二元相圖精品課件

1、二元相圖第1頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日第5章 二元合金相圖5.1 相圖的基礎(chǔ)知識5.2 二元相圖的基本類型5.3 鐵碳合金相圖5.4 二元合金的凝固理論小結(jié)思考題第2頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日 二元相圖是研究二元體系在熱力學(xué)平衡條件下, 相與溫度、成分之間關(guān)系的有力工具，它已在金屬、陶瓷以及高分子材料中得到廣泛的應(yīng)用。 利用相圖可了解不同成分的合金在不同溫度下的平衡狀態(tài)，存在哪些相，相的成分及相對含量以及在加熱或冷卻時，可能發(fā)生哪些轉(zhuǎn)變等。第3頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日5.1.1 相圖的表示方

2、法二元相圖是平面圖形縱軸表示溫度橫軸表示成分，多以質(zhì)量分數(shù)表示5.1 相圖的基礎(chǔ)知識T A 成分w(B)% B5.1.2 相圖的測定方法 二元相圖是根據(jù)各種成分材料的臨界點繪制的，臨界點表示物質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生本質(zhì)轉(zhuǎn)變的相變點。測定材料臨界點的方法有：熱分析法、膨脹法、電阻法、金相法、X射線法、結(jié)構(gòu)分析等。 現(xiàn)以CuNi二元合金為例，用熱分析法測定臨界點繪制二元相圖。第4頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日把各相同意義的點連接成線，就得到CuNi 二元相圖。方法：配一系列不同成分的合金； w(Ni): 0% 30% 50% 70% 100%測出它們的冷卻曲線，得到臨界點；把

3、這些點標在T成分坐標上；第5頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日由凝固開始溫度連接起來的相界線稱液相線由凝固終結(jié)溫度連接起來的相界線稱固相線由相界線劃分出來的區(qū)域稱相區(qū)。在二元相圖中，有單相區(qū)和兩相區(qū)。兩相區(qū)內(nèi)，兩相的重量可用“杠桿定律”求得。WL+WS=WoWLX1+WSX2=WoX解上面兩式得：WL/Wo=(X2-X)/(X2-X1)=ob/abWS/Wo=(X-X1)/(X2-X1)=oa/ab第6頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日5.1.3 相圖的熱力學(xué)基礎(chǔ)1相平衡的熱力學(xué)條件相平衡：指合金系中參與相變過程的各相長時間不再互相轉(zhuǎn)化時所達

4、到的平衡。相平衡的熱力學(xué)條件是：合金系中各組元在各平衡相中的化學(xué)勢彼此相等。如用表示化學(xué)勢，則 表示相中A組元的化學(xué)勢，即上標表示平衡相，下標表示組元。當A-B二元系處于、三相平衡時，其熱力學(xué)條件為 。第7頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日2. 相律相律：表示在平衡條件下，系統(tǒng)的自由度數(shù)(f)、組元數(shù)(C)和平衡相數(shù)(p)之間的關(guān)系式。其表達式為 f=C-p+2 式中：f為自由度數(shù)，指在不改變系統(tǒng)平衡相的數(shù)目的條件下，可以獨立改變的，不影響合金狀態(tài)的因素（如溫度、壓力、平衡相成分）的數(shù)目。自由度數(shù)的最小值為零。當壓力恒定不變時，其表達式為 f=C-p+1 第8頁，共1

5、26頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日根據(jù)相律可知：對二元相圖f = C p + 1 = 3 p在單相區(qū)內(nèi)： f =2，說明：T、成分都能獨立變化。在兩相區(qū)內(nèi)： f =1，說明：只有一個獨立變量，T變成分變；T不變成分不變。若三相共存： f =0，說明：不存在可變因素，三相平衡只能處于一條等溫線上。 第9頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日XA、XB：摩爾分數(shù)； 0A、0B：摩爾自由能； R：氣體常數(shù)。3. 固溶體的自由能成分曲線利用固溶體的準化學(xué)模型1)對混合焓Hm作近似處理；2)混合后的體積變化Vm=0；3)只考慮混合熵（排列方式不同引起的）， 不考慮

6、振動熵（溫度引起的）。 得固溶體的自由能為： G =XA0A +XB0B + XAXB + RT(XA lnXA + XBlnXB) G0 Hm TSm 第10頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日：相互作用參數(shù)，表達式為： = NAZeAB（eAA + eBB）/2 NA：阿伏伽德羅常數(shù)；Z：配位數(shù)；eAB 、eAA 、eBB：結(jié)合能。 可見：G是G0，Hm和-TSm三項綜合的結(jié)果，不同作出任意給定溫度下的固溶體自由能成分曲線不同，見下圖。第11頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日 (a) 0：eAB （eAA + eBB）/2，AB相互吸 引，

7、形成 短程有序，此時Hm0：eAB （eAA + eBB）/2，AB對結(jié)合不 穩(wěn)定，形成偏聚狀態(tài)，此時Hm0。 = NAZeAB（eAA + eBB）/2第12頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日4. 多相平衡的公切線原理 任一相的G-X曲線上每一點的切線兩端分別與縱坐標軸相截。 A軸截距A為A組元在固溶體成分為切點成分時的化學(xué)勢。 B軸截距B為B組元在固溶體成分為切點成分時的化學(xué)勢。第13頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日圖5.4 兩相平衡的自 由能曲線圖, 兩相平衡時，熱力學(xué)條件為： A =A B =B 即兩組元在兩相中的化學(xué)勢相等。因此，

8、兩相平衡時的成分由兩相G-x曲線的公切線確定，見圖5.4。 第14頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日圖5.5 二元系中三相平衡時的自由能-成分曲線 、三相平衡時，熱力學(xué)條件是： A =A =A B =B =B三相的切線斜率相等，即為它們的公切線，切線所示的成分表示、平衡時的成分切線，與A、B軸的截距是A、B組元的化學(xué)勢，見圖5.5。分析可知：多相平衡時，利用公切線，可確定多相平衡時的成分及A、B組元的化學(xué)勢。第15頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日由上面兩式可得： =5. 混合物的自由能和杠桿法則A、B兩組元形成、兩相:相的量為n1摩爾，摩爾

9、自由能為Gm1相的量為n2摩爾，摩爾自由能為Gm2設(shè)相中B組元的摩爾分數(shù)為x1 相中B組元的摩爾分數(shù)為x2則混合物中B組元的摩爾分數(shù)為：x = 而混合物的摩爾自由能為：Gm = 第16頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日此式表明：混合物的摩爾自由能Gm與兩相、的摩爾自由能Gm1、Gm2在同一直線上，且x位于x1和x2之間，該直線為、兩相平衡時的公切線，見下圖。第17頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日討論：xx1時,Gm Gm,穩(wěn)定,體系處于單相狀態(tài)。x1 x x2時,（+）的GmGm或 Gm,（+）穩(wěn)定。兩相平衡：n1(x-x1) = n2(x

10、2-x) n1+ n2= 1x1 x x2n1 n2n1 =n2 =為杠桿法則，兩相的相對量隨成分x而變。 第18頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日6. 用自由能成分曲線推測相圖 根據(jù)二元系不同溫度下的自由能-成分曲線可畫出二元系相圖。 見圖5.7，根據(jù)公切線可求出體系在某一溫度下平衡相的成分。從T1、T2、T3、T4、T5下的自由能-成分曲線可得A、B兩組元完全互溶的相圖。第19頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日圖5.7由一系列自由能曲線求得兩組元互相完全溶解的相圖 第20頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日 圖5.

11、8由5個不同溫度下的自由能成分曲線得A、B兩組元形成的共晶系相圖。 圖5.8由一系列自由能曲線求得兩組元組成共晶系的相圖第21頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日圖5.9為包晶相圖與自由能成分曲線的關(guān)系。圖5.9 包晶相圖與自由能的關(guān)系要求： 已知自由能-成分曲線相圖； 已知相圖某一T下，自由能-成分曲線。 T4第22頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日練習(xí)：已知相圖如下，畫出T1、T2、T3、T4、 T5各溫度下的自由能成分曲線。第23頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日第24頁，共126頁，2022年，5月20日，19

12、點29分，星期日4.兩相區(qū)與單相區(qū)的分界線與三相等溫線相交，其延長線應(yīng)進入兩相區(qū)。5.1.4 二元相圖的幾何規(guī)律1.相圖中的線代表發(fā)生相轉(zhuǎn)變的溫度和平衡相的成分，且平衡相成分沿線隨溫度變化。2.兩個單相區(qū)之間一定有一個兩相區(qū)，兩個兩相區(qū)之間一定有一個單相區(qū)或三相水平線。即相鄰相區(qū)的相數(shù)差為（點接觸除外），稱為相區(qū)接觸法則。3.二元相圖中，三相平衡為一條水平線, 表示為恒溫反應(yīng)。點平衡相成分。第25頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日5.2 二元相圖的基本類型 以勻晶、共晶和包晶相圖為主要研究對象，討論二元系在平衡凝固和非平衡凝固下的成分與組織的關(guān)系。5.2.1 二元勻晶

13、相圖 兩組元在液態(tài)、固態(tài)均能無限互溶的二元系所組成的相圖。一. 相圖分析 由液相結(jié)晶出單相固溶體的過程稱為勻晶轉(zhuǎn)變。如：二元合金：Cu-Ni，Au-Ag，Au-Pt。二元陶瓷NiO-CoO，CoO -MgO，NiO-MgO都只發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變。以Cu-Ni二元合金相圖為例，見圖5.10。 第26頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日點： TCu、TNi分別為Cu、Ni熔點。線： TCuBTNi 為液相線。 TCuCTNi為固相線。區(qū)： L、L+、30%N i合金第27頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日 固溶體的結(jié)晶過程也是形核和長大的過程。固溶體在形

14、核時，即需要結(jié)構(gòu)起伏（以滿足晶核大小超過一定臨界值的要求），又需要能量起伏（以滿足新相對形核功的要求），此外還需要成分起伏（由于其結(jié)晶時，結(jié)晶出的成分與L成分不同）。 二. 固溶體的平衡結(jié)晶平衡結(jié)晶：在極緩慢冷卻條件下進行的結(jié)晶。以含30%Ni合金為例分析結(jié)晶過程： t1以上為L； t1時，L ，成分分別為：B、C。 t2時，成分為：E、F。 隨T，固溶體成分沿固相線變化，液體成分沿液相線變化。 t3時，結(jié)晶終了。得到與合金成分相同的固溶體。第28頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日 不平衡結(jié)晶：偏離平衡條件的結(jié)晶。在實際生產(chǎn)中，由于冷卻速度較快，內(nèi)部原子的擴散過程落后

15、于結(jié)晶過程，使合金的成分均勻化來不及進行。因此，在結(jié)晶過程中，每一溫度下的固溶體的平均成分都偏離相圖上固相線所對應(yīng)的成分，見下圖。成分起伏：在微小體積內(nèi)成分偏離平均成分的現(xiàn)象。 固溶體合金的結(jié)晶特點： 1. 異分結(jié)晶：結(jié)晶出的晶體與母相化學(xué)成分不同。2. 結(jié)晶需要一定的溫度范圍。三. 固溶體的不平衡結(jié)晶第29頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日合金1：t1時，1， LL1 t2時，22, L2L2 t3時，33, L3L3 t4時，44, L4L4第30頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日 消除方法：擴散退火（在固相線以下較高溫度經(jīng)過長時間的保溫

16、，使原子擴散充分，使之轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶饨M織） 非平衡態(tài)凝固，先結(jié)晶的部分與后結(jié)晶的部分成分不同，這種： 一個晶粒內(nèi)或一個枝晶間化學(xué)成分不同的現(xiàn)象，叫枝晶偏析或晶內(nèi)偏析。各晶粒之間化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象叫晶間偏析。 偏析的大小取決于： 1）液相線與固相線間的水平距離(成分間距)，先后 結(jié)晶的成分差別，偏析嚴重。 2）溶質(zhì)原子的擴散能力，偏析。 3）冷卻速度，偏析。第31頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日一. 相圖分析（以Pb-Sn為例，見圖5.14） 5.2.2 二元共晶相圖 兩組元在液態(tài)時無限互溶，固態(tài)時有限固溶或完全不溶，且發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成共晶組織的二元系相圖。11第32

17、頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日MEN水平線：共晶線。凡位于此線上的合金均發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變： （共晶組織）這種：由固定成分的L,在恒溫下同時結(jié)晶出兩種固定成分的固相的轉(zhuǎn)變，稱為共晶轉(zhuǎn)變。點： tA：Pb的熔點。 tB：Sn的熔點。 E：共晶點。成分為E的合金為共晶合金。 ：是Sn溶于Pb的固溶體。 ：是Pb溶于Sn的固溶體。線：AEB：液相線； AMENB：固相線； MF：Sn在Pb中的固溶度曲線； NG：Pb在Sn中的固溶度曲線；第33頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日 室溫下，和的相對量，可用杠桿定律求出： w= 100% w= 100%成

18、分位于ME之間的合金稱為亞共晶合金。成分位于EN之間的合金稱為過共晶合金。區(qū)： 三個單相區(qū)：L、 三個兩相區(qū)：L+、L+、+二. 典型合金的平衡結(jié)晶及組織1. W(Sn)共晶組織的量，使共晶組織中與先結(jié)晶相相同的那一相，依附在先結(jié)晶相上生長，剩下的另一相則單獨在晶界處凝固，從而使共晶組織特征消失，這種兩相分離的共晶稱為離異共晶。2. 離異共晶第41頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日 合金：快冷，使先結(jié)晶出的成分偏離固相線，沿虛線變化。當冷到2點時，還剩一部分液體，當冷到共晶溫度以下時，剩余的L發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成共晶組織。冷到3點以下時L消失。此時，量（+）量，（+）中

19、的依附在上生長，被推向晶界出凝固，產(chǎn)生了離異共晶。 離異共晶可以在平衡條件下獲得，也可在不平衡條件下獲得。如：合金：緩冷得+（+），量(+)量，使（+）中的依附在先結(jié)晶的上生長，而則存在于晶界處，產(chǎn)生了離異共晶。第42頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日一. 相圖分析 以Pt-Ag合金為例，見圖5.24。5.2.3 二元包晶相圖 兩組元液態(tài)時無限互溶，固態(tài)時有限互溶，并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的二元系相圖。第43頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日 這種：由一定成分的固相與一定成分的液相在恒溫下生成另一個一定成分的固相轉(zhuǎn)變叫包晶轉(zhuǎn)變。 點：A：Pt的熔點 B

20、：Ag的熔點 D：包晶點。具有D點成分的合金為包晶合金。線：ACB：液相線 APDB：固相線 PE：Ag溶于Pt的固溶度曲線 DF：Pt溶于Ag的固溶度曲線 PDC：水平線，叫包晶線，在此線上的合金均發(fā)生 包晶轉(zhuǎn)變:區(qū)： 三個單相區(qū)： L、 ：Ag溶于Pt中的固溶體。 ：Pt溶于Ag中的固溶體。 三個兩相區(qū)：L+、L+、+。第44頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日1. 包晶合金（合金）二、典型合金的平衡結(jié)晶過程及組織第45頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日2. 過包晶合金 （合金）3. 亞包晶合金 （合金） 包晶反應(yīng)后有剩余L相包晶反應(yīng)后有剩

21、余S相第46頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日包晶反應(yīng)：Pt Pt LPt ， 中擴散 Ag Ag LAg ， 中擴散 但實際中，V冷比較快，擴散來不及進行或進行不完全，因而得到不平衡組織。這種：由于包晶轉(zhuǎn)變不能充分進行而產(chǎn)生的化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象，稱為包晶偏析。消除方法：擴散退火。 三、不平衡結(jié)晶及組織 一般： 固溶體擴散V 液相中的擴散V，因而包晶轉(zhuǎn)變V是非常緩慢的。第47頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日5.2.4 其他類型的二元相圖1. 具有化合物的二元相圖a. 形成穩(wěn)定化合物的相圖 沒有溶解度的化合物在相圖中是一條垂直線，可把他看作

22、一個獨立的組元把相圖分為兩個獨立部分。見圖5.33。 Mg2Si可看作一個獨立組元把Mg-Si相圖分為Mg-Mg2Si和Mg2Si-Si兩個獨立二元相圖。第48頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日 有溶解度的化合物在相圖中有一定的成分范圍，見圖5.34。相有一定的成分范圍。從熔點作垂線也可把相圖分為兩個獨立相圖。第49頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日 b. 形成不穩(wěn)定化合物的相圖 見圖5.35。不穩(wěn)定化合物KNa2加熱到6.9時KNa2會發(fā)生分解。 注意：不穩(wěn)定化合物不能作為組元將整個相圖劃分為兩部分。第50頁，共126頁，2022年，5月2

23、0日，19點29分，星期日2. 具有偏晶轉(zhuǎn)變的相圖由一個液相L1分解為一個固相和另一個成分的液相L2的恒溫轉(zhuǎn)變，見圖5.31。在955發(fā)生偏晶轉(zhuǎn)變： L36 Cu +L87955等溫線為偏晶線，W(Pb)=36%的點為偏晶點。第51頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日3.具有合晶轉(zhuǎn)變的相圖由兩個成分不同的液相L1和L2相互作用形成一個固相，見圖5.32。在asb溫度發(fā)生合晶轉(zhuǎn)變： L1a + L2b s第52頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日4. 具有熔晶轉(zhuǎn)變的相圖由一個固相恒溫分解為一個液相和另一個固相。見圖5.30 Fe-B相圖。在1381

24、發(fā)生熔晶轉(zhuǎn)變： + L第53頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日5. 具有固態(tài)轉(zhuǎn)變的二元相圖a.具有固溶體多晶型轉(zhuǎn)變的相圖體系中組元有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時，形成的固溶體常有多晶型轉(zhuǎn)變。見圖5.36，F(xiàn)e-Ti相圖，F(xiàn)e、Ti均發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，所以Ti邊有相 相，F(xiàn)e邊有的固溶體多晶型轉(zhuǎn)變。 第54頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日b. 具有共析轉(zhuǎn)變的相圖 一定成分的固相在恒溫下生成另外兩個一定成分的固相轉(zhuǎn)變。見圖5.37 Cu-Sn相圖，有四個共析轉(zhuǎn)變： : + ： + ： + ：+c. 具有包析轉(zhuǎn)變的相圖 兩個一定成分的固相在恒溫下轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€新固

25、相的轉(zhuǎn)變叫包析轉(zhuǎn)變。見圖5.37 Cu-Sn相圖，有兩個包析轉(zhuǎn)變: : + : +d. 具有脫溶過程的相圖 固溶體的固溶度T而不斷減少的過程。見圖5.37左下角。的最大溶解度在350為11%Sn，隨T而。 第55頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日圖5.37 Cu-Sn相圖第56頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日5.2.5 復(fù)雜二元相圖的分析方法先看相圖中是否有穩(wěn)定的化合物，如有，把相圖分為幾個區(qū)域分析。根據(jù)相區(qū)接觸法則，區(qū)別各相區(qū)。找出三相共存水平線，分析恒溫轉(zhuǎn)變類型，見表5.1 。 應(yīng)用相圖分析典型合金的結(jié)晶過程和組織變化，用杠桿法則可求出

26、兩相的相對量。相圖只給出體系在平衡條件下存在的相和相對量?？捎孟嗦蓙砼袛嘞鄨D的建立是否有誤。 第57頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日表5.1 二元系各類恒溫轉(zhuǎn)變圖型第58頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日1.根據(jù)相圖判斷合金的使用性能（見圖5.38)圖5.38 相圖與合金硬度、強度及電導(dǎo)率之間的關(guān)系5.2.6 根據(jù)相圖推測合金的性能第59頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日 形成兩相混合物的合金，性能是兩組成相性能的平均值（性能與成分呈線性變化）。固溶體的性能隨合金成分呈曲線變化。共晶合金： 熔點低，流動性好，易形成

27、集中 縮孔，合金致密，鑄造性能好。固溶體合金：強度低，塑性好，變形均勻，壓 力加工性能好。2.根據(jù)相圖判別合金的工藝性能(見圖5.39)第60頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日圖5.39 相圖與流動性、縮孔性之間的關(guān)系第61頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日1.已知A（熔點600）與B（熔點500）在液態(tài)無限互溶，在300時A溶于B的最大溶解度為30%，室溫時為10%，但B不溶于A；在300時含40%B的液態(tài)合金發(fā)生共晶反應(yīng)，現(xiàn)要求： 作出A-B合金相圖； 分析20%A，45%A，80%A合金的結(jié)晶過 程， 并確定室溫下組織及相組成物的相對量

28、。思考題第62頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日2.一個二元共晶反應(yīng)如下：L(75%B) (15%B)+ (95%B)求： 含50%B的合金凝固后： a. 初晶與共晶體（+）的質(zhì)量分數(shù)。 b. 相與相的質(zhì)量分數(shù)。 若共晶反應(yīng)后初晶和（+）共晶各占 一 半，問該合金成分如何？第63頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日 a：w=42%，w（+）=58% b：w=56%，w=44% 85%B1.2.第64頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日5. 3 鐵碳合金相圖 研究鐵與碳的相互作用，以便認識鐵碳合金的本質(zhì)，了解鐵碳合金的成分

29、、組織與性能的關(guān)系。 Fe與C可形成一系列化合物，實際應(yīng)用含C量不超過5%，所以只研究Fe-Fe3C部分。 (1) Fe-Fe3C相圖 第65頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日 第66頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日(2) 組元1) 純鐵 熔點1538，具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，使其能合金化和熱處理。 性能：硬度低、塑性好。 HB5080, =3050%。2) 滲碳體 滲碳體是鐵與碳形成的間隙化合物，含碳量為6.69%，熔點1227。 性能：硬而脆，塑性幾乎為零。 HB800, 0。 第67頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期

30、日（3）基本相1) 液相（L）：Fe、C的液溶體。2) 相：C溶于-Fe中形成的間隙固溶體，存在于 高溫，又稱鐵素體。Cmax%=0.09% 3) 相：C溶于-Fe中形成的間隙固溶體，稱奧氏體。用或A表示。Cmax%=2.11% 4) 相：C溶于-Fe中形成的間隙固溶體，稱鐵素體。用或F表示。Cmax%=0.0218% 5) Fe3C相：它是Fe與C形成的間隙化合物，也叫滲碳體，含碳量6.69%。 第68頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日Fe3C：從L中直接結(jié)晶出的Fe3C。Fe3C：從中沿晶界析出的Fe3C。Fe3C：從中沿晶界析出的Fe3C。Fe3C共晶：共晶反應(yīng)

31、得到的Fe3C。Fe3C共析：共析反應(yīng)得到的Fe3C。它們的本質(zhì)是一樣的，只是形狀不同。Fe3C按其來源不同，可分為：第69頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日（4） Fe-Fe3C相圖分析 1) 點: A、D、J、C、S、E。2) 區(qū)：五個單相區(qū)：L Fe3C 七個雙相區(qū)：L+ L+ L+ Fe3C + + + Fe3C + Fe3C 3) 線： ABCD : 液相線 AHJECF : 固相線 三條水平線 第70頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日HJB 包晶轉(zhuǎn)變線，在1495恒溫下，發(fā)生 包晶轉(zhuǎn)變： LB +H 1495 JECF 共晶轉(zhuǎn)變線

32、，在1148恒溫下，發(fā)生 共晶轉(zhuǎn)變： LC 1148 (E + Fe3C) Le 共晶轉(zhuǎn)變所形成的奧氏體和滲碳體的混合物稱為萊氏體，用符號Le表示。 第71頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日 PSK 共析轉(zhuǎn)變線，在727恒溫下，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變： S 727 (P + Fe3C) P 共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物鐵素體與滲碳體的機械混合物稱為珠光體，用P表示，此線常用A1表示。 第72頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日 三條析出線： CD線：是C在L中的固溶度曲線，當T低于此 線時從L中結(jié)晶出Fe3C，此線為一次 滲碳體的開始析出線。 ES線：是C在A中的固溶

33、度曲線，當T低于此 線時，要從A中析出Fe3C，此線是二次 滲碳體的開始析出線，也叫Acm線。 PQ線：是C在F中的固溶度曲線，隨T從F 中析出Fe3C，此線為三次滲碳體的開始 析出線。 第73頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日 （5） 鐵碳合金分類 1)工業(yè)純鐵： C0.0218%的Fe、C合金。2)碳鋼：0.0218% C 2.11% 的Fe、C合金。 亞共析鋼 0.02180.77% 共析鋼 0.77% 過共析鋼 0.772.11%3)白口鑄鐵：2.11% 0.9%時，F(xiàn)e3C在晶界處形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)。、K 隨C%而。第86頁，共126頁，2022年，5月20日，1

34、9點29分，星期日3）含碳量對工藝性能的影響切削加工性：低碳，軟，粘刀。 高碳，硬，磨刀。 中碳，適中，切削性好。鍛造性：低C鋼鍛造性好，隨C%，鍛造 性變差。鑄造性：共晶合金鑄造性好。流動性 好，縮孔集中。 第87頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日4）雜質(zhì)元素的影響錳：作為脫氧去硫元素加入鋼中，在碳鋼中屬于有益元素，含量一般在0.25%0.8%。硅：在碳鋼中含量小于0.5%，也是有益元素。硫：是有害元素，易使鋼引起“熱脆”（形成FeS+Fe低熔點共晶體）。工業(yè)上嚴格控制其含量，一般小于0.04%。磷：也是有害元素，易使鋼引起“冷脆”（使脆性轉(zhuǎn)變溫度急劇升高）。一般其

35、含量小于0.045%氮：近來研究表明可作為合金元素加入鋼中。氫：是有害元素，引起氫脆；引起白點。59第88頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日5.4 二元合金的凝固理論主要討論二元合金在勻晶轉(zhuǎn)變和共晶轉(zhuǎn)變中的凝固理論，在此基礎(chǔ)上簡述鑄錠的組織及缺陷。5.4.1 固溶體合金的凝固理論由于二元合金中第二組元的加入，溶質(zhì)原子要在液、固兩相發(fā)生重新分布，重新分布的程度用平衡分配系數(shù)k0表示。k0=WS/WL ，即平衡凝固時固相的質(zhì)量分數(shù)與液相的質(zhì)量分數(shù)之比。第89頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日討論： k0=WS/WLk01：Ws1：WsWL，表示隨

36、溶質(zhì)，合金凝固T開始和 T終結(jié)，見圖（b）。 k01：表示合金凝固時重新分布的溶質(zhì)成分與原 合金成分接近，即重新分布的程度小。第90頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日一. 固溶體合金的平衡凝固將成分為w0的單相固溶體合金的溶液置于圓棒形錠內(nèi)，由左向右進行定向凝固，如圖5.66（a）所示，其平衡凝固過程中液、固相成分變化如圖5.66（b）所示。 圖5.66長度為L的圓棒形錠子（a）和平衡冷卻示意圖（b）第91頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日綜上所述，固溶體平衡凝固過程是：形核相界平衡擴散破壞平衡長大相界平衡。隨著溫度降低，此過程重復(fù)進行，直至

37、溶液全部轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗤煞值木鶆蚬倘荏w為止圖5.67 固溶體合金平衡凝固過程示意圖第92頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日固溶體平衡凝固時，液相和固相中的溶質(zhì)分布方程：表明，平衡凝固過程中液相和固相中的組元原子都能充分擴散，凝固結(jié)束后，固溶體成分均勻，整個合金棒的成分均為w0，不產(chǎn)生偏析，如圖5.68中水平線。 第93頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日實際上由于凝固過程中冷卻速度較快，沒有足夠時間使液、固兩相中的成分擴散均勻，因此實際生產(chǎn)中的凝固過程都屬于不平衡凝固過程，又稱正常凝固過程。1. 討論正常凝固三種情況（1）液相中溶質(zhì)完全混合凝固過程

38、緩慢，液相中溶質(zhì)通過擴散、對流、甚至攪拌而完全混合，成分均勻；而固相中無擴散，成分不均勻。該情況下固溶體不平衡凝固過程中液相和固相的溶質(zhì)分布方程： 二. 固溶體合金的不平衡凝固 第94頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日對于給定合金，k0和w0均為定值，由上式可以看出，k01時，隨著凝固體積分數(shù)Z/L的增大，wL和wS均不斷升高，凝固結(jié)束后，合金棒的左端到右端產(chǎn)生顯著的濃度差異，如圖5.68中曲線b所示。第95頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日（2）液相中溶質(zhì)部分混合由于凝固速度較快，液相中溶質(zhì)只能通過對流和擴散而部分混合。同樣，可推出該情況下

39、固溶體不平衡凝固過程中液相和固相的溶質(zhì)分布方程： 式中，ke為有效分配系數(shù)，k0ke1。凝固結(jié)束后合金棒中溶質(zhì)分布如同5.68中曲線d所示，其宏觀偏析程度不如液相完全混合情況嚴重。第96頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日（3）液相中溶質(zhì)完全不混合凝固速度很快，無攪拌，固體中無擴散，而液相中僅靠擴散而混合，符合實際凝固情況。凝固過程中在初始過渡區(qū)建立后，固相溶質(zhì)濃度保持w0，邊界層外液相濃度也保持為w0。直至凝固接近結(jié)束、剩余液相很少時，由于質(zhì)量守恒，剩余液相中溶質(zhì)濃度迅速升高，故凝固結(jié)束后合金棒的末端又出現(xiàn)了一個富含溶質(zhì)的末端過渡區(qū)，如圖5.68中的曲線c所示。第97

40、頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日正常凝固是將質(zhì)量濃度為Co的固溶體合金，整體融化定向凝固。區(qū)域熔煉是將質(zhì)量濃度為Co的固溶體合金，局部融化局部凝固。區(qū)域熔煉是通過固定的感應(yīng)加熱器來加熱移動的圓棒來實現(xiàn)的。2.區(qū)域熔煉第98頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日 經(jīng)一次區(qū)域熔煉后，金屬棒得到一次提純，如經(jīng)多次區(qū)域熔煉后，會把不純的金屬棒的一端提煉得很純，見圖5.72。 由圖可知：當ko1時，凝固前端部分的溶質(zhì)濃度不斷降低，后段部分不斷的富集，這使固溶體經(jīng)區(qū)域熔煉后的前端因溶質(zhì)的減少而得到提純，因此區(qū)域熔煉又稱為區(qū)域提純。 第99頁，共126頁，2

41、022年，5月20日，19點29分，星期日正常凝固與區(qū)域熔煉比較：正常凝固也能起到提純的作用，但整體熔化破壞了前次提純的效果，所以用正常凝固方法提純固溶體遠不如用區(qū)域熔煉方法。第100頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日 對于純金屬，凝固時熔點不變，過冷度只取決于實際溫度；而固溶體合金，凝固時由于液相中溶質(zhì)分布發(fā)生變化而改變了凝固溫度，它可由相圖中的液相線來確定。因此，將界面前沿液體中的實際溫度低于由溶質(zhì)分布所決定的凝固溫度時產(chǎn)生的過冷，稱為成分過冷。 1.成分過冷的形成 它能否產(chǎn)生取決于液固界面前沿液體中的溶質(zhì)濃度分布和實際溫度分布。圖5.73為ko1時合金產(chǎn)生成分過

42、冷示意圖。三. 固溶體合金凝固中的成分過冷 第101頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日圖a為固溶體合金成分為w0的相圖一角；圖b為液相中溶質(zhì)分布；圖c為液相熔點溫度的變化；圖d為L中實際溫度分布；將圖c和d結(jié)合在一起，就構(gòu)成圖e，圖中陰影區(qū)稱為成分過冷區(qū)。 第102頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日 純金屬晶體的生長方式主要受T梯度的影響（正溫度梯度以平面方式生長，負溫度梯度以枝晶方式生長）。 固溶體合金的生長方式，除了受T梯度影響外，主要受成分過冷的影響。下圖為溫度梯度及成分過冷對固溶體合金生長方式的影響。2. 成分過冷對晶體生長方式的影響

43、第103頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日1）L-界面前沿沒有成分過冷時，呈平面生長。長大速 度完全由散熱條件控制。2）L-界面前沿有較小的成分過冷時，呈胞狀生長。3）L-界面前沿有較大的成分過冷時，呈枝狀生長。第104頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日5.4.2 共晶合金的凝固理論1. 共晶組織的分類共晶組織是由液相同時結(jié)晶出兩個固相得到的，共晶組織形態(tài)眾多，但可歸類為：層片狀、棒狀、球狀、針狀和螺旋狀，見圖5.78典型的共晶組織形態(tài)。第105頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日2. 共晶組織的形成機制 共晶合金結(jié)晶

44、時，并非兩相同時出現(xiàn)，而是某一相在溶液中領(lǐng)先形核和生長。設(shè)領(lǐng)先相為，在TE過冷溫度下從L中形核并長大，其含B組元質(zhì)量分數(shù)為ws，由于ws 相形成所需的成分wL，于是促使在上形核長大。 第106頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日的成分為ws， 其前沿L的成分為wL，該成分對應(yīng)A組元成分相形成所需的成分，即wL 所對應(yīng)的A組元成分，所以形成使其前沿L中富A，這有利于相依附在相上形核長大。此過程反復(fù)進行，形成和相間排列的組織形態(tài)，如圖5.80（a）。實際上，形成共晶晶核并不需要、兩相反復(fù)形核，而是先形成一個晶核，隨后在其上再形成一個晶核，然后相和相分別以搭橋方式連成整體構(gòu)成

45、共晶晶核，如圖5.80（b）。圖5.80 層片狀共晶的形核與生長示意圖第107頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日共晶晶核形成后，相前沿富B，相前沿富A。在長大過程中，B從相前沿橫向擴散到相前沿，A從相前沿橫向擴散到相前沿，保證了同時結(jié)晶出兩個不同成分的相，而液相仍維持原來的成分wE 。第108頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日5.4.3 合金鑄錠的組織與缺陷 實際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬或合金是在錠?；蝈V型中進行結(jié)晶的，結(jié)晶規(guī)律與前面講的相同，但由于冷卻條件不同，使鑄錠組織有自己的特點。1.鑄錠的宏觀組織 典型鑄錠的宏觀組織由三個晶區(qū)組成(1)表層細

46、晶區(qū) (2)柱狀晶區(qū) (3)中心等軸晶區(qū) 第109頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日各晶區(qū)形成機理 （1）表層細晶區(qū) 高溫L鑄錠，由于鑄模T低，與模壁接觸的L受到急冷，T很大；同時摸壁對形核有促進作用。因此，靠近摸壁的L中，形成大量的晶核并向各向生長，很快彼此相遇，形成一薄層很細的等軸晶粒。 細晶區(qū)晶粒細小，組織致密，機械性能好。第110頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日 （2）柱狀晶區(qū) 細晶區(qū)形成后：1）模壁被液態(tài)金屬加熱；2）細晶區(qū)與模壁形成一空氣層，造成散熱困難；3）細晶區(qū)形成放出大量的結(jié)晶潛熱。三個因素使鑄模溫度升高，液態(tài)金屬冷卻速度

47、減慢。但在結(jié)晶前沿液體中有適當?shù)倪^冷度，這一T不能形核，但有利于晶粒長大；另外，模壁方向散熱快，使晶軸與模壁的晶粒沿其反方向，向L中長大。不與模壁的晶粒長大到一定程度，遇到其他晶粒而不再長大，最后形成彼此平行，粗大而致密的柱狀晶區(qū)。第111頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日第112頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日 （3）中心等軸晶區(qū) 隨著柱狀晶的發(fā)展，經(jīng)散熱，鑄錠中心部分的液態(tài)金屬的溫度全部降至熔點以下，再加上雜質(zhì)等因素的影響，會在整個剩余液體中同時形核，由于此時散熱已失去方向性，晶核在L中可以自由生長，形成了中心等軸晶區(qū)。 等軸晶區(qū)各晶粒

48、的取向各不相同，其性能也沒有方向性，一般鑄錠、鑄件都要求得到此組織。第113頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日2. 影響鑄錠組織的因素鑄錠的宏觀組織與澆注條件有關(guān)，條件變化可改變：三晶區(qū)的相對厚度；晶粒大?。簧踔敛怀霈F(xiàn)三晶區(qū)。通常，快的冷卻速度，高的澆注溫度，定向散熱，有利于柱狀晶形成；相反，慢的冷卻速度，低的澆注溫度，加形核劑或攪動，有利于中心等軸晶形成 。柱狀晶與等軸晶各有優(yōu)缺點，根據(jù)需要調(diào)整澆注條件，得到所需組織。第114頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日第115頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日 3.鑄錠中的缺陷 (縮孔和偏析 )（1）縮孔：鑄錠結(jié)晶時，先結(jié)晶的體積收縮，可由 沒結(jié)晶的L補上，而最后結(jié)晶的得不到L的補充就形 成了縮孔。縮孔分為： 集中縮孔：有縮管，縮穴和單向收縮。 分散縮孔：也叫疏松，有一般疏松和中心疏松。第116頁，共126頁，2022年，5月20日，19點29分，星期日包括: 宏觀偏析和顯微偏析