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（三）同素异构转变
某些物质在固态下，随着温度的变化，可以以不同晶体结构存在的现象称为“同素异构性”。
由一种结晶形式转变为另一种结晶形式的过程称为“同素异构转变”。 同素异构转变也是结晶过程，也遵循形核与核长大的规律。 它是一个在固态下相变的过程。
除锡以外，铁、锰、钴、钛等也都存在着同素异构转变。 二、合金的结晶
合金：以金属元素为基础加入金属（或非金属）元素，经熔炼（或烧结）而成的具有金属性质的物质。
合金的结晶过程比纯金属复杂，通常用相图（或组织图）来分析。相图合金结晶以后，随着温度的变化，成分与结晶组织之间的简明图解。由于该图是在极缓慢的冷速下测量的，故又被称为“平衡图”。 （一）二元相图的建立
合金按照组元的数量可以分为，二元、三元 或多元合金，最基本的是二元合金。主要介绍二元合金相图，二元合金现图通常是用试验方法测出的。
1. 测量二元合金相图的基本条件： ? 选材要选二元合金。
? 其次要在接近平衡冷速的条件下冷却。 2. 二元相图的建立 ? 配臵合金；
? 分别加热、冷却，测出冷却曲线。
? 找出各曲线上的临界点。如图3－10a。 ? 在温度－成分坐标上绘图（做成分垂线），降临界点标在成分垂线上。 ? 将成分垂线上各相同意义的点连线，并标上相应的字母和数字。
图中，结晶开始点的连线，称为“液相线”。结晶终了点的连线，称为“固相线”。
图5 Cu-Ni合金二元相图建立示意图
（二）铁碳合金的组元和相
1.纯铁及铁基固溶体
? 纯铁在固态下有三种同素异构体，δ－Fe、γ－Fe、α－Fe。
? 通常所说的工业纯铁是指室温下的α－Fe,它的强度、硬度低，塑性、韧性好。 2. 铁与碳形成的化合物（Fe3C）称为“渗碳体”。用符号“Fe3C”或“Cm”表示。
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? 复杂斜方晶格；最高存在温度1227?。 ? 含碳量：6.69%c；
? 性能：硬而脆，HB≈800;δ、ψ、aK≈0;是钢中的重要强化相。
三、重要考点 多选题
1．在下列各元素中，存在同素异构转变的是（）。 A．铁 B．锰 C．钴 D．钛
2．固态转变的特点包括下列的（）。
A．形核在特定部位发生，如晶界、晶内缺陷等 B．过冷倾向大 C．过冷倾向小
D．伴随体积变化，产生很大内应力
3．下列关于二元匀晶相图的描述，正确的是（）。 A．液、固相线是相区分界线
B．液、固相线是结晶时两相的成分变化线 C．匀晶转变是变温转变
D．结晶过程中，液、固两相的成分随温度变化而变化 4. 下列关于枝晶偏析的说法中，正确的是（）。 A. 枝晶偏析的大小与冷却速度有关
B．枝晶偏析与给定成分合金的液、固相线间距有关 C．枝晶偏析影响合金性能
D．生产上常以扩散退火来消除枝晶偏析 答案：1.ABCD 2.ABD 3.ABCD 4.ABCD
《机械工程材料》辅导资料五
主 题：第3章 材料的凝固
学习时间：2013年10月28日－11月3日
内 容：
这周我们将结束本课程课件第3章的学习，即材料的凝固。具体学习内容如下： 一、学习要求
1、掌握纯金属结晶的热力学条件，包括液体和晶体的自由能-温度曲线和纯金属的冷却曲线。
2、掌握金属及合金结晶后的晶粒大小及其控制：晶粒度、决定晶粒尺寸的因素、控制晶粒尺寸的方法、晶粒大小对金属性能的影响。
3、理解纯金属的结晶过程以及同素异构转变。 4、理解合金结晶二元相图的建立方式、基本类型。 5、理解合金结晶中的“杠杆定律”。
6、理解铁碳合金相图的分析原理以及典型铁碳合金的平衡结晶过程：工业纯铁、共析钢、亚共析钢、过共析钢、共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁。
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7、理解含碳量对铁碳合金组织和性能的影响。 二、主要内容 1、铁碳合金相图
2、凝固组织及其控制 一、铁碳合金相图
铁碳合金是碳钢和铸铁的总称。含碳量0.0218％c-2.11%c的称为“碳钢”。大于2.11%c，小于6.69%c的称为“铸铁”。
铁碳合金相图实际上是Fe—Fe3C相图，因为含碳量大于6.69%c铁碳合金脆性过大，在工业上无意义。
（一）铁碳合金的组元和相
1、纯铁及铁基固溶体
? 纯铁在固态下有三种同素异构体，δ－Fe、γ－Fe、α－Fe。
? 通常所说的工业纯铁是指室温下的α－Fe，它的强度、硬度低，塑性、韧性好。 ? 工业纯铁的力学性能大致在：σ0.2=100-170MPa；σb=180-270MPa；δ=30-50%；
ψ=70-80%，HB=50-80，aK=18-25J/cm2。
? 铁素体：碳溶解在α－Fe中形成的固溶体，代表符号“F”。 ? 体心立方晶格，最高存在温度：912?。 ? 含碳量:727?；0.0218%c；室温:0.0008%C； ? 显微组织：明亮的，多边形颗粒。如下图所示；
? 性能：与纯铁相似，即强度、硬度低，塑性、韧性高。
图1 铁素体组织
2、铁与碳形成的化合物（Fe3C）称为“渗碳体”。用符号“Fe3C”或“Cm”表示。
? 复杂斜方晶格；最高存在温度1227?。 ? 含碳量：6.69%c；
? 性能：硬而脆，HB≈800；δ、ψ、aK≈0；是钢中的重要强化相。
? 显微组织：根据析出的母相不同分别为：板状、蜂窝状、网状、片状、微量的。 ? 渗碳体是亚稳相，在一定的条件下发生分解： Fe3C→3Fe＋C，所分解出的单质碳
称为“石墨”。这一分解在铸铁中有着重要意义。
? 由于碳在α－Fe中的溶解度很低，所以铁碳合金常温下碳主要是以渗碳体或石墨
的形式存在。
（二）铁碳合金相图的分析
1、Fe－Fe3C相图
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图2 以相组成物标注的铁碳合金相图
? ? ? ?
图中，共有三个基本相图组成（包晶、共晶、共析相图）。
有5个基本相：液相L、高温铁素体相δ、铁素体相F、奥氏体A、渗碳体相Fe3C。 5个单相区，L、δ、F、A、Fe3C；
7个两相区：L＋δ、L＋A、L＋Fe3C、 δ＋A、A＋Fe3C、A＋F、F＋Fe3C；ABCD液相线、AHJECF固相线；
? 各特征点的温度、成分及含义见表1。
表1 铁碳合金相图中各特征点的说明
三条水平线（三相区）：
? HJB线，包晶线（1495?） ? 成分范围：0.09%-0.53%c；
? 发生包晶反应：L0.53+δ0.09→A0.17；
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? 转变产物：奥氏体；
? ECF线，共晶线（1148?） ? 成分范围：2.11%-6.69%c
? 共晶反应：L4.3→A2.11＋Fe3C；
? 转变产物：莱氏体Le（A＋Fe3C共晶)；
? 莱氏体是Fe3C基分布着A的机械混合物。显微组织形态：蜂窝状； ? 性能：硬而脆（HB700）。 ? PSK线，共析线（727?）， A1线； ? 成分范围：0.0218%-6.69%c；
? 共析反应：A0.77→F0.0218+Fe3C共析
? 反应产物：珠光体P（F0.0218+Fe3C共析） ? 珠光体：铁素体和渗碳体的机械混合物 ? 显微组织：片层状 ? 性能：介于两相之间。
2、根据母相、组织形态渗碳体可分为五种： ? 一次渗碳体（由液体中直接结晶，呈板状） ? 二次渗碳体（由奥氏体析出，呈网状） ? 三次渗碳体（由铁素体析出，微量） ? 共晶渗碳体（共晶直接结晶，蜂窝状） ? 共析渗碳体（共析过程析出，片状） （三）典型铁碳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： 1、工业纯铁（＜0.0218%c）
显微组织铁素体晶粒，工业上很少使用。 2、碳钢（0.0218%c-2.11%c）
高温组织为奥氏体塑性好，适于变形加工。
碳钢又分为亚共析钢(0.0218%c-0.77%c；共析钢（0.77%c）；过共析钢（0.77%c-2.11%c）三种。
3、白口铸铁（2.11%c-6.69%c） 特点铸造性能好，硬而脆。 亚共晶白口铁（2.11%c-4.3%c）；共晶白口铁（4.3%c）；过共晶白口铁（4.3%c-6.69%c）。 白口铸铁通常在工业上很少直接应用，因为其硬度高，不利于机械加工，铸造性能也不如灰口铸铁。
二、凝固组织及其控制
对于单相合金而言晶粒的尺度对性能的影响很大，对于多相合金第二相的尺寸、形态、分布状态往往是合金性能的决定因素。
此外，合金在结晶过程中的边缘效应，对结晶过程的影响，以及结晶后的组织影响也是不容小觑的。 （一）晶粒度
晶粒度通常是指对晶粒的大小的度量。通常使用长度、面积、体积或晶粒度级别数来评定或测定晶粒的大小。
在100倍下645。16mm2面积所包含的晶粒个数N与显微晶粒度级别数G的关系为：N＝2G－1。
比较法详见GB/T6394－2002。 （二）决定晶粒尺寸的因素
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