【正文】 邊界剛剛相互接觸時的奧氏體晶粒大小稱為奧氏體的起始晶粒度。目前，世界上通用的方法是用與標準金相圖片相比較來確定晶粒度的級別。由于合金元素會改變鋼的臨界點，從而改變奧氏體與珠光體的自由能差，因此也會影響奧氏體的形成速度。1. 含碳量 （二）原始組織 影響因素主要有加熱溫度、原始組織和化學(xué)成分。但此時奧氏體中的碳濃度仍是不均勻的，因此，在保溫或升溫過程中，通過碳原子的擴散，奧氏休中碳濃度逐漸趨于均勻，最后達到均勻的單相奧氏體。當鐵素體全部轉(zhuǎn)變成奧氏體時，便可認為奧氏體的長大過程已經(jīng)完畢。為了恢復(fù)平衡Fe3C就不斷地溶人奧氏體，以保持它們之間的相界面的碳濃度。奧氏體晶核形成以后，它的一側(cè)與鐵素體相鄰，而另一側(cè)與Fe3 C相鄰。共析鋼的奧氏體形成過程示意圖假設(shè)共析鋼的原始組織是片狀珠光體，當加熱到Ac1溫度以上并保溫一定時間后，由于珠光體中鐵素體和Fe3C相界面上碳濃度分布不均勻，位錯密度較高，原子排列不規(guī)則，處于能量較高狀態(tài)，容易獲得奧氏體形核所需的濃度起伏、結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏。 (c)剩余Fe3C溶解 由FeFe3C相圖可知，溫度在A1以下鋼的平衡組織為鐵素體和滲碳體，當溫度超過A1(共析鋼)、A3（亞共析鋼）或Acm（過共析鋼）以上，鋼的組織為單相奧氏體組織。 AAAcm是鋼組織平衡轉(zhuǎn)變的理論臨界溫度，而實際上鋼進行熱處理時，組織轉(zhuǎn)變并不發(fā)生在理論臨界溫度上，大多都有一定的滯后現(xiàn)象，把實際轉(zhuǎn)變溫度與理論臨界溫度之差稱為過冷度(冷卻時)或過熱度(加熱時)，過冷度或過熱度都隨冷卻速度或加熱速度的增大而增大。鋼之所以能進行熱處理，是因為鋼在固態(tài)下具有相變，根據(jù)FeFe3C相圖，共析鋼在加熱和冷卻過程中經(jīng)過A1(PSK)線時，發(fā)生珠光體與奧氏體之間的相互轉(zhuǎn)變。本章內(nèi)容主要是介紹基本熱處理和化學(xué)熱處理的基本知識。 ％的過共析鋼結(jié)晶過程示意圖 亞共析鋼的室溫組織（400 X） 當溫度到達4（7270C）時，奧氏體的含碳量降為0. 77％，因而在恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。ωFe3C= ()/()100 a= 還可以近似地根據(jù)亞共析鋼的平衡組織來估計它的含碳量：含碳量≈P％，其中P為珠光體在顯微組織中所占面積的百分數(shù)。 = 利用杠桿定律可以分別計算出鋼組織中組成物先共析鐵素體和珠光體含量，％合金的先共析鐵素體和珠光體比例如下： 當溫度達到5(727℃)時，％，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，變成珠光體。 共析鋼的室溫組織（500 X）(三) 亞共析鋼（）此合金在相圖中的位置見圖112③，結(jié)晶過程如圖116所示。 圖114 珠光體中的滲碳體稱為共析滲碳體。在1~2間，合金按勻晶轉(zhuǎn)變結(jié)晶出圖113 在7以下將從鐵素體中析出 三次滲碳體。δ固溶體冷卻至3時，開始發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變δ→γ。 現(xiàn)選幾種典型的合金來分析其平衡結(jié)晶過程和組織。~％；(5) 共晶白口鐵 (1) 工業(yè)純鐵。二、鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程及組織通常按有無共晶轉(zhuǎn)變來區(qū)分碳鋼和鑄鐵，％的為碳鋼，％的為鑄鐵。低于此溫度時，奧氏體中仍將析出Fe3C，把它稱為二次Fe3C，記作Fe3CⅡ，以區(qū)別從液體中經(jīng)CD線直接析出的一次滲碳體（Fe3C I）。此外，F(xiàn)eFe3C相圖中還有三條重要的固態(tài)轉(zhuǎn)變線，它們是：(1) GS線 3．共析轉(zhuǎn)變（水平線PSK）共析轉(zhuǎn)變發(fā)生在727℃恒溫下，％％的鐵素體和滲碳體所組成的混合物，稱為珠光體，用符號P表示。 進行包晶反應(yīng)時，奧氏體沿δ相與液相的界面成核，并向δ相和液相兩個方向長大，包晶反應(yīng)終了時，δ相和液相同時耗盡變成單一的奧氏體相。 LB+δH〈═〉γJ （二）相圖分析 圖111 圖中各特性點的溫度、碳含量及意義見表11。第三節(jié) 控制澆鑄工藝的真空冶煉鑄錠組織 真空冶煉的Cr12鋼液，適當降低澆注溫度和鑄模溫度，加大冷卻速度，鑄錠也可以獲得較細密的鑄態(tài)組織(照片110)。對于高速鋼、Cr12型鋼等萊氏體鋼，鑄錠中含有大量的共晶碳化物。同樣先凝固的晶體與后凝固的晶體成份也會不同，先凝固的晶體富含高熔點組元，而后凝固的晶體則富含低熔點組元?！?鑄錠中的偏析包括金屬組元的偏析和各種雜質(zhì)的偏析。所以，當液體凝固時，其中所溶解的氣體將逐漸富集于結(jié)晶前沿的液體中，最后在固相和液相界面上形成氣泡，或稱氣孔。如果沒有液態(tài)金屬連續(xù)補充的話，就會出現(xiàn)收縮孔洞，叫縮孔。1．縮孔 各晶粒取向不同，其性能無方向性。所以，在柱狀晶長大到一定程度后，鑄錠中部也開始形核長大。 在柱狀晶的晶枝生長區(qū) 壓力加工時，易沿這些地方產(chǎn)生裂紋或開裂。模壁溫度升高導(dǎo)致液體金屬冷卻減慢，溫度梯度變小、此時，結(jié)晶主要靠細晶區(qū)近液相處的某些小晶粒的長大。柱狀晶區(qū)的晶粒粗大并且垂直于模壁。當液態(tài)金屬倒人鑄錠模后，金屬首先從模壁處開始結(jié)晶，這是因為溫度低的模壁有強烈的吸熱和散熱作用，使靠近模壁的一層薄膜液體產(chǎn)生極大的過冷，加上模壁可作非均勻形核的基底，因此，在此一薄層液體中立即產(chǎn)生大量的晶核，并同時向各個方向生長。 相圖中的D點稱為包晶點，所對應(yīng)的溫度(tD)稱為包晶溫度，PDC線稱包晶線。3． 包晶轉(zhuǎn)變 繼續(xù)冷卻，從α相和β相中分別析出次生相αⅡ和βⅡ。在1~2點溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的緩慢下降，α固溶體的數(shù)量不斷增加，其成分沿AM線變化，而液相數(shù)量不斷減少，其成分沿AE線變化，這一階段的轉(zhuǎn)變屬勻晶轉(zhuǎn)變。由于溶解度變化，α相和β相分別析出次生相αⅡ和βⅡ，直到冷卻至室溫為止。 α相和β相的含量可用杠桿定律求出：α相含量：ωα=(EN/MN)amp。而成分位于共晶點左邊或右邊的合金則分別稱為亞共晶和過共晶合金。 pbSn共晶相圖 平衡結(jié)晶過程相L、固溶體α相和β相，其中α相為Sn溶解于Pb中的固溶體，而β相是Pb溶解于Sn中的固溶體。 CuNi勻晶相圖及典型合金NG為Pb在Sn中的溶解度曲線。相線，AMNB為固相線，MF為Sn在Pb中的溶解度曲線， 圖16即為PbSn共晶相圖。從圖15可以看出，當合金Ⅰ自高溫緩慢冷卻至t1時，開始從液相中結(jié)晶出α固溶體。兩組元在液態(tài)時無限互溶，固態(tài)時也無限互溶的二元合金相圖叫勻晶相圖，Cu–Ni二元合金相圖就是勻晶相圖，如圖16所示。 8226。 100 設(shè)t1溫度時，液、固兩相的相對質(zhì)量為ωL和ωα，則可通過下式求出兩相的相對含量，分別為： 合金在結(jié)晶過程中，各個相的成分以及它們的相對含量都是在不斷變化的，為了了解相的成分及其相對含量，就需要應(yīng)用杠桿定律。（一）相圖相圖是表示合金系中的合金狀態(tài)與溫度、成分之間關(guān)系的一種圖解。(1) 晶界 位錯主要有刃型位錯和螺型位錯。2。3間隔原子 (2) 間隙原子 （l）空位 面缺陷：如晶界、亞晶界，此類缺陷的特點是在一個方向上的尺寸很小，另兩個方向上的尺寸相對很大。 根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，把缺陷分成三種：一般說來，這些偏離規(guī)則的原子數(shù)目是很少的，從整體上看，金屬的結(jié)構(gòu)還是接近完整的。每一個單個晶粒的穩(wěn)定晶核出現(xiàn)后，晶體馬上進行長大。另一種是非均勻形核，又叫異質(zhì)形核或非自發(fā)形核。由于各個晶核是隨機形成的，其位向各不相同，所以晶粒的位向也不相同，這樣就形成一塊多晶體金屬。隨著時間的推移，已形成的晶核不斷長大，與此同時，液態(tài)金屬中又產(chǎn)生第二批晶核。形核過程和長大過程緊密聯(lián)系但又有所區(qū)別。結(jié)晶過程結(jié)束，結(jié)晶潛熱釋放完畢，冷卻曲線便又繼續(xù)下降。金屬結(jié)晶時從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗍欠艧岱磻?yīng)過程，放出熱量。金屬的實際結(jié)晶溫度Tn與理論結(jié)晶溫度Tm之差稱為過冷度，用△T表示，△T=TmTn。結(jié)晶后所形成的組織，如晶粒形狀、大小和分布等，將大大地影響到金屬的加工性能和使用性能，因此，結(jié)晶也是一個十分重要的過程。 由同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變所得到的不同晶體結(jié)構(gòu)的晶體稱為同素異構(gòu)體。三、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變其晶格類型和性能均不同于任何一組元，一般可以用分子式大致表示其組成。溶入的溶質(zhì)原子越多，溶劑晶格畸變也越大。 圖1 2 金屬元素彼此之間一般都能形成置換固溶體。 所以叫置換固溶體。這一組元稱為溶劑，而其他組元稱為溶質(zhì)。相是指合金中結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一，并以相界面相互分開的組成部分。由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)叫合金。3． 密排六方晶格 體心立方晶胞(a)和面心立方晶胞(b)2． 面立方晶格 具有體心立方晶格的金屬有αFe、Cr、V、Nb、Mo、W等30多種。體心立方晶格的晶胞中三個棱邊長度相等，三個軸間夾角均為90amp。表示晶向和晶面的數(shù)字叫晶向指數(shù)和晶面指數(shù)。 晶胞 由于組成晶體的物質(zhì)質(zhì)點不同，排列的規(guī)律也就不一樣，所以就存在各種各樣的晶體結(jié)構(gòu)。金屬和合金在固態(tài)時，通常都是晶體。熱處理質(zhì)量檢驗技術(shù)第一章 金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)是指晶體中的原子或離子、分子等的排列情況，也就是它們在三維空間中有規(guī)律的周期性的重復(fù)排列方式。把點陣用直線連接起來形成的空間格子稱為晶格。晶體中由一系列原子組成的平面叫晶面，任意兩個原子之間連線所指的方向叫晶向。1． 體心立方晶格 晶胞的八個角上各有一個原子，在立方體的中心還有一個原子，其模型如圖11(a) 所示。 (b) 面心立方晶胞 圖11 具有面心立方結(jié)構(gòu)的金屬有γFe、βCo、Ni、Al、Ag等。二、合金的晶體結(jié)構(gòu)工業(yè)上使用的金屬材料大多數(shù)是合金。當不同的組元組成合金時，這些組元之間由于物理的和化學(xué)的相互作用，形成具有一定晶體結(jié)構(gòu)和一定成分的相。（一）固溶體合金的組元之間以不同的比例相互混合，混合后形成的固相晶體結(jié)構(gòu)與組成合金的某一組元相同，這種固相就叫固溶體。置換固溶體是指溶質(zhì)原子位于溶劑晶格的某些格點位置上所形成的固溶體，猶如這些結(jié)點上的溶劑原子被溶質(zhì)原子所置換一樣， 有的溶質(zhì)卻能以任意比例溶人溶劑，其溶解度可達100％，這種固溶體稱無限固溶體。 溶質(zhì)原子溶人溶劑后，將使溶劑的晶格常數(shù)改變，并使晶格發(fā)生畸變。（二）金屬化合物合金中的另一類相是金屬化合物，它是合金組元間發(fā)生相互作用而形成的一種新相，又叫中間相。金屬化合物的類型很多，主要有正常價化合物、電子化合物和間隙化合物。如鐵在不同溫度下具有αFe(體心立方)、γFe(面心立方)、δFe(體心立方)晶體結(jié)構(gòu)。純金屬及合金的結(jié)晶一、純金屬的結(jié)晶液相向固相的轉(zhuǎn)變是一個十分復(fù)雜的相變過程。金屬在結(jié)晶之前，溫度連續(xù)下降，當液態(tài)金屬冷卻至熔點Tm（理論結(jié)晶溫度）時，并不開始結(jié)晶，而是需要繼續(xù)冷卻到Tm以下某一溫度Tn，液態(tài)金屬才開始結(jié)晶。 當液態(tài)金屬冷卻到Tn時，由于結(jié)晶潛熱的釋放，補償了散失到周圍環(huán)境的熱量，所以在冷卻曲線上會出現(xiàn)平臺，平臺延續(xù)的時間就是結(jié)晶過程所用的時間。結(jié)晶時首先在液體中形成具有某一尺寸（臨界尺寸）的晶核，然后這些晶核不斷凝聚液體中的原子而長大。結(jié)晶開始前的這一停留時間稱為孕育期。由一個晶核長成的晶體就是一個晶粒。在過冷液體中形成固態(tài)晶核有兩種方法，一種叫均勻形核，又稱均質(zhì)形核或自發(fā)形核。實際金屬多是以非均勻形核方式進行結(jié)晶的。（三）晶體的長大由于固液界面的微觀結(jié)構(gòu)不同，因此，其接納液相中遷移過來的原子能力也不同。實際金屬的原子排列不可能像理想晶體那樣規(guī)則和完整，它們總是不可避免地存在一些原子偏離規(guī)則排列的不完整性區(qū)域，這就是晶體缺陷。 點缺陷如圖l13所示，主要有下列幾種： 異類原子一般都是 晶體中的點缺陷那些原子半徑很小的原子，如鋼中的氮、氫、碳、硼等；間隙 由于置換原子大小不可能與基體原子完全相同，因此，置換原子也會引起晶格畸變。位錯是指在晶體中某處有一列或幾列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象，致使長度達幾百至兒萬個原子間距，寬約幾個原子間距范圍內(nèi)的原子離開了平衡位置而發(fā)生有規(guī)律的錯動。晶體的面缺陷包括晶體的外表面（表面或自由界面）和內(nèi)界面兩類，其中內(nèi)界面包括晶界、亞晶界、孿晶界、堆垛層錯和相界等。實際上在每個晶粒內(nèi)的原子排列并不是十分整齊的，在晶粒內(nèi)部可以觀察到小晶塊，它們彼此之間有不大的位向差，這些晶塊之間的內(nèi)界面就稱為亞晶粒間界，簡稱亞晶界。二、合金的凝固建立相圖的方法有實驗測定法和理論計算法兩種，目前用的相圖大部分都是根據(jù)實驗方法建立起來的。a和b兩點在成分坐標上的投影C1和Cα分別表示液、固兩相的成分。 8226。 ωα=(ar/ab)amp。這就是杠桿定律。 杠桿定律應(yīng)用圖解（二）固溶體合金的結(jié)晶過程1．勻晶轉(zhuǎn)變 結(jié)晶時，這類合金都是從液相結(jié)晶出單相的固溶體，這種結(jié)晶過程稱勻晶轉(zhuǎn)變。當兩組元在液態(tài)時無限互溶，固態(tài)時有限互溶，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變．并形成共晶組織，這種二元系相圖叫二元共晶相圖。 圖16 在這一水平線所對應(yīng)的溫度下，成分相當于E點的液相（LE）同時結(jié)晶出與M點對應(yīng)的αM和與N點對應(yīng)βN的兩個固相，形成兩個固相的混合物，這種轉(zhuǎn)變的反應(yīng)式為：圖16 相圖中的MEN水平線稱為共晶線，E點叫共晶點，E點所對應(yīng)的溫度叫共晶溫度，化學(xué)成分對應(yīng)于共晶點的合金就叫共晶合金。這時得到的組織為α和β兩個相的混合物，這種混合物稱共晶組織。 100繼續(xù)冷卻，共晶組織中的α相和β相都要發(fā)生成分變化，α相成分沿著MF線變化，β相成分沿NG線變化。當亞共晶合金（如合金Ⅰ）冷卻到1時，液相便開始結(jié)晶出α固溶體。這一轉(zhuǎn)變一直進行到剩余液相全部形成共晶組織為止。過