材料科學基礎(chǔ)：第七章 二元系相圖及其合金的凝固2

1、7.3.8 二元合金相圖分析實例重點：鐵碳相圖7.3.8 二元合金相圖分析實例 FeC合金的組織和性能 Al2O3SiO2系的組織和性能 CuZn合金相圖 CuSn合金 其他例子一. FeC合金的組織和性能 鋼(Steels)和鑄鐵(Cast irons)是應(yīng)用最廣的金屬材料，雖然它們的種類很多，成分不一，但是它們的基本組成都是鐵(Fe)和碳(C)兩種元素，故統(tǒng)稱為鐵碳合金（alloys of the ironcarbon system）。因此，學習鐵碳相圖、掌握應(yīng)用鐵碳相圖的規(guī)律解決實際問題是非常重要的。 鐵碳相圖(如圖7.50)是一個較復(fù)雜的二元合金相圖，它概括了鋼鐵材料的成分、溫度與組織

2、之間的關(guān)系。在鐵碳合金中，F(xiàn)e與C可以形成一系列化合物：Fe3C、Fe2C、FeC。所以，F(xiàn)e-C相圖可以劃分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四個部分。由于化合物是硬脆相，后面三部分相圖實際上沒有應(yīng)用價值（工業(yè)上使用的鐵碳合金含碳量不超過5），因此，通常所說的鐵碳相圖就是Fe-Fe3C部分。 Fe-Fe3C相圖1.FeC合金中的組元 鐵碳合金中組元：純鐵(Fe) 滲碳體（Fe3C） (1) 純鐵（Fe） 純鐵（pure iron） WFe 99.8%，原子序數(shù)26，原子相對質(zhì)量55.85，純鐵的熔點1538，汽化點2738，密度7.87g/。 純鐵固態(tài)下具

3、有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（allotropic transformation）：912C以下為體心立方(bcc)晶體結(jié)構(gòu)，912C到1394C之間為面心立方(fcc)結(jié)構(gòu), 1394C到熔點之間為體心立方(bcc)結(jié)構(gòu)。 純鐵具有磁性轉(zhuǎn)變（768磁性轉(zhuǎn)變、magnetic transformation）。純鐵的強度低，塑性好(軟)，很少用于結(jié)構(gòu)材料。主要利用鐵磁性（ferromagnetism）。 純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵的冷卻曲線及晶體結(jié)構(gòu)變化純鐵的顯微組織(2) 滲碳體(Fe3C)A滲碳體（cementite）是FeC合金中碳以化合物(Fe3C)形式出現(xiàn)的。它具有復(fù)雜的晶格(正交晶系)，其晶體結(jié)構(gòu)如圖

4、4.49（P138）。Fe3C是由C原子構(gòu)成的一個斜方晶格， 原子周圍有六個Fe原子，構(gòu)成一個八面體，而每個Fe原子屬于兩個八面體共有，F(xiàn)e:C=3:1。 Fe3C熔點為1227，F(xiàn)e3c是一種亞穩(wěn)化合物，在一定條件下，滲碳體可以分解而形成石墨狀的自由碳：Fe3C3Fe + C(石墨)。這一過程對于鑄鐵和石墨鋼具有重要意義。所以FeFe3C相圖又叫介穩(wěn)定系相圖，F(xiàn)eC相圖又叫穩(wěn)定系相圖，若把FeFe3C相圖與FeC相圖畫在同一圖上，稱為FeC合金雙重相圖，如圖7.50。兩相圖各有不同適用范圍。滲碳體的晶格Fe-Fe3C雙重相圖1Fe-Fe3C雙重相圖2(2) 滲碳體(Fe3C)-B Fe3C在

5、230以下具有鐵磁性，常用A0表示這個臨界點。 Fe3C在鋼和鑄鐵中呈現(xiàn)片狀，粒狀，網(wǎng)狀和板條狀。滲碳體硬而脆(HB800)，塑性極低，延伸率接近于0。它是鋼鐵材料中的主要強化相。Fe3C中碳和Fe可以被其它元素替代形成以Fe3C為基的固溶體。Fe被Cr、Mn等原子金屬置換，形成以Fe3C為基的固溶體，稱為合金滲碳體。 2. FeC合金中的基本相 A 在FeFe3C相圖中，F(xiàn)eC合金在不同條件(成分，溫度)下，可有六個基本相： L相、相、相、相、Fe3C相、石墨（C） （1）液相(L) Fe與C在高溫下形成的液體溶液。(ABCD線以上) （3）滲碳體（cementite） 前面已討論過 （2）

6、相高溫鐵素體（high temperature ferrite） C在Fe的間隙固溶體。在14 9 5時最大溶解量可達0.09%，為bcc結(jié)構(gòu)，也稱高溫鐵素體（high temperature ferrite）。 FeC合金中的基本相 B （4） 奧氏體（austenite） 奧氏體(或A)是C溶解于Fe形成的間隙固溶體稱為奧氏體（austenite）。具有fcc結(jié)構(gòu)。具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的奧氏體可以溶解較多的碳，1148C時最多可以溶解2.11%的碳，到727C時含碳量降到0.8%。碳原子存在于面心立方晶格中正八面體的中心，單相區(qū)存在于NJBESGN區(qū)域內(nèi)（727-1495）。奧氏體的硬度(

7、HB170220)較低，塑性(延伸率為40%50%)高。奧氏體的顯微組織見下圖。是順磁性（paramagnetism），具有fcc結(jié)構(gòu)。晶粒呈平直多邊形。 碳在Fe晶格中的位置奧氏體的顯微組織FeC合金中的基本相 C （5）鐵素體（ferrite） 鐵素體（或F）是C溶于Fe形成的間隙固溶體稱為鐵素體（ferrite）。C原子溶于八面體間隙。單相相在GPQ以左部分。鐵素體的含碳量非常低，在727時C在Fe中最大溶解量為0.0218%，室溫下含碳僅為0.005%，所以其性能與純鐵相似：硬度(HB50-80)低，塑性(延伸率為30%50%)高。鐵素體的顯微組織與工業(yè)純鐵相同。晶粒常呈多邊形。是鐵磁

8、性，具有bcc結(jié)構(gòu)。 （6） 石墨（C） 在一些條件下，碳可以以游離態(tài)石墨（graphite）(hcp)穩(wěn)定相存在。所以石墨對于FeC合金中鑄鐵也是一個基本相。3. FeFe3C相圖分析 如圖7.50為FeFe3C相圖全貌。根據(jù)分析圍繞三條水平線可把FeFe3C相圖分解為三個部分考慮：左上角的包晶部分，右邊的共晶部分，左下角的共析部分。 分析點、線、區(qū)特別是重要的點、三條水平恒溫轉(zhuǎn)變線 、重要的相界線 （1）FeFe3C相圖的點 FeFe3C相圖相圖中的各特性點所對應(yīng)的溫度、成分和意義如下表： A、B、C、D、E、F、G、H、J、K、N、P、S、Q各點（2）FeFe3C相圖的線 FeFe3C相

9、圖有一些特性線，它們是由不同成分合金具有相同意義的點連接起來的。有三條水平恒溫轉(zhuǎn)變線，二條磁性轉(zhuǎn)變線(水平)和三條重要的相界線。A.三條水平恒溫轉(zhuǎn)變線 包晶線：HJB線（1459），J為包晶點，wc=0.090.53%的Fe、C合金緩冷到HJB線均發(fā)生包晶反應(yīng)，即： L0.53+0.090.17 （LB+HJ） 共晶線：ECF水平線（1148），C點為共晶點，wc=2.116.69%的Fe、C合金緩冷到EFC線均發(fā)生共晶反應(yīng)，即： L4.302.11+ Fe3C （LCE+ Fe3C） 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為和Fe3C組成的共晶混合物稱為萊氏體（ledeburite），用Ld表示。 共析線：PSK水平線（

10、727），S點為共析點。凡wc0.0218%的Fe、C合金冷卻到PSK線均發(fā)生共析反應(yīng)，即： 0.770.0218 + Fe3C （SP+ Fe3C） 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為和Fe3C組成的機械混合物稱為珠光體（pearlite），用P表示。共析轉(zhuǎn)變溫度常用A1表示。 B. 兩條磁性轉(zhuǎn)變線 230為水平線為Fe3C的磁性轉(zhuǎn)變線，230以上Fe3C無磁性，230以下為鐵磁性。常用A0表示 770為的鐵磁性轉(zhuǎn)變線。770以上無鐵磁性，770以下為鐵磁體。常用A2表示，又稱居里點。 C. 幾條重要的相界線(固態(tài)轉(zhuǎn)變線) GS線：A中開始析出或全部溶入(升溫時) 的轉(zhuǎn)變線。常用A3表示。因這條線在共析轉(zhuǎn)變線以上，

11、故又稱為先共析相開始析出線。常稱為A3線或A3溫度。 ES線：C在中溶解度曲線。常用Acm表示，稱為Acm溫度。低于此溫度，溶解度降低，將析出Fe3C。為了區(qū)別自液(CD線)態(tài)合金中直接析出的一次Fe3C，將中析出的Fe3C稱為二次Fe3C。 PQ線：C在中溶解度曲線。在727時，C在中的最大溶解度0.0218%，但溫度下降，C在中溶解度下降，會析出少量的滲碳體，稱為三次Fe3C。以區(qū)別于沿CD線和ES線析出的Fe3C。（3）FeFe3C相圖中的區(qū) FeFe3C相圖中的區(qū)： 4個單相區(qū)：L、 7個兩相區(qū)：L+、L+、L+ Fe3C、+、+ Fe3C、+、+ Fe3C 3個三相共存區(qū)：L+ Fe

12、3C（ECF線）、L+（HJB線）、+ Fe3C（PSK線） 4. FeC合金分類 Fe、C合金通常按其含碳量(Wc)及其室溫平衡組織分為三大類：工業(yè)純鐵（pure iron）、碳鋼（carbon steel）、鑄鐵（cast iron）。根據(jù)碳鋼和鑄鐵的相變、組織特征可把二者細分。即： （1）工業(yè)純鐵：(Wc0.0218%)顯微組織為固溶體。 （2）鋼鋼（steel）是含碳量在(Wc=0.02182.11%)之間的Fe、C合金。其特點是： 高溫組織為單相的，具有很好的塑性。因而可以進行鍛造、軋制等壓力加工。根據(jù)其室溫組織的不同，碳鋼（carbon steel）又可分為： 共析鋼（eutect

13、oid steel）：Wc=0.77% 亞共析鋼（hypoeutectoid steel）：Wc=0.02180.77% 過共析鋼（hypereutectoid steel）：Wc=0.772.11% （3）白口鑄鐵 白口鑄鐵（white cast iron）是含碳量在Wc=2.116.69%之間的Fe、C合金。其特點液態(tài)合金結(jié)晶時都發(fā)生共晶反應(yīng)，液態(tài)時有良好的流動性，因而鑄鐵都具有良好的鑄造性能。但因共晶產(chǎn)物是以Fe3C為基的萊氏體組織，所以性能很脆，不能鍛造。它們的斷口呈銀白色，故稱為白口鑄鐵。根據(jù)白口鑄鐵室溫組織不同，可分為三種： 共晶白口鑄鐵（eutectoid cast iron）：

14、Wc=4.30% 亞共晶白口鑄鐵（hypoeutectoid cast iron）：Wc=2.114.30% 過共晶白口鑄鐵（hypereutectoid cast iron）：Wc=4.306.69% 上述Wc=2.11%具有重要的意義，它是鋼和鑄鐵(生鐵)的理論分界線。5.碳素結(jié)構(gòu)鋼的分類和編號 關(guān)于鋼和鑄鐵的命名法則，國內(nèi)和國際上都有強制性標準。下面給大家介紹一下碳素結(jié)構(gòu)鋼的分類和牌號。 一.分類 1.根據(jù)鋼的含碳量分類 （1）低碳鋼 Wc0.25% （2）中碳鋼 Wc=0.250.60% （3）低碳鋼 Wc0.60% 2.根據(jù)鋼的質(zhì)量（鋼中含雜質(zhì)S、P的量）分類 （1） 普通碳素鋼 W

15、s0.055% Wp0.045% （2） 優(yōu)質(zhì)碳素鋼 Ws0.040% Wp0.040% （3） 高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼 Ws0.030% Wp0.030% 3.根據(jù)鋼的用途分類 （1）碳素結(jié)構(gòu)鋼 （2）碳素工具鋼二.碳鋼的編號 1.普通碳素結(jié)構(gòu)鋼 我國的鋼材編號是采用國際化學符號，數(shù)字及漢語拼音字母并用的原則，碳鋼的具體編號方法如下： 該類鋼牌號表示方法是用“Q+數(shù)字+符號”表示 ，其中Q代表屈服點的字母，數(shù)字表示屈服點數(shù)值（MPa），質(zhì)量等級符號（A，B，C，D）及脫氧方法符號（F，b，Z，TZ）等四部分按順序組成。如Q235-A.F，表示屈服強度數(shù)值為235MPa的A級沸騰鋼。質(zhì)量等級符號表示普

16、碳鋼中雜質(zhì)硫磷含量的高低，C，D級的含量最低，質(zhì)量好。脫氧方法符號從F起依次分別表示沸騰鋼，半鎮(zhèn)靜鋼， 鎮(zhèn)靜鋼及特殊鎮(zhèn)靜鋼，后兩種鋼牌號中的脫氧方法符號可省略。主要有：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275 2.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 沸騰鋼，半鎮(zhèn)靜鋼以及專門用途的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，應(yīng)在鋼號后特別標出，如15g，即平均含碳量為0.15%的鍋爐鋼；08F表示含碳量為0.08%的沸騰鋼。 該類鋼的鋼號用“兩位數(shù)字或兩位數(shù)字Mn”表示，其中兩位數(shù)字表示鋼中碳的平均含量，單位為萬分之一； Mn表示對含錳量較高的鋼，須將錳元素標出，一般錳的含量為0.701.0%，如：20、20 Mn 、45、40 Mn

17、 。鋼號45，表示平均含碳量為0.45%的鋼，這是正常含錳量（按雜質(zhì)含量）的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼；鋼號20 Mn表示碳的平均含量為0.20%、Mn表示錳的含量為0.701.0%的鋼；鋼號25Mn，表示平均含碳量為0.25%而含錳量為(0.71.0)%的鋼。 3.碳素工具鋼 碳素工具鋼是用“T+數(shù)字”表示，其中T為碳的拼音，其后數(shù)字表示鋼中平均含碳量的千分之幾。如平均含碳量為0.8%的工具鋼，其鋼號記為“T8” ；T12表示碳的平均含量為1.2%的碳素工具鋼。含錳量較高者須在鋼號后標以“Mn”。若為高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼則在鋼號末端加“A”，如T10A。 6. FeC合金的平衡結(jié)晶過程及組織 （1）工業(yè)純

18、鐵 以Wc=0.01%的合金為例 室溫組織為：+ Fe3C Fe3C最多為0.33% 如下圖 轉(zhuǎn)變過程：LL+ + Fe3C 勻晶轉(zhuǎn)變多晶型轉(zhuǎn)變脫溶沉淀 工業(yè)純鐵室溫組織圖（200）（2） 共析鋼共析鋼（Wc=0.77%） 冷卻曲線如圖： 室溫組織為P（+ Fe3C），P呈層片狀，是和Fe3C的層片交替重疊的機械混合物。如圖7.53圖中的白色片狀為，黑色片狀為Fe3C。 過程如下：LL+P+P（+ Fe3C） 勻晶轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變脫溶沉淀 共析鋼的室溫組織（500）（3）亞共析鋼 亞共析鋼（Wc=0.02180.77%） 冷卻曲線如圖： 室溫組織為：+ P 如圖7.56中的白色為，黑色片狀為P。

19、過程如下： LL+L+L+ +P+P （析出Fe3C） 勻晶轉(zhuǎn)變包晶轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變脫溶沉淀 特別需注意：室溫組織為+ P，由于是發(fā)生在共析轉(zhuǎn)變之前，我們稱為先共析鐵素體。共析轉(zhuǎn)變之前+和組織的相對量(即共析轉(zhuǎn)變后和P的相對量)可通過杠桿法則來計算。 亞共析鋼的室溫組織（200）（4） 過共析鋼 過共析鋼（Wc=0.772.11%） 冷卻曲線如圖： 室溫組織為：P+ Fe3C，如圖7.57中的白色為網(wǎng)狀Fe3C，暗黑色為P。 過程如下：LL+Fe3C P + Fe3C 勻晶轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變脫溶沉淀 過共析鋼的室溫組織（500）（5）共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵（Wc=4.30%） 冷卻曲線如圖 液相冷至1

20、點，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變： L4.302.11+ Fe3C 此共晶體成為萊氏體(Ld：+Fe3C)，溫度降至PSK線發(fā)生共析轉(zhuǎn)變形成P，共析轉(zhuǎn)變結(jié)束后組織為Fe3C+ P + Fe3C，稱為低溫萊氏體(變態(tài)萊氏體)，用Ld表示。 室溫組織為：Ld（P + Fe3C+Fe3C） 過程如下：LL+ Ld（+Fe3C）LdLd（+Fe3C+Fe3C）Ld（P + Fe3C+Fe3C） 共晶轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變脫溶沉淀 共晶白口鑄鐵組織圖（200）（6）亞共晶白口鑄鐵 亞共晶白口鑄鐵（Wc=2.114.30%） 冷卻曲線如圖： 室溫組織為：Fe3C+ Ld +P ，其組織如圖7.59 過程如下：LL+L+ Ld+ L

21、d +Fe3C+Ld+Fe3C+Ld+P Fe3C+ Ld +P 勻晶反應(yīng)共晶轉(zhuǎn)變脫溶轉(zhuǎn)變共析反應(yīng) 亞共晶白口鑄鐵組織圖（200）（7）過共晶白口鑄鐵 過共晶白口鑄鐵（Wc=0.772.11%） 冷卻曲線如圖： 室溫組織為：Fe3C+ Ld ，其組織如圖7.60 過程如下：LL+Fe3CFe3C+ Ld Fe3C+ Ld 勻晶反應(yīng)共晶轉(zhuǎn)變脫溶轉(zhuǎn)變共析反應(yīng) 過共晶白口鑄鐵組織圖（200）注意區(qū)別組織中的滲碳體一次滲碳體 Fe3C： 共晶滲碳體 Fe3C：二次滲碳體 Fe3C： 共析滲碳體 Fe3C： 二次滲碳體 Fe3C：7.Wc對鐵碳合金的組織和性能的影響-A 隨著含碳量的增加, Fe、C合金的組織發(fā)生下列變化：+Fe3C +P P P+Fe3C Fe3C+Ld +P Ld Fe3C+ Ld 稱為組織組成物 所有Fe-Fe3C合金的室溫組織都是由鐵素體和滲碳體Fe3C兩相組成，因此，把鐵素體和滲碳體稱為Fe-Fe3C合金的相組成物。 注：隨著Wc的增加，F(xiàn)e、C合金中的量逐漸減少，F(xiàn)e3C的量逐漸增多，其變化呈線性關(guān)系。所有Fe、C合金都是由和Fe3C組成，兩個相的相對量可由杠桿法則來求得。隨碳含量的增加，WFe3C增加，F(xiàn)e3C形態(tài)也發(fā)生變化，由片狀及球狀形式分布在基本內(nèi)(P)，F(xiàn)e3C進一步成網(wǎng)狀