莱氏体 Le′ 的性能,硬而脆
(６ )亚共晶白口铁 ( C % = 3 % )结晶过程室温组织,
Le′ + P+Fe3CII
200×
(６ )过共晶白口铁 ( C % = 3 % )结晶过程室温组织,
Le′ + Fe3CI
500×
标注了组织组成物的相图
3．铁碳合金的成分 -组织 -性能关系含碳量与相的相对量关系,
C%↑→F %↓,Fe3C%↑
含碳量与组织关系：
图（ a） 和（ b）
含碳量与性能关系
HB,取决于相及相对量强度,C%=0.9% 时最大塑性、韧性：随 C%↑ 而 ↓
4．铁碳相图的应用钢铁选材,相图?性能?用途局限性相图反映的是平衡状态，与实际情况有较大差异。
铸件选材和确定浇注温度确定锻造温度 (在 A区）
制定热处理工艺复习 —— 相 与 组织相,有一定的 化学成分 和 晶体结构 的均匀组成部分。
合金中有两类基本相 —— 固溶体 和 化合物组织,材料内部的微观形貌，体现相的形态、数量、大小和分布。
金属材料性能由组织决定，
而组织由化学成分和工艺过程决定。
过共析钢 x400
小结重点要求一般要求
2,匀晶相图的分析方法。
2,杠杆定律及其应用。
3,合金相图与性能的关系。
1,过冷度的概念，晶粒度的影响因素。
1,同素异构转变。
3,F,A,Cm,P,Le′ 的组织和性能特点。
4,Fe-Fe3C相图中共晶、共析区域分析。
5,铁碳合金的成分、组织与性能之间的关系。
思考题
1,为什么要生产合金？与纯金属相比，合金有哪些优越性？
2,固溶体中，溶质元素含量增加时，其晶体结构和性能会发生什么变化？
3,试比较共晶反应和共析反应的异同点。
4,为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金，而压力加工的合金常选用单相固溶体成分的合金?
作 业 2
P 9 ~ 13 week4,Sep 21
2,1),2),4),11)
3,1),2),5)
4,1),2),6),7)
5,3),4)
作 业 2a P 9 ~ 13 week5,Sep 28
2,13)
3,12),13)
4,8),9)
5,6)
作 业 2b P 9 ~ 13 week7,Oct 12
2,14) ~ 17)
3,14) ~ 17)
4,10) ~ 13)
作业 1 参考答案 P 3
2,1) 同非金属相比，金属的主要特性是
2) 晶体与非晶体结构上的最根本的区别是
4)?-Fe的一个 晶胞原子数为
3,1)晶体中的位错属于：
a,体缺陷 b,面缺陷 c,线缺陷 d,点缺陷
( P7 ) ① 热和电的良导体
② 正的电阻温度系数
③ 不透明、有金属光泽
④ 塑性高、强韧性好晶体内原子排列是有规则、周期性的。
4
√
作业 1 参考答案 P 4
4,2)?-Fe,Al,Cu,Ni,V,Mg,Zn的晶体结构
① 体心立方,?-Fe,V
② 面心立方,Al,Cu,Ni
③ 密排六方,Mg,Zn
6) 实际金属晶体中存在：
a,点缺陷：
点、线、面缺陷，引起晶格畸变。
b,面缺陷：
c,线缺陷（位错）：
7) 固溶强化,
固溶强化原因,
8) 间隙固溶体：
形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象溶质 原子引起晶格畸变，使变形抗力增加。
间隙相：
晶格类型与溶剂相同晶格类型与任一组元都不相同使电阻率和强度增加。
使塑性、强度增加。
在冷变形时，使强度增加、塑性降低。
作业 2 参考答案 P 9-10
2,1) 结晶过程是依靠两个密切联系的基本过程来实现的，它们是：
2) 当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是形核 和 晶核长大
4) 过冷度是指为,
增加晶核数量，或阻碍晶粒长大。
理论结晶温度 - 开始结晶温度其表示符号为,?T
11) 固溶体的强度和硬度比溶剂,高
3,1) 凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。（ ）No
2) 室温下，金属晶粒越细，则强度越高、塑性越低。（ ）No
5) 晶粒度级数数值越大，晶粒越细。（ ）Yes
6) 固溶体的晶体结构,
a,与溶剂相同 b,与溶质相同 c,为其它晶格类型
7) 间隙相的性能特点是：
a,熔点高、硬度低 b,硬度高、熔点低 c,硬度高、熔点高
2) 为细化晶粒，可采用：
a,快速浇注 b,加 变质剂 c,以砂型代金属型
4,1) 金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将,
a,越高 b,越低 c,越接近理论结晶温度作业 2 参考答案 P 11-13
√
√
√
√
a,提高过冷度 b,变质处理 c,振动结晶
4) 如果其他条件相同，试比较下列铸造条件下铸件晶粒的大小,
(1) 金属型与砂型浇注 (2) 变质处理与不变质处理
(3) 铸成薄件与厚件 (4) 浇注时振动与不振动
5,3) 在实际应用中，细晶粒 金属材料往往具有较好的常温力学性能，
细化晶粒提高金属材料使用性能的措施有哪些？
< <
< <
4,8) 在发生 L?(?+?)共晶反应 时，三相的成分,
a,相同 b,确定 c,不定
9) 共析成分的合金在共析反应 γ?(?+?)刚结束 时，其组成相为：
a,γ +?+? b,?+? c,(?+?)
作业 2a 参考答案 P 9-12
2,13)共晶反应式为：
共晶反应的特点是：
L?(? +?)
在恒温下进行
3,12) 平衡结晶获得的质量分数为 20%Ni的 Cu-Ni合金比质量分数为 40%Ni的 Cu-Ni合金的硬度和强度要高。（ ）No
13) 一个合金的室温组织为?+?Ⅱ + (? +?)，
它由三相组成 。（ ）No
√
√
作业 2a 参考答案 P 13
(1)两相的化学成分：
5,6) 将 20kg纯铜和 30kg纯镍熔化后慢冷至 T1温度,此时：
wL(Ni)= 50%
wα (Ni)= 80%
(2)两相的质量比：
QL/Qα =(80-60)/(60-50)=2
(3)各相的质量分数：
w(L)=2/(2+1)=2/3
w(α )=1/3
(4)各相的质量：
QL= 50× 2/3 = 33.3（ kg)
Qα = 50-33.3 = 16.7（ kg)
w(Ni)=30/(20+30)=60%
of 2.1 & 2.2
2.2 合金的结晶
2.3 金属的塑性加工
2.4 钢的热处理
2.5 钢的合金化
2.6 表面技术第 2章 金属材料的组织与性能控制
1,纯金属的结晶条件
2,纯金属的结晶过程
3,同素异构转变
4,细化铸态金属晶粒的措施
2.1 纯金属的结晶
1,纯金属的结晶条件晶体液体结晶,液体 --> 晶体凝固,液体 --> 固体（晶体 或 非晶体）
冷却曲线
t
T
T0
Tn
理论结晶温度开始结晶温度}?T
过冷度
T= T0 - Tn
纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度 （ 克服界面能）
冷却速度越大，则过冷度越大。
2,纯金属的结晶过程液态金属 形核 晶核长大 完全结晶形核 和 晶核长大 的过程
（ 1）形核过程两种形核方式 —— 自发形核 与 非自发形核自发形核由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。
非自发形核 —— 是依附于外来杂质上生成的晶核。
（ 2）晶核长大过程两种长大方式 —— 平面生长 与 树枝状生长 。
平面生长树枝状生长
3．同素异构转变金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。
纯铁的同素异构转变
-Fe,bcc-Fe,fcc-Fe,bcc
1394?C 912?C
-Fe,fcc
-Fe,bcc
912?C
纯铁的冷却曲线
T
t
1538
1394
912
}?-Fe,bcc
}?-Fe,bcc
}?-Fe,fcc
Cooling curve
770
铁磁性
4,细化铸态金属晶粒的措施晶粒度 —— 表示晶粒大小，分 8级 （ p111)。
晶粒度 1 2 3 4 5 6 7 8
单位面积晶粒数
（个 /mm2）
16 32 64 128 256 512 1024 2048
晶粒平均直径
（ μm ）
250 177 125 88 62 44 31 22
细晶强化 —— 晶粒细化使金属机械性能提高的现象比较,细晶强化 -->强度、硬度、塑性、韧性 ↑
固溶强化 -->强度、硬度 ↑,塑性、韧性 ↓
细化晶粒的措施
1,提高过冷度
2,变质处理
3,振动结晶
（ 1）提高过冷度形核率 N,长大速度 G 与 过冷度?T 的关系
T
G，
N
G
N
（ 2）变质处理在液体金属中加入 变质剂 (孕育剂 )，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。
变质剂的作用,作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。
（ 3）振动结晶振动的作用,使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。
——机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。
2.2.1,二元合金 的 结晶
2.2.2 合金 的 性能与相图的关系
2.2.3 铁碳合金的结晶
2.2 合金 的结晶
1．匀晶相图
2．共晶相图
3．包晶相图
4．共析相图
2.2.1 二元合金 的 结晶
1．匀晶相图相图 （平衡图、状态图）
平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。
Cu Ni
Ni%
T,?C
20 40 60 80 100
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1083
1455L
L+?
铜 -镍合金匀晶相图
Cu Ni
Ni%
T,?C
20 40 60 80 100
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1083
1455L
L+?
纯铜熔点纯镍熔点液相线固相线液相区固相区液固两相区匀晶合金的结晶过程
a
b
c
d
T,?C
t
L
L
L
匀晶转变 L
冷却曲线
Cu Ni
Ni%
T,?C
20 40 60 80 100
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1083
1455L
L+?
匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，
而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。
杠杆定律
Cu Ni
Ni%
T,?C
20 40 60 80 100
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1083
1455L
L+?
1
2a
c
b
a1 b1 c1 T1
T2
1,在两相区内，对应每一确定的温度，两相的成分是确定的。
2,随着温度的降低，
两相的成分分别沿液相线和固相线变化。
杠杆定律,在两相区内，对应每一确定的温度 T1,两相质量的比值是确定的。即
QL/Q?=b1c1/a1b1
杠杆定律推论,在两相区内，对应温度 T1
时两相在合金 b中的相对质量各为
QL/QH=b1c1/a1c1
Q?/QH=a1b1/a1c1
=1- QL/QH
例：求 30%Ni合金在 1280?时?相的相对量
Cu Ni
Ni%
T,?C
20 40 60 80 100
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1083
1455L
L+?
a
c
30
a1 b1 c1 1280?C
解：作成分线和温度线如图。
6618
根据杠杆定律推论,Q? / QH =
a1b1 /a1c1
=12/48=1/4
答：所求 合金在
1280?时?相的相对质量为 1/4。
2．共晶相图
Pb Sn
Sn%
T,?C
铅 -锡合金共晶相图液相线
L
固相线
+?
L +? L +固溶线
固溶线共晶转变分析
Pb Sn
T,?C
L
+?
L +? L +?
共晶反应线表示从 c点到 e点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。
c e
共晶点表示 d点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。
d
Ldc +?e
共晶反应要点
Pb Sn
T,?C
L
+?
L +? L +?183
c ed
共晶转变在恒温下进行。
转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。
存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。
成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。
X1合金结晶过程分析
c e
f g
X1
T,?C
t
L
L
L
L+?
冷却曲线
+?Ⅱ
Ⅱ
1
2
3
4{Pb Sn
T,?C
L
+?
L +? L +?183
d
X1合金结晶特点
T,?C
t
L
L
L
L+?
冷却曲线?
+?Ⅱ?
Ⅱ
1.没有共晶反应过程，
而是经过匀晶反应形成单相?固相。
2.要经过脱溶反应，
室温 组织组成物 为
+?Ⅱ
组织组成物组织中，由一定的相构成的，
具有一定形态特征的组成部分。
X2合金结晶过程分析
（ 共晶合金 ）
X2
T,?C
t
L
(?+?)
L
(?+?)
L
L?(?+?) 共晶体冷却曲线
(?+?)
Pb Sn
T,?C
L
+?
L +? L +?183
c ed
X3合金结晶过程分析
（ 亚共晶合金 ）
X3
T,?C
t
L
L+?
(?+?)+? +?Ⅱ
1
2 (?+?)+?
Pb Sn
T,?C
L
+?
L +? L +?183
c ed
L+(?+?)+?
标注了组织组成物的相图
3．包晶相图包晶转变,Ld +?ce
Pt Ag
Ag%
T,?C
铂 -银合金包晶相图
L
+?
L +?
L +?c e d
f g
T,?C
t
L
L +?
L +
+? Ⅱ
4,共析相图共析转变, (? +?) 共析体
A B
T,?C
+?
+ +?
c ed
L +?
L
2.2.2 相图与性能的关系
1,合金的使用性能与相图的关系
● 固溶体中溶质浓度 ↑ → 强度、硬度 ↑
● 组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。
2,合金的工艺性能与相图的关系
● 铸造性能液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶成分的合金），
则流动性好，不易形成分散缩孔。
● 锻造、轧制性能单相固溶体合金，
变形抗力小，变形均匀，
不易开裂。
1．铁碳相图
2．结晶过程
3．成分 -组织 -性能关系
4,Fe-Fe3C相图的应用
2.2.3 铁碳合金 的 结晶
1．铁碳相图 (Fe-Fe3C相图 )
(1) Fe-Fe3C相图的组元
● Fe —— α –Fe,δ -Fe (bcc) 和 γ -Fe (fcc)
强度、硬度低，韧性、塑性好。
● Fe3C —— 熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。
(2) Fe-Fe3C相图的相
● Fe3C （ Cem,Cm,渗碳体） —— 复杂晶体结构
● 液相 L
● δ 相 （高温铁素体 ） —— δ –Fe（ C） 固溶体
● γ 相（ A,奥氏体） —— γ -Fe（ C） 固溶体
● α 相 （ F,铁素体） —— α -Fe（ C） 固溶体
(3) 相图中重要的点和线液相线 ABCD
固相线 AHJECF
包晶线 HJB,包晶点 J
共晶线 ECF,共晶点 C
L4.3?(A2.11+Fe3C)
高温莱氏体,Le或 Ld
共析线 PSK,共析点 S
A0.77?(F0.02+Fe3C)
珠光体,P
ES线,C在 A中的固溶线
PQ线,C在 F中的固溶线
2．铁碳合金的平衡结晶过程
Fe-C 合金分类工业纯铁 —— C % ≤ 0.0218 %
钢 —— 0.0218 % ＜ C % ≤ 2.11 %
亚共析钢 ＜ 0.77 %
共析钢 ＝ 0.77 %
过共析钢 ＞ 0.77 %
白口铸铁 —— 2.11 % ＜ C % ＜ 6.69 %
亚共晶白口铁 ＜ 4.3 %
共晶白口铁 ＝ 4.3 %
过共晶白口铁 ＞ 4.3 %
类型 亚共析钢 共析钢 过共析钢钢号 20 45 60 T8 T10 T12
碳质量分数／％ 0.20 0.45 0.60 0.80 1.00 1.20
几种常见碳钢
(1)工业纯铁 ( C % ≤ 0.0218 % ) 结晶过程室温组织
F+Fe3CⅢ (微量 )
500×
(2)共析钢 ( C % = 0.77 % )结晶过程室温组织,层片状 P
(F+共析 Fe3C)
500×
P中各相的相对量：
Fe3C % = ( 0.77 – xF ) / ( 6.69 – xF )
≈ 0.77 / 6.69 = 12 %
F % ≈ 1 – 12 % = 88 %
珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于
Fe3C和 F之间。
(3)亚共析钢 ( C % = 0.4 % )结晶过程室温组织,
F+P,500×
各组织组成物的相对量：
P % = ( 0.4 – 0.0218 ) / ( 0.77 – 0.0218 )
≈ 51 %
F % ≈ 1 – 51 % = 49 %
各相的相对量：
Fe3C % ≈ 0.4 / 6.69 = 6 %
F % ≈ 1 – 6 % = 94 %
(4)过共析钢 ( C % = 1.2 % )结晶过程室温组织,
P+Fe3CII 400×
各组织组成物的相对量：
Fe3CII % = ( 1.2 – 0.77 ) / ( 6.69 – 0.77 )
≈ 7 %
P % ≈ 1 – 7 % = 93 %
各相的相对量：
Fe3CII % ≈ 1.2 / 6.69 = 18 %
F % ≈ 1 – 18 % = 82 %
(5)共晶白口铁 ( C % = 4.3 % )结晶过程室温组织,（低温） 莱氏体 Le′
（ P+Fe3CII +共晶 Fe3C）,500×
莱氏体 Le′ 的性能,硬而脆
(６ )亚共晶白口铁 ( C % = 3 % )结晶过程室温组织,
Le′ + P+Fe3CII
200×
(６ )过共晶白口铁 ( C % = 3 % )结晶过程室温组织,
Le′ + Fe3CI
500×
标注了组织组成物的相图
3．铁碳合金的成分 -组织 -性能关系含碳量与相的相对量关系,
C%↑→F %↓,Fe3C%↑
含碳量与组织关系：
图（ a） 和（ b）
含碳量与性能关系
HB,取决于相及相对量强度,C%=0.9% 时最大塑性、韧性：随 C%↑ 而 ↓
4．铁碳相图的应用钢铁选材,相图?性能?用途局限性相图反映的是平衡状态，与实际情况有较大差异。
铸件选材和确定浇注温度确定锻造温度 (在 A区）
制定热处理工艺复习 —— 相 与 组织相,有一定的 化学成分 和 晶体结构 的均匀组成部分。
合金中有两类基本相 —— 固溶体 和 化合物组织,材料内部的微观形貌，体现相的形态、数量、大小和分布。
金属材料性能由组织决定，
而组织由化学成分和工艺过程决定。
过共析钢 x400
小结重点要求一般要求
2,匀晶相图的分析方法。
2,杠杆定律及其应用。
3,合金相图与性能的关系。
1,过冷度的概念，晶粒度的影响因素。
1,同素异构转变。
3,F,A,Cm,P,Le′ 的组织和性能特点。
4,Fe-Fe3C相图中共晶、共析区域分析。
5,铁碳合金的成分、组织与性能之间的关系。
思考题
1,为什么要生产合金？与纯金属相比，合金有哪些优越性？
2,固溶体中，溶质元素含量增加时，其晶体结构和性能会发生什么变化？
3,试比较共晶反应和共析反应的异同点。
4,为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金，而压力加工的合金常选用单相固溶体成分的合金?
作 业 2
P 9 ~ 13 week4,Sep 21
2,1),2),4),11)
3,1),2),5)
4,1),2),6),7)
5,3),4)
作 业 2a P 9 ~ 13 week5,Sep 28
2,13)
3,12),13)
4,8),9)
5,6)
作 业 2b P 9 ~ 13 week7,Oct 12
2,14) ~ 17)
3,14) ~ 17)
4,10) ~ 13)
作业 1 参考答案 P 3
2,1) 同非金属相比，金属的主要特性是
2) 晶体与非晶体结构上的最根本的区别是
4)?-Fe的一个 晶胞原子数为
3,1)晶体中的位错属于：
a,体缺陷 b,面缺陷 c,线缺陷 d,点缺陷
( P7 ) ① 热和电的良导体
② 正的电阻温度系数
③ 不透明、有金属光泽
④ 塑性高、强韧性好晶体内原子排列是有规则、周期性的。
4
√
作业 1 参考答案 P 4
4,2)?-Fe,Al,Cu,Ni,V,Mg,Zn的晶体结构
① 体心立方,?-Fe,V
② 面心立方,Al,Cu,Ni
③ 密排六方,Mg,Zn
6) 实际金属晶体中存在：
a,点缺陷：
点、线、面缺陷，引起晶格畸变。
b,面缺陷：
c,线缺陷（位错）：
7) 固溶强化,
固溶强化原因,
8) 间隙固溶体：
形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象溶质 原子引起晶格畸变，使变形抗力增加。
间隙相：
晶格类型与溶剂相同晶格类型与任一组元都不相同使电阻率和强度增加。
使塑性、强度增加。
在冷变形时，使强度增加、塑性降低。
作业 2 参考答案 P 9-10
2,1) 结晶过程是依靠两个密切联系的基本过程来实现的，它们是：
2) 当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是形核 和 晶核长大
4) 过冷度是指为,
增加晶核数量，或阻碍晶粒长大。
理论结晶温度 - 开始结晶温度其表示符号为,?T
11) 固溶体的强度和硬度比溶剂,高
3,1) 凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。（ ）No
2) 室温下，金属晶粒越细，则强度越高、塑性越低。（ ）No
5) 晶粒度级数数值越大，晶粒越细。（ ）Yes
6) 固溶体的晶体结构,
a,与溶剂相同 b,与溶质相同 c,为其它晶格类型
7) 间隙相的性能特点是：
a,熔点高、硬度低 b,硬度高、熔点低 c,硬度高、熔点高
2) 为细化晶粒，可采用：
a,快速浇注 b,加 变质剂 c,以砂型代金属型
4,1) 金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将,
a,越高 b,越低 c,越接近理论结晶温度作业 2 参考答案 P 11-13
√
√
√
√
a,提高过冷度 b,变质处理 c,振动结晶
4) 如果其他条件相同，试比较下列铸造条件下铸件晶粒的大小,
(1) 金属型与砂型浇注 (2) 变质处理与不变质处理
(3) 铸成薄件与厚件 (4) 浇注时振动与不振动
5,3) 在实际应用中，细晶粒 金属材料往往具有较好的常温力学性能，
细化晶粒提高金属材料使用性能的措施有哪些？
< <
< <
4,8) 在发生 L?(?+?)共晶反应 时，三相的成分,
a,相同 b,确定 c,不定
9) 共析成分的合金在共析反应 γ?(?+?)刚结束 时，其组成相为：
a,γ +?+? b,?+? c,(?+?)
作业 2a 参考答案 P 9-12
2,13)共晶反应式为：
共晶反应的特点是：
L?(? +?)
在恒温下进行
3,12) 平衡结晶获得的质量分数为 20%Ni的 Cu-Ni合金比质量分数为 40%Ni的 Cu-Ni合金的硬度和强度要高。（ ）No
13) 一个合金的室温组织为?+?Ⅱ + (? +?)，
它由三相组成 。（ ）No
√
√
作业 2a 参考答案 P 13
(1)两相的化学成分：
5,6) 将 20kg纯铜和 30kg纯镍熔化后慢冷至 T1温度,此时：
wL(Ni)= 50%
wα (Ni)= 80%
(2)两相的质量比：
QL/Qα =(80-60)/(60-50)=2
(3)各相的质量分数：
w(L)=2/(2+1)=2/3
w(α )=1/3
(4)各相的质量：
QL= 50× 2/3 = 33.3（ kg)
Qα = 50-33.3 = 16.7（ kg)
w(Ni)=30/(20+30)=60%
of 2.1 & 2.2
