第三章 第三节 同素异构转变
合集下载
3 第三章 金属的结晶、变形与再结晶——【工程材料学】
（1） 形核
形核方式有两种：均匀形核和非均匀形核。
均匀形核即晶核在液态金属中均匀的形成；非均匀形核 即晶核在液态金属中非均匀的形成。
实际生产中，金属中存在杂质并且凝固过程在容器或铸 型中进行，这样，形核将优先在某些固态杂质表面及容器 或铸型内壁进行，这就是非均匀形核。
非均匀形核所需过冷度显著小于均匀形核，实际金属的 凝固形核基本上都属于非均匀形核。
颗粒钉扎作用的电镜照片
3.2.2 塑性变形对金属组织与性能的影响
一、 塑性变形对金属组织与结构的影响
1. 显微组织的变化 滑移带 孪晶带 晶粒形状
金属在外力作用下发生塑性变形时，随着变形量的增加晶 粒形状发生变化，沿变形方向被拉长或压扁。当拉伸变形量 很大时，只能观察到纤维状的条纹（晶粒变成细条状），称 之为纤维组织。
Hall-Pitch关系：σs =σ0 + Kyd-1/2
三、 合金的塑性变形 根据组织，合金可分为单相固溶体和多相混合物两种。合
金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同。
奥氏体
珠光体
1. 单相固溶体的塑性变形 单相固溶体合金组织与纯金属相同，其塑性变形过程也与
多晶体纯金属相似。但随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度 提高，塑性、韧性下降，称固溶强化。
3.1 金属的结晶及铸件晶粒大小控制
凝固
金属由液态转变为固态的过程。
结晶
结晶是指从原子不规则排列的液 态转变为原子规则排列的晶体状 态的过程。
3.1.1 冷却曲线及结晶一般过程
一、 冷却曲线
温 度
理论冷却曲线
结晶平台(是由结晶潜热导致)
Tm
Tn
△T 过冷度
实际冷却曲线
时间
金属材料概论第三章ppt课件.ppt
体心立方
面心立方
体心立方
第三节 合金的结晶与相图
合金的应用比纯金属广泛得多
→ 因为合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯 金属高许多；某些合金还具有特殊的电、磁、耐 热、耐蚀等物理、化学性能。
学习内容： 一 概念 二 合金相结构 三 二元合金相图
一 概念
1·合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经 熔炼或烧结、或采用其它方法组合而成的具有 金属特性的物质。
如果在结晶过程中只有一颗晶核并长大，而不出 现第二颗晶核．那么由这一颗晶核长大的金属， 就是一块金属单晶体。
2、形核和长大 形核： 均质形核：由熔液自发形成新晶核，液体中出现新
相晶核的几率是相同的→ 自发形核
异质形核：新相优先出现于液相中的某些区域的 形核方式 → 非自发形核←杂质（未熔 质点）
长大： 长大过程实质：液体中金属原子向晶核表面迁移过程 长大条件：过冷度
∵结晶初期生成的微小晶粒与
液相间的平衡温度低于大晶
体与液相间的平衡温度— 小
ห้องสมุดไป่ตู้晶体的熔点<大晶体的熔点 温
度
而通常金属的熔点是与大晶 T
Tm=T大晶粒
△T Tn=T小晶粒
体相对应的 → 结晶过程只能
在金属熔点以下的温度进行
∴过 冷条件下发生！
时间τ
②结晶过程中晶核数目越多，凝固后晶粒数目也越多， 晶粒越细小；反之，晶粒数目越少，晶粒越粗大；
2·组元：组成合金最基本的、独立的物质，简称为元。 一般指组成合金的元素，或稳定的化合物。
例如：黄铜的组元是铜和锌；碳钢的组元是铁和碳， 或是铁和金属化合物Fe3 C
黄铜:Cu与Zn的合金。Zn的含量越高，其强度也较高，
第3章 铁碳合金相图
ωc>0.9% →σ↓
硬度：ωc↑→Fe3C ↑→HB↑
塑性、韧性： ωc↑→Fe3C ↑ →塑性↓、韧性↓
3.3 对工艺性能的影响
主要表现在对切削加工性、可锻性、 22/24 铸造性和焊接性能的影响。
2020/5/12
2020/5/12
切削加工性：指金属经切削加工形成工件的难易程度。低碳钢切削加 工性差。高碳钢中Fe3C多，刀具磨损严重，切削加工性也差。中碳 钢中F和Fe3C的比例适当，切削加工性好。
（Acm） GS A F(A3）
PQ F Fe3CⅢ
ACM A3
A1
600
15/24
2020/5/12
共晶转变： ECF 共晶线
1148°C
C 共晶点
ωC =4.3%
LC Ld(A+Fe3C) 室温下： Ld Ld´ 低温莱氏体Ld´ (P+ Fe3CⅡ+Fe3C)
共析转变： PSK 共析线 S 共析点
莱氏体：奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，常用Ld表示，它是碳的质 量分数为4.3％的铁碳合金液体在1148℃发生共晶转变的产物。在 727℃以下，莱氏体中的奥氏体将转变为珠光体，由珠光体与渗碳体组 成的机械混合物，称为低温莱氏体，用符号Ld′表示。 8/24 莱氏体的硬度很高，塑性、韧性极差。
2020/5/12
晶界上（如Fe3CⅢ）,变为分布在 F的基体内（如P），进而分布在
原A的晶界上（如Fe3CⅡ），最后 形成Ld′时，Fe3C已作为基体出 现。碳的质量分数不同，铁碳合
金的组织和性能也不同。
21/24
3.2 对力学性能的影响
强度：ωc<0.77% ωc↑→P↑ F↓
σ↑
0.77 % <ωc<0.9% 强度增加缓慢
硬度：ωc↑→Fe3C ↑→HB↑
塑性、韧性： ωc↑→Fe3C ↑ →塑性↓、韧性↓
3.3 对工艺性能的影响
主要表现在对切削加工性、可锻性、 22/24 铸造性和焊接性能的影响。
2020/5/12
2020/5/12
切削加工性：指金属经切削加工形成工件的难易程度。低碳钢切削加 工性差。高碳钢中Fe3C多，刀具磨损严重，切削加工性也差。中碳 钢中F和Fe3C的比例适当，切削加工性好。
（Acm） GS A F(A3）
PQ F Fe3CⅢ
ACM A3
A1
600
15/24
2020/5/12
共晶转变： ECF 共晶线
1148°C
C 共晶点
ωC =4.3%
LC Ld(A+Fe3C) 室温下： Ld Ld´ 低温莱氏体Ld´ (P+ Fe3CⅡ+Fe3C)
共析转变： PSK 共析线 S 共析点
莱氏体：奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，常用Ld表示，它是碳的质 量分数为4.3％的铁碳合金液体在1148℃发生共晶转变的产物。在 727℃以下，莱氏体中的奥氏体将转变为珠光体，由珠光体与渗碳体组 成的机械混合物，称为低温莱氏体，用符号Ld′表示。 8/24 莱氏体的硬度很高，塑性、韧性极差。
2020/5/12
晶界上（如Fe3CⅢ）,变为分布在 F的基体内（如P），进而分布在
原A的晶界上（如Fe3CⅡ），最后 形成Ld′时，Fe3C已作为基体出 现。碳的质量分数不同，铁碳合
金的组织和性能也不同。
21/24
3.2 对力学性能的影响
强度：ωc<0.77% ωc↑→P↑ F↓
σ↑
0.77 % <ωc<0.9% 强度增加缓慢
材料科学基础-第3章
三、金属化合物
❖ 2 电子化合物（电子相）
❖ 电子化合物不遵守原子价规律，但其晶体结构与电子浓度（即价电子数目与 原子数目之比，用N价表示）有一定的对应关系。
❖ ① 当N价=21/14时，形成体心立方结构的β相，例如CuZn， Cu3Al等等；
❖ ② 当N价=21/13时，形成复杂立方结构的γ相，例如Cu5Zn8， Cu31Sn8等等；
二、固溶体
间隙固溶体
置换固溶体
二、 固溶体
3、 置换固溶体 （1）置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。 （2）影响置换固溶体溶解度的因素 a 原子尺寸因素
原子尺寸差越小，越易形成置换固溶体，且溶解度越大。 △r=(rA-rB)/rA
当△r<15%时，有利于大量互溶。
Байду номын сангаас
二、 固溶体
b 晶体结构因素 结构相同，溶解度大，有可能形成无限固溶体。
② 间隙化合物
间隙化合物具有复杂晶体结构， 其熔点、硬度高（比间隙相低，也较易 分解）。例如Fe3C、Cr23C6等等。
三、 金属化合物
4 相的分类
合金中的相按结构可分为： 固溶体和金属化合物 。
固溶体：晶体结构与其某一组元相同的相。 金属化合物：组元之间形成的新相，
其结构不同于任何组元。
二、固溶体
➢合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、 且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。 ➢与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中 含量较多；另一组元为溶质，含量较少。 ➢ 固溶体用α、β、γ等符号表示。A、B组元组 成的固溶体也可表示为A(B), 其中A为溶剂, B为溶 质。例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般 用α表示, 亦可表示为Cu(Zn)。
第三章 铁碳合金相图
2、有益元素 Mn、Si
锰Mn:随脱氧剂加入。大部分溶于铁素 体中，具有固溶强化效果，少部分形成 合金渗碳体；锰与硫化合成MnS，减轻了 硫的有害作用。碳钢中<0.8%，合金钢中
1.0%- 1.2%。
硅Si:随脱氧剂加入,有较强的固溶强 化作用；可增加钢液流动性。碳钢中 <0.4%
工程材料及热加工基础课件
3、非金属夹杂物的影响
① N：室温下N在铁素体中溶解度很低，钢中过饱和N在常温放置过程中 以FeN、Fe4N形式析出使钢变脆, 称时效脆化。加Ti、V、Al等元素可使N 固定，消除时效倾向。
② O：氧在钢中以氧化物的形式存在，其与基体结合力弱，不易变形，
易成为疲劳裂纹源。 ③ H：常温下氢在钢中的溶解度也很低。当氢在钢中以原子态溶解时， 降低韧性，引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压， 形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。
工程材料及热加工基础课件
第五节
碳素钢
碳素钢是指ωc≤2.11%，并含有少量Mn、Si、S、P等杂质元素的铁碳合金。
一、常存杂质元素对碳钢性能的影响（ Mn、Si、S、P）
1、有害元素 S、P 硫S：炼钢时由生铁和燃料带入。在F中的溶解度极小，在钢的晶界处形成低 熔点（985）共晶体FeS→压力加工时熔化→导致钢沿晶界开裂—“热脆”。 钢中要限硫含量：≤0.05% 。 利用：Mn与S形成MnS(1620℃）, 粒状分布在晶内，以利于断屑，改 善切削加工性能。
A+F F P
( F+ Fe3C ) P
Q 0.0218%C Fe
P+F
4.3%C
6.69%C Fe3C
工程材料及热加工基础课件 1、 Fe-Fe3C 相图中的特性点
3.--材料的凝固与铁碳相图资料
一. 冷却曲线与过冷度 二. 结晶的一般过程 三. 同素异构转变
一、冷却曲线与过冷
1、冷却曲线 金属结晶时温度与时间的
关系曲线称冷却曲线。曲 线上水平阶段所对应的温 度称实际结晶温度T1。 曲线上水平阶段是由于结 晶时放出结晶潜热引起的.
纯金属的冷却曲线
2、过冷与过冷度 纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶
PQ—碳在-Fe中的固
溶线。
⒊ 相区
⑴ 五个单相区：
L、、、、Fe3C ⑵ 七个两相区: L+、
L+、L+Fe3C、 +、 +Fe3C、+ 、 +Fe3C
⑶ 三个三相区：即HJB (L++)、ECF(L++ Fe3C)、 PSK(++ Fe3C)三条水平线
三、典型合金的平衡结晶过程
铁碳相图上的合金，按成分可分为三类： ⑴ 工业纯铁(<0.0218% C) 组织为单相铁素体。
亚共析钢的结晶过程
含0.20%C钢的组织
亚共析钢室温下的组织 为F+P。
在0.0218~0.77%C 范围 内珠光体的量随含碳量 增加而增加。
含0.45%C钢的组织
含0.60%C钢的组织
㈣ 过共析钢的结晶过程
合金在1~2点转变为 , 到3点, 开始析出Fe3C。从奥氏
体中析出的Fe3C称二次渗碳体, 用Fe3CⅡ表示, 其沿晶 界呈网状分布.
含1.4%C钢的组织
工业纯铁的结晶过程
从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3CⅢ 表示。 Fe3CⅢ以不连续网状或片状分布于晶界。
随温度下降，
Fe3CⅢ量不断 增加，合金的
一、冷却曲线与过冷
1、冷却曲线 金属结晶时温度与时间的
关系曲线称冷却曲线。曲 线上水平阶段所对应的温 度称实际结晶温度T1。 曲线上水平阶段是由于结 晶时放出结晶潜热引起的.
纯金属的冷却曲线
2、过冷与过冷度 纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶
PQ—碳在-Fe中的固
溶线。
⒊ 相区
⑴ 五个单相区：
L、、、、Fe3C ⑵ 七个两相区: L+、
L+、L+Fe3C、 +、 +Fe3C、+ 、 +Fe3C
⑶ 三个三相区：即HJB (L++)、ECF(L++ Fe3C)、 PSK(++ Fe3C)三条水平线
三、典型合金的平衡结晶过程
铁碳相图上的合金，按成分可分为三类： ⑴ 工业纯铁(<0.0218% C) 组织为单相铁素体。
亚共析钢的结晶过程
含0.20%C钢的组织
亚共析钢室温下的组织 为F+P。
在0.0218~0.77%C 范围 内珠光体的量随含碳量 增加而增加。
含0.45%C钢的组织
含0.60%C钢的组织
㈣ 过共析钢的结晶过程
合金在1~2点转变为 , 到3点, 开始析出Fe3C。从奥氏
体中析出的Fe3C称二次渗碳体, 用Fe3CⅡ表示, 其沿晶 界呈网状分布.
含1.4%C钢的组织
工业纯铁的结晶过程
从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3CⅢ 表示。 Fe3CⅢ以不连续网状或片状分布于晶界。
随温度下降，
Fe3CⅢ量不断 增加，合金的
金属材料与热处理 模块二 课题三 金属的同素异构转变
必备知识
一．同素异构转变 大多数金属的晶格类型都是固定不变的，但是有少部分金属如铁（Fe）、钴(Co )、钛(Ti)、 锡(Sn)、锰(Mn)等，其晶格类型会随温度的升高或降低而发生改变。某些固态金属在不同 温度和压力下呈不同的晶体结构，同一种固态的纯金属（或其他单相物质），在加热或冷 却时由一种稳定状态变为另一种晶体结构不同的稳定状态的转变称为同素异构转变。此时 除体积变化和热效应外还会发生其他性质改变。
思考与练习
1．什么是同素异构转变？具有同素异构转变的金属有哪些？ 2．金属的同素异构转变与结晶相比有哪些异同点？ 3．写出纯铁的同素异构转变式。 4. 金刚石和石墨都是碳原子组成的，但性能却绝然相反，为什么？
谢谢观赏！
同一金属元素的晶体，以不同的晶格形式存在称为该金属的同素异晶体。同一金属的 同素异晶体，根据其稳定存在的温度，由低温到高温，依次用希腊字母α、β、γ、δ等表 示。例如，α－Fe、γ－Fe、δ－Fe；α－Co、β－Co。
必备知识
二、纯铁的同素异构转变过程 纯铁是具有同素异构转变的金属，如图所示，液态纯铁在1538℃进行结晶，得到具有
γ-Fe到α-Fe的同素异构转变过 程示意图
总结提升
由以上知识可知，由于温度发生了变化，锡的晶格发生了改变，导致其体积和性能发生了 变化。在13.2℃～161℃下，锡是正方晶系的晶体结构，叫做白锡。白锡稳定，因为表面 生成一层致密的氧化膜，阻止锡的进一步氧化，可作为高贵的装饰品或表壳、酒壶以及茶 壶等。但是如果温度低于13℃，锡开始发生同素异构转变，转变为它的同素异形体灰锡(α 锡)，转变速度随温度的下降而加快，如果温度低于-18℃，β锡(密度7.298克/cm3)转变为 α锡(密度5.846g/cm3)时，体积增大约20％，锡的体积膨胀，由个别点开始，向周围扩散， 降到-33℃时ห้องสมุดไป่ตู้达到高峰，一夜间就能使锡变成粉末。为避免发生这种情况，锡在储运过 程中的温度不可太低，寒冷地区不能用锡质容器或锡焊容器。如图所示为锡从高温液态冷 却到固态的转变式
金属的同素异构转变
A 、课题：金属的同素异构转变B 、课型：新授课C 、教具：D 、备课时间：10.15E 、使用时间：10.24F 、教学目标：⎪⎩⎪⎨⎧特点。
、掌握同素异构转变的。
、掌握纯铁的冷却过程同素异晶体的概念。
、掌握同素异构转变和321 G 、重难点：纯铁的冷却过程。
（含纯铁的同素异构转变） 突破方法：对照冷却曲线，认真仔细讲解。
H 、教学方法：讲授法学法指导：对照冷却曲线，认真听讲，努力理解。
I 、自主探究：讨论在纯铁的冷却过程中发生几次同素异构转变。
教学过程及内容：<一>组织教学：安顿秩序、查点人数<二>复习提问及导入：⎩⎨⎧响？、晶体缺陷对性能的影些？、金属的晶体缺陷有哪21 <三>讲授新课：1、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。
2、同素异晶体：以不同晶格形式存在的同一金属元素的不同晶体。
3、纯铁的冷却过程： 金属的同素异构转变度温时间纯铁的冷却曲线1538℃结晶固体液体体心立方晶格δ-Fe1394℃体δ-Fe 面r -Fe 面子心立方晶格r -Fe912℃同素异构转变同素异构转变面r -Fe 体α-Fe体心立方晶格α-Fe 770℃居里点无铁磁性有铁磁性由图可知：液态纯铁在1538°C 进行结晶，得到具有体心立方晶格的δ-Fe ，继续冷却至1394°C 时发生同素异构转变，δ-Fe 转变为面心立方晶格的γ-Fe ，再冷却到912°C 时，又发生同素异构转变，γ-Fe 转变为体心立方晶格的a-Fe ，如果在继续冷却到室温，晶格类型不再发生变化。
4、同素异构转变的特点：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧化，应力的产生。
变时常伴随着体积的变、由于晶格的改变，转、在固态下进行。
规律。
、遵循液体结晶的一般、有固定的转变温度。
4321 <四>学生看书、练习：1、控制冷却速度，可以改变同素异构转变后的___________大小，借以改变金属的___________。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
(有\ 有
7
是金属结晶的必要条件。 是金属结晶的必要条件。
8、晶核的长大方式 、 晶核的长大方式有两种，即 晶核的长大方式有两种， 和 。
均匀长大
树枝状长大
树枝状结晶
金 属 的 树 枝 晶 金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
冰 的 树 枝 晶
9 晶体缺陷主要有
、
、
。
10 控制晶粒大小的方法 有 、 。
α-Fe
γ-Fe
二 同素异构转变的特点
1 新晶核优先在 现象，具有较大的 过冷度。
产生。
3 有 结晶潜热 4有
体 积 变化。
作业
P 31 一 8、9 、 P 32 四 6
复习： 复习：第二节 纯金属的结晶
1 金属结晶的基本过程是
2 纯金属都有一个 3 结晶只有在 结晶温度下才能进行。 结晶温度下才能进行。
温度。 温度。 以下的实际
雾 凇
4 液态金属在理论结晶温度以下开 始结晶的现象称 。
5 理论结晶温度与实际结晶温度的差 T称 称 .
6 过冷度大小与冷却速度 无)关，冷速越大，过冷度 关 冷速越大， 越 。 (大\小) 大小
纯铁的同素异构转变
3 纯铁在固态冷却 过程中有两次晶体 结构变化， 结构变化，其变化 为：
δ-Fe γ-Fe α-Fe
1394℃ ℃ 912℃ ℃
4 δ-Fe、 α-Fe为体心立方结构 、 为体心立方结构(BCC)，γ-Fe为面心立 ， 为 方结构(FCC)。都是铁的同素异构体。 。都是铁的同素异构体。 方结构 同素异构体
、
11 晶粒越细，则金属的强度、硬度越 差。（ ）
第三节 金属的同素异构转变
一、同素异构转变 1 少数金属结晶成固态后继续冷却时晶格 类型还会发生变化， 类型还会发生变化， 如
2
、
、
。
同素异构转变（异晶转变） 同素异构转变（异晶转变）
定义： 金属在固态下由 定义： 金属在固态下由一种晶格转
变为另一种晶格的过程。