工程材料與機(jī)械制造基礎(chǔ) 第四章 鐵碳合金

工程材料與機(jī)械制造基礎(chǔ)第4章鐵碳合金

§4-1合金的相結(jié)構(gòu)§4-2

二元合金狀態(tài)圖的建立一、合金概述二、固溶體一、二元相圖的建立二、杠桿定律三、金屬間化合物§4-3

鐵碳合金的結(jié)構(gòu)和相圖一、鐵碳合金的基本相和組織二、鐵碳合金相圖三、典型成分合金平衡結(jié)晶過(guò)程分析三、共晶相圖四、共析相圖四、鐵碳合金的應(yīng)用1、合金：是指由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。組成合金的元素可以是全部是金屬，也可是金屬與非金屬。Al-Cu兩相合金黃銅§4-1合金的相結(jié)構(gòu)一、合金概述2、組元：

組元是指組成合金的最簡(jiǎn)單、最基本、能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)。

多數(shù)情況下組元是指組成合金的元素。但對(duì)于既不發(fā)生分解、又不發(fā)生任何反應(yīng)的化合物也可看作組元,如Fe-C合金中的Fe3C。

液態(tài)合金在結(jié)晶時(shí)，組成合金的元素相互作用可形成具有一定晶體結(jié)構(gòu)和一定成分的相。Al-Cu兩相合金黃銅§4-1合金的相結(jié)構(gòu)一、合金概述3、相：是指金屬或合金中凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其它部分有界面分開(kāi)的均勻組成部分。4、顯微組織：實(shí)質(zhì)上是指在顯微鏡下觀察到的金屬和合金中，由單相或多相組成的具有一定形態(tài)的聚合體。5、固態(tài)合金中的相分為兩類：固溶體和金屬化合物。單相合金單相合金兩相合金§4-1合金的相結(jié)構(gòu)一、合金概述

與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的組元稱溶劑，其含量較多。其它組元稱溶質(zhì)。固溶體是合金的重要組成相，實(shí)際合金多是單相固溶體合金或以固溶體為基的合金。

2、固溶體的分類：

按溶質(zhì)原子所處位置分為置換固溶體和間隙固溶體?！?-1合金的相結(jié)構(gòu)二、固溶體

1、固溶體：合金組元間通過(guò)相互溶解形成一種成分和性能均勻且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱固溶體。習(xí)慣以、、表示。Cu-Ni置換固溶體Fe-C間隙固溶體

①置換固溶體溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)位置所形成的固溶體。溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的溶解度有一定限度，形成有限置換固溶體；如果合金組元可以以任何比例相互溶解，形成無(wú)限置換固溶體。黃銅置換固溶體組織§4-1合金的相結(jié)構(gòu)二、固溶體②間隙固溶體溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的固溶體。形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的非金

屬元素，如C、N、B等，而溶劑元素一般是過(guò)渡族元素。會(huì)引起溶劑晶格畸變。形成間隙固溶體的一般規(guī)律為r質(zhì)/r劑<0.59。間隙固溶體只能是有限固溶體?！?-1合金的相結(jié)構(gòu)二、固溶體3、固溶體的性能

隨溶質(zhì)含量增加,固溶體的強(qiáng)度、硬度增加,塑性、韌性下降—固溶強(qiáng)化。

產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的原因是溶質(zhì)原子使晶格發(fā)生畸變及對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用。

與純金屬相比，固溶體的強(qiáng)度、硬度高，塑性、韌性低。但與化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韌性則要高得多?！?-1合金的相結(jié)構(gòu)二、固溶體

合金中其晶體結(jié)構(gòu)與各組元的晶體結(jié)構(gòu)均不相同的固相稱金屬化合物。金屬化合物具有較高的熔點(diǎn)、硬度和脆性，并可用分子式表示其組成。鐵碳合金中的Fe3C§4-1合金的相結(jié)構(gòu)三、金屬間化合物Al-Mg-Si合金中的Mg2SiFe3C的晶格§4-1合金的相結(jié)構(gòu)三、金屬間化合物

Fe3C稱滲碳體，是鋼中重要組成相，具有復(fù)雜斜方晶格。

Fe3C中Fe原子可以部分地被其他金屬原子置換，形成以滲碳體為基的固溶體，如(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C等，稱為合金滲碳體。Fe3C的晶格§4-1合金的相結(jié)構(gòu)三、金屬間化合物§4-1合金的相結(jié)構(gòu)三、金屬間化合物●金屬化合物一般具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)，其熔點(diǎn)、硬度極高，脆性極大，塑性幾乎為零，如Fe3C的熔點(diǎn)為1227°硬度為860HV?！癞?dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)，金屬化合物呈細(xì)小顆粒狀均勻分布在固溶體基體上，可提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨性——彌散強(qiáng)化，但降低合金塑性。

●金屬化合物也是合金的重要組成相。

合金的結(jié)晶過(guò)程比純金屬?gòu)?fù)雜，常用相圖進(jìn)行分析。

相圖:是用來(lái)表示合金系中各合金在緩冷條件下結(jié)晶過(guò)程的簡(jiǎn)明圖解。又稱狀態(tài)圖或平衡圖。

相圖通常以溫度和成分為獨(dú)立變量。1、相圖的相關(guān)概念§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立一、二元相圖的建立合金系:是指由兩個(gè)或兩個(gè)以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。組元:是指組成合金的最簡(jiǎn)單、最基本、能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)。Cu-Ni合金相圖L成分（wt%Ni）溫度（℃）CuNi一、二元相圖的建立1、相圖的相關(guān)概念§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立

相圖表示了在緩冷條件下不同成分合金的組織隨溫度變化的規(guī)律，是制訂熔煉、鑄造、熱加工及熱處理工藝的重要依據(jù)。根據(jù)組元數(shù),分為二元相圖、三元相圖和多元相圖。

幾乎所有的相圖都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的，最常用的是熱分析法。1、相圖的相關(guān)概念一、二元相圖的建立§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立

二元相圖的建立步驟為：[以Cu-Ni合金(白銅)為例]

（1）

配制不同成分的合金，測(cè)出各合金的冷卻曲線，找出曲線上的臨界點(diǎn)。（2）

將臨界點(diǎn)標(biāo)在溫度—成分坐標(biāo)中的成分垂線上。（3）

將垂線上相同意義的點(diǎn)連接起來(lái)，并標(biāo)上相應(yīng)的數(shù)字和字母。相圖中，結(jié)晶開(kāi)始點(diǎn)的連線叫液相線。結(jié)晶終了點(diǎn)的連線叫固相線。一、二元相圖的建立2、二元相圖的建立§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立一、二元相圖的建立2、二元相圖的建立§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立25%Ni0%Ni50%Ni75%Ni100%Ni兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均無(wú)限互溶時(shí)所構(gòu)成的相圖稱二元?jiǎng)蚓鄨D,如Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Fe-Cr等。以Cu-Ni合金為例進(jìn)行分析。

Cu-Ni合金相圖3、發(fā)生勻晶反應(yīng)的合金的結(jié)晶

一、二元相圖的建立§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立相圖由兩條線構(gòu)成，上面是液相線，下面是固相線。相圖被兩條線分為三個(gè)相區(qū)，液相線以上為液相區(qū)L，固相線以下為固溶體區(qū)，兩條線之間為兩相共存的兩相區(qū)（L+）。

LL+成分（wt%Ni）溫度（℃）CuNi液相線固相線3、發(fā)生勻晶反應(yīng)的合金的結(jié)晶

一、二元相圖的建立§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立除純組元外，其它成分合金結(jié)晶過(guò)程相似，以Ⅰ合金為例說(shuō)明。當(dāng)液態(tài)金屬自高溫冷卻到t1溫度時(shí)，開(kāi)始結(jié)晶出成分為1的固溶體，其Ni含量高于合金平均成分LL+3、發(fā)生勻晶反應(yīng)的合金的結(jié)晶

一、二元相圖的建立§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立隨溫度下降，固溶體重量增加，液相重量減少。同時(shí)，液相成分沿液相線變化，固相成分沿固相線變化。這種從液相中結(jié)晶出單一固相的轉(zhuǎn)變稱為勻晶轉(zhuǎn)變或勻晶反應(yīng)。3、發(fā)生勻晶反應(yīng)的合金的結(jié)晶

一、二元相圖的建立§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立

成分變化是通過(guò)原子擴(kuò)散完成的。

當(dāng)合金冷卻到t3時(shí)，最后一滴L3成分的液體也轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘荏w，此時(shí)固溶體的成分又變回到合金成分3上來(lái)。液、固相線不僅是相區(qū)分界線,也是結(jié)晶時(shí)兩相的成分變化線；勻晶轉(zhuǎn)變是變溫轉(zhuǎn)變。3、發(fā)生勻晶反應(yīng)的合金的結(jié)晶

一、二元相圖的建立§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立

處于兩相區(qū)的合金，不僅由相圖可知道兩平衡相的成分，還可用杠桿定律求出兩平衡相的相對(duì)重量?，F(xiàn)以Cu-Ni合金為例推導(dǎo)杠桿定律：①確定兩平衡相的成分：設(shè)合金成分為x，過(guò)x做成分垂線。在成分垂線相當(dāng)于溫度t

的o點(diǎn)作水平線，其與液固相線交點(diǎn)a、b所對(duì)應(yīng)的成分x1、x2即分別為液相和固相的成分。12t二、杠桿定律§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立則

QL

+Q=1

QL

x1+Q

x2=x解方程組得

式中的x2-x、x2-x1、x-x1即為相圖中線段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的長(zhǎng)度。②確定兩平衡相的相對(duì)重量設(shè)合金的重量為1，液相重量為QL，固相重量為Q。二、杠桿定律§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立

因此兩相的相對(duì)重量百分比為：兩相的重量比為：二、杠桿定律§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立

上式與力學(xué)中的杠桿定律完全相似，因此稱之為杠桿定律。在杠桿定律中，杠桿的支點(diǎn)是合金的成分，杠桿的端點(diǎn)是所求的兩平衡相（或兩組織組成物）的成分。杠桿定律只適用于兩相平衡區(qū)中，兩平衡相的相對(duì)含量。二、杠桿定律§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立【例】求出1300℃，53%Ni的Cu-Ni合金兩平衡相的相對(duì)重量。

當(dāng)兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下有限互溶,并發(fā)生共晶反應(yīng)時(shí)所構(gòu)成的相圖稱作共晶相圖。以Pb-Sn相圖為例進(jìn)行分析。Pb-Sn合金相圖（wt%Sn）溫度（℃）PbSn三、共晶相圖§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立1、相圖分析①相：相圖中有L、、三種相,是溶質(zhì)Sn在Pb中的固溶體，是溶質(zhì)Pb在Sn中的固溶體。②相區(qū)：相圖中有三個(gè)單相區(qū)：L、、；三個(gè)兩相區(qū)：L+、L+、+；一個(gè)三相區(qū)：即水平線CED。AB三、共晶相圖§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立④固溶線:溶解度點(diǎn)的連線稱固溶線。相圖中的CF、DG線分別為Sn在Pb中和Pb在Sn中的固溶線。固溶體的溶解度隨溫度降低而下降。

③液、固相線：液相線AEB，固相線ACEDB。A、B分別為Pb、Sn的熔點(diǎn)。AB三、共晶相圖§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立在一定溫度下，由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)成分和結(jié)構(gòu)都不相同的新固相的轉(zhuǎn)變稱作共晶轉(zhuǎn)變或共晶反應(yīng)。。

⑤共晶線：水平線CED叫做共晶線。

在共晶線對(duì)應(yīng)的溫度下（183℃），E點(diǎn)成分的合金同時(shí)結(jié)晶出C點(diǎn)成分的固溶體和D點(diǎn)成分的固溶體，形成這兩個(gè)相的機(jī)械混合物：LE?(C+D)AB三、共晶相圖§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立

共晶反應(yīng)的產(chǎn)物，即兩相的機(jī)械混合物稱共晶體或共晶組織。發(fā)生共晶反應(yīng)的溫度稱共晶溫度。代表共晶溫度和共晶成分的點(diǎn)稱共晶點(diǎn)。Pb-Sn共晶組織共晶體長(zhǎng)大示意圖Sn原子擴(kuò)散Pb原子擴(kuò)散三、共晶相圖§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立

具有共晶成分的合金稱共晶合金。在共晶線上，凡成分位于共晶點(diǎn)以左的合金稱亞共晶合金，位于共

晶點(diǎn)以右的合金稱過(guò)共晶合金。

凡具有共晶線成分的合金液體冷卻到共晶溫度時(shí)都將發(fā)生共晶反應(yīng)。L+CDAB三、共晶相圖§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立2、合金的結(jié)晶過(guò)程①含Sn量小于C點(diǎn)合金(Ⅰ合金)的結(jié)晶過(guò)程在3點(diǎn)以前為勻晶轉(zhuǎn)變，結(jié)晶出單相固溶體，這種直接從液相中結(jié)晶出的固相稱一次相或初生相。.2三、共晶相圖§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立

溫度降到3點(diǎn)以下，固溶體被Sn過(guò)飽和，由于晶格不穩(wěn)，開(kāi)始析出（相變過(guò)程也稱析出）新相—相。由已有固相析出的新固相稱二次相或次生相。形成二次相的過(guò)程稱二次析出,是固態(tài)相變的一種。H三、共晶相圖§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立

由于二次相析出溫度較低，一般十分細(xì)小。

由析出的二次用Ⅱ

表示。隨溫度下降，和相的成分分別沿CF線和DG線變化，Ⅱ的重量增加。

室溫下Ⅱ的相對(duì)重量百分比為：三、共晶相圖§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立

Ⅰ合金室溫組織為

+Ⅱ

。

成分大于D點(diǎn)的合金的室溫組織為

+Ⅱ

。ABCDEFG三、共晶相圖§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立②共晶合金(Ⅱ合金)的結(jié)晶過(guò)程液態(tài)合金冷卻到E點(diǎn)時(shí)同時(shí)被Pb和Sn飽和,發(fā)生共晶反應(yīng)：LE?(C+D)。19.2wt%Sn溫度,℃1’三、共晶相圖§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立層片狀(Al-CuAl2定向凝固)條棒狀(Sb-MnSb橫截面)螺旋狀（Zn-Mg）Pb-Sn共晶組織

析出過(guò)程中兩相相間形核、互相促進(jìn)、共同長(zhǎng)大，因而共晶組織較細(xì)，呈片、棒、點(diǎn)球等形狀。三、共晶相圖§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立在共晶轉(zhuǎn)變過(guò)程中，L、、三相共存,三個(gè)相的量在不斷變化，但它們各自成分是固定的。共晶組織中的相稱共晶相.共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)，和相的相對(duì)重量百分比為：E(61.9)D(97.5)C(19.2)三、共晶相圖§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立

共晶結(jié)束后，隨溫度下降，和的成分分別沿CF線和DG線變化，并從共晶中析出Ⅱ

，從共晶中析出Ⅱ

，由于共晶組織細(xì)，Ⅱ與共晶結(jié)合，Ⅱ與共晶

結(jié)合，共晶合金的室溫組織仍為(+)共晶體。Pb-Sn共晶合金組織試問(wèn)：室溫下兩相的相對(duì)重量百分比是多少？三、共晶相圖§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立③亞共晶合金(Ⅲ合金)的結(jié)晶過(guò)程

合金液體在2點(diǎn)以前為勻晶轉(zhuǎn)變。冷卻到2點(diǎn)，固相成分變化到C點(diǎn)，液相成分變化到E點(diǎn),此時(shí)兩相的相對(duì)重量為：三、共晶相圖§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立

在2點(diǎn)，具有E點(diǎn)成分的剩余液體發(fā)生共晶反應(yīng)：

L?(+)

，轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿ЫM織，共晶體的重量與轉(zhuǎn)變前的液相重量相等,即QE=QL

反應(yīng)結(jié)束后，在共晶溫度下、

兩相的相對(duì)重量百分比為：三、共晶相圖§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立

溫度繼續(xù)下降，將從一次

和共晶

中析出Ⅱ，從共晶

中析出Ⅱ。室溫組織為Ⅰ+(+)+Ⅱ亞共晶合金的結(jié)晶過(guò)程三、共晶相圖§4-2二元合金狀態(tài)圖的建立Pb-Sn合金的結(jié)晶過(guò)程④過(guò)共晶合金結(jié)晶過(guò)程

與亞共晶合金相似，不同的是一次相為

,二次相為Ⅱ。室溫組織為Ⅰ+(+)+Ⅱ。三、共晶相圖§4-2二元合