第四章：二元相图.ppt

1、第四章：二元相图(Binary phase diagrams),复习合金、组元、相、相结构（固溶体、化合物） 纯金属结晶单相。,相图：以温度为纵坐标，成分为横坐标，反映不同成分的合金 在任意温度下所处的平衡相状态的图解。 相图状态图，平衡状态图 。 平衡：合金从液态（高温）到室温是在极其缓慢冷却的条件下完成的。 相图用途：了解合金从熔点到室温相和组织的变化规律 计算任意合金在不同温度下相和组织含量。 是制定合金铸造、压力加工、热处理工艺的重要依据；,第四章：二元相图,41相图的基本知识 411相图的表示方法 相图反映的是相的平衡状态，是在极其缓慢冷却条件下测定的，以温度为纵坐标， 成分为横坐标

2、。,以Pb-Sn二元合金相图为例说明。,温度：纵坐标 成分：横坐标，用重量百分数表示 例“10”表示：含Sn=10%，含Pb=90%,相区用一些字母表示： 如：L-表示液相区 L+ -表示液相和固相（）两相区 相区交界线： 例ae线，L与L+交界线 aeb线：液相线 amenb线：固相线,表象点：相图上任意一点，反映给定成分合金在一定温度下所具有的相的状态。,第四章：二元相图,41相图的基本知识,412二元合金相图的建立,实验测定. 测定原理：合金发生相变时，会导致物理、力学性能变化及结构变化。,测定方法：（复杂相图需用几种方法结合） 热分析法 电阻法 硬度法 膨胀法 金相法 x-射线衍射法

3、磁性法,关键：测定给定合金系中若干成分不同的合金的平衡凝固温度和相变温度,第四章：二元相图,412二元合金相图的建立,热分析法测定相图的装置示意图,例：热分析法(thermal analysis)测定二元Cu-Ni合金 1) 配置不同成分的Cu-Ni合金；Cu, 75Cu25Ni, 50Cu50Ni, 25Cu75Ni, Ni,T,time,Cu,Ni,w(Ni)%,25,50,75,2) 将合金熔化，测定其冷却曲线；,3) 确定冷却曲线上的转折点，它们反应了合金状态的变化（凝固）；,4) 将这些数据绘入温度-成分坐标中；,5) 连接意义相同的点；分析相图：点、线、区,Cu,75Cu 25Ni

4、,50Cu 50Ni,25Cu 75Ni,Ni,L,L+,第四章：二元相图,41相图的基本知识,413相律及杠杆定律 1相律及应用 相律作用：帮助分析使用相图 判断相图是否正确,（1）相律概念：,表达式：f=C-P+2 f:自由度数；C:组元数；P:相数；2：温度、压力。 合金结晶、固态相变是在恒压下进行（压力影响小）,表示在相平衡状态下，系统的自由度数，组元数和相数之间的关系。,f=C-P+1,第四章：二元相图,41相图的基本知识,413相律及杠杆定律 1相律及应用,相律表达式：f=C-P+1,自由度f:当合金相数固定时，可以独立改变的、影响 合金状态的内、外因素的数目。 内因：成份；外因：

5、温度。,最大自由度数：在单相区纯金属：1个温度可变（成分不可变） 二元合金：2个温度，一个成分 三元合金：3个温度，两个成分。 当f=0时，温度、成分都固定。,第四章：二元相图,41相图的基本知识,413相律及杠杆定律 1相律及应用,（2）相律应用： 以Pb-Sn合金为例说明：,纯金属在恒温下结晶。 在熔点，液相、固相共存。 f=1-2+1=0,合金在两相区，当温度一定时，两相成分固定。 f=2-2+1,只有一个独立变量。 例x成分：C=2;P=2，当温度固定：液相成分为x1;固相成分为x2. 也说明二元合金在一定温度范围内结晶。,当二元合金出现三相平衡时，成分、温度均恒定。 f=C-P+1=

6、2-3+1=0 例：相图中在183，三相：、L、平衡，其成分分别为M、E、N点。,可确定合金系中最多平衡相数。 令：f=0 得：P=C+1 纯金属：Pmax=2; 二元合金：Pmax=3; 三元合金：Pmax=4,第四章：二元相图,41相图的基本知识,413相律及杠杆定律,2.杠杆定律： 问题提出： 当二元合金（成分已知）由两相组成时,两相的相对重量是多少？ 例：45钢（含C=0.45%）,铁素体（F）和Fe3C两相各占多少？ 当二元合金两相相对重量已知时，合金成分是多少？ 例：金相观察：F:95%; Fe3C：5%；求钢的含碳量？ 杠杆定律可以解决此类问题。,第四章：二元相图,41相图的基本

7、知识,413相律及杠杆定律,2.杠杆定律：,以Cu-Ni二元合金相图说明：,计算成分为c的合金在t1时，L和两相的相对重量。根据相律：在t1时，L和两相成分分别为CL,C .。 设：合金总重量为1，液相重为WL, 相重W 则有：WL+W=1 WLxCL+Wx C =C (液相含Ni量+固相含Ni量=合金含Ni量),解得：,推导见板书,第四章：二元相图,41相图的基本知识,413相律及杠杆定律,2.杠杆定律：,*杠杆定律适用于任何二元相图两相区两相重量的计算。 在单相区，其相占100% （二元相图的几何规律，后面讲解）,第四章：二元相图,42二元相图的基本类型 基本类型：a.匀晶型 b.共晶型c

8、.包晶型 （复杂相图都由简单类型组合而成）,二元匀晶相图,二元共晶相图,二元包晶相图,第四章：二元相图,421匀晶相图 匀晶转变：由液相结晶出单相固溶体的过程。表达：L 匀晶相图：当合金在液态和固态均为无限互溶时构成的相图。 二元匀晶系：Cu-Ni;Au-Ag;Cu-Au(fcc)Cr-Mo; -Fe-Cr; -Fe-V(bcc),第四章：二元相图,421匀晶相图,1相图分析(以Cu-Ni合金为例)：,A点：纯铜熔点(1083)； B点：纯镍熔点(1462 )；-液相线； -固相线,所有合金都在一定温度范围内完成结晶。两相区，自由度f=2-2+1=1,三个相区：液相区（L）、固相区()、液固两

9、相区(L+ ),第四章：二元相图,421匀晶相图,2.固溶体合金平衡凝固及组织。 平衡凝固：极其缓慢冷却，凝固每一阶段 都达到平衡。,（1）合金结晶过程。以30%Ni(70%Cu)合金为例：在t1温度: 开始结晶出含Ni为1成分的晶核（Ni多，Cu少）在t2温度： 液相平衡成分为L2点，相平衡成分为2点。,t3温度结晶结束。各部分成分均匀，为含30%Ni的固溶体。 平衡结晶，极其缓冷，L和中的Cu、Ni原子有充分的扩散时间。,第四章：二元相图,421匀晶相图,2.固溶体合金平衡凝固及组织。,结晶过程示意图,第四章：二元相图,421匀晶相图,2.固溶体合金平衡凝固及组织。,（2）结晶规律：形核长

10、大 （3）结晶条件 需过冷，提供驱动力。 结构起伏-提供晶胚。 能量起伏-补偿形核功。 成分起伏（浓度起伏）：在任一瞬间，液相中某些 微小体积成分偏离于均匀成分，这些微小体积成分、 尺寸、位置在不断变化。,第四章：二元相图,421匀晶相图,2.固溶体合金平衡凝固及组织。,（4）固溶体结晶特点（与纯金属相比）异分结晶 结晶时，结晶出的晶体成分不同于母体成分称为异分结晶。对Cu-Ni合金：先结晶部分富Ni;后结晶部分富Cu.,平衡分配系数： 在一定温度下，固液两平衡相中溶质浓度之比。 用K0=,若把液、固相线看成直线，则K0=常数（可用相似三角形证明） 当K01时，K0越大，则液、固相线距离越大，

11、所需成分起伏越大,第四章：二元相图,421匀晶相图,2.固溶体合金平衡凝固及组织。,（4）固溶体结晶特点（与纯金属相比）,在一定温度范围内结晶。随T,固相，液相，两相成分分别沿固相线，液相线变化。 溶质、溶剂不断扩散，在两相中不断重新分配。只在极其缓冷情况下，才能结晶出成分均匀的固溶体。,第四章：二元相图,421匀晶相图,3固溶体合金的非平衡结晶及组织。 实际铸件，结晶时冷速较快，原子不能充分扩散，结晶后各处化学成分不均匀。 以Cu-Ni合金为例： 在T下，t1下开始结晶出1； t2下结晶出2 ,原子不能充分扩散（尤其在固相中） 先结晶富Ni;后结晶富Cu. 成分不均匀-偏析。,第四章：二元相

12、图,421匀晶相图,3固溶体合金的非平衡结晶及组织。,（1）晶内偏析： 概念：由于不平衡结晶，使固溶体晶粒内部化学成分不均匀现象,称为晶内偏析.由于结晶成树枝状晶-枝晶偏析液、固相线距离越大，则偏析越严重。 冷速越快，偏析越严重。,最大偏析程度 Cd-C0=C0K0-C0=C0(K0-1) 对K01,K0越大，偏析 对K01,K0越小，偏析,Cu-Ni合金非平衡结晶的组织,第四章：二元相图,421匀晶相图,3固溶体合金的非平衡结晶及组织。,枝晶偏析对性能影响 力学性能降低，尤其是塑性、韧性 耐蚀性 压力加工性,Cu-Ni合金非平衡结晶的组织,Cu-Ni合金均匀化退火后的组织,消除枝晶偏析方法。

13、 高温扩散退火（均匀化退火）：将铸件加热至固相线下100-200长期保温，使溶质、溶剂原子相互扩散。,第四章：二元相图,421匀晶相图,3固溶体合金的非平衡结晶及组织。,（2）区域偏析 实际铸件表面与心部化学成分不均匀现象宏观偏析。 以K01为例 (图示) 先结晶溶质含量低（表面），后结晶溶质含量高（心部）。 （3）区域提纯从固溶体合金中提取纯金属。(图示)依据：非平衡结晶，会产生区域偏析。 常采用区域熔炼法提纯金属。,第四章：二元相图,421匀晶相图,4成分过冷。纯金属结晶：在负的温度梯度下-树枝晶。在正的温度梯度下-平滑界面（平面长大）固溶体合金，即使在正的温度梯度下，也会形成树枝晶-是由

14、于成分过冷造成的。 （1）成分过冷概念：固溶体合金结晶时，由于液固界面前沿存在溶质浓度梯度而改变了过冷情况，称为成分过冷。,（2） 产生原因： 以K01为例(图示说明) 过冷度：界面前沿液相实际温度液相平衡结晶温度,（3） 产生成分过冷的条件：,(讨论成分过冷的影响),G:实际温度梯度 m:液相线斜率； C0:溶质浓度； R:晶体生长速度 D:溶质在液散系数； K0:平衡分配系数。,第四章：二元相图,5固溶体合金凝固时生长形态 在负的温度梯度下：树枝晶,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图 共晶反应（共晶转变）：把在一定温度下，由一定成分的液相、同时结晶出 成分和结构不同的两相的过程。 二元共

15、晶相图：两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，且发生共晶 反应的相图。 相图特征：,具有共晶转变的二元合金：Pb-Sn Pb-Sb Fe-C(C2.11%)Al-Si Al-Cu Ag-Cu,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,1.相图分析以Pb-Sn二元合金相图为例：,三个单相区：L、：Sn溶入Pb中的固溶体: Pb溶入Sn中的固溶体,aeb-液相线amenb-固相线 me之间：亚共晶 ; en之间：过共晶合金; e点：共晶合金mf-Sn在Pb中溶解度曲线，随T,溶解度ng- Pb在Sn中溶解度曲线,三个两相区：L+ 、 L+ + 一个三相区：men水平线,第四章：二元相图,4.2.2

16、共晶相图,1.相图分析以Pb-Sn二元合金相图为例：,最大特征：三相水平线：,f=2-3+1=0温度恒定，三相成分固定。E点：共晶点,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,2典型合金平衡结晶及组织,（1）固溶体合金的结晶M点以左（），N点以右（） 以含Sn=10%的合金为例,1-2点，与匀晶结晶一样。 2-3点，为单相。 3点以下：从含Sn过饱和的中析出II。II-二次晶：常沿晶界析出；也可在晶内析出。室温组织：+II (画组织示意图),室温组织中两相相对重量：,室温组织 (microstructure at RT)：+,L,L+ ,+,Sn 97.5%时，类似， 室温组织：+,2典型合金平衡

17、结晶及组织,（1）固溶体合金的结晶M点以左（），N点以右（） 以含Sn=10%的合金为例,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,2典型合金平衡结晶及组织,（1）固溶体合金的结晶 以含Sn=10%的合金为例 室温组织：+II,越靠近M点，II含量越多,非平衡结晶同样也会产生枝晶偏析，区域偏析。，,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,2典型合金平衡结晶及组织,（2）共晶合金结晶过程(61.9%Sn),在183，由61.9%Sn的液相，同时结晶出（19%Sn）和（97.5%Sn）两种固溶体。,在183下，从中析出II； 从中析出II ;但两相与其晶体，混在一起

18、，难分辨。,室温组织为：（ +）共晶体,Pb-Sn共晶合金室温组织,在men线上发生共晶反应：,三相共存,共晶反应的产物称为共晶产物， 产物中的两相相对量：,L,L+(m+n),(+),室温组织：(+),（2）共晶合金结晶过程(61.9%Sn),在室温下共晶体中两相相对重量（提问）,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,2典型合金平衡结晶及组织,（3）亚共晶合金及过共晶合金的结晶过程以含Sn=50%的亚共晶合金为例：,1点上：L相 1- 2点：L+:L相成分沿AE变化。相成分沿AM变化。 当冷至2点（183），剩余L相成分达到61。9%Sn,发生共晶转变。 转变后，组织由先共晶相与共晶体（+）

19、组成。,在183组织相对重量：,在183以下，从先共晶中析出II（在显微镜下可见），从共晶体中析出的看不到 室温组织：+(+)+II,L,L+,L+m+(m+n),+(+),m+(m+n),当从两相区刚到达共晶线时，Le+m两相共存,室温下组织：+（+）,匀晶共晶固溶析出,c,（3）亚共晶合金及过共晶合金的结晶过程以含Sn=50%的亚共晶合金为例：,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,2典型合金平衡结晶及组织,（3）亚共晶合金及过共晶合金的结晶过程以含Sn=50%的亚共晶合金为例：,室温组织：+(+)+II,室温组织相对量：,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,2典型合金平衡结晶及组织,（

20、3）亚共晶合金及过共晶合金的结晶过程以含Sn=50%的亚共晶合金为例：,室温组织：+(+)+II,室温时、两相的相对量：,室温相：+,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,2典型合金平衡结晶及组织,（3）亚共晶合金及过共晶合金的结晶过程,过共晶合金结晶（同学分析） 室温组织：+(+)+II,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,2典型合金平衡结晶及组织,亚共晶合金、共晶合金及过共晶合金组织图对照,亚共晶合金组织,共晶合金组织,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,2典型合金平衡结晶及组织,在相图上填写组织组成物,相图,组织组成物图,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,3共晶组织的形态：共晶：

21、同时结晶出两相，两相交替形核、长大。其形态可能有：层片状、棒状、球状、针状、螺旋状,3 共晶组织的形貌片状(lamellar structure)、棒状(rodlike structure)、球状(spheroidite structure),共晶组织形态,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,4不平衡结晶及组织： （1）伪共晶： 概念：在不平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的亚（过）共晶合金得到100%共晶组织，这种共晶组织称为伪共晶。,根据合金系不同，有两种形式的伪共晶区（图中阴影）。 a.以共晶点左右对称。熔点相差不大的金属与金属二元系：如：Pb-Sn,Ag-Cu,b.伪共晶区偏向一侧：熔

22、点相差悬殊两组元，偏向高熔点一侧。金属-非（亚）金属，偏向非（亚）金属一侧。,伪共晶：使合金强度、硬度提高。 a.相界面增多b.共晶片间距减小（过冷度越大，片间距越小）,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,4不平衡结晶及组织：,离异共晶：使性能恶化。（第二相沿晶界分布）如钢中：（F+FeS）少量共晶，FeS沿晶分布,锻造易开裂-“热脆”消除办法：加热单相区，快冷。,（2） 离异共晶当合金中的先共晶相数量很多而共晶组织的量很少时，共晶组织中的一相与先共晶相依附长大，把另一相孤立出来，形成两相分离的共晶组织,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,4不平衡结晶及组织：,（3）比重偏析 概念：在先共

23、晶相与液相比重相差悬殊时，则结晶时，先共晶相上浮或下沉，,如：铸铁中石墨易上浮。,产生原因：a.两组元比重相差大。b.结晶区间大c.冷速慢。,消除办法：a.增大冷速。b.加入第三组元，使先共晶相密度与液相接近。c.对流、搅拌。,第四章：二元相图,4.2.3包晶相图 包晶反应（转变）：在恒温下，由液相和一个固相相互作用，生成 另一固相的反应过程。 二元包晶相图：两组元在液态时完全互溶，在固态时形成有限固溶 体，且发生包晶转变所构成的相图。,反应特征：相图中有如下三相水平线：,具有包晶转变的二元合金：Pt-Ag Sn-Sb Cu-Sn Cu-Zn Fe-C(C0.53%),第四章：二元相图,4.2

24、.3包晶相图,1.相图分析以Pt-Ag二元合金相图为例：,ACB-液相线 APDB-固相线 PE-Ag在Pb中溶解度曲线， DF- Pt在Ag中溶解度曲线，随T,溶解度,三个单相区：L、 ：Ag溶入Pt中固溶体 : Pt溶入Ag中固溶体 三个两相区：L+ 、L+ 、+,最大特征：三相水平线：,第四章：二元相图,4.2.3包晶相图,2典型合金平衡结晶及组织,(1)I合金(包晶合金,含42.4%Ag),1-D点:随温度降低，液相成分沿AC线变化，固相成分沿AP线变化，增多，L相减少。,“内吃外扩”向内吃掉 ，同时向外部L相中长大。需要Pt,Ag充分扩散。,D点以下：从中析出 ，可计算两相相对重量,

25、室温组织： + ,1) 含Ag为42.4%的Pt-Ag合金（包晶合金）,室温下的组织：+,L,L+,L +d+p,+,p,(1)I合金(包晶合金,含42.4%Ag),第四章：二元相图,4.2.3包晶相图,2典型合金平衡结晶及组织,(2)合金（过包晶合金，含Ag为42.4-66.3% ）,包晶转变结束后，有剩余液相L,室温组织： + ,+,室温下的组织：+,L,L+,L +d+p,L+,L+,L+,+,(2)合金（过包晶合金，含Ag为42.4-66.3% ）,第四章：二元相图,4.2.3包晶相图,2典型合金平衡结晶及组织,（3）合金（亚包晶合金，含Ag为10.5-42.4% ）,包晶转变结束后，

26、有剩余 在2点以下，从中析出 ，从中析出。,室温组织： + + + ,室温下的组织：+,L,L+,L +d+p,+,d+p,L+,L+,+,（3）合金（亚包晶合金，含Ag为10.5-42.4% ）,第四章：二元相图,4.2.3包晶相图,3 不平衡结晶及组织 冷却速度较快时，包晶合金、过包晶合金发生包晶转变后，有剩余,因为，包晶转变时，将包围，Pt,、Ag原子通过固相扩散困难， 所以，包晶反应难以充分进行。,第四章：二元相图,4.2.3包晶相图,4 包晶转变的实际应用 （1）用做轴承合金 初生化合物作为硬质点软基体包围硬质点 耐磨,（2）细化晶粒 例：铝合金铸造时加Ti,发生下列反应L + Al

27、Ti3- AlTi3极细小，作为人工晶核，依附在AlTi3上长大。,第四章：二元相图,43二元相图的分析和使用,431其它类型的二元相图 1 其它类型的恒温转变相图（有三相水平线）,（1）熔晶转变： 熔晶转变：在恒温下，由一定成分的固相转变成另一成分 的液相L和不同成分的固相。,第四章：二元相图,43二元相图的分析和使用,431其它类型的二元相图 1 其它类型的恒温转变相图（有三相水平线）,（2）偏晶转变。 偏晶转变：在恒温下，由一定成分液相L1转变成不同成分的L2和固相 。,L1(B)L2(C)+(A),第四章：二元相图,43二元相图的分析和使用,431其它类型的二元相图 1 其它类型的恒温

28、转变相图（有三相水平线）,（3）合晶转变： 合晶转变：在恒温下，由两个不同成分的液相转变成另一成分的固相。,第四章：二元相图,43二元相图的分析和使用,431其它类型的二元相图 1 其它类型的恒温转变相图（有三相水平线）,（4）共析转变： 共析转变：在恒温下，由一定成分的固相转变成不同成分的两个固相。,(B)(A)+(C),是Fe-C合金中极其重要的转变。,第四章：二元相图,43二元相图的分析和使用,431其它类型的二元相图 1 其它类型的恒温转变相图（有三相水平线）,（5）包析转变： 包析转变：在恒温下，由两个不同成分的固相转变成另一固相。,第四章：二元相图,43二元相图的分析和使用,431

29、其它类型的二元相图,总结：具有三相水平线的相图类型。,第四章：二元相图,43二元相图的分析和使用,431其它类型的二元相图,2.组元间形成化合物的相图. (1)稳定化合物:具有一定的熔点,在熔点以下不分解的化合物.稳定化合物可作为一个组元,将二元合金相图拆开分析.例Mg-Si相图,Mg2Si作为一个独立的组元. 可将相图拆成两部分:a. Mg-Mg2Si, b. Mg2Si-Si,Fe-C相图(实际上是Fe-Fe3C相图),(2)不稳定化合物:在加热至一定温度下分解不能拆分相图.,第四章：二元相图,43二元相图的分析和使用,431其它类型的二元相图,2.组元间形成化合物的相图.,(2)不稳定化

30、合物:在加热至一定温度下分解不能拆分相图.,第四章：二元相图,43二元相图的分析和使用,431其它类型的二元相图,3.具有异晶转变的相图.当组元具有同素异晶转变特性时,形成固溶体也会发生异晶转变.如:,铁碳合金中:奥氏体(,A):C溶入-Fe中的固溶体. 铁素体(,F):C溶入-Fe中的固溶体. AF(异晶转变),第四章：二元相图,43二元相图的分析和使用,431其它类型的二元相图,4.具有固溶体转变成中间相的相图.如:Fe-Cr相图(P82) 5.具有有序-无序转变的相图如Cu-Au合金 6.具有磁性转变的相图如Fe-C相图 770:是铁素体磁性转变点(居里点) 230:是渗碳体(Fe3C)

31、磁性转变点.,第四章：二元相图,4.3.2复杂二元相图的分析方法。 1. 复杂二元相图分析要点. (1)判定相图类别:三大类:a.匀晶型b.共晶型:共晶，共析，偏晶，熔晶（一相分解成两相）c.包晶型：包晶，包析，合晶（两相合成一相）抓住三相水平线特征分析,第四章：二元相图,4.3.2复杂二元相图的分析方法。,第四章：二元相图,4.3.2复杂二元相图的分析方法。 1. 复杂二元相图分析要点.,（2）读相图应掌握要点 相图中若有稳定化合物，可拆图分析. 在单相区,相的成分即为合金成分. 纯金属在恒温下结晶,两个单相区比交于一点. 两个单相区之间必存在一个两相区.两相成分通过表象点做水平线 在两相区

32、边界交点上,用杠杆定律求两相重量. 水平线为三相共存线,三相成分在三个交点上,三相水平线邻近必有 三个两相区和三个单相区. 相邻相区相数差”1”(点除外),第四章：二元相图,4.3.2复杂二元相图的分析方法。,2.应用相图是要注意的问题 (1)相图只给出平衡条件下的相和相的相对量,不能给出 各相的形态,尺寸和分布.(需用金相组织分析) (2)相图只表示平衡状态的情况不平衡结晶体现不出,但可用于分析不平衡情况(如偏析, 伪共晶等) (3)二元相图只反映二元系合金平衡相的关系对多元合金,必须考虑合金元素的影响.,第四章：二元相图,3.根据相图判断合金性能 (1)当合金形成单相固溶体时a.力学性能随

33、溶质，HB,b:畸变大，强化b.物理性能溶质，电阻率（R），磁矫顽力,第四章：二元相图,3.根据相图判断合金性能 (1)当合金形成单相固溶体时,c.铸造性能 随溶质，铸造性能差： 流动性差 偏析严重分散缩孔增多（疏松，缩松）组织不致密,第四章：二元相图,3.根据相图判断合金性能,（2）当合金形成两相机械混合物时 共晶，共析等反应 a.力学性能在两相间，强度、硬度随成分呈直线变化。合金硬度：,共晶组织细化（或形成伪共晶），强度、硬度出现峰值。,第四章：二元相图,3.根据相图判断合金性能,（2）当合金形成两相机械混合物时,b铸造性能结晶温度间隔，铸造性能差， 一般做铸造合金，多为共晶成分附近的合金

34、。,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金 金属材料：a.黑色合金（Ferrous metals）:钢、铸铁 Fe和C为基本组元。 b.有色合金（Nonferrous metals）:除铁基以外所有合金。 Fe-C二元合金：a.碳钢 + 合金元素 合金钢b.铸铁 + 合金元素 合金铸铁 为搞清钢、铁成分、组织、性能、热处理及用途，必须从Fe-C二元合金入手。,44铁碳相图和铁碳合金,4.4.1铁碳合金的组元和基本相 1、纯铁熔点：1538，过渡族元素密度：7.87g/cm3 原子量：55.85,铁的同素异晶转变图概念：金属在固态下发生晶格类型变化的过程，称为同素异晶转变。（同一元素，在不同温

35、度下，晶体结构不同）,正是由于铁具有多晶型性，与不同的碳及合金元素结合，可进行各种 热处理，得到不同的组织，具有不同的性能。,同素异晶转变：形核，长大。这一过程称为“重结晶”“phase crystallization”,44铁碳相图和铁碳合金,4.4.1铁碳合金的组元和基本相,纯铁的力学性能根据晶粒大小和纯度不同，性能在一定范围内变化。 强度、硬度低；韧性、塑性高；不用于工程结构件。,1、纯铁,44铁碳相图和铁碳合金,4.4.1铁碳合金的组元和基本相,2、铁的固溶体 铁素体（F）Ferrite碳溶入-Fe中的间隙固溶体（用F或表示）-Fe最大溶碳能力：0.0218%C(727)室温下：0.0

36、008%C(忽略不计)碳溶入-Fe中的间隙固溶体称为-铁素体(用-F)-铁素体最大溶碳能力：0.09%C(1495),奥氏体（A）Austenite 碳溶入-Fe中的间隙固溶体(用A或表示)-Fe最大溶碳能力：2.11%C(1148)提问：为何-Fe溶碳能力远高于-Fe？,铁素体组织,奥氏体组织,44铁碳相图和铁碳合金,4.4.1铁碳合金的组元和基本相,3、渗碳体（Fe3C） 稳定金属化合物；HB=800, =0,硬、脆，是钢中主要强化相。熔点：1227；含碳为：6.69%C高温长时间保温：Fe3CFe+C(石墨)铸铁中常见。,4.4.2Fe-Fe3C相图分析1 点(T, w(c)%),E ：

37、碳在-Fe中的最大溶解度,C：共晶点(eutectic point),S：共析点(eutectoid point),A：纯铁熔点,G ：-Fe和-Fe同素异构转变点,N ：-Fe和-Fe同素异构转变点,P ：碳在-Fe中的最大溶解度,J ：包晶点(peritectic point),H ：碳在-Fe中的最大溶解度,B ：包晶反应时液态合金的浓度,D ：渗碳体熔点,Q ：室温时碳在-Fe中的溶解度,44铁碳相图和铁碳合金,2 线,液相线（liquidus line）：ABCD,固相线（solidus line）：AHJECF,1）包晶转变(peritectic reaction)：,2）共晶转变

38、(eutectic reaction)：,3）共析反应(eutectoid reaction)：,三个恒温转变（线）：,转变产物：莱氏体(Ld, ledeburite) +Fe3C（共晶渗碳体）,发生共晶转变的铁碳合金为铁,转变产物：称为珠光体（P, pearlite）+Fe3C（共析渗碳体） PSK线也称A1线,GS线：也称A3线 奥氏体和铁素体的转变线,PQ线：碳在铁素体中的固溶度曲线。铁素体中析出渗碳体，三次渗碳体,MO线：也称A2线 铁素体的磁性转变温度，770。,ES线：也称Acm线 碳在中的固溶度曲线，中析出渗碳体，称为二次渗碳体,渗碳体的磁性转变温度230也称A0线,3 区,44

39、铁碳相图和铁碳合金,4.4.2Fe-Fe3C相图分析,2、相图中铁碳合金分类分三大类，七类合金,工业纯铁（C0.0218%） 室温平衡组织：F+Fe3CIII,碳钢（C=0.02182.11%）a.共析钢：C=0.77% 平衡组织：P b.亚共析钢：C=0.02180.77% 平衡组织:F+Pc.过共析钢：C=0.772.11% 平衡组织:P+Fe3CII, 铸铁（C=2.116.69%）a.共晶白口铁：C=4.3% 室温平衡组织:Ldb.亚共晶白口铁：C=2.114.3% 室温平衡组织:Ld+Fe3CII+Pc. 过共晶白口铁：C=4.36.69% 室温平衡组织:Ld+Fe3CI,44铁碳相

40、图和铁碳合金,3典型合金的平衡结晶及组织。 选择7种典型合金进行分析,（1）工业纯铁以C=0.01%合金为例,从液态到室温，与相图交7点（看黑板）,室温组织：F+Fe3CIII,计算F和Fe3CIII相对重量：,Fe3CIII最大含量（C=0.0218%合金）,很少，所以，Fe3CIII经常忽略不计,3典型合金的平衡结晶过程及组织 2.共析钢（ C=0.77%）,L,L+,P,+P,P,室温下的组织：P珠光体（pearlite）共析钢 (eutectoid steel),3典型合金的平衡结晶及组织。,（2）共析钢（C=0.77%）,珠光体（P）: 是F和Fe3C层片组织，F片厚约为Fe3C的7

41、8倍。,在727转变终了时P中两相重量：,室温平衡组织：珠光体P,+,L,L+,L+,L+,+P,+P,室温下的组织：+P,P,+P,3典型合金的平衡结晶及组织。,（3）亚共析钢(C=0.02180.77%),3典型合金的平衡结晶及组织。,（3）亚共析钢(C=0.02180.77%),室温平衡组织：F+P,20号钢(C=0.2%),60号钢(C=0.6%),计算室温下两个平衡相的相对量：,3典型合金的平衡结晶及组织。,（3）亚共析钢(C=0.02180.77%),室温平衡组织：F+P,20号钢(C=0.2%),60号钢(C=0.6%),经金相观察，可根据F和P相对面积（近似为 相对重量）确定钢

42、中含碳量，从而确定钢号：,钢中含碳量：,例题：在显微镜下观察到某碳钢平衡组织中 F占74%，P占26%,求该钢含碳量。,解：,+Fe3CII,L,L+,+P+Fe3CII,P+Fe3CII,室温下的组织： P + Fe3CII,P,P+Fe3CII,+ P,+Fe3CII,3典型合金的平衡结晶及组织。,（4）过共析钢(C=0.772.11%),3典型合金的平衡结晶及组织。,（4）过共析钢(C=0.772.11%),室温平衡组织：P+Fe3CII,3典型合金的平衡结晶及组织。,（4）过共析钢(C=0.772.11%),室温平衡组织：P+Fe3CII,经金相观察，可根据P和Fe3CII相对面积（近

43、似为相对重量）确定钢中含碳量， 从而确定钢号：,钢中含碳量： C% = Qp0.77% + QFe3C6.69%,例题：在显微镜下观察到某碳钢平衡组织中二次渗碳体占7.3%， 珠光体占92.7%,求该钢含碳量。解：C% = Qp0.77% + QFe3C6.69%= 92.7%0.77% + 7.3%6.69% =1.2% 是工具钢 T12,Ld,L,L+ Ld,Ld,Ld,-Fe中析出Fe3CII，形成（+Fe3CII+Fe3C）,室温下的组织：变态莱氏体Ld , （P+Fe3CII+Fe3C）,Ld,+Fe3CII,P+Fe3CII,3典型合金的平衡结晶及组织。,（5）共晶白口铸铁（C=4

44、.3%）,变态莱氏体Ld性能极脆、硬,P+Fe3CII+Ld,L,L+,L+ Ld,+P +Fe3CII +Ld ( +Ld),+Fe3CII +Ld,P+Fe3CII +Ld,室温下的组织： P+Fe3CII +Ld,Ld,Ld,+Fe3CII,P+Fe3CII,+Fe3CII+Ld,3典型合金的平衡结晶及组织。,（6）亚共晶白口铁(2.11-4.3%C),3典型合金的平衡结晶及组织。,（6）亚共晶白口铁(2.11-4.3%C)室温平衡组织：Ld+P+Fe3CII,组织相对重量计算：在1148,室温下：,室温组织相对量：,以C=3.0%合金为例：,Ld,Ld,+Fe3CII,P+Fe3CII

45、,L,L+Fe3CI,L+ Ld +Fe3CI,Fe3CI +Ld ( +Ld),Fe3CI +Ld,Fe3CI +Ld,+Fe3CII+Ld,P+Fe3CII+Ld,Fe3CI+Ld,Fe3CI+Ld,室温下的组织： Fe3CI +Ld,3典型合金的平衡结晶及组织。,（7）过共晶白口铸铁,铁碳合金平衡凝固过程小结,A,B,C,D,E,F,G,H,J,N,P,S,K,Fe3C,Fe,L,L+Fe3C,Ld+Fe3C,Ld+Fe3C,P+Fe3CII+ Ld,A+Fe3CII+ Ld,P+Fe3C,P+Fe3CII,P+F,A,L+A,F+A,Ld,Ld,P,FeFe3C组织组成物图,4含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响,（1）对平衡组织的影响,（1）对平衡组织的影响,（2）对力学性能的影响 铁素体：强度、硬度低，韧塑性好 珠光体：强度、硬度高，韧塑性介于F和Fe3C之间 渗碳体：硬度高，强度低，塑性极低=0 退火：随炉缓冷，室温组织接近平衡组织。 亚共析钢：C%,F,P,HB,b,aK 过共析钢：C%,Fe3CII,HB, b, ,aK C%1.0%时，Fe3CII连续网，C,网变厚，塑、韧性 白口铁：由于组织为Ld,极脆，很少用。常将Fe3C处理分解成石墨灰口铸铁,