工程材料-第四章_二元相圖及應用

1、主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：l二元相圖的建立l二元相圖的基本類型與分析l鐵碳合金相圖 重要概念：重要概念：l 相圖相圖（Phase Diagram） 描述系統(tǒng)的狀態(tài)、溫度、壓力及成分之間關系的一種圖解。又稱為描述系統(tǒng)的狀態(tài)、溫度、壓力及成分之間關系的一種圖解。又稱為狀態(tài)圖。狀態(tài)圖。l 狀態(tài)狀態(tài)（State） 指系統(tǒng)中的各相的凝聚狀態(tài)、相的類型等。指系統(tǒng)中的各相的凝聚狀態(tài)、相的類型等。l 相變相變（Phase Transformation） 合金中的相從一種類型轉變?yōu)榱硪环N類型的過程。合金中的相從一種類型轉變?yōu)榱硪环N類型的過程。l 相平衡相平衡（Phase Equilibrium）如果體系中的各相在較長

2、時間內(nèi)而不互相轉化，則稱該體系處于相如果體系中的各相在較長時間內(nèi)而不互相轉化，則稱該體系處于相平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)。 第四章 二元相圖及應用相圖是在熱力學平衡的條件下建立起來的。相圖是在熱力學平衡的條件下建立起來的。平衡平衡是指在一定條件下合金系中參與相變的各相的成分和相對量不發(fā)是指在一定條件下合金系中參與相變的各相的成分和相對量不發(fā)生變化所達到的一種狀態(tài)。此時合金系的狀態(tài)穩(wěn)定，不隨時間而改變。生變化所達到的一種狀態(tài)。此時合金系的狀態(tài)穩(wěn)定，不隨時間而改變。測定相圖最常用的方法是熱分析法，它要求在合金冷卻時，其冷卻速測定相圖最常用的方法是熱分析法，它要求在合金冷卻時，其冷卻速度非常緩慢，從而能夠滿

3、足熱力學平衡的條件。因此相圖又稱為平衡相度非常緩慢，從而能夠滿足熱力學平衡的條件。因此相圖又稱為平衡相 圖，平衡圖圖，平衡圖（Equilibrium Diagram）。 相圖的作用：相圖的作用：利用相圖，可以了解不同成分的材料在不同條件下：利用相圖，可以了解不同成分的材料在不同條件下：存在哪些相；存在哪些相；各相的相對量；各相的相對量；成分、溫度變化時材料中發(fā)生的相變。成分、溫度變化時材料中發(fā)生的相變。第四章 二元相圖及應用第四章 二元相圖及應用4.1 4.1 二元相圖的建立二元相圖的建立第一節(jié)二元相圖的建立第一節(jié)二元相圖的建立建立相圖的方法有實驗測定和理論計算兩種，目前，最常用的方法是建立相

4、圖的方法有實驗測定和理論計算兩種，目前，最常用的方法是熱分析法熱分析法（Thermal Analysis）。熱分析裝置示意圖熱分析裝置示意圖冷卻曲線冷卻曲線 Cu-NiCu-Ni二元合金相圖的測定步驟：二元合金相圖的測定步驟：配制一系列不同成分的配制一系列不同成分的Cu-NiCu-Ni合金；合金；例如：例如：100%Cu100%Cu、80%Cu-20%Ni80%Cu-20%Ni、60%Cu-40%Ni60%Cu-40%Ni、40%Cu-60%Ni40%Cu-60%Ni、 20%Cu-80%Ni20%Cu-80%Ni、100%Ni100%Ni等等6 6個合金。個合金。分別測定上述合金的冷卻曲線；

5、分別測定上述合金的冷卻曲線；在冷卻曲線上找出合金的各個臨界點；在冷卻曲線上找出合金的各個臨界點；臨界點指合金在冷卻時凝固開始和凝固終了的溫度點。臨界點指合金在冷卻時凝固開始和凝固終了的溫度點。將各臨界點標在相圖的坐標平面上；將各臨界點標在相圖的坐標平面上；二元相圖的坐標平面，其縱座標為溫度，橫座標為成分。二元相圖的坐標平面，其縱座標為溫度，橫座標為成分。在相圖平面上將性質相同的臨界點分別連接起來，即建立起相圖。在相圖平面上將性質相同的臨界點分別連接起來，即建立起相圖。第四章 二元相圖及應用4.1 4.1 二元相圖的建立二元相圖的建立CuNi20406080wNi（%）時間時間溫度溫度wNi=1

6、00%wNi=80%wNi=60%wNi=40%wNi=20%Cu-Ni二元合金相圖的建立二元合金相圖的建立wCu=100%第四章 二元相圖及應用4.1 4.1 二元相圖的建立二元相圖的建立第二節(jié)二元相圖的基本類型與分析第二節(jié)二元相圖的基本類型與分析大多數(shù)二元相圖都是由幾類最基本的相圖組合而成的，或者說，許多大多數(shù)二元相圖都是由幾類最基本的相圖組合而成的，或者說，許多二元相圖都包含了幾類基本相圖。二元相圖都包含了幾類基本相圖。二元相圖的主要基本類型：二元相圖的主要基本類型：l 勻晶相圖勻晶相圖l 共晶相圖共晶相圖l 包晶相圖包晶相圖l 形成穩(wěn)定化合物的相圖形成穩(wěn)定化合物的相圖l 共析相圖共析相

7、圖第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析一、二元勻晶相圖一、二元勻晶相圖 勻晶反應勻晶反應（Isomorphous Reaction）：從液相中直接結晶出固溶體的反應。又稱勻晶轉變從液相中直接結晶出固溶體的反應。又稱勻晶轉變。L L 勻晶相圖：勻晶相圖：兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均能無限互溶，冷卻時發(fā)生勻晶反應的相圖。兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均能無限互溶，冷卻時發(fā)生勻晶反應的相圖。 具有勻晶相圖的二元合金系：具有勻晶相圖的二元合金系：Cu-NiCu-Ni、Au-AgAu-Ag、Fe-NiFe-Ni、Cu-AuCu-Au、Cr-MoCr-Mo等。等。1.1.

8、相圖分析相圖分析l 相圖的基本分析相圖的基本分析對相圖中各重要的點、各重要的線和各個面（區(qū)域）進行分析。對相圖中各重要的點、各重要的線和各個面（區(qū)域）進行分析。l 典型合金的結晶過程分析典型合金的結晶過程分析選擇若干典型合金，分析它們從高溫冷卻至室溫的過程中所發(fā)生的選擇若干典型合金，分析它們從高溫冷卻至室溫的過程中所發(fā)生的各種變化。各種變化。第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析合金結晶開始的溫度連線合金結晶開始的溫度連線合金結晶終了的溫度連線合金結晶終了的溫度連線液相線液相線（Liquidus）固相線固相線（Solidus）ABLL Cu-Ni

9、合金相圖合金相圖第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析t1t4t2t3213相圖分析和典型合金平衡結晶過程分析：相圖分析和典型合金平衡結晶過程分析：固溶體合金的結晶特點：固溶體合金的結晶特點：固溶體的結晶過程與固溶體的結晶過程與純金屬一樣由形核和長大完成。純金屬一樣由形核和長大完成。實際結晶時也需要一定的過冷度。實際結晶時也需要一定的過冷度。結晶是結晶是在一溫度范圍內(nèi)進行的。在一溫度范圍內(nèi)進行的。只有在溫度不斷下降時，固相只有在溫度不斷下降時，固相 的相對量才增加，溫度不變，液相的相對量才增加，溫度不變，液相L L和和固相固相 的相對量保持不變，

10、即達到平衡狀態(tài)。的相對量保持不變，即達到平衡狀態(tài)。結晶時，結晶時，L L相和相和 相的成分分別沿著液相線和固相線變化。相的成分分別沿著液相線和固相線變化。結晶時，結晶時，L L相和相和 相的相對量不斷變化。相的相對量不斷變化。第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析2.2.杠桿定律杠桿定律（Lever Rule）杠桿定律用于二元合金處于兩相杠桿定律用于二元合金處于兩相平衡時，兩個相的相對量的計算。平衡時，兩個相的相對量的計算。xx1x2x1xx2%100122LxxxxQ%100121xxxxQt第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本

11、類型與分析二元相圖的基本類型與分析QLQ xx1x2杠桿定律的力學比喻杠桿定律的力學比喻3.3.固溶體合金的非平衡結晶固溶體合金的非平衡結晶實際生產(chǎn)時，合金的結晶過程往往是非平衡的。實際生產(chǎn)時，合金的結晶過程往往是非平衡的。平衡結晶的特點：平衡結晶的特點：合金平衡結晶時，晶體在長大過程中，組元的原子（例如合金平衡結晶時，晶體在長大過程中，組元的原子（例如CuCu原子和原子和NiNi原原子）在析出的固相中不斷的發(fā)生遷移或擴散，如果冷卻速度非常緩慢，則子）在析出的固相中不斷的發(fā)生遷移或擴散，如果冷卻速度非常緩慢，則原子可以通過擴散而達到濃度處處相等。原子可以通過擴散而達到濃度處處相等。非平衡結晶的

12、特點：非平衡結晶的特點：在實際生產(chǎn)中，冷卻速度往往較快，且原子在固相中的擴散相對于在液在實際生產(chǎn)中，冷卻速度往往較快，且原子在固相中的擴散相對于在液相中要緩慢得多，因此就出現(xiàn)了在先結晶出的固溶體與后結晶出的固溶體相中要緩慢得多，因此就出現(xiàn)了在先結晶出的固溶體與后結晶出的固溶體中，組元原子分布不均勻中，組元原子分布不均勻（先結晶出來的固相含有較多的高熔點組元）（先結晶出來的固相含有較多的高熔點組元），即濃度差異的現(xiàn)象。即濃度差異的現(xiàn)象。第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析4.4.偏析偏析（Segregation）偏析，是指固溶體在結晶過程中先結晶

13、的部分與后結晶的部分存在成分偏析，是指固溶體在結晶過程中先結晶的部分與后結晶的部分存在成分差異的現(xiàn)象。差異的現(xiàn)象。晶內(nèi)偏析晶內(nèi)偏析（Intracrystalline Segregation）：發(fā)生在晶粒內(nèi)部的偏析稱為晶內(nèi)偏析，即在一個晶粒內(nèi)出現(xiàn)成分不均勻發(fā)生在晶粒內(nèi)部的偏析稱為晶內(nèi)偏析，即在一個晶粒內(nèi)出現(xiàn)成分不均勻的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析枝晶偏析枝晶偏析（Dendrite Segregation）：合金在結晶時通常是樹枝狀長大，非平衡結合金在結晶時通常是樹枝狀長大，非平衡結晶時，將造成樹干和樹枝在成分上的差異，即晶時

14、，將造成樹干和樹枝在成分上的差異，即產(chǎn)生枝晶偏析。枝晶偏析屬于晶內(nèi)偏析。產(chǎn)生枝晶偏析。枝晶偏析屬于晶內(nèi)偏析。枝晶偏析是一種冶金缺陷，一般可以通過均枝晶偏析是一種冶金缺陷，一般可以通過均勻化退火（或稱擴散退火）予以減輕或消除。勻化退火（或稱擴散退火）予以減輕或消除。第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析非平衡結晶引起的晶內(nèi)偏析非平衡結晶引起的晶內(nèi)偏析Cu-Ni合金鑄態(tài)合金鑄態(tài)（枝晶偏析，非平衡組織）（枝晶偏析，非平衡組織）Cu-Ni合金退火態(tài)合金退火態(tài)（平衡組織）（平衡組織）第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基

15、本類型與分析二、二元共晶相圖二、二元共晶相圖共晶反應共晶反應（Eutectic Reaction）：從液相中同時結晶出兩種不同的固相的反應。又稱共晶轉變。從液相中同時結晶出兩種不同的固相的反應。又稱共晶轉變。LL 共晶相圖：共晶相圖：兩組元在液態(tài)無限互溶、固態(tài)有限互溶或完全不互溶，冷卻時發(fā)生兩組元在液態(tài)無限互溶、固態(tài)有限互溶或完全不互溶，冷卻時發(fā)生共晶反應的相圖。共晶反應的相圖。 具有共晶相圖的二元合金系：具有共晶相圖的二元合金系：Pb-SnPb-Sn、Al-AgAl-Ag、Al-SiAl-Si、PbPb-Bi-Bi等。等。 以下以下以以Pb-SnPb-Sn合金合金為例對相圖進行分析。為例對相

16、圖進行分析。第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析 L L L Pb-Sn合金相圖合金相圖第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析 1. 1.相圖分析相圖分析3 3種單相種單相液相液相L L；固溶體固溶體 （以（以PbPb為溶劑、為溶劑、SnSn為溶質）；為溶質）；固溶體固溶體 （以以SnSn為溶劑、為溶劑、PbPb為溶質）為溶質）。重要的點重要的點A A點點：PbPb的熔點；的熔點；B B點點：SnSn的熔點；的熔

17、點；E E點點：共晶點：共晶點（Eutectic PointEutectic Point）。合金液相在合金液相在E E點將發(fā)生共晶反應：點將發(fā)生共晶反應：Pb-Sn合金相圖合金相圖L LE E M NtEPb-Sn合金相圖合金相圖第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析 相圖分析（續(xù)）相圖分析（續(xù)）重要的線重要的線AEBAEB：液相線液相線； AMENBAMENB：固相線固相線；MENMEN：共晶線共晶線（Eutectic LineEutectic Line）；MFMF： 相的固溶度曲線；相的固溶度曲線；溫度降至溫度降至MFMF線時，從線時，從 中

18、析出中析出 ：NGNG： 相的固溶度曲線。相的固溶度曲線。溫度降至溫度降至NGNG線時，從線時，從 中析出中析出 ：相區(qū)相區(qū)（Phase Field）3 3個單相區(qū)個單相區(qū)： L L、 、 ；3 3個兩相區(qū)個兩相區(qū)：L L 、L L 、 ；1 1三相區(qū)三相區(qū)：L L ，即共晶線，即共晶線MENMEN。 第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析2.2.典型合金的平衡結晶過程分析：典型合金的平衡結晶過程分析：第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析l 合金合金（2 wSn19）的結晶過程及室溫組織的結晶過程

19、及室溫組織Pb-Sn合金相圖合金相圖1234合金合金結晶完成后在室溫下的組織：結晶完成后在室溫下的組織： L L Pb-Sn合金相圖合金相圖第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析l 合金合金（wSn= 61.9）的結晶過程及室溫組織的結晶過程及室溫組織 共晶合金共晶合金（Eutectic Alloy）12合金合金結晶完成后在室溫下的組織：結晶完成后在室溫下的組織：（ ）21 L L 第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析Pb-Sn合金共晶組織，（合金共晶組織，（ ）第四章 二元相圖及應用4.2 4.

20、2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析各種形態(tài)的共晶組織各種形態(tài)的共晶組織第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析一些合金中的共晶組織一些合金中的共晶組織Pb-Sn合金相圖合金相圖第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析l 合金合金（19 wSn61.9 ）的結晶過程及室溫組織的結晶過程及室溫組織 亞共晶合金亞共晶合金（Hypoeutectic Alloy）12合金合金結晶完成后在室溫下的組織：結晶完成后在室溫下的組織： （ ） L L L L 3第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元

21、相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析Pb-Sn合金亞共晶組織合金亞共晶組織 （ ） 3Pb-Sn合金相圖合金相圖第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析l 合金合金（61.9 wSn 97.5）的結晶過程及室溫組織的結晶過程及室溫組織 過共晶合金過共晶合金（Hypereutectic Alloy）合金合金結晶完成后在室溫下的組織：結晶完成后在室溫下的組織： （ ） L L L L 123第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析Pb-SnPb-Sn合金平衡結晶后的室溫組織：合金平衡結晶后的室溫組織

22、： 合金合金結晶完成后在室溫下的組織：結晶完成后在室溫下的組織： 合金合金結晶完成后在室溫下的組織：結晶完成后在室溫下的組織：（ ） 合金合金結晶完成后在室溫下的組織：結晶完成后在室溫下的組織： （ ） 合金合金結晶完成后在室溫下的組織：結晶完成后在室溫下的組織： （ ） 相組成物相組成物（Phase Constituent）：相組成物是指構成合金的基本的相，簡稱相。相組成物是指構成合金的基本的相，簡稱相。如如Pb-SnPb-Sn合金中的合金中的 、 。組織組成物組織組成物（Structural Constituent）：組織組成物是指構成合金的、在顯微鏡下具有一定形態(tài)特征的單元，簡組織組成物

23、是指構成合金的、在顯微鏡下具有一定形態(tài)特征的單元，簡稱組織。稱組織。如如Pb-SnPb-Sn合金中的合金中的 、 、 、 、共晶體、共晶體（ ）等。）等。按組織組成物填寫的按組織組成物填寫的Pb-Sn合金相圖合金相圖PbSn20406080wSn(%)AB L L L ( ) MNFGE( ) ( ) 第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析三、二元包晶相圖三、二元包晶相圖 包晶反應包晶反應（Peritectic Reaction）：已從液相中結晶出的固相與液相作用，生成一種新的固相的反應。已從液相中結晶出的固相與液相作用，生成一種新的固相的反應。

24、又稱包晶轉變。又稱包晶轉變。 L L 包晶相圖：包晶相圖：兩組元在液態(tài)無限互溶、固態(tài)有限互溶或完全不互溶，冷卻時發(fā)生兩組元在液態(tài)無限互溶、固態(tài)有限互溶或完全不互溶，冷卻時發(fā)生包晶反應的相圖。包晶反應的相圖。 具有包晶反應的二元合金系：具有包晶反應的二元合金系：Pt-AgPt-Ag、Sn-SbSn-Sb、Cu-SnCu-Sn、Cu-ZnCu-Zn等。等。 以下以下以以Pt-AgPt-Ag合金合金為例對相圖進行分析。為例對相圖進行分析。第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析PtAg20406080wAg(%)AB L L L EDPCFPt-Ag合金

25、相圖合金相圖第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析3 3種單相種單相液相液相L L；固溶體固溶體 （以（以PtPt為溶劑、為溶劑、AgAg為溶質）；為溶質）；固溶體固溶體 （以以AgAg為溶劑、為溶劑、PtPt為溶質）為溶質）。重要的點重要的點A A點點：PtPt的熔點；的熔點；B B點點：AgAg的熔點；的熔點；D D點點：包晶點：包晶點（PeritecticPeritectic Point Point）。合金液相在合金液相在D D點將發(fā)生包晶反應：點將發(fā)生包

26、晶反應：L LC C P DtD 1. 1.相圖分析相圖分析Pt-Ag合金相圖合金相圖第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析 相圖分析（續(xù)）相圖分析（續(xù)）重要的線重要的線ACBACB：液相線液相線； APDCBAPDCB：固相線固相線；PDCPDC：包晶線包晶線（PeritecticPeritectic Line Line）；PFPF： 相的固溶度曲線；相的固溶度曲線；溫度降至溫度降至PFPF線時，從線時，從 中析出中析出 ：DFDF： 相的固溶度曲線。相的固溶度曲線。溫度降至溫度降至DFDF線時，從線時，從 中析出中析出 ：相區(qū)相區(qū)3 3個單相

27、區(qū)個單相區(qū)： L L、 、 ；3 3個兩相區(qū)個兩相區(qū)：L L 、L L 、 ；1 1三相區(qū)三相區(qū)：L L ，即包晶線，即包晶線PDC PDC 。 Pt-Ag合金相圖合金相圖Pt-Ag合金相圖合金相圖第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析2.2.典型合金的平衡結晶過程分析：典型合金的平衡結晶過程分析： Pt-Ag合金相圖合金相圖第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析l 合金合金（wAg= 42.4）的結晶過程及室溫組織的結晶過程及室溫組織123 合金合金結晶完成后在室溫下的組織：結晶完成后在室溫下的組

28、織： L L L L Pt-Ag合金相圖合金相圖第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析l 合金合金（10.5 wAg 42.4）的結晶過程及室溫組織的結晶過程及室溫組織123合金合金結晶完成后在室溫下的組織：結晶完成后在室溫下的組織： L L L L 34Pt-Ag合金相圖合金相圖第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析l 合金合金（42.4 wAg 66.3）的結晶過程及室溫組織的結晶過程及室溫組織123合金合金結晶完成后在室溫下的組織：結晶完成后在室溫下的組織： L L 45L L 四、形成穩(wěn)定化

29、合物的二元相圖四、形成穩(wěn)定化合物的二元相圖穩(wěn)定化合物：穩(wěn)定化合物：具有一定熔點、在熔點以下保持其固有結構而不發(fā)生分解的化合物。具有一定熔點、在熔點以下保持其固有結構而不發(fā)生分解的化合物。 形成穩(wěn)定化合物的二元合金系：形成穩(wěn)定化合物的二元合金系：Mg-SiMg-Si、Mn-SiMn-Si、Fe-PFe-P、Cu-SbCu-Sb等。等。MgSi20406080wAg(%)ABL + MgLEDCFPMNQMg2Si L + Mg2Si L + SiMg + Mg2Si Mg2Si + SiL + Mg2Si Mg-Si合金相圖合金相圖第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二

30、元相圖的基本類型與分析五、具有共析反應的二元相圖五、具有共析反應的二元相圖wB(%)AL 1 2DCEL 1 2B1B2A1A2B 1 2具有共析反應的二元合金相圖具有共析反應的二元合金相圖第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析共析反應共析反應（Eutectoid Reaction）：一定成分的固相，在一定溫度下，同時析出兩種化學成分和結構完全一定成分的固相，在一定溫度下，同時析出兩種化學成分和結構完全不同的新的固相的反應，又稱共析轉變。不同的新的固相的反應，又稱共析轉變。 1 2共析反應的產(chǎn)物是一種機械混合物，通常稱為共析體共析反應的產(chǎn)物是一種

31、機械混合物，通常稱為共析體（Eutectoid）,是許多合金系中的一種重要組織。是許多合金系中的一種重要組織。 共析相圖與共晶相圖在形狀上很相似，但發(fā)生的反應完全不同。共析相圖與共晶相圖在形狀上很相似，但發(fā)生的反應完全不同。共析相圖的分析方法與共晶相圖類似。共析相圖的分析方法與共晶相圖類似。第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析 小結：小結：l 各類相圖的特征各類相圖的特征勻晶勻晶L L L L 共晶共晶包晶包晶共析共析 1 2AmBn形成化合物形成化合物形形式

32、式名名稱稱反反應應L L L 1 2第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析 小結（續(xù)）：小結（續(xù)）：l 二元相圖中的幾何規(guī)律二元相圖中的幾何規(guī)律兩個組元在兩邊線處，如果兩組元有限互溶，則附近有以組元為兩個組元在兩邊線處，如果兩組元有限互溶，則附近有以組元為溶劑的固溶體（稱為邊際固溶體），如果相互不溶，則固溶體區(qū)域縮溶劑的固溶體（稱為邊際固溶體），如果相互不溶，則固溶體區(qū)域縮成為直線。成為直線。 穩(wěn)定化合物在相圖中是一條垂直線，可將其看作一個獨立組元，穩(wěn)定化合物在相圖中是一條垂直線，可將其看作一個獨立組元，它把相圖分成幾個部分。它把相圖分成幾個部分

33、。兩個單相區(qū)之間一定是一個由這兩個相組成的兩相區(qū)。兩個單相區(qū)之間一定是一個由這兩個相組成的兩相區(qū)。三相區(qū)的形狀是一條水平線，其上三點是平衡相的成分點。三相區(qū)的形狀是一條水平線，其上三點是平衡相的成分點。 相區(qū)接觸法則：相鄰相區(qū)的相數(shù)相差相區(qū)接觸法則：相鄰相區(qū)的相數(shù)相差1 1（點接觸除外）。（點接觸除外）。第四章 二元相圖及應用4.2 4.2 二元相圖的基本類型與分析二元相圖的基本類型與分析 L L L Pb-Sn合金相圖合金相圖第三節(jié)鐵碳合金相圖第三節(jié)鐵碳合金相圖l 鐵碳合金鐵碳合金（Iron-carbon Alloy）以鐵和碳為基本組元的合金。以鐵和碳為基本組元的合金。l 鐵碳合金類別鐵碳合

34、金類別l 碳在鐵碳合金中的存在形式碳在鐵碳合金中的存在形式 C C溶入溶入FeFe的晶格間隙中形成間隙固溶體（鐵素體、奧氏體）。的晶格間隙中形成間隙固溶體（鐵素體、奧氏體）。 C C與與FeFe作用形成化合物（作用形成化合物（FeFe3 3C C）。）。 以游離態(tài)（石墨）存在。以游離態(tài)（石墨）存在。當當C C主要以主要以FeFe3 3C C形式存在時，鐵碳合金的組成相就是形式存在時，鐵碳合金的組成相就是FeFe和和FeFe3 3C C。本節(jié)討論的鐵碳相圖即為本節(jié)討論的鐵碳相圖即為Fe-FeFe-Fe3 3C C相圖。相圖。碳鋼碳鋼（Carbon Steel）（wC%2.11%）鑄鐵鑄鐵（Cas

35、t Iron）（wC%2.11%）鐵碳合金鐵碳合金第四章 二元相圖及應用4.3 4.3 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖一、鐵碳合金中的基本相一、鐵碳合金中的基本相1.1.鐵素體鐵素體（Ferrite） 定義：定義：碳溶解在體心立方晶格的碳溶解在體心立方晶格的 -Fe中形成的間隙固溶體。中形成的間隙固溶體。鐵素體的最大溶碳量（鐵素體的最大溶碳量（727727 C C時時）為）為0.0218%0.0218%，室溫溶碳量為，室溫溶碳量為0.0008%0.0008%。碳溶解在體心立方晶格的碳溶解在體心立方晶格的 -Fe-Fe中形成的間隙固溶體也是鐵素體，中形成的間隙固溶體也是鐵素體，為了區(qū)別起見，稱為為了區(qū)

36、別起見，稱為 鐵素體或高溫鐵素體。鐵素體或高溫鐵素體。 符號：符號： 或或 F F。 性能：性能：強度和硬度低，塑性和韌性高。強度和硬度低，塑性和韌性高。 HBHB50508080， 303050%50%。第四章 二元相圖及應用4.3 4.3 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖2.2.奧氏體奧氏體（Austenite） 定義：定義：碳溶解在面心立方晶格的碳溶解在面心立方晶格的 -FeFe中形成的間隙固溶體。中形成的間隙固溶體。 奧氏體的最大溶碳量為奧氏體的最大溶碳量為2.11%2.11%，727727 C C時時溶碳量為溶碳量為0.77%0.77%。 符號：符號： 或或 A A。 性能：性能：強度和硬度

37、較低，塑性和韌性高。強度和硬度較低，塑性和韌性高。 HBHB170170220220， 303050%50%。 相比鐵素體，奧氏體可溶入更多的碳，強度和硬度更高。相比鐵素體，奧氏體可溶入更多的碳，強度和硬度更高。3.3.滲碳體滲碳體（Cementite） 定義：定義：碳和鐵相互作用形成的間隙化合物。碳和鐵相互作用形成的間隙化合物。 符號：符號：C Cm m 或或 FeFe3 3C C。 性能：性能：熔點高，硬度高，脆性大，塑性幾乎為零。熔點高，硬度高，脆性大，塑性幾乎為零。HBHB800800， 0% 0%。第四章 二元相圖及應用4.3 4.3 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖二、鐵碳合金相圖分析二、

38、鐵碳合金相圖分析1.Fe-Fe1.Fe-Fe3 3C C相圖中的特性點相圖中的特性點 符號符號溫度溫度 / / C CwC / / % %說說明明A A153815380 0純鐵的熔點純鐵的熔點B B149514950.530.53包晶轉變時液態(tài)合金的成分（包晶轉變時液態(tài)合金的成分（wC % %）C C114811484.34.3共晶點共晶點D D122712276.696.69滲碳體的熔點滲碳體的熔點E E114811482.112.11碳在碳在 - - FeFe中的最大溶解度中的最大溶解度F F114811486.696.69滲碳體的成分滲碳體的成分G G9129120 0 - - FeF

39、e - - FeFe的轉變溫度（的轉變溫度（A A3 3）H H149514950.090.09碳在碳在 FeFe中的最大溶解度中的最大溶解度J J149514950.170.17包晶點包晶點K K7277276.696.69滲碳體的成分滲碳體的成分N N139413940 0 - - FeFe - - FeFe的轉變溫度（的轉變溫度（A A4 4）P P7277270.02180.0218碳在碳在 - - FeFe中的最大溶解度中的最大溶解度S S7277270.770.77共析點（共析點（A A1 1）Q Q室溫室溫0.00080.0008室溫時碳在室溫時碳在 - - FeFe中的溶解度中

40、的溶解度第四章 二元相圖及應用4.3 4.3 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖LL+ L+Fe3C +Fe3C +Fe3C + L+ + Fe3C (0.09)(0.53)(0.17)(0.77)(0.0218)(2.11)(4.3)1495 C1148 C727 C1538 C1227 C1394 C912 C Fe-Fe3C相圖相圖第四章 二元相圖及應用4.3 4.3 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖2.Fe-Fe2.Fe-Fe3 3C C相圖中的特性線相圖中的特性線l 液、固相線液、固相線液相線：液相線：ABCDABCD；固相線：；固相線：AHJECFAHJECFl 三條水平線三條水平線HJBHJB線：

41、包晶線（線：包晶線（14951495 C C） 包晶反應：包晶反應：ECFECF線：共晶線（線：共晶線（11481148 C C） 共晶反應：共晶反應：PSKPSK線：共析線（線：共析線（727727 C C），又標記為），又標記為A A1 1線線 共析反應：共析反應：萊氏體萊氏體（Ledeburite），符號：，符號：L Ld d珠光體珠光體（Pearlite），符號：，符號：P P第四章 二元相圖及應用4.3 4.3 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖L L4.34.3 2.112.11 FeFe3 3C C11481148 C C 0.770.77 0.02180.0218 FeFe3 3C C7

42、27727 C CL L0.530.53 0.090.09 0.170.1714951495 C Cl 三條固態(tài)轉變線三條固態(tài)轉變線GSGS線：冷卻時線：冷卻時奧氏體轉變?yōu)殍F素體的臨界溫度線，或加熱時鐵素體奧氏體轉變?yōu)殍F素體的臨界溫度線，或加熱時鐵素體全部轉變?yōu)閵W氏體的臨界溫度線，又標記為全部轉變?yōu)閵W氏體的臨界溫度線，又標記為A A3 3線。線。ESES線：碳在奧氏體（線：碳在奧氏體（ ）中的固溶度曲線，）中的固溶度曲線，又標記為又標記為A Acmcm線。線。PQPQ線：碳在鐵素體（線：碳在鐵素體（ ）中的固溶度曲線。）中的固溶度曲線。3.Fe-Fe3.Fe-Fe3 3C C相圖中的相區(qū)相圖中

43、的相區(qū)5 5個單相區(qū)：個單相區(qū)： L L、 、 、 、FeFe3 3C C；7 7個兩相區(qū)：個兩相區(qū)：L L 、L L 、 、L LFeFe3 3C C、 、 FeFe3 3C C、 FeFe3 3C C；3 3三相區(qū)：三相區(qū)：L L 、L L FeFe3 3C C、 FeFe3 3C C，即三條水平線。即三條水平線。第四章 二元相圖及應用4.3 4.3 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖 F Fe e3 3C C F Fe e3 3C C4.4.五種形態(tài)不同的滲碳體五種形態(tài)不同的滲碳體l 一次滲碳體一次滲碳體（F Fe e3 3C C）從液相中析出的滲碳體，呈粗大片條狀。從液相中析出的滲碳體，呈粗大片

44、條狀。l 共晶滲碳體共晶滲碳體共晶反應中生成的滲碳體，為合金基體。共晶反應中生成的滲碳體，為合金基體。l 二次滲碳體二次滲碳體（F Fe e3 3C C）從奧氏體中析出的滲碳體，呈網(wǎng)狀。從奧氏體中析出的滲碳體，呈網(wǎng)狀。l 共析滲碳體共析滲碳體共析反應中生成的滲碳體，呈層片狀。共析反應中生成的滲碳體，呈層片狀。l 三次滲碳體三次滲碳體（F Fe e3 3C C）從鐵素體中析出的滲碳體，呈短條狀。從鐵素體中析出的滲碳體，呈短條狀。第四章 二元相圖及應用4.3 4.3 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖特別說明：特別說明：5 5種種F Fe e3 3C C除對鐵碳合金性除對鐵碳合金性能有不同影響外，本質能有不

45、同影響外，本質上并無不同，都是同一上并無不同，都是同一種相，只是顯微組織特種相，只是顯微組織特征不同而已。征不同而已。第四章 二元相圖及應用4.3 4.3 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖LL+ L+Fe3C +Fe3C +Fe3C + L+ + Fe3C (0.09)(0.53)(0.17)(0.77)(0.0218)(2.11)(4.3)1495 C1148 C727 C1538 C1227 C1394 C912 C 三、典型鐵碳合金的平衡結晶過程分析三、典型鐵碳合金的平衡結晶過程分析亞共晶白口鑄鐵（亞共晶白口鑄鐵（wC% %2.11%2.11%4.3%4.3%）過共晶白口鑄鐵（過共晶白口鑄鐵（w

46、C% %4.3%4.3%6.69 % %）工業(yè)純鐵（工業(yè)純鐵（wC% %0.0218%0.0218%）共析鋼（共析鋼（wC% %0.77%0.77%）亞共析鋼鐵（亞共析鋼鐵（wC% %0.0218%0.0218%0.77%0.77%）過共析鋼（過共析鋼（wC% %0.77%0.77%2.11%2.11%）共晶白口鑄鐵（共晶白口鑄鐵（wC% %4.3%4.3%）第四章 二元相圖及應用4.3 4.3 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖1.1.合金合金：工業(yè)純鐵：工業(yè)純鐵（Commercially Pure Iron） （wC% %0.0218%0.0218%）12工業(yè)純鐵結晶過程示意圖工業(yè)純鐵結晶過程示意圖

47、34567FFe3C工業(yè)純鐵（工業(yè)純鐵（wC 0.0218%）的室溫組織）的室溫組織FFe3C第四章 二元相圖及應用4.3 4.3 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖第四章 二元相圖及應用4.3 4.3 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖2.2.合金合金：共析鋼：共析鋼（Eutectoid Steel） （wC% %0.77%0.77%）1234共析鋼結晶過程示意圖共析鋼結晶過程示意圖3423共析鋼（共析鋼（wC= 0.77%）的室溫組織）的室溫組織PFFe3CP第四章 二元相圖及應用4.3 4.3 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖FFe3CP第四章 二元相圖及應用4.3 4.3 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖共析鋼（共析鋼（

48、wC= 0.77%）的室溫組織）的室溫組織P第四章 二元相圖及應用4.3 4.3 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖3.3.合金合金：亞共析鋼：亞共析鋼（Hypoeutectoid Steel） （wC% %0.0218%0.0218%0.77%0.77%）1234亞共析鋼結晶過程示意圖亞共析鋼結晶過程示意圖5456634亞共析鋼（亞共析鋼（wC= 0.0218% 0.77%）的室溫組織）的室溫組織FPFP第四章 二元相圖及應用4.3 4.3 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖亞共析鋼的室溫組織亞共析鋼的室溫組織第四章 二元相圖及應用4.3 4.3 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖wC% %0.2%0.2%的亞共析鋼的亞

49、共析鋼wC% %0.4%0.4%的亞共析鋼的亞共析鋼wC% %0.6%0.6%的亞共析鋼的亞共析鋼過共析鋼結晶過程示意圖過共析鋼結晶過程示意圖第四章 二元相圖及應用4.3 4.3 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖4.4.合金合金：過共析鋼：過共析鋼（Hypereutectoid Steel） （wC% %0.77%0.77%2.11%2.11%）1234545233過共析鋼（過共析鋼（wC= 0.77 2.11%）的室溫組織）的室溫組織P Fe3CFe3CP第四章 二元相圖及應用4.3 4.3 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖第四章 二元相圖及應用4.3 4.3 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖5.5.合金合金：共晶

50、白口鑄鐵：共晶白口鑄鐵（Eutectic White Cast Iron） （wC% %4.34.3）123共晶白口鑄鐵結晶過程示意圖共晶白口鑄鐵結晶過程示意圖1223dLd這里的這里的L Ld d是由是由 和和FeFe3 3C C組成的機械混合物組成的機械混合物保留了高溫下保留了高溫下L Ld d的形態(tài)特征但已的形態(tài)特征但已發(fā)生組織轉變的機械混合物，由發(fā)生組織轉變的機械混合物，由P P 和和FeFe3 3C C組成，稱為組成，稱為變態(tài)萊氏體變態(tài)萊氏體或或低溫萊氏體，低溫萊氏體，記為記為L Ld d共晶白口鑄鐵（共晶白口鑄鐵（wC= 4.3%）的室溫組織）的室溫組織Ld Fe3CPLd第四章

51、二元相圖及應用4.3 4.3 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖第四章 二元相圖及應用4.3 4.3 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖6.6.合金合金：亞共晶白口鑄鐵：亞共晶白口鑄鐵（Hypoeutectic White Cast Iron） （wC% %2.11%2.11%4.3%4.3%）1234過共晶白口鑄鐵結晶過程示意圖過共晶白口鑄鐵結晶過程示意圖亞共晶白口鑄鐵（亞共晶白口鑄鐵（wC= 2.11% 4.3%）的室溫組織）的室溫組織P Fe3CII Ld Fe3CPLd第四章 二元相圖及應用4.3 4.3 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖第四章 二元相圖及應用4.3 4.3 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖7.7.合金合

52、金：過共晶白口鑄鐵：過共晶白口鑄鐵（Hypereutectic White Cast Iron） （wC% %2.11%2.11%4.3%4.3%）1234過共晶白口鑄鐵的結晶過程過共晶白口鑄鐵的結晶過程與亞共晶白口鑄鐵類似，只是與亞共晶白口鑄鐵類似，只是先共晶相為一次滲碳體。先共晶相為一次滲碳體。過共晶白口鑄鐵（過共晶白口鑄鐵（wC= 4.3% 6.69%）的室溫組織）的室溫組織Fe3C Ld Fe3CLd第四章 二元相圖及應用4.3 4.3 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖第四章 二元相圖及應用4.3 4.3 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖 鐵碳合金平衡結晶后的室溫組織：鐵碳合金平衡結晶后的室溫組織： 合金合金（工業(yè)純鐵）（工業(yè)純鐵）結晶完成后的室溫組織：結晶完成后的室溫組織： Fe3C 合金合金（共析鋼）（共析鋼）結晶完成后的室溫組織：結晶完成后的室溫組織：P 合金合金（亞共析鋼）（亞共析鋼）結晶完成后的室溫組織：結晶完成后