第二章 第三节 纯铁的同素异构转变
教学时间2014年3月28日教学对象
13数控1班-2
班
课时1课时
教学课题：第三节纯铁的同素异构转变
教学目标：明确同素异构转变，掌握纯铁的同素异构转变。
教学重点：纯铁的同素异构转变。
教学难点：应用纯铁的同素异构转变分析问题。
教学准备：PPT
教学过程:【复习】1、纯金属结晶的特点是什么？请解释其原因。
2、金属结晶时，结晶出来的晶体大好还是小好？细化晶粒的方法有哪些？
3、金属常见的晶格类型有哪三种？请描述具体的空间结构。
【新课导入】通过前面的学习，我们知道金属结晶后是晶体结构，每种金属都有它自己的晶格类型。
如纯铁在1538℃，结晶出来的晶格类型是体心立方晶格的a－Fe 。
那么固体金属温度改变晶格类型会不会改变？请同学们阅读第三节第一段前两行内容。
【板书】第三节纯铁的同素异构转变
一、同素异构转变：金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。
【讲解】同素就是同种元素；
由同素异构转变所得到的不同晶格类型的晶体称为同素异构体。
【板书】同素异构体的稳定性：
αβγδ
低温高温
二、纯铁的同素异构转变
（教师引导学生分析图2-8为纯铁的冷却曲线，师生共同概括出下式）
例一．下列说法不你认为对的打√，错的打×
1．在任何情况下，铁及其合金都是体心立方晶格。
------------------------------( ) 2．纯铁在780℃时晶体结构为面心立方晶格的γ—Fe。
------------------------- ( ) 3．45钢从室温加热到1000℃时，硬度降低，塑性提高，可进行锻造。
这是因为内部发生了改变的缘故。
---------------------------------------------------------- ( )
例二．填写出纯铁在下列温度下的组织和晶体结构：
温度（℃）组织名称晶体结构。
第2章 金属结晶的基本规律(3)
根据点阵匹配原则：液态金属本身是理想的变质剂或孕育剂
3、振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或
搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，另一 方面也可使成长中的枝晶破碎， 使晶核数目显著增加。 方法：机械振动、电磁振动、超声振动
电磁搅拌细化晶粒示意图
第四节 铸锭(件)组织与缺陷
在实际生产中，液态 金属被浇注到锭模中 得到铸锭，而注入到 铸模中成型则得到铸 件。铸锭(件)
铸锭(件)的组织及其 存在的缺陷对其加工 和使用性能有着直接 的影响
一、铸锭(件)的组织
铸锭(件)的宏观组织通常由三个区组成:
1、表层细晶区：浇注时，由于冷模壁产生很大的 过冷度（激冷）及非均匀形核作用，使表面形成 一层很细的等轴晶粒区（几mm厚）。
r＞rc时：体积自由能中占优势，ΔG下降，晶胚长大
→形成晶核
r＝rc时：晶胚可能消散或
形成晶核
rc——称为临界晶核半径。 过冷度愈大，rc愈小。
界面自由能
自
由 能
晶胚
变
化ΔG*
晶核
ΔG
rc
r
体积自由能
2) 形核功的概念
当r＞rc，晶胚形成晶核时，液体转变固 态，金属体积自由能的降低部分，只能补偿其 表面能增高部分的三分之二，其余能量升高， 需要由液相来提供。这部分能量称为形核功。
过冷度：理论结晶温度和实际
开始结晶温度之差。
过冷度值：与金属性质、冷却
速度有关；冷速越大， 过冷度越大
纯金属的冷却曲线
金属结晶热力学条件
过冷度越大ΔT 液固自由能差ΔG愈大 结晶驱动力也愈大
结晶的结构条件
结构起伏：液态金属的结构模型认为：原子排列的
第二章(3)铁碳相图
匀晶相图 L+A
L
1148℃ C
共晶相图
D
L+ Fe3CⅠ F
G 共析相图
A
E A+ Fe3CⅡ
( A+Fe3C )
Ld
A+Ld+Fe3CⅡ P+Ld’+Fe3CⅡ Ld’ ( P+Fe3C )
Ld+Fe3CⅠ
727℃ K Ld’+Fe3CⅠ
S A+F F P ( F+ Fe3C )
P
Q P+F
网状分布.
室温组织：P+Fe3CⅡ
含1.4%C钢的组织
过共析钢室温组织为P+ Fe3CⅡ
Fe3CⅡ量随含碳量而增加, 含 碳量为2.11%时, Fe3CⅡ量最大：
含1.4%C钢的组织
QFe C
3
II
2.11 0.77 100% 22.6% 6.69 0.77
室温下两相的相对重量 百分比：
含碳量对碳钢力学性能的影响
白口铸铁的力学性能特点
1600 温 1500 度 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 1538℃ 1394℃
δ - Fe
γ - Fe
912℃
α - Fe
δ- Fe
bcc
1394 ℃
γ- Fe
912 ℃
fcc
α- Fe
bcc
同素异构转变：金属在固态下由于温度的改变而发生晶 格类型转变的现象。 纯铁的居里温度：770℃ ＜ 770℃呈铁磁性，＞ 770℃磁性消失。 纯铁的力学性能： 塑性和韧性很好，但其强度很低，很少用作结构材料 。 纯铁的主要用途是利用它的铁磁性，例如各种仪器仪表 的
第二章 铁碳合金 第三节 铁碳合金状态图
6.67％
1538℃
A
铁碳合金状态图 2
D
Y
A+Y Y +Fe3CⅠ
C F 1148℃ 912℃ G
A
A3
F+A
P S
E
Fe3C
Acm
A+Fe3CⅡ A+Fe3CⅡ+L’ L’ L’ +Fe3CⅠ
K
727℃
F
F+P
Q
C％ 0.218%
P
P+Fe3CⅡ
P+Fe3CⅡ+L’’
L’’
L’’ +Fe3CⅠ
2013-7-25
1-3 铁碳合金状态图
7
铁碳合金状态图的作用
铁碳合金状态图主要是用来分析铁碳合金的成 分、温度、组织三者之间的关系。
当含碳量增加时，铁素体的比例减少，珠光体比例
增大，故而碳钢的机械强度和硬度增大，塑性和韧 性降低； 当含碳量超过0.9%时，碳钢中C的含量增多，硬度 增加，强度、塑性、韧性均下降； 当温度一定时，控制了碳钢的含碳量就控制了碳钢 的组织和性能；碳钢的机械性能又决定了碳钢的用 途。
过共析钢结晶过程
液态金属冷却至点1时开始生成A晶核； 冷却至点2后，液体金属全部结晶为A； 冷却至点3后，在GS至PSK间随温度下降不 断析出Fe3CⅡ，同时剩余A中的含碳量沿ES 线不断减少而得到珠光体P。
2013-7-25
1-3 铁碳合金状态图
22
共晶生铁结晶过程
冷却至点1时发生共晶反应生成莱氏体Ld； 点1至点2间的莱氏体称为高温莱氏体L d ； 冷却至点3后则称为低温莱氏体L d’。
工程材料-第二章 金属材料的凝固与固态相变
T/℃
L
K'
tx X
L+α
X'
a α
b 因此，两相的相对质量百分比为：
Qα KX QL X K
X
或 QL • KX Qα • X K
K
X'
L
α
QL
Q
A
X K X' B
上式与力学中的杠杆定律相似，因
ωB /% →
此称之为杠杆定律。
支点为合金的成分点，两个端点为给定温度时两相的成分
提示： 杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点，支点
1500 1400
相区：两个单相区、一个两相区 。 1300
T/℃
单相区 L相：液相，Cu和Ni
形成的液态溶体
1200
1100a 1083 1000
L a1
L+α
c1
α
α相：Cu和Ni形成的
900
无限固溶体
0 20 40 60
Cu
1455 c 80 100
Ni
两相区 L + α 相区
Cu-Ni匀晶相图
组元： 组成合金最基本的、独立的物质。
合金系 ：有两个或两个以上的组元按不同配比，配制出 一系列不同成分、不同性能的合金。这一系列合金构成了 一个合金系统，简称合金系。
相：成分相同，结构相同，与其他部分有界面分开的均匀组 成部分。 组织：指显微镜所观察到的材料的微观形貌。
合金结晶过程复杂， 用合金相图来分析。
T/℃
L
K′
b
X
tx
L+α
X′
则 QL + Q =1 QLX + Q X′ =K 解方程组得
纯铁同素异构转变过程
纯铁同素异构转变过程
小朋友们，今天我们来了解一个特别神奇的事情——纯铁的同素异构转变过程！
你们知道吗，纯铁可不是一直都保持着一个样子哦！在不同的温度下，纯铁会发生奇妙的变化，就好像变魔术一样。
首先呢，当纯铁被加热到1538℃的时候，它会从一种叫做“体心立方晶格”的结构变成另一种叫做“面心立方晶格”的结构。
这个过程就像是纯铁给自己换了一套新衣服一样。
这种从体心立方晶格到面心立方晶格的转变，我们把它叫做γ-Fe（伽马铁）。
接下来，当温度继续升高到1394℃的时候，神奇的事情又发生了！纯铁会从面心立方晶格的γ-Fe 变回体心立方晶格，不过这个体心立方晶格和最开始的那个有点不一样哦，我们把这个新的体心立方晶格叫做δ-Fe（德尔塔铁）。
然后呢，当温度慢慢降低的时候，纯铁又会开始变化啦！当温度降到912℃的时候，纯铁会从γ-Fe 再次变成体心立方晶格，不过这次的体心立方晶格和之前1538℃时变成的那
个是一样的，我们把这个叫做α-Fe（阿尔法铁）。
纯铁的同素异构转变过程是不是很有趣呢？就好像纯铁在不同的温度下，会换上不同的“衣服”，展现出不同的样子。
这个过程对于我们的生活也很重要呢！比如说，在制造钢铁的时候，人们就会利用纯铁的这种同素异构转变特性，来调整钢铁的性能，让钢铁变得更加坚固、耐用。
小朋友们，现在你们是不是对纯铁的同素异构转变过程有了一些了解呢？希望你们以后也能像科学家一样，去发现更多神奇的事情！。
铁的同素异形体 δ相
由于面心比体心排列紧密,所以由前者转化为后者时,体积要膨胀.纯铁在室温下是体心立方结构，称为α-Fe。
将纯铁加热，当温度到达912℃时，由α-Fe 转变为γ-Fe，γ-Fe是面心立方结构。
继续升高温度，到达1390℃时，γ-Fe转变为δ-Fe，它的结构与α-Fe一样，是体心立方结构。
纯铁随着温度增加，由一种结构转变为另一种结构，这种现象称为同素异构转变。
δ相：高温铁素体，由液态铁冷却到1538摄氏度发生结晶，液态铁转变为δ-Fe，C在δ-Fe中的最大溶解度为0.17%。
δ铁素体作为高温铁素体，在常温下相对少见，但在一些不锈钢中，仍然由δ铁素体保留到常温下。
但由于δ铁素体较脆，在加工中易引发裂纹，并且容易引发点腐蚀，所以一般都是作为有害相加以控制的。
所谓调质钢，一般是指含碳量在0.3-0.6%的中碳钢。
一般用这类钢制作的零件要求具有很好的综合机械性能，即在保持较高的强度的同时又具有很好的塑性和韧性，人们往往使用调制处理来达到这个目的，所以人们习惯上就把这一类钢称作调质钢。
各类机器上的结构零件大量采用调质钢，是结构钢中使用最广泛的一类钢。
淬火成马氏体后在500~650℃之间温度范围内回火的调质处理用钢。
经调质处理后，钢的强度、塑性及韧性有良好的配合。
调质钢的成分是含碳0.25%～0.5%碳素钢或低合金钢和中合金钢，调质处理后的金相组织是回火索氏体。
各类机器上的结构零件大量采用调质钢，是结构钢中使用最广泛的一类钢。
应用最广的调质钢有铬系调质钢(如40Cr、40CrSi)、铬锰系调质钢(如40CrMn)、铬镍系调质钢(如40CrNiMo、37CrNi3A)、含硼调质钢等。
钢经正火或等温转变所得到的铁素体与渗碳体的机械混合物。
索氏体组织属于珠光体类型的组织，但其组织比珠光体组织细。
索氏体具有良好的综合机械性能。
将淬火钢在450-600℃进行回火，所得到的索氏体称为回火索氏体（tempered sorbite）。
铁碳相图
铁碳合金第一节 铁碳合金基本知识一、纯铁的同素异构转变自然界中大多数金属结晶后晶格类型都不再变化，但少数金属，如铁、锰、钴等，结晶后随着温度或压力的变化，晶格会有所不同，金属这种在固态下晶格类型随温度（或压力）变化的特性为同素异构转变。
如图3-1所示。
纯铁的同素异构转变可概括如下：1538C 1394912()Fe C C Fe Fe Fe δγα︒︒︒−−−→−−−→−−−→---←−−−←−−−←−−−液态 α-Fe 和δ-Fe 都是体心立方晶格，γ-Fe 为面心立方晶格。
纯铁具有同素异构转变的特征，是钢铁材料能够通过热处理改善性能的重要依据。
纯铁在发生同素异构转变时，由于晶格结构变化，体积也随之改变，这是加工过程中产生内应力的主要原因。
二、铁碳合金的基本组织在铁碳合金中，由于铁和碳的交互作用，可形成下列五种基本组织：1、铁素体（F ）铁素体是碳溶解在α-Fe 中形成的间隙固溶体，它仍保持α-Fe 的体心立方晶格结构。
由于α-Fe 晶粒的间隙小，溶解碳量极微，其最大溶碳量只有0.0218%（727℃），所以是几乎不含碳的纯铁。
铁素体由于溶量小，力学性能与纯铁相似，即塑性和冲击韧度较好，而强度、硬度较低。
2180280MPa HBS=5080 =3050% 128160J/cmb KU a σδ==显微镜下观察，铁素体呈灰色并有明显大小不一的颗粒形状。
2、奥氏体（A ）奥氏体是碳溶解在γ-Fe 中形成的间隙固溶体。
它保持γ-Fe 的面心立方晶格结构。
因其晶格间隙较大，所以溶碳能力比铁素体强，在727℃时溶碳量为0.77%，1148℃时溶碳量达到2.11%。
奥氏体的强度、硬度较低，但具有良好的塑性，是绝大多数钢高温进行压力加工的理想组织。
400MPa;HBS=160200;=4050%b σδ≈由于γ-Fe 一般存在于727～1394℃之间，所以奥氏体也只出现在高温区域内。
显微镜观察，奥氏体呈现外形不规则的颗粒状结构，并有明显的界限。
铁碳合金相图
Fe-Fe3C相图的总结 PQ线也是固溶线。它是铁素体中碳的溶解度随温 度变化的曲线。当温度降到此线,铁素体中多余 的线也以渗碳体形式析出。从铁素体中析出的 渗碳体称为三次渗碳体。记为Fe3CⅢ. GS线是奥氏体向铁素体转变的开始线，也是铁素 向奥氏体转变的终了线。代号为A3。 GP线是奥氏体向铁素体转变的终了线 , 也是铁素 向奥氏体转变的开始线。 实际上相图中的这些线都是各个化学成分的合金 随温度变化发生各种相转变的温度点 ( 相变点 ) 的分类集合。
第 二 节 铁碳合金相图
铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，它们都可以作为纯组元看待。 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已 无实用价值。 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
一、Fe - Fe3C 相图的建立 1.配制不同成分的铁碳合金，加热后缓慢地冷却， 记录数据，绘制它们的冷却曲线（时间、温度）；
观察纯铁的冷却曲线及晶体结构变化：
无铁磁性
770 铁磁性
观察纯铁的冷却曲线及晶体结构变化：
δ - Fe
1394 °C
γ - Fe
912 °C
α - Fe
所谓同素异构转变，是指金属在结晶成固态 之后继续冷却的过程中晶格类型随温度下降而发 生变化的现象，也称同素异构转变，又称重结晶。
关于纯铁冷却曲线的总结 1538℃平台是铁的结晶温度。结晶后是体心立方晶格Fe。 1394℃平台是Fe在固态下第一次同素异晶转变。转变为面心立方的Fe。
1）铁素体
定义：碳溶于a-Fe中形成的间隙固溶体,以F或α 表示；
结构：体心立方结构。 成分：铁素体的溶碳能力很低，室温时溶解度Wc≤0.0008％≈0，最大溶解度在 727℃，Wc≈0.0218％。
铁碳合金
第二章铁碳合金§2-1 铁碳合金的基本组织一、【纯铁的同素异构转变】：固态金属随温度变化而发生晶格改变的现象，称为同素异构转变。
纯铁即具有同素异构转变的特征，如图所示：同素异构转变是纯铁的一个重要特性，以铁为基的铁碳合金之所以能通过热处理显著改变其性能，就是由于铁具有同素异构转变的特性。
金属的同素异构转变过程与液态金属的结晶过程相似，实质上它是一个重要结晶过程。
因此，它同样遵循着结晶的一般规律：有一定的转变温度；转变时需要过冷；有潜热产生；转变过程也括晶核的形成和晶核的长大两阶段。
二、铁碳合金的基本组织【铁碳合金的（基本组织）相】：铁素体、奥氏体、渗碳体均是铁碳合金的基本相。
1、【铁素体Ferrite（F）】：碳溶于α铁中的间隙固溶体称为铁素体，用符号F或α表示。
它仍保持α铁的体心立方晶格；在727℃时的最大溶碳量为Ｗｃ＝0.0218％，在600℃是溶碳量约为Ｗｃ＝0.0057％，室温下几乎为零Ｗｃ＝0.0008％。
其室温性能几乎和纯铁相同，铁素体的强度、硬度不高（σb=180-280MPa,50-80HBS），但具有良好的塑性和韧性(δ=30%-50%,Akv=128-160J)。
所以以铁素体为基体的铁碳合金适于塑性成形加工。
2、【奥氏体Austenite（Ａ）】：碳溶于γ铁中的间隙固溶体称为奥氏体，用符号Ａ或γ表示。
它仍保持γ铁的面心立方晶格。
在727℃时的溶碳量为Ｗｃ＝0.77％，到1148℃是时达到最大Ｗｃ＝2.11％。
奥氏体的力学性能与其溶碳量及晶粒大小有关，一般奥氏体的强度、硬度为（σb 约为400MPa,160-200HBS），但具有良好的塑性和韧性(δ=40%-50%)，无磁性。
因为奥氏体的硬度较低而塑性较高，易于锻压成型。
3、【渗碳体Cementite】渗碳体具有复杂晶格的间隙化合物，分子式为Fe3C，其Ｗｃ＝6.69％，是钢和铸铁中常用的固相。
熔点约为1227℃，渗碳全硬度很高（950－1050ＨＶ），而塑性与韧性几乎为零，脆性很大。
铁 碳 合 金
铁碳合金
（1）共析钢的组织转变。奥氏体的碳的质量分数为0.77％，当 冷却到S点时，就全部转变为珠光体P。
（2）亚共析钢的组织转变。奥氏体的碳的质量分数低于0.77％， 当冷却到GS线时，开始析出铁素体。随着温度下降，铁素体不断增 加，奥氏体逐渐减少。当冷却到PS线时，铁素体析出完毕，剩余的 奥氏体碳的质量分数变为0.77％，就转变为珠光体。因此，GS线与 PS线之间的结晶组织为铁素体和奥氏体，PS线以下的结晶组织为铁 素体和珠光体。这种组织的钢称为亚共析钢。
铁碳合金
2. 奥氏体
碳溶解在γ-Fe中形成的固溶体称为奥氏体，通常用A（或γ） 表示。它仍保持γ-Fe的面心立方结构。Γ-Fe溶解碳的能力比α-Fe 大，在1 148 ℃时其溶解度最大达wC=2.11％。温度降低时，其溶 解度也降低，在727 ℃时，其溶解度为wC=0.77％。
稳定的奥氏体在钢内存在的最低温度为727 ℃。奥氏体的硬度 不是很高（160～220 HBW），塑性很好，是绝大多数钢种在高温 进行压力加工时所要求的组织。在显微镜下观察，奥氏体晶粒呈多 边形，晶界较铁素体平直。
同素异构转变不仅存在于纯铁中，而且存在于以铁为基 体的钢铁材料中，这是钢铁材料性能多种多样、用途广泛， 并能通过各种热处理进一步改善其组织与性能的重要因素。
铁碳合金
铁碳合金的基本组织
在铁碳合金中，铁和碳互相结合的方式是：在液态时，铁 和碳可以无限互溶；在固态时，碳可以溶于铁中形成固溶体； 当碳含量超过固态溶解度时，则出现化合物。此外，还可以形 成由固溶体和化合物组成的机械混合物。现将铁碳合金在固态 下出现的几种基本组织分述如下。
铁碳合金
3. 渗碳体
铁与碳形成稳定的化合物称为渗碳体，通常用Fe3C表示。 渗碳体中碳的质量分数为6.69%，渗碳体具有复杂的晶格形式， 与铁的晶格截然不同，故其性能与铁素体差别很大。