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材料科学 基础 课件
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导论 一、材料科学的重要地位 一、材料科学的重要地位 七个时代造就材料辉煌 石器时代 青铜器时代 铁器时代 水泥时代 钢时代 硅时代 新材料时代 返回现在多数发达国家已经认识到材料研究是 至关重要的 现在很多着名的材料科学专家都在预测未 来材料科学的发展前景,但都不能清楚地描绘 新材料时代的具体图像,更不能明确地说明新 材料应用于生产时,将给社会生活和经济生活 带来何等程度的变化。 新材料的开发与应用,对人类社会的文明 与经济的发展,有着不可估量的作用二、各种材料概况 二、各种材料概况 ●按属性分 金属材料(钢铁材料、有色金属) 陶瓷材料 (工程陶瓷、结构陶瓷) 高分子材料(塑料、合成纤维、橡胶) ●按使用性能分 结构材料 功能材料 ●材料在工业中的应用: ? 汽车中各种材料的比例 ? 波音767飞机所用的各种材料比例 ? 航天飞机上的先进结构陶瓷返回★从材料的内部结构,可分为四个层次: 结合键 结合键 原子结构 原子结构 显微组织 显微组织 ★材料的五要素 go go 三、材料性能与内部结构的关系 三、材料性能与内部结构的关系 原子排列方式★材料的四要素环境[e(enviroment)] 、结构[S(Structure)] 、性能 [P(Property)], 从哲学角度考虑,e 及S 分别是事物 变化的外因及内因,P 是变化的结果。从这三个 基础概念,可总结出两个基本方程: P = f(e,S) ? ? ? ?S = {E,R} E—— 事物(或系统)内组元(Element )的集 合 R—— 组元间关系(Relationship )的集合 ★微观材料学中的三个基础概念四、材料科学与工程 四、材料科学与工程 “ 材料学的体系” 及“ 材料的应用与发展” 1 引论 10 展望 9 系统 8 科研 6 经济 7 选用 宏观材料学 材料学 2 失效 3 性能 4 结构 5 工艺 微观材料学 材料按空间尺度从大到小有:宇观→宏观→细观→微 观→介观● 材料科学 ——研究各种材料的结构、 制备加工工艺与性能之间关系的科学 ● 材料工程——目的在于 经济地而又能 为社会所能接受地控制材料地结构、性能 和形状 ● 宏观材料学(Micro-Materialogy )— —着眼于从整体上分析材料问题。即以材 料的整体作为研究对象——系统, 考虑它与 环境(自然的及社会的)之间的交互作用; 上页 下页分析在环境的作用下, 材料内部宏观组元 (各类材料、各种材料)的自组织问题。 微观材料学(Macro-Materialogy )—— 着眼于材料在自然环境(力、热、电、 磁、光、化学等)作用下所表现出来的各 种 行为(即性能), 以及这些行为与材料 内部结构之间的关系。 “ 行为”—— 材料的性能, 用于表征材料在 给定外界条件下的行为。 上页 下页★材料的五要素 ★材料的五要素 性质 受环境影响 (气氛温度受力状态) 组织 结构 效能 (使用性能) 合成/制备 成分 理论及 材料与工艺设计 返回返回本章首页 激情时刻 返回目录第一章 材料结构的基本知识 第一节 原子结构 第二节 原子结合键 第三节 原子排列方式 第四节 晶体材料的组织 第五节 材料的稳态结 构与亚稳态结构不同的材料具有不同的性能,同 一材料经过加工也会有不同的性能, 这些都归结与内部的结构不同。 结构大致可分为四个层次:原子 结构、原子结合键、材料中原子的排 列以及晶体材料的显微组织。 返回 下页 概述第一节 原子结构 一、原子的电子排列 ——可看成是原子核及分布在核 周围的电子组成。 原子 原子核 ——中子和质子组成,核的体 积很小,集中了原子的绝大部 分质量。电子 ——绕着原子核在一定的轨道 上旋转质量虽可忽略,但电子 的分部却是原子结构中最重要 的问题,它不仅决定单个原子 的行为,也对工程材料内部原 子的结合及某些性能起着决定 性作用。电子运动的轨道: 由四个量子数决定,分别是主量子 数、次量子数、磁量子数及自旋量子 数。 主量子数——决定电子离核远近和能量 高低的主要参数。 次量子数——量子轨道并不一定总是球 形的,次量子数反映了轨道的形状,各 轨道在原子核周围的角度分布不同。它 也影响轨道的能级,按s 、p 、d 、f 依次 升高。磁量子数——确定了轨道的空间取 向,以m 表示。没有外磁场时,处于同 一亚壳层而空间取向不同的电子具有 相同的能量,但在外加磁场下,不同 空间取向轨道的能量会略有所差别。 自旋量子数——m s =+1/2 ,–1/2 ,表示 在每个状态下可以存在自旋方向相反 的两个电子。主量子数 壳层序号 次量子数 亚壳层状 态 磁量子数 规第的状 态数目 考虑自旋 量子数后 的状态数目 各壳层 总电子数 1 2 3 4 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 1 1 3 1 3 5 1 3 5 7 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2(=2 ×1 2 ) 8(=2 ×2 2 ) 18(=2 ×3 2 ) 32(=2 ×4 2 )原子核外电子的分部与四个量子数 有关,且服从下述两个基本原理: (1 )泡利不相容原理 一个原子中不 可能存在有四个量子数完全相同的两个 电子。 (2 )最低能量原理 电子总是优先占 据能量低的轨道,使系统处于最低的能 量状态。二、元素周期表及性能的周期性变化 原子周期律——早在1869 年,俄国化 学家已发现了元素性质是按原子相对 质量的增加而程周期性的变化。这正 是由于原子核外电子的排列是随原子 序数的增加呈周期性变化。 族——周期表上竖的各列。同一族元 素具有相同的外壳层电子数,同一族 元素具有非常相似的化学性能。过渡元素——周期表中部的ⅢB~ ⅧB 对 应着内壳层电子逐渐填充的过程,把这 些内壳层未填满的元素称过渡元素。 总结 各个元素所表现的行为或性质一定 会呈现同样的周期性变化,因为原子结 构从根本上决定了原子间的结合键,从 而影响元素的性质。 返回第二节 原子结合键 键的形成——在凝聚状态下,原子间距 离十分接近,便产生了原子间的作用 力,使原子结合在一起,就形成了键。 键分为一次键和二次键: 一次键——结合力较强,包括离子键、 共价键和金属键。 二次键——结合力较弱,包括范德瓦耳 斯键和氢键。一、一次键 离子键——当两类原子结合时,金属原 子的外层电子很可能转移到非金属原子 外壳层上,使两者都得到稳定的电子结 构,从而降低体系的能量,此时金属原 子和非金属原子分别形成正离子和负离 子,正负离子间相互吸引,使原子结合 在一起,这就是离子键。(如NaCl )共价键——价电子数为4 或5 个的ⅣA 、 ⅤA 族元素,离子化比较困难,在这种 情况下,相邻原子间可以共同组成一个 新的电子轨道,由两个原子中各有一个 电子共用,利用共享电子对来达到温定 的电子结构。这就是共价键。 金属键——金属原子很容易失去外壳层 电子而具有稳定的电子壳层,形成带正 电的阳离子,由正离子和自由电子之间的相互吸引而结合起来的称金属键。 二、二次键 1、范德瓦耳斯键 当原子和分子相互靠近时,一个原 子的偶极矩将会影响另一个原子的电子 分布,电子密度在靠近第一个原子的正 电荷处更高些,这样使两个原子相互静 电吸引,体系就处于较低的能量状态。极化分子 间的作用力 正电中心 负电 中心 原子核 电子云 a) 原子核 电子云 + – b) c) a) 理论的电子云分布 b) 原子偶极矩的产生 c) 原子(或分 子)间的范德瓦耳斯键结合2、氢键 氢键的本质与范德瓦耳斯键一 样,只是氢原子起了关键作用。氢原 子只有一个电子,当氢原子与一个电 负性很强的原子X 结合成分子时,氢原 子的一个电子转移至该原子壳层上; 分子的氢离子侧实质上是一个裸露的 质子,对另个电负性较大的原子Y 表现 出较强的吸引力,这样,氢原子便在 两个电负性很强的原子之间形成一个桥梁,把 两者结合起来,形成氢键。所以氢键可 表达为: X–H——Y 三、混合键 实际材料中单一结合键并不多,大 部分材料的内部原子结合键往往是各种 键的混合。例如: (1 )ⅣA 族的Si 、Ge 、Sn 元素的结合是共价键与金属键的混合。 (2 )陶瓷化合物中出现离子键与共价键 混合的情况。 四、结合键的本质与原子间距 固体原子中存在两种力:吸引力 和排斥力。它们随原子间距的增大而 减小。当距离很远时,排斥力很小, 只有当原子间接近至电子轨道互相重叠时斥力才明显增大,并超过了吸引 力。在某一距离下引力和斥力相等,这 一距离r 0 相当于原子的平衡距离,称原子 间距。 力(F )核能量(E )之间的转换关 系: F= E= ? ∫ Fd χ dE d χ ∞ 0五、结合键与性能 1、物理性能 (1 )熔点的高低代表了材料稳定性的 程度。共价键、离子键化合物的熔点很 高这是陶瓷材料比金属材料具有更高热 稳定性的根本原因。二次键结合的材料 熔点一定偏低,如聚合物等。 (2 )材料的密度与结合键类型有关。 金属有高的密度,陶瓷材料的密度很 低。聚合物由于其是二次键结合密度最低。 (3 )金属键使金属材料具有良好的导 电性和导热性,而由非金属键结合色陶 瓷、聚合物均在固态下不导电。 2、力学性能 结合键是影响弹性模量的主要因 素。结合键能越大,弹性模量越大,材 料的强度越大。 返回第三节 原子排列方式 一、晶体与非晶体 晶体中原子的排列是有序的,即原 子按某种特定方式在三维空间内呈周期 性规则重复排列。而非晶体内部原子的 排列是无序的。这种排列上的差异造成 性能上的不同: 各向异性——晶体由于其空间不同方向 上的原子排列不同,沿着不同方向上所测得的性能数据亦不同这种性质称晶体 的各向异性。 各向同性——非晶体在各个方向上的原 子排列可视为相同,沿任何方向测得的 性能是一致的,表现为各向同性。 从液态到非晶态固体是一个渐变过 程,既无确定的熔点,又无体积的突 变。这说明非晶态转变只不过是液态的 简单冷却过程,随温度的下降,液态的 粘度越来越高,当其流动性完全消失时 则称固相。 液体向晶体的转变还具有结构 转变,这一原子重排过程是通过在 液体中不断形成有序排列的小晶核 及晶核的逐渐生长实现的。第四节 晶体材料的组织 材料的组织——指各种晶粒的组合特 征,即各种晶粒的相对量、尺寸大小、 形状及分布等特征。 一、组织的显示与观察 宏观组织——粗大的组织用肉眼即能观 察到。 显微组织——用金相显微镜或电子显微 镜观察到的组织。二、单相组织 ——具有单一相的组织,即 所有晶粒的组成相同,晶粒 结构也相同。 ——溶液中各处的成分与结 构相同,是单一的相,在固 体状态时称为固溶体。 单相组织 固溶体描述单相组织特征的主要有晶粒 尺寸与形状。 (1 )晶粒尺寸对材料性能有重要影 响,细化晶粒可提高材料的强度,还 改善材料的塑性和韧性。 (2 )晶粒的形状取决于各个核心的生 长条件。 等轴晶:若每个核心在各个方向上的 生长条件接近,最终得到的晶粒在空间三维方向上尺度相当。 柱状晶:若在特定的条件下,空间某一 方向的生长条件明显优于其它二维方 向,最终得到拉长的晶粒形状。(图1- 16) 三、多相组织 (图1-17 )是两相合金的一种 典型组织,两个相的晶粒尺度相 当,两种晶粒各自成为等轴状,两者均匀的 交替分布,此时合金的力学性能取决于 两个相或两种组织组成物的相对量及各 自的性能。以强度为例,材料的强度σ 应等于: σ=σ 1 φ 1 +σ 2 φ 2 σ1 、σ2 为两个相的强度值; φ1 、φ2 为两个相的体积分数。弥散强化——组织中两个相的晶粒尺 度相差甚远,尺寸较细的相以球状、 点状、片状或针状等形态弥散地分布 于另一相的基体内(图1-17b )。大幅 度地提高材料的强度。 第二相在基体相的晶界上分布是 一种常见的组织特征(图1-17c)。 返回第五节 材料的稳态结构与亚稳态结构 ——同一材料在不同条件下可 以得到不同的结构,其中能量 最低的结构称稳态结构。 稳态结构 亚稳态结构 ——能量相对较高的结构 则称亚稳态结构结构转变的热力学条件:结构形 成时必须沿着能量降低的方向进行。 热力学第二定律对这种自发过程 的叙述为:只有那些使体系自由能A 减 小的过程才能自发进行,可表示为: 等温等容 ΔA ?T 、V 尺寸因素 溶质原子半径与溶剂 原子半径之差越大,一个溶质原子引起 的点阵畸变能就越大,溶质原子能溶入 溶剂中的数量就越少,固溶体的溶解度 就越小。相反就越大。 返回 下页晶体结构因素 组元间晶体结 构相同时,固溶度一般都较大,而且有 可能形成无限固溶体。若不同只能形成 有限固溶体。 电负性差因素 两元素间电负性 差越小,越易形成固溶体,而且形成的 固溶体的溶解度越大;随两元素间电负 性差增大,固溶度减小,当溶质与溶剂 的电负性差很大时,往往形成比较稳定的金属化合物。电子浓度因素 电子浓度的定义是 合金中各组成元素的价电子数总和与原 子总数的比值,记作e/a。电子浓度有 一极限,超过这一极限,固溶体就不稳 定,会形成新相。 二、间隙固溶体 返回 下页 只有原子半径接近于溶剂晶格某些间隙半径的溶质原子,才有可能进入溶剂晶 格的间隙中而形成间隙固溶体。 无论是置换固溶体还是间隙固溶 体,均能引起固溶体的硬度、强度升 高。对置换式固溶体,溶质原子与溶剂 原子的尺寸差别越大,溶质原子的浓度 越高,其强化效果就越大。这种由于溶 质原子的固溶而引起的强化效应,称为 固溶强化。固溶体类型与金属为基的固溶体一样, 这些无机非金属化合物也可以以 置换或间隙的方式溶入一些元素 而形成固溶体,有时甚至可以形 成无限固溶体。 下页 上页 三、陶瓷材料中的固溶方式 四、固溶体中溶质原子的偏聚与 有序通常认为,溶质原子在固溶体 中的分布是随机的、均匀无序的。 事实上,完全无序的固溶体是不存 在的,总是在一定程度上偏离完全 无序状态,即存在着分部的微观不 均匀性。溶质原子在溶剂晶格中的 分部状态,主要取决于固溶体中同 类原子结合能与异类原子结合能的 相对大小。 下页 上页返回 下页 固溶体中溶质原子分部示意图二、中间相 两组元间的相对尺寸差、电子浓度及电 负性差都有一溶限,当溶质原子的加入 量超过此溶限时便会形成一种新相,这 种新相称为中间相。 1 、正常价化合物:两组元间电负性差 起主要作用而形成的化合物,它符合化 合的原子价规律。有较高的硬度,脆性 很大。如Mg2Si 、 Mg2Sn 、Mg2Pb 、MgS、MnS 等。 上页 下页2 、电子化合物:它们的形成主要是 电子浓度起主导作用。也与尺寸因 素及组元的电负性差有一定关系。 溶点及硬度较高,脆性大。 3 、尺寸因素化合物:这类中间相 的形成主要受组元的相对尺寸所控 制。尺寸差别越大,造成的晶格畸 变就越大,畸变能也就越高。 返回 上页 返回本节 返回本章第二节 二元相图及其类型 一.相图基本知识 一.相图基本知识 ●利用相图可以获取的信息 (1)不同成分的材料在不同温度下存 在哪些变化 (2)各稳定相的相对量是多少 (3)成分与温度变化时所可能发生的变 化 下页 返回了解相图的分析和使用方法后,就可以 了解合金的组织状态,进而预测合金的 性能。另外,可以根据相图来制订合金 的锻造和热处理工艺。 组元——组成材料最基本的、独立的物 质。 合金——有两种或两种以上的金属、或 金属与非金属经熔炼或用其它方法制成 的具有金属特性的物质。 后退 下页相——合金中具有同一聚积状态、内部 结构和特性并以界面相互隔开的均匀组 成部分。 相——描述系统的状态、温度、压力及 成分之间关系的一种图解。所谓相即体 系中一切具有相同的物理性能与化学性 能的均匀部分,与其它有明显界面分 开,超越界面会有性质突变,否则仍为 同一相。 ●相 后退 下页对于合金系统来说,要保持物理性能、 化学性能相同则要满足:成分相同和结 构相同。 ●相变——由一个相转变为了另一相的 过程。 ●相律——f=C-P+2 C—系统组元,P——平衡时共存的相数 目,f——自由度 后退 下页●相平衡——L 4.3 ==r 2.11 +Fe 3 C 6.69 温度:1148℃ 一、相图的基本知识 合金相图是应用图解的方法,表示合金 的成分、平衡相状态及外界条件(温 度、压力等)之间关系的图线,它是研 究合金中的相变规律的基础。 一、单元系相图 返回 下页下图是水的相图,在以温度和压力为两 坐标的平面图上,表示出水的3种存在 状态与温度和压力的关系。(如图) 二、合金的相平衡概念及相律 由于相平衡条件的约束,处于平 衡状态的合金中可能存的相数,将受到 组元数及外界条件的限制,这种限制可 从相平衡的热力学条件推处,这就是相 律,即 f=C–P+2 返回 下页水的状态示意图 P T 水 冰 气 其中f为系统的自由度数,C为组元数, P为相数。相律表明:在只受外界温度 和压力影响的平衡系统中,其自由度数 等于组元数与相数之差再加上2。所谓 自由度,即指独立可变的因 返回 下页素,包括各组成相的成分、数量及 温度、压力等。在金属及合金的制 造和应用过程中,一般都是在常压 下进行的,因此常把压力看成一个 常数,相律的表达式可写成 f=C–P+1 返回 下页相律在相图中的应用 组元数(C) 相数(P) f=C–P+1 二元系 2 三元系 3 单相合金,成分和温度都可变 两相平衡,成分、相对量和温度 等因素中只有一个独立变量 三相平衡,三相的成分、相对 量及温度都确定 单相合金其中两个组元的含量 及温度三个因素均可变 两相平衡,两相的成分、数量 及温度中有两个独立变量 三相平衡,所有变量中只有一 个是独立变量 四相平衡所有因素都确定不变 1 2 3 1 2 3 4 2 1 0 3 2 1 0 含义 下页 返回●相图的建立 上页 下页●杠杆定律 a o ? b L Q a Q A B o ? o a b 温 度 w L Ni w Ni ? ? ? L ? ? o Q Q ? w w w w o Ni Ni L Ni o Ni L Q Q ? ? ? ? ? 后退 下页二.二元系相图 二.二元系相图 1.匀晶相图 tA A B X 1 2 tB L 0 ℃ L 1 2 冷却曲线 t ? ? ? L ? ℃ B% ? ? L 后退 下页2010-10-23 13 ●形成:液态完全互溶,固态完全互 溶,即形成匀晶相图。 ●冷凝过程: 液相线:合金凝固的开始转变线 L=时液相的平衡成分线。 固相线:合金凝固终了线L=时固 相的平衡成分线。 ●组成 ? ? ?? ? ? ?? ? L L 图5-15 后退 下页返回●不平衡凝固:出现枝晶偏析(主枝与分 枝成分不均匀)图5-16 后退 下页固溶体与纯金属结晶的不同之处: (1)固溶体结晶是在一个温度范围内 完成的,而纯金属结晶是在恒温下完 成的。 (2)合金结晶过程中,结晶出的固相 与共寸液相的成分不同,这种结晶称 为选分结晶。而纯金属在结晶过 程中,固相与液相的成分始终是相同 的。 上页 下页2.共晶相图 ●形成:液相完全互溶,固相有限互 溶,有共晶反应的相图。 后退 下页后退 下页(1)相图分析 液相线:αe ?、be 固相线:αm 、bn mf为Sn在Pb中的固溶度曲线 ng为Pb在Sn中的固溶度曲线 三个单相区:L、α、β 三个两相区:L+α、L+β、α+β。 三个两相区的接触线men为共晶反应 线,此线表示三相共存区 后退 下页(2)共晶转变 在三相共存水平线men上,两条液相 线汇交于e点。e点以上是液相区,e点下 方是α+β两相共存区。这说明,相当于 e点成分的液相,当冷至三相共存线men 时会同时结晶出成分为m的α相与成分为 n的β相。 三个单相区: ? ?, , L 三个两相区: ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? , , L L 后退 下页●共晶反应: 固相线: 液相线: ●凝固过程: 合金1: 合金2 : n m t c c L ? ? ? ?? ? amcnb acb 的溶解度变化线 ? ? me 的溶解度变化线 ? ? nf ●组成 ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? L L ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? L L 后退 下页●不平衡凝固 ◆伪共晶 在非共晶成分处获得100%的共晶组 织,只能在非平衡条件下得到。 后退 下页后退 下页◆不平衡共晶 m点以左,n点以右合金不平衡凝固时出现的 共晶组织。 后退 下页◆离异共晶 当初相较多,当发生 共晶反应时,与当初相相 同的一相优先形核,将另 一相推到最后处形成,失 去了共晶形貌,即组织为 离异组织。 上页 下页●包晶相图 ●包晶相图 后退 下页后退 下页后退 下页1.包晶型反应有何特点?与 共晶反应相比,你能否总结 其规律? 2.分析其冷凝过程,比较平 衡与非平衡凝固的异同? 上页 下页◆起他类型的二元系相图 (1)熔晶反应:一个固相在某一恒温下分 解成一个固相与一个液相的反应。 (2)合晶反应:由两个不同成分的液相在 某一恒温下生成一个一定成分的固相的 反。应。 (3)偏晶反应:在某一恒温下,由一定成 分的液相分解出另一成分的液相,并同时 结晶出一定成分的固相的反应。 后退 下页(4)共析反应:在某一恒温下,一定成分 的固相同时分解成两个成分与结构不同的固 相反应。 (5)包析反应:两个不同成分的固相,在 某一恒温下相互作用生成另一固相的反应。 表5-6是对以上反应类型的总结 上页 下页后退 下页二元相图的分析方法 一、二元相图的一些基本规律 (1)相接触法则:在二元相图中,相邻相区 的相数差为1,点接触除外。 (2)在二元相图中,三相平衡一定是一条水 平线,该向上一定与3个单相区有点接触,其 中两点在水平线的两端,另一点在水平线中 间某处,3点对应于3个平衡相的成分,此外 该线一定与3个两相区相邻。 (3)两相区与单相区的分界线与水平线相交 处,前者的延长线应进入另一个两相区。 后退 下页四.相图与性能的关系 1、根据相图判断材料的力学性能 和物理性能 图5-42所示。 1)对于匀晶系,固溶体的强度和硬度 均随溶质组元含量的增加而提高。 2)固溶体的塑性、电导率随溶质含量 的增加而降低。 3)电阻随溶质量的增加而增加。 上页 下页对于共晶系和包晶系: 1)当两相混合物中两相的大小及分 布都较均匀时,材料的性能是两组 成相的平均值,即呈线性关系。 2)当共晶组织十分细密,且在不平 衡结晶出现伪共晶时,其强度和硬 度在共晶成分俯近偏离直线关系而 出现峰值。图5-42中虚线所示。 上页 下页2、根据相图判断合金的工艺性能 合金的铸造性能主要表现为合金液体 的流动性、缩空、热裂倾向及成分偏 析等。 1)温度间隔和成分间隔越大的合金 其流动性越差,分散缩空也越多,凝 固后的枝晶偏析也越严重。 2)共晶成分合金流动性好,分散缩 空少。(图5-43)。 3)单相固溶体塑性好,变形均匀。 上页 下页相图与性能的关系 上页 下页后退 下页上页 下页返回本章首页 轻松一刻 返回目录第三节 复杂相图分析 一. 分析方法步骤 一. 分析方法步骤 (1)相图中若有稳定中间相,可依此把相图分为几 个部分,根据需要选取某一部分进行分析。 (2)根据相区接触法则填写个空白相区。 (3)利用典型成分分析合金的结晶过程及组织转变, 并利用杠杆定律分析各相相对量随温度的变化 情况。 下页 后退二、复杂二元相图的分析方法 (1 )先看清它的组元,然后找到它的单相区, 分清哪些是固溶体,哪些是中间相。 (2 )根据相接触法测,检查所有双相区是否填 写完全并正确无误,如有疏漏,可将它们完 善。 (3 )找出所有水平线,分析每一个三相平衡反 应是何种类型。 (4 )如果相图中存在稳定的化合物,则可把它 看成一个组元。二. 复杂相图 分析 二. 复杂相图 分析 下页 后退●铁碳相图 下页 后退●分析思路: Fe c Fe r c Fe ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1394 912 FA P d L 铁素体 ? ? C Fe3 %C %C %C 三.Fe-Fe 3 C 相图 三.Fe-Fe 3 C 相图 下页 后退三个重要反应 : 69 . 6 3 11 . 2 1148 3 . 4 C Fe r L C ? ? ?? ? ? 69 . 6 3 0218 . 0 727 77 . 0 C Fe r C ? ? ?? ? ? ? 17 . 0 1495 09 . 0 53 . 0 r L C ? ?? ? ? ? ? 五个基本组织 : Ld P C Fe A F , , , , 3 五条特征线: 4 1 3 ) ( ) ( ) ( A PQ PSK A GS A ES Acm 线、 、 线 、 线 、 线 冷凝过程 利用杠杆定律求相对量 C % 对碳钢性能的影响 实际应用 下页 后退一、五个单相 (1 )液相; (2 )δ- 相:碳在α-Fe 中的固溶体,称高 温铁素体,体心立方结构,在1394oC 以上存 在; (3 )γ相:碳在γ-Fe 中的固溶体,称为奥 氏体,常用A 表示,面心立方结构,在 727oC 以上存在,在1148oC 时有最大的碳溶 解度为2.1% ; (4 )α相:碳在α-Fe 中的固溶体,称为铁 素 (体,体心立方,在912oC 以下存在,在 下页 后退727 °C 时碳溶解度最大为0.02% ,在室温下,仅为 0.008% 常用F 表示; 5 )Fe3C :中间相,属于间隙相,复杂正交结构, 称为渗碳体。 二、三条水平线 (1 )HB 线 包晶转变 L+δγ (2 )EF 线 共晶转变 L ? ? ? ? ? ? ?γ+Fe3C ? 共 晶体称为莱氏体。 (3 )PK 线 共析转变 γ α+Fe3C 共 析体称为珠光体。 1495oC 1148oC 727oC 下页 后退三、ES 线 ES 线是γ相中碳的溶解度极限,这是一 条很重要的线,在1148oC 时,γ中碳的溶解 度最高,达2.11% ,随温度下降,溶解度大幅 度减小,727oC 时仅0.77% 。 四、Fe3C 的形成条件 (1 )含碳4.3% 至6.69% 的合金凝固时在液 相线CD 以下,从液体中结晶出Fe3C ,称为一 次渗碳体,记作Fe3CI ; (2 )含碳0.77% 至2.11% 的合金,从γ相冷 却低于ES 线时,由于γ相中碳过饱和,从而 从γ相中析出Fe3C 称为二次渗碳体,记为 Fe3C Ⅱ;(3 )含碳0.008% 至0.02% 的α相,当冷至PQ 线以下时,从过饱和的α相中析出的Fe3C 称为 三次渗碳体,记作Fe3C Ⅲ。三次渗碳体由于数 量及少,一般可以忽略。 四、典型合金的平衡凝固过程和显微组织 (1 )共析成分(0.77%C )的Fe-C 合金(共析 钢) 当冷至BC 线以下时,从液相中结晶出γ相,至 BE线结晶完成,当γ相继续冷却至727oC 时,发生共析分解:γ α+ Fe3C ,直至 室温,共析体也称为珠光体(P ),典型形貌 是层片状,P 中α和Fe3C 两相的相对量可通过 杠杆定理来求得,即 α/ Fe3C= ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?=7.87 (2 )共晶成分Fe-C 合金(共晶铸铁, 4.3%C ) 共晶合金冷至1143oC 时发生共晶反应,L ? ? ? ? ? ? ?γ+ ?Fe3C ,共晶产物为莱氏体(La )。 La 727 °C 6.69—0.77 0.77—0.02 1143oC中的γ相含碳量为2.11% ,这是γ相中最高的 碳溶解度,随温度下降,γ相中碳溶解度大大 降低,因此从γ相中析出Fe3C Ⅱ,剩余γ相 中的含碳量沿ES 线变化,直到727oC , γ相中 含碳量达到0.77% ,这时发生共析分解: γα + Fe3C , 形成珠光体。由此可见,室温下的莱氏体是 ( Fe3C Ⅱ+P )+ Fe3C ,的机械混合物,与共 晶产物已有区别,室温莱氏体常记作La ′。 莱氏体中的γ和Fe3C 两相相对量可用杠杆定 理求得,即 727 °C

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