二元合金相圖與鐵碳合金相圖課件

1、機 械 工 程 概 論 Introduction to mechanical engineering 張力菠南京航空航天大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院2二元合金相圖鐵碳合金相圖相圖的應(yīng)用第2章 二元合金相圖與鐵碳相圖3二元合金相圖 基本概念二元合金相圖：表示二元合金系中不同成分的合金在溫度極緩慢變化條件下，各不同溫度下相組成和相變化的圖；二元合金系：由某兩種元素組成的各種不同成分合金的總和；合金相圖是制定鑄造、鍛造、熱處理等工藝的重要依據(jù)，也是研究合金組織、組織轉(zhuǎn)變及合金性能的有力工具。指極緩慢的冷卻或加熱，此時發(fā)生相變，原子可進行充分的擴散，得到的組織是穩(wěn)定或平衡的，這種極緩慢冷卻或加熱，使原子能夠進行

2、充分?jǐn)U散的狀態(tài)叫平衡狀態(tài)。4二元合金相圖 相圖的建立所有的合金相圖都是通過實驗方法得到的，一般是利用合金相變時產(chǎn)生的各種變化測定相變點，繪制合金相圖；建立方法：以銅鎳合金為例，總共包括以下四步：常用熱分析法和金相法；建立步驟：5Cu-Ni合金相圖的建立步驟：配制不同成分的Cu-Ni合金，見表；作出每種合金的冷卻曲線，并找出其相變溫度，即各曲線上開始和終止結(jié)晶溫度即臨界點，見表；畫出溫度-成分坐標(biāo)系，在各成分垂線上標(biāo)出臨界點溫度；連接臨界點中物理意義相同的點，即得Cu-Ni合金相圖。合金編號成分（）結(jié)晶溫度（ ）CuNi開始結(jié)束1008060402000204060801001083117012

3、60134714101452108311381200128513821452二元合金相圖 相圖的建立6二元合金相圖 相圖的建立7Cu-Ni合金相圖的解讀：二元合金相圖 相圖的建立第一個點A、第二個點B分別為Cu、Ni的熔點；各結(jié)晶開始溫度連線為液相線，該線以上為液相區(qū)，L ；各結(jié)晶終止溫度連線為固相線，該線以下為固相區(qū)，；固、液相線之間的區(qū)域固液相并存，即雙相區(qū)，L +；雙相區(qū)說明Cu-Ni合金的結(jié)晶是在一個溫度范圍內(nèi)進行的，這一點與純金屬的結(jié)晶有所區(qū)別。8Cu-Ni合金相圖是最簡單的二元合金相圖，通常合金的相圖都很復(fù)雜，但都是由幾種基本相圖組合而成：二元勻晶相圖二元共晶相圖二元共析相圖二元合

4、金相圖種類：9二元合金相圖 勻晶相圖概念：二元合金系中二組元在液態(tài)和固態(tài)均能無限互溶所構(gòu)成的相圖，即二元勻晶相圖；例具有二元勻晶相圖的合金系主要有：Cu-Ni、Cu-Au、Fe-Ni、W-Mo等；以Cu-Ni合金為例，來分析具有二元勻晶相圖的二元合金系的結(jié)晶過程與產(chǎn)物。10二元合金相圖 勻晶相圖11從二元合金相圖中的雙相區(qū)，不僅可知道兩相的成分，還可得知兩相的相對重量；杠桿定律：研究表明，固液二相的相對量關(guān)系，如同力學(xué)中的杠桿定律，因此可得二元合金相平衡計算的杠桿定律；注！杠桿定律只適用于兩相平衡區(qū)中，兩平衡相的相對含量計算！二元合金相圖 勻晶相圖12二元合金相圖 勻晶相圖13二元合金相圖 勻

5、晶相圖14二元合金相圖 共晶相圖概念：兩組元在液態(tài)時無限互溶，固態(tài)時有限溶解，結(jié)晶時發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成兩相機械混合物的相圖，即共晶相圖；一定成分的液相，在一定溫度下，同時結(jié)晶出成分不同的兩種固相的轉(zhuǎn)變 ，即共晶轉(zhuǎn)變；例Pb-Sn、Pb-Sb、Cu-Ag等合金系具有二元共晶相圖；以Pb-Sn合金為例，來分析具有二元共晶相圖的二元合金系的結(jié)晶過程與產(chǎn)物。15Pb-Sn二元合金（共晶）相圖二元合金相圖 共晶相圖16Pb-Sn相圖分析：e點稱為共晶點；ced線稱為共晶線；對應(yīng)于共晶點的合金稱為共晶合金；成分位于ce之間的合金稱為亞共晶合金；成分位于ed之間的合金稱為過共晶合金。二元合金相圖 共晶相圖1

6、7二元合金相圖 共析相圖概念：從一個固相中同時析出成分和晶體結(jié)構(gòu)完全不同的兩種新固相的轉(zhuǎn)變過程（共析轉(zhuǎn)變）的相圖 ，即共析相圖。18解讀：圖中A、B為兩組元，合金結(jié)晶后得到固溶體，c固溶體在恒溫下進行共析轉(zhuǎn)變：c點為共析點， dce為共析線，對應(yīng)的溫度為共析溫度； (d + e ) 稱為共析體；cd + e 共析轉(zhuǎn)變在固態(tài)下進行，轉(zhuǎn)變溫度較低，原子擴散困難，故過冷度較大，與共晶體相比，共析體組織較細(xì)小且均勻。特點：二元合金相圖 共析相圖19鐵碳合金：鐵碳合金相圖主要成員是碳鋼與鑄鐵；鐵碳合金相圖：研究極緩慢冷卻或加熱條件下，鐵碳合金的成分、組織與性能之間關(guān)系及其變化規(guī)律的圖形。都是以鐵和碳為基

7、本元素的合金，其機械、工藝性能優(yōu)良，故應(yīng)用廣泛；改變化學(xué)成分和工藝條件（溫度、冷卻速度等），可獲得不同的組織和性能，以滿足多種需要。20鐵碳相圖的研究范圍：C5的鐵碳合金太脆，無實用價值，故實際使用C5%！有實用價值部分，即C6.69%的Fe-Fe3C相圖，故所研究的鐵碳合金基本組元是Fe與Fe3C，屬二元合金。按含碳量不同，可形成三種：含碳量6.69%，形成Fe3C含碳量6.69%，隨含碳量增加形成Fe2C + FeC鐵碳形成的化合物：鐵碳合金相圖21鐵碳合金相圖 基本相及組織因鐵素體與滲碳體相對數(shù)量及其分布狀態(tài)的不同又可形成鐵碳合金中兩個基本組織：由于鐵與碳相互作用的不同，鐵碳合金在固態(tài)下

8、的基本相分為固溶體與金屬化合物兩類：屬金屬化合物的基本相：屬于固溶體的基本相，包括兩種：鐵素體奧氏體滲碳體珠光體萊氏體固態(tài)相中還有一種相，但其對性能影響不大，故一般不做考慮。22鐵碳合金相圖 基本相及組織鐵素體：碳在-Fe中的間隙固溶體，F(xiàn)或；鐵素體為體心立方結(jié)構(gòu)；-Fe的溶碳量很小，727時碳溶解度最大為0.02%，室溫時只有0.008%；F強度、硬度很低，塑性、韌性很高，與工業(yè)純鐵相近；F很少單獨用作工程材料，是碳鋼的基體相。23鐵素體的顯微組織鐵碳合金相圖 基本相及組織24奧氏體：碳在 -Fe中的間隙固溶體，A；奧氏體為面心立方結(jié)構(gòu)；-Fe 溶碳能力較強，1148時碳溶解度最大2.11%

9、；奧氏體強度、硬度低，而塑性高，適合壓力加工成型；奧氏體存在的溫度較高，727 以上，是鐵碳合金一個重要的高溫相；鐵碳合金相圖 基本相及組織25奧氏體的顯微組織鐵碳合金相圖 基本相及組織26滲碳體：鐵和6. 69%碳組成的金屬化合物Fe3C，有時用cm表示；滲碳體熔點為1227；具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，成分固定；F3C復(fù)雜晶格Fe3C是亞穩(wěn)定相，一定條件下可分解成F和石墨G：性質(zhì)硬而脆，是鐵碳合金的重要強化相；F3CF + G鐵碳合金相圖 基本相及組織27珠光體：鐵素體和滲碳體的混合物， P ；此轉(zhuǎn)變在固態(tài)下，從單相固溶體A中同時析出兩個互不相溶的固相（F和Fe3C）組成的混臺物，即共析轉(zhuǎn)變；珠光

10、體加熱至共析溫度，它也會轉(zhuǎn)變成奧氏體。相應(yīng)溫度和成分稱共析溫度、共析成分，產(chǎn)物稱共析體；珠光體是含碳為0.77%的奧氏體在727時分解的產(chǎn)物：AP（F + F3C）727鐵碳合金相圖 基本相及組織28萊氏體：含碳4.3%的鐵碳合金，1148時發(fā)生共晶反應(yīng)，液態(tài)合金中直接結(jié)晶出A和Fe3C的混合物，即萊氏體，Ld ；共晶萊氏體性質(zhì)硬而脆，是生鐵的基本組織。降至共析溫度，Ld中的A共析分解，轉(zhuǎn)變成P，故在共析溫度下，共晶Ld由P和Fe3C組成，即低溫萊氏體，Ld鐵碳合金相圖 基本相及組織29鐵碳合金相圖 相圖分析鐵碳合金相圖的研究始于1868年，已一百多年，對零件的選材、加工工藝的制定具有重要的指

11、導(dǎo)意義；鐵碳合金相圖（Fe - Fe3C相圖）如下圖，圖中不加括號部分為相組成物，加括號部分為組織組成物；Fe-Fe3C相圖表示鐵碳合金系中不同碳含量的合金在冷卻過程中發(fā)生的相變，各溫度下合金的相組成物和組織組成物，可由合金的室溫組織了解其力學(xué)性能，確定應(yīng)用范圍。30鐵碳合金相圖 相圖分析31Fe Fe3C 合金相圖鐵碳合金相圖 相圖分析32Fe-Fe3C合金相圖包含三個基本組成部分：包晶是由 L相和一種固相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固相，主要是合金中高溫相的變化，應(yīng)用很少。共晶部分共析部分包晶部分 液體奧氏體-鐵奧+L+L + 鐵碳合金相圖 相圖分析331148鐵碳合金相圖 相圖分析 共晶部分34ECF為

12、共晶線，C點共晶點，共晶成分含碳4.3%，共晶溫度1148，共晶轉(zhuǎn)變?yōu)椋篍點以左的合金結(jié)晶后得到單相A；LA + Fe3C即液相結(jié)晶出萊氏體LdE點是奧氏體的最大溶解點；鐵碳合金相圖 相圖分析 共晶部分E點也是鋼和鑄鐵的分界點：鋼含碳量2.11%；2.11%鑄鐵含碳量 6.69%。35鐵碳合金相圖 相圖分析 共析部分72736S點為共析點，共析成分為0.77%C，共析溫度為727，共析轉(zhuǎn)變?yōu)椋篜SK為共析線，稱為A1線；AF + Fe3C即奧氏體析出珠光體PES是碳在奧氏體中的溶解度曲線，記Acm；GS是合金冷卻時A轉(zhuǎn)變?yōu)镕的開始線，加熱時F轉(zhuǎn)變?yōu)锳的終止溫度線，記A3；常記Acm，低于此溫，

13、奧氏體中將析出滲碳體，稱二次滲碳體，F(xiàn)e3CII，以區(qū)別于從液體中經(jīng)CD線結(jié)晶出的一次滲碳體，F(xiàn)e3CI 。鐵碳合金相圖 相圖分析 共析部分37鐵碳合金相圖 相圖分析38鐵碳合金相圖 典型成分合金平衡結(jié)晶過程鐵碳合金按含碳量的不同，從相圖上可以分為工業(yè)純鐵、碳鋼及白口鑄鐵三類，而后兩種中又有更細(xì)的劃分：鐵碳合金：工業(yè)純鐵碳鋼白口鑄鐵 共析鋼亞共析鋼過共析鋼 共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵 39 類 別 含 碳 量 () 組 織 工 業(yè) 純 鐵 0.0218 F 碳 鋼 亞共析鋼 0.02180.77 F+P 共 析 鋼 0.77 P 過共析鋼 0.772.11 P+ Fe3C 白口鑄

14、鐵亞共晶自口鐵 2.11 4.3 P+ Fe3CLd 共晶白口鐵 4.3 L d過共晶白口鐵 4.36.69 L d Fe3C鐵碳合金相圖 典型成分合金平衡結(jié)晶過程40分析鐵碳合金的典型平衡結(jié)晶過程，可了解某成分合金在溫度下降的每個階段相的組成和相對量的變化，直至推出室溫組織：即合金由液態(tài)緩慢冷卻到室溫所發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變的過程。亞共析鋼的結(jié)晶過程 共析鋼的結(jié)晶過程 過共析鋼的結(jié)晶過程 亞共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程 共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程 過共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程鐵碳合金相圖 典型成分合金平衡結(jié)晶過程41亞共析鋼：含碳量0.020.77%，合金點1溫度后，L開始結(jié)晶出A；2點后，L全部凝固，變?yōu)閱蜗郃

15、； 到4點，A碳含量為0.77%，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成P，原先析出的F保持不變。至3點，A析出F，F(xiàn)在A晶界處優(yōu)先生核長大，其成分分別沿GP和GS變化； 亞共析鋼轉(zhuǎn)變結(jié)束后，合金組織為F和P，繼續(xù)冷卻，F(xiàn)會析出極少量Fe3C，可忽略；最終到室溫時，亞共析鋼的組織由呈顆粒狀的鐵素體和呈層片狀的珠光體組成。 鐵碳合金相圖 典型成分合金平衡結(jié)晶過程42鐵碳合金相圖 典型成分合金平衡結(jié)晶過程43共析鋼：含碳0.77%，圖中合金；點1溫度以上為液相；AF + Fe3C點12溫度之間緩冷，不斷結(jié)晶出A；到2時全為A；冷到點3（727），在恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：繼續(xù)冷卻，F(xiàn)的溶碳量沿PQ線變化，析出Fe3C，與

16、Fe3C相混，不易分辨。 因此，共析鋼室溫組織仍為珠光體，是鐵素體與滲碳體組成的片層狀共析體，其顯微組織中亮白色基底為鐵素體，黑色線條為滲碳體。 鐵碳合金相圖 典型成分合金平衡結(jié)晶過程44鐵碳合金相圖 典型成分合金平衡結(jié)晶過程45L + A過共析鋼：含碳量0.772.1%，合金；點1到3點以前的結(jié)晶過程與相似；最終，室溫下過共析鋼的組織為P與網(wǎng)狀Fe3C。至4點727時，A含碳量0.77%，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成P； 到3點以后，A開始析出Fe3C，F(xiàn)e3C多沿A晶界呈網(wǎng)狀分布； 鐵碳合金相圖 典型成分合金平衡結(jié)晶過程46鐵碳合金相圖 典型成分合金平衡結(jié)晶過程47亞共晶白口鑄鐵：含碳2.14.3%

17、，；點1溫度后，L開始析出A；2點1148后，A含碳2.11%，L含碳為4.3%，L發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成Ld，合金組織為初晶A和Ld；23點，初晶A和共晶A都析出Fe3C；至3點727時A含碳0.77%，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，初晶和共晶A都變?yōu)镻，Ld變?yōu)榈蜏豅d(P+Fe3C)；所謂“白口”，指合金中的碳是以滲碳體形式存在，斷口呈白色。 最終，亞共晶白口鑄鐵的室溫組織由P、Ld和Fe3C組成。 鐵碳合金相圖 典型成分合金平衡結(jié)晶過程48鐵碳合金相圖 典型成分合金平衡結(jié)晶過程49共晶白口鑄鐵：1點1148，L發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成Ld (共晶A + Fe3C)；繼續(xù)冷卻，共晶A析出Fe3C，與共晶Fe3C混

18、在一起，無法分辨；至2點727時A含碳降到0.77%，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成P，Ld變?yōu)榈蜏豅d(P+Fe3C)；最終，共晶白口鑄鐵的室溫組織為Ld與Fe3C。鐵碳合金相圖 典型成分合金平衡結(jié)晶過程50鐵碳合金相圖 典型成分合金平衡結(jié)晶過程51過共晶白口鑄鐵：到2點1148，剩余液相碳含量達到4.3%， L發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成高溫Ld (共晶A + Fe3C)；冷到1點，L中開始結(jié)晶出初晶（一次）滲碳體Fe3CI，呈粗大片狀，在合金繼續(xù)冷卻的過程中不再發(fā)生變化 ；最終，過共晶白口鑄鐵的室溫組織為Ld與Fe3C。鐵碳合金相圖 典型成分合金平衡結(jié)晶過程52鐵碳合金相圖 典型成分合金平衡結(jié)晶過程53鐵碳合金相圖 典型成分合金平衡結(jié)晶過程亞共析鋼（20鋼） 共析鋼 過共析鋼（T12鋼）亞共晶白口鑄鐵 共晶白口鑄鐵 過共晶白口鑄鐵 54相圖的應(yīng)用判斷合金的組織根據(jù)相圖分析性能在工藝中的應(yīng)用根據(jù)相圖，可以判斷在溫度緩慢變化條件下，任一成分的合金在某個溫度時的組織的組成成分，各相的化學(xué)成分及各相所占的比例。55相圖的應(yīng)用 分析性能合金的性能取決于其成分及組織，某些工藝性能如鑄造性能還與合金的結(jié)晶特點有關(guān)；而相圖表明了合金的成分、組織及結(jié)晶特點，故利用相圖可大致判斷合金的性能，并作為選用材料和