【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 增加過冷度，就是要提高金屬凝固的冷卻速度。實(shí)際生產(chǎn)中常常是采用降低鑄型溫度和采用導(dǎo)熱系數(shù)大的金屬鑄型來提高冷卻速度。 當(dāng)過冷度大到圖中虛線部分時(shí)，金屬液的溫度已經(jīng)很低，原子擴(kuò)散能力極大的降低，反而使形核率Ｎ和生長(zhǎng)線速度Ｇ下降。 ② 進(jìn)行變質(zhì)處理 變質(zhì)處理是在澆注前向液態(tài)金屬中加入被稱為變質(zhì)劑的某種物質(zhì)，發(fā)增加形核率Ｎ或降低長(zhǎng)大線速度Ｇ，從而細(xì)化晶粒的方法。 有的變質(zhì)劑加入液態(tài)金屬 時(shí)，它們或它們的氧化物會(huì)形成起非自發(fā)晶核作用的雜質(zhì)微粒，使形核率大大增加，細(xì)化晶粒，如往鋼液中加入鈦、鋁等。 還有一種變質(zhì)劑，能附著在晶體前面強(qiáng)烈阻礙晶粒長(zhǎng)大，降低長(zhǎng)大線速度Ｇ，如往鋁硅鑄造合金中加入鈉鹽，鈉附著在硅的表面，降低硅的長(zhǎng)大線速度Ｇ，阻礙粗大片狀硅晶體形成，使合金組織細(xì)化。 ③ 附加振動(dòng) 金屬結(jié)晶時(shí)，利用機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)，電磁振動(dòng)等方法，發(fā)既可使正在生長(zhǎng)的晶體破碎而細(xì)化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，增大形核率Ｎ，從而細(xì)化晶粒。 第二節(jié)鐵碳合金 一般來說，純金屬大都具有優(yōu)良的塑性、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等性能，但它們?nèi)≈评щy，價(jià)格較貴，種類有限，特別是力學(xué)性能（強(qiáng)度、硬度較低，耐磨性都比較低），難以 滿足多種高性能的要求，因此，工程上大量使用的金屬材料都是根據(jù)性能需要而配制的各種不同成分的合金，如碳鋼、合金鋼、鑄鐵、鋁合金及銅合金等。 一、合金的基本概念 合金 合金是指由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。如黃銅是銅和鋅的組成合金；碳鋼是鐵和碳組成的合金；硬鋁是鋁、銅是鎂組成的合金等。合金不僅具有純金屬的基本特性，同時(shí)還具備了比純金屬更好的力學(xué)性能和特殊的物理、化學(xué)性能。另外，由于組成合金的各元素比例可以在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，從而使合金的性能隨之發(fā)生一系列變化，滿足 了工業(yè)生產(chǎn)中各類機(jī)械零件的不同性能要求。 組元 組成合金的基本的物質(zhì)稱為組元。組元大多數(shù)是元素，如鐵碳合金中的鐵元素和碳元素是組元；銅鋅合金中的銅元素和鋅元素也是組元。有時(shí)穩(wěn)定的化合物也可作為組元，如 Fe3C 等。 合金系 給定組元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金，構(gòu)成一個(gè)合金系。由兩個(gè)組元構(gòu)成的稱為二元系，由三個(gè)組元構(gòu)成的稱為三元系等。另外，也可由構(gòu)成元素來命名，如鐵碳合金。 相 相是指在金屬組織中化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)和物理性能相同的組分。其中包括固溶體、金屬化合物及純物質(zhì)（如石 墨）。 組織 組織泛指用金相觀察方法看到的由形態(tài)、尺寸不同和分布方式不同的一種或多種相構(gòu)成的總體。 將金屬試樣的磨面經(jīng)適當(dāng)處理后用肉眼或借助放大鏡觀察的組織，稱為宏觀組織；將用適當(dāng)方法（如浸蝕）處理后的金屬試樣的磨面復(fù)型或制成的薄膜置于光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡下觀察到的組織，稱為顯微組織。只由一種相組成的組織稱為單相組織；由幾種相組成的組織稱為多相組織。金屬材料的組織不同，其性能也就不同。 二、合金的相 根據(jù)構(gòu)成合金各組元之間相互作用的不同，固態(tài)合金的相可分為固溶全和金屬化合物兩大類。 固 溶體 溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格中而仍保持溶劑晶格類型的合金相，稱為固溶體。例如鐵碳合金中，α鐵中溶入碳原子而形成的鐵素體即為固溶體。根據(jù)溶質(zhì)元素在溶劑晶格中所占位置的不同，固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體兩類。 置換固溶體就是溶質(zhì)原子替換了溶劑晶格某結(jié)點(diǎn)上的原子而形成的（如圖）。 間隙固溶體就是溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格的單間隙之中而形成的（如圖）。因晶格中的空隙位置是有限的，所以間隙固溶體是有限固溶體。 由于溶質(zhì)原子的溶入，會(huì)引起固溶體晶格發(fā)生畸變，如圖，晶格畸變使合金變形阻力增大，從而提高了合金的強(qiáng)度和 硬度，這種現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。它是提高材料力學(xué)性能的重要途徑之一。例如，我國和低合金強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，就是利用錳、硅等元素來強(qiáng)化鐵素體，從而使材料的力學(xué)性能大為提高。 金屬化合物 金屬化合物是合金組元之間相互發(fā)生作用而形成具有金屬特性的一種新相，其晶格類型和性能完全不同于合金中的任一組元，一般可用分子式來表示。 金屬化合物一般具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高，硬度高，脆性大。當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)，合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性均提高，而塑性和韌性降低。金屬化合物是許多高合金的重要組成相，與固溶體適當(dāng)配合可以提高合 金的綜合力學(xué)性能。 機(jī)械混合物 機(jī)械混合物是合金中的一類復(fù)相混合物組織，不同的相均可互相組合形成機(jī)械混合物。各相在機(jī)械混合物中仍保持原有的晶格和性能，機(jī)械混合物的性能介于組成的相性能之間，工業(yè)上大多數(shù)合金均由混合物組成，如鋼、鑄鐵、鋁合金等。 三、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 固態(tài)金屬隨溫度變化而 發(fā)生晶格改變的現(xiàn)象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。純鐵即具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的特征，如圖所示，可見，純鐵在 1538℃結(jié)晶后，具有體心立方晶格，稱為δ鐵；當(dāng)冷卻到 1394℃時(shí)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，由體心立方晶格的δ鐵轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц竦摩描F；繼續(xù)冷卻至912℃時(shí)，再次發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，又由有面心立方晶格的γ鐵轉(zhuǎn)變成了具有體心立方晶格的α鐵。再繼續(xù)冷卻時(shí)晶格類型不再發(fā)生變化。 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是純鐵的一個(gè)重要特性，以鐵為基的鐵碳合金之所以能通過熱處理顯著改變其性能，就是由于鐵具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的特性。 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變不僅存在于純鐵中， 而且存在于以鐵為基的鋼鐵材料中，這是鋼鐵材料性能呈多種多樣、用途廣泛，并能通過各種熱處理進(jìn)一步改善其組織與性能的重要因素。 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程與液態(tài)金屬的結(jié)晶過程相似，實(shí)質(zhì)上它是一個(gè)重要結(jié)晶過程。因此，它同樣遵循著結(jié)晶的一般規(guī)律：有一定的轉(zhuǎn)變溫度；轉(zhuǎn)變時(shí)需要過冷 ；有潛熱產(chǎn)生；轉(zhuǎn)變過程也括晶核的形成和晶核的長(zhǎng)大兩階段。 四、 鐵碳合金的（基本組織）相 在固態(tài)鐵碳合金中，鐵和碳的相互作用有兩種：一是碳原子溶解到鐵的晶格中形成固溶體，如鐵素體與奧氏體；二是鐵和碳原子按一定的比例相互作用形成金屬化合物， 如滲碳體。 鐵素體、奧氏體、滲碳體均是鐵碳合金的基本相。 鐵素體（Ｆ） 碳溶于α鐵中的間隙固溶體稱為鐵素體，用符號(hào)Ｆ或α表示。它仍保持α鐵的 體心立方晶格，由于體心立方晶格原子間的空隙很小，因而溶碳能力極差，在 727℃時(shí)的最大溶碳量為Ｗｃ＝ ％，在 600℃是溶碳量約為Ｗｃ＝ ％，室溫下幾乎為零Ｗｃ＝ ％。因此，其室溫性能幾乎和純鐵相同，鐵素體的強(qiáng)度、硬度不高（σb=180280MPa,5080HBS），但具有良好的塑性和韌性 (δ=30%50%,Akv=128160J)。所以以鐵素體為基體的鐵碳合金適于塑性成形加工。 奧氏體（Ａ） 碳溶于 γ鐵中的間隙固溶體稱為奧氏體，用符號(hào)Ａ或γ表示。它仍保持γ鐵的面心立方晶格。由于面心立方晶格原子間的空隙比體心立方晶格大，因此碳在γ鐵中的溶碳能力比在α鐵中要大些。在 727℃時(shí)的溶碳量為Ｗｃ＝ ％，隨著溫度的升高溶量增加，到 1148℃是時(shí)達(dá)到最大Ｗｃ＝ ％。奧氏體的力學(xué)性能與其溶碳量及晶粒大小有關(guān)，一般奧氏體的強(qiáng)度、硬度為（σ b 約為 400MPa,160200HBS），但具有良好的塑性和韌性 (δ=40%50%)，無磁性。因?yàn)閵W氏體的硬度較低而塑性較高，易于鍛壓成型。 滲碳體 滲碳體具有 復(fù)雜晶格的間隙化合物，分子式為Ｆｅ３Ｃ，其Ｗｃ＝ ％，是鋼和鑄鐵中常用的固相。熔點(diǎn)約為 1227℃，滲碳全硬度很高（ 950－ 1050ＨＶ），而塑性與韌性幾乎為零，脆性很大。滲碳體不能單獨(dú)使用，在鋼中總是和鐵素體混在一起，是碳鋼中主要強(qiáng)化相。滲碳體在鋼和鑄鐵中存在形式有片狀、球狀、網(wǎng)狀、板狀，它的數(shù)量、形狀、大小和分布狀況對(duì)鋼的性能影響很大。 滲碳體是一種亞穩(wěn)定相，在一定條件下會(huì)發(fā)生分解，形成石墨狀的自由碳。 第五章鐵碳合金相圖與非合金鋼 第一節(jié) 鐵碳合金的結(jié)晶過程 一、 共析鋼的結(jié)晶過程 圖中Ⅰ表示共析鋼（ Wc＝ ％），合金在 1 點(diǎn)以上為液體（ L），當(dāng)緩冷至稍低于 1 點(diǎn)溫度時(shí)，開始從液體中結(jié)晶出奧氏體（ A）， A 的數(shù)量隨溫度的下降而增多。溫度降到 2 點(diǎn)時(shí)，液體全部結(jié)晶為奧氏體。 2～ S 點(diǎn)之間，合金是單一奧氏體相。繼續(xù)緩冷至 S 點(diǎn)時(shí)，奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變成珠光體（ P）。 727℃以下， P 基本上不發(fā) 生變化。故室溫下共析鋼的組織為 P。共析鋼的結(jié)晶過程如下圖所示。 二、 亞共析鋼的結(jié)晶過程 圖 3－ 6 中合金Ⅱ表示亞共析鋼。合金在 1 點(diǎn)以上為液體。緩冷至稍低于 1 點(diǎn)，開始從液體中結(jié)晶出奧氏體，冷卻到 2 點(diǎn)結(jié)晶終了。在 2～ 3 點(diǎn)區(qū)間，合金為單一的奧氏體組織，當(dāng)冷卻到與 GS 線相交的 3 點(diǎn)時(shí)，開始從奧氏體中析出時(shí) ，就會(huì)將多余的碳原子轉(zhuǎn)移到奧氏體中，引起未轉(zhuǎn)變的奧氏體的含碳量增加。沿著GS線變化。當(dāng)溫度降至 4點(diǎn)（ 727℃）時(shí)，剩余奧氏體含碳量增加到了 Wc＝ ％，具備了共析轉(zhuǎn)變的條件，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。原鐵素體不變保留了在基體中。 4 點(diǎn)以下不再發(fā)生組織變化。故亞共析鋼的室溫組織為鐵素體＋珠光體。亞共析鋼的結(jié)晶過程如圖 3－ 8 所示。 三、 過共析鋼的結(jié)晶過程 圖 36 中合金Ⅲ表示過共析鋼。合金在 1 點(diǎn)以上為液體，當(dāng)緩冷至稍低于 1 點(diǎn)后，開始從液體中結(jié)晶出奧氏體，直至 2 點(diǎn)結(jié)晶終了。在 2～ 3 點(diǎn)之間是含碳時(shí)為合金Ⅲ奧氏組織。緩冷至 3 點(diǎn)時(shí)，奧氏體中開始沿晶界析出滲碳體（即二次滲碳體）。隨著溫度不斷降低，由奧氏體中析出的二次滲碳愈來愈多，而奧氏體中的含碳量不斷減少，并沿著 ES 線變化。 3～ 4 點(diǎn)之間的組織為奧氏體＋二次滲碳體。降至4 點(diǎn)（ 727℃）時(shí)，奧氏體的成分達(dá)到了共析成分，于是這部分奧氏體發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。在 4 點(diǎn)以下 ，合金的組織不再發(fā)生變化。故室溫組織為珠光體＋二次滲碳體。過共析鋼結(jié)晶過程如圖 3－ 9。 四、 共晶白口鐵的結(jié)晶過程 圖 3－ 6 中合金Ⅳ表示共晶白口鐵（ Wc＝ ％）。合金在 C 點(diǎn)溫度以上為液體，當(dāng)降至 C 點(diǎn)時(shí)，液態(tài)合金將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，結(jié)晶出奧氏體與滲碳體的機(jī)械混合物，即高溫萊氏體。轉(zhuǎn)變是在恒溫下 進(jìn)行，其中奧氏體的成分是 E 點(diǎn)的成分。溫度繼續(xù)下降時(shí)，萊氏體中的奧代體將不斷析出二次滲碳體，剩余奧氏體的碳濃度不屢減少，并沿著 ES 線變化。 1～ 2 點(diǎn)之間的組織為高溫萊氏體，是由奧氏體，二次滲碳體和共晶滲碳體組成（ A+Fe 3 C Ⅱ +Fe 3 C 共晶）。當(dāng)溫度降至 2 點(diǎn)（ 727℃）時(shí)，萊氏體中的奧氏體的含碳量降到了 Wc＝ ％，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，生成珠光體，即高溫萊氏體（ Ld）轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏厝R氏體（ L 39。 d），其組織由珠光體、二次滲碳體和共晶滲碳體組成（ P+ Fe 3 C Ⅱ +Fe 3 C 共晶）。共晶白口鐵的顯微組織如圖 3－ 4 所示，共晶白口鐵的結(jié)晶過程如圖 3－ 10 所示。 五、 亞共晶白口鐵的結(jié)晶過程 圖 3－ 6 中合金Ⅴ表示亞共晶白口鐵。合金在 1 點(diǎn)溫度以上為液體，緩冷至稍低于 1 點(diǎn)溫度，開始從液體中結(jié)晶出奧氏體。 1～ 2 點(diǎn)溫度之間組織為液體和奧氏體。繼續(xù)緩冷，結(jié)晶出的奧氏體量不斷增多，而液體量不斷送還減少，奧氏 體的含碳量不斷沿 AE驪變化，液體的碩深度沿 AC驪變化。溫度緩冷 至 2點(diǎn)（ 1148℃）時(shí)，奧氏體的含碳量為 E 點(diǎn)的成分，液體的碳濃度為 C 點(diǎn)的濃度，于是這部分液體發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。在 2～ 3 點(diǎn)溫度區(qū)間，隨著溫度的不斷下降，奧氏體的含碳量沿 ES 線變化，并不斷析出二次滲碳體。因此 2～ 3 點(diǎn)溫度區(qū)間內(nèi)的組織為奧代體、二次滲碳體和高溫萊氏體（ A+Fe 3 C Ⅱ +Ld）。緩冷至 3 點(diǎn)（ 727℃）時(shí)， Wc＝ ％的奧氏體發(fā)生析轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。最后室溫組織為珠光體、二次滲碳體和低溫萊氏體（ P+Fe 3 C Ⅱ +L 39。 d） 。亞共晶白口鐵的結(jié)晶過程如圖 3－ 11 所示。 六、 過共晶白口鐵的結(jié)晶過程 圖 3－ 6 中合金Ⅵ表示過共晶白口鐵。合金在 1 點(diǎn)溫度以上為液體。當(dāng)溫度緩冷至稍低于 1 點(diǎn)時(shí)，從液體中開始結(jié)晶出一次滲碳體（ Fe 3 C ⅡⅠ ）。溫度不斷下降，結(jié)晶出的一次滲碳體不斷增多，剩余液體量相對(duì)減少。同時(shí)，液體的碳濃度沿 著 CD 驪不斷變化，至 2 點(diǎn)時(shí)，乘余液體 Wc＝ ％，于是發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成高溫萊氏體。此時(shí)的組織為一次滲碳體＋高溫萊氏體。隨后繼續(xù)冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變情況與共晶白口鐵相同，最終組織為一次滲碳體＋低溫萊氏體。過共晶白口鐵的結(jié)晶過程如圖 3－ 12 所示。 白口鐵因有共晶轉(zhuǎn)變，所以組織中出現(xiàn)了萊氏體基體，萊氏體的存在 ，使得白口鐵硬度很高，脆性很大，所以實(shí)際生產(chǎn)中很少直接使用，一般用用煉鋼原料。 第二節(jié) 鐵碳相圖的應(yīng)用 一、 含碳量對(duì)鐵碳合金平衡組織和性能的影響 隨著含碳量的增加，合金的室溫組織中不僅滲碳體的數(shù)量增加，其形態(tài)、分布也有變化，回此，合金的力學(xué)性能也相應(yīng)發(fā)生變化。鐵碳合金的成分、組織、相組成、組織組成、力學(xué)性能等變化規(guī)律如圖 3－ 13 所示。 亞共析鋼的組織是由鐵素體和珠光體組成，隨含碳量的增加。其組織中珠光體的數(shù)量隨之增加，因而強(qiáng)度、硬度也升高，塑性、韌性不斷下降。過共析鋼的組織是由珠光體和網(wǎng)狀二次滲碳體組成，隨著鋼中含碳量的增加，其組織中珠光