第三章 凝固與二元合金相圖

第三章凝固與二元合金相圖第三章凝固與二元合金相圖本章重點：鐵碳合金相圖及其應(yīng)用。本章難點：鐵碳合金相圖的分析學(xué)習(xí)目標(biāo)：本章通過學(xué)習(xí)金屬和合金結(jié)晶的基本理論和基本規(guī)律，熟悉鐵碳合金成分、組織和溫度之間的關(guān)系，能夠應(yīng)用鐵碳相圖分析和推斷鐵碳合金的性能，為制定加工工藝提供必要的理論基礎(chǔ)。主要內(nèi)容金屬的結(jié)晶合金的結(jié)晶—二元合金相圖鐵碳合金相圖合金相圖的應(yīng)用第一節(jié)金屬的結(jié)晶

金屬與合金自液態(tài)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程，是原子由不規(guī)則排列的液體狀態(tài)逐步過渡到原子作規(guī)則排列的晶體狀態(tài)的過程，稱之為結(jié)晶。金屬材料（除粉末冶金材料外）都需要經(jīng)過熔煉和澆注，也就是說都要經(jīng)歷一個結(jié)晶的過程。結(jié)晶過程中形成的組織不僅影響其鑄態(tài)性能，而且也影響材料隨后的加工性能和力學(xué)性能，因此，研究并控制金屬材料的結(jié)晶過程，對改善材料的組織和力學(xué)性能都有重要的意義。大多數(shù)工程用的金屬材料都是合金，其結(jié)晶過程較純金屬要復(fù)雜的多。二元合金相圖是描述合金結(jié)晶過程最重要的圖解，它反映不同成分合金在不同溫度下的組成相及相平衡關(guān)系，是研究合金液態(tài)結(jié)晶（凝固）以及固態(tài)結(jié)晶（固態(tài)相變）過程、確定合金組織組成、推斷合金性能的有力工具。一、結(jié)晶的熱力學(xué)條件金屬的溫度-時間曲線金屬自由能與溫度的關(guān)系自由能溫度由上述兩圖可以看出，金屬在平衡結(jié)晶溫度（又稱理論結(jié)晶溫度Tm是并不會結(jié)晶，只有冷卻到明顯低于理論結(jié)晶溫度后，才會開始結(jié)晶，并釋放出潛熱，使溫度回升到接近理論結(jié)晶溫度。從自由能—溫度關(guān)系曲線上也可以看出在理論的結(jié)晶溫度，液相和固相的自由能相等，處于兩相平衡狀態(tài)，液、固兩相可以共存。高于溫度Tm時，液相比固相的自由能低，金屬處于液相是穩(wěn)定的。而低于溫度Tm時，金屬的穩(wěn)定狀態(tài)為固相。因此，金屬要結(jié)晶，就必須處于理論結(jié)晶溫度以下。此時，液、固兩相之間有一自由能差△G，這個能量差就是金屬液體結(jié)晶的驅(qū)動力。實際結(jié)晶溫度與理論溫度之間的差稱為金屬結(jié)晶時的過冷度。即△T=Tm-Ts，可以說一定的過冷度是金屬結(jié)晶的必要條件。二、結(jié)晶過程凝固的過程包括形核和長大兩個過程。形核的方式：自發(fā)形核和非自發(fā)形核。后者是金屬形核的主要方式。晶核一旦形成便開始長大，形成所謂的“樹枝晶”。如下圖所示。晶體長大示意圖

鑄錠組織鑄錠結(jié)構(gòu)示意圖1---細晶區(qū)2---柱狀晶區(qū)3---等軸晶區(qū)三、晶粒大小及其控制

金屬結(jié)晶后形成多晶體結(jié)構(gòu)。晶粒的大小是金屬組織的重要評定指標(biāo)之一，它直接影響金屬的性能。細小的晶粒，可以使金屬獲得更高的強度和硬度，與此同時還可以提高金屬的韌性，是提高金屬強度和韌性非常重要的方法，這種工藝方法稱為細晶強化。在實際生產(chǎn)中，一般通過增大過冷度，也就是增大冷卻速度、進行變質(zhì)處理和附加振動等工藝方法來獲取細小的晶粒。第二節(jié)合金的結(jié)晶一、二元合金相圖的建立1.相圖的建立以熱分析法為例說明如何測繪Cu—Ni相圖，其步驟如下：（1）

按質(zhì)量分數(shù)先配制一系列具有代表性成分不同的Cu—Ni合金。（2）

測出上述所配合金及純Cu、純Ni的冷卻曲線。（3）

求出各冷卻曲線上的臨界點。純Cu、純Ni的冷卻曲線上有一平臺，表示其在恒溫下凝固。合金的冷卻曲線上沒有平臺，而為二次轉(zhuǎn)折，溫度較高的折點表示凝固的開始溫度，而溫度低的轉(zhuǎn)折點對應(yīng)凝固的終結(jié)溫度。（4）將各臨界點分別投到對應(yīng)的合金成分、溫度坐標(biāo)中，每個臨界點在二元相圖中對應(yīng)一個點。（5）連接各相同意義的臨界點(開始點或終了點)就得到了Cu—Ni合金的二元相圖。圖3-6銅---鎳二元合金相圖2.相圖的分析由液相直接結(jié)晶出單相固溶體的過程稱為勻晶相變。完全具有勻晶轉(zhuǎn)變的相圖稱為勻晶相圖。它是兩組元在液態(tài)和固態(tài)都能無限相互溶解的二元合金系相圖。在相圖中，由凝固開始溫度連接起來的線成為液相線。由凝固終了溫度連接起來的線成為固相線。相圖中由相界線劃分出來的區(qū)域稱為相區(qū)，表明在此范圍內(nèi)存在的平衡相類型和數(shù)目。在二元合金系中有單相區(qū)、兩相區(qū)、三相區(qū)。單相區(qū)內(nèi)，T和成分都可變。雙相區(qū)內(nèi)T和成分只有一個可以獨立變化。若三相共存T和成分都不變，屬恒溫轉(zhuǎn)變。如圖3-6所示的Cu—Ni相圖，它由一條液相線和一條固相線組成，在液相線以上區(qū)域，合金處于液態(tài)，稱為液相區(qū)(用L表示)；在固相線以下區(qū)域，合金處于固態(tài)，稱為固溶體區(qū)(用α表示)；在兩個單相區(qū)之間，合金處于液、固兩相平衡區(qū)，即結(jié)晶區(qū)間，(用L+α表示)。Cu-Ni合金結(jié)晶過程示意圖3.合金的結(jié)晶過程二、共晶相圖及共析相圖1.共晶相圖組成共晶相圖的兩組元，其相互作用的特點是:液態(tài)下兩組元能無限互溶，固態(tài)下只能部分互溶(形成有限固溶體或化合物)，甚至有時完全不溶，并具有共晶轉(zhuǎn)變。所謂共晶轉(zhuǎn)變是在一條條件下(溫度、成分)，由均勻液體中同時結(jié)晶出兩種不同固相的轉(zhuǎn)變。所得到兩固相的混合物稱為共晶組織(體)。具有共晶轉(zhuǎn)變的相圖稱為共晶相圖。屬于二元共晶相圖的合金有：Pb－Sn、Pb－Sb等。圖3-8Pb-Sn共晶相圖相圖的分析相圖中有三個基本相：液相（L）、固相α和β相圖中有相線：液相線、固相線和共晶轉(zhuǎn)變線。共晶轉(zhuǎn)變線是一條水平線，是L、α和β三相共存的溫度和各相的成分。成分為E的液相在該溫度下發(fā)生共晶反應(yīng)：LE→αM+βN

共晶組織的特點是兩相細小的混合物。發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的溫度稱為共晶溫度。發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的液相成分點E稱為共晶點或共晶成分。相圖中相區(qū)：三個單相區(qū)L相區(qū)、α相區(qū)和β相區(qū)；三個雙相區(qū)L+α相區(qū)、L+β相區(qū)、α+β相區(qū)；三相共存于MEN線L+α+β各相區(qū)中相組成物：各相區(qū)中組織組成物：2.共析相圖共析轉(zhuǎn)變是在一定溫度下一個固相轉(zhuǎn)變?yōu)榱韮蓚€固相的過程。共析轉(zhuǎn)變與共晶轉(zhuǎn)變相似，區(qū)別在于它是由一個固相在恒溫下轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗鈨蓚€固相。共析轉(zhuǎn)變對熱處理強化意義很大。鋼的熱處理是以共析轉(zhuǎn)變?yōu)榛A(chǔ)的。第三節(jié)鐵碳合金相圖一、鐵碳合金中的基本相鋼和鑄鐵是應(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。鐵碳相圖是研究鐵碳合金的重要工具,對于鋼鐵材料的研究和使用,特別是熱加工工藝的制訂都有重要的指導(dǎo)意義。因此，學(xué)習(xí)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3-13）是一個較復(fù)雜的二元合金相圖，它描述了鋼鐵材料成分、溫度與組織之間的關(guān)系。在鐵碳合金中，F(xiàn)e與C可以形成Fe3C，它硬而脆，是鐵碳合金中重要的強化相。此外還有兩個重要的固溶體相：奧氏體和鐵素體。奧氏體（A)是C溶解于γ—Fe形成的間隙固溶體，具有面心立方結(jié)構(gòu)，可以溶解較多的碳，1148°C時最多可以溶解2.11%的碳，到727°C時含碳量降到0.77%。奧氏體的硬度(HB170~220)較低，塑性(延伸率δ為40%~50%)高，適合壓力加工。奧氏體的顯微組織見圖3-12。鐵素體（F）是C溶于α－Fe形成的間隙固溶體。鐵素體的含碳量非常低，在727℃時C在α－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δ為30%~50%)高。鐵素體的顯微組織與工業(yè)純鐵相同。晶粒常呈多邊形如圖3-11所示。圖3-11鐵素體的顯微組織圖3-12奧氏體的顯微組織二、鐵碳合金相圖的分析圖3-13簡化后的鐵碳合金相圖

Fe-Fe3C

相圖ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3C

T°(A+Fe3C)LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+Fe3CⅡ(F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK共晶相圖共析相圖勻晶相圖如圖3-13為簡化后的Fe—Fe3C相圖全貌。根據(jù)分析:圍繞二條水平線可把Fe—Fe3C相圖分解為二個部分考慮：右邊為共晶部分，左下角為共析部分。分析點、線、區(qū)特別是重要的點、二條水平恒溫轉(zhuǎn)變線、重要的相界線。1.共晶轉(zhuǎn)變共晶線：ECF水平線（1148℃），C點為共晶點，wc=2.11～6.69%的Fe、C合金緩冷到ECF線均發(fā)生共晶反應(yīng)，即：L4.30→A2.11+Fe3C。轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為A和Fe3C組成的共晶混合物稱為萊氏體，用Ld表示。2.共析轉(zhuǎn)變共析線：PSK水平線（727℃），S點為共析點。凡wc>0.0218%的Fe、C合金冷卻到PSK線均發(fā)生共析反應(yīng)，即：A0.77→F0.0218+Fe3C

。共析轉(zhuǎn)變的相圖特征與共晶轉(zhuǎn)變的非常相似，所不同的是反應(yīng)相不是液相而是固相。轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為F和Fe3C組成的機械混合物稱為珠光體，用P表示。①GS線：A中開始析出F的起始溫度或F全部溶入(升溫時)A的轉(zhuǎn)變線(終了溫度)。常用A3表示。因這條線在共析轉(zhuǎn)變線以上，故又稱為先共析F相開始析出線。常稱為A3線或A3溫度。②ES線：C在A中溶解度曲線。常用Acm表示，稱為Acm溫度。當(dāng)溫度低于此Acm時，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A中析出的Fe3C稱為二次Fe3C，記為Fe3CII。③PQ線：C在F中溶解度曲線。在727℃時，C在F中的最大溶解度0.0218%，但溫度下降，C在中溶解度下降，當(dāng)溫度低于此線時，會析出少量的滲碳體，稱為三次Fe3C，為區(qū)別于沿CD線和ES線析出的Fe3C。記為Fe3CIII

。其他幾條重要的轉(zhuǎn)變線鐵碳相圖中的相區(qū)Fe—Fe3C相圖中存在四個單相區(qū)和七個兩相區(qū)的區(qū)：4個單相區(qū)：L、A、F、Fe3C5個兩相區(qū)：L+A、L+Fe3C、A+Fe3C、A+F、

F+Fe3C2個三相共存區(qū)：L+A+Fe3C（ECF線）

A+F+Fe3C（PSK線）三、典型合金的結(jié)晶過程Fe、C合金按其含碳量(Wc)及其室溫平衡組織分為三大類：工業(yè)純鐵、碳鋼和鑄鐵。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：(Wc<0.0218%)顯微組織為固溶體。

（2）鋼

是含碳量在(Wc=0.0218～2.11%)之間的Fe、C合金。其特點是：高溫組織為單相的A，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，碳鋼又可分為：

共析鋼：Wc=0.77%

亞共析鋼：Wc=0.0218～0.77%

過共析鋼：Wc=0.77～2.11%

（3）白口鑄鐵是含碳量在Wc=2.11～6.69%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。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：Wc=4.30%

亞共晶白口鑄鐵：Wc=2.11～4.30%

過共晶白口鑄鐵：Wc=4.30～6.69%

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。共析鋼（Wc=0.77%）室溫組織為P（F+Fe3C），P呈層片狀，是F和Fe3C的層片交替重疊的機械混合物。如圖3-16圖中的白色片狀為F，黑色片狀為Fe3C。過程如下：L→L+A→A→P+A→P（F+Fe3C）共析鋼在室溫下的平衡組織為100%的珠光體（三次滲碳體數(shù)量少，通?？珊雎圆挥嫞?。共析鋼結(jié)晶過程示意圖圖3-16共析鋼顯微組織示意圖2.亞共析鋼亞共析鋼（Wc=0.0218～0.77%）室溫組織為：F+P如圖3-18中的白色為F，黑色片狀為P。結(jié)晶過程如下：

L→L+A→A→F+A→F+P

（析出Fe3CⅢ）特別需注意：室溫組織為F+P，由于F是發(fā)生在共析轉(zhuǎn)變之前，我們稱為先共析鐵素體。。

亞共析鋼結(jié)晶過程示意圖3-18亞共析鋼顯微組織示意圖3.過共析鋼過共析鋼（Wc=0.77～2.11%）室溫組織為：P+Fe3CⅡ，如圖3-20中的白色為網(wǎng)狀Fe3CⅡ，暗黑色為P。結(jié)晶過程如下：L→L+A→A→A+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ

勻晶轉(zhuǎn)變＋共析轉(zhuǎn)變

過共析鋼結(jié)晶過程示意圖4.亞共晶白口鑄鐵（Wc=2.11～4.30%）室溫組織為：Fe3CⅡ+L’d+P，其組織如圖3-22所示。結(jié)晶過程如下：L→L+A→L+A+Ld→A+Ld→A+Fe3CⅡ+Ld→A+Fe3CⅡ+L’d+P→Fe3CⅡ+L’d+P

勻晶反應(yīng)＋共晶轉(zhuǎn)變＋共析反應(yīng)

亞共晶白口鑄鐵組織轉(zhuǎn)變示意圖圖3-22亞共晶白口鑄鐵組織轉(zhuǎn)變示意圖第三節(jié)合金相圖的應(yīng)用

隨著含碳量的增加,Fe、C合金的組織發(fā)生下列變化：F+Fe3CⅢ→F+P→P→P+Fe3CⅡ→Fe3CⅡ+L’d+P→L’d→Fe3CⅠ+L’d稱為組織組成物所有Fe-Fe