《工程材料學(xué)與熱加工》二元合金相圖

第4章二元合金相圖§4.1二元合金相圖的建立§4.2二元合金相圖的基本類(lèi)型

勻晶相圖

二元共晶相圖

二元包晶相圖

其他類(lèi)型的二元合金相圖§4.3相圖與性能的關(guān)系§4.4鐵碳合金相圖學(xué)習(xí)要求和難點(diǎn)

學(xué)習(xí)重點(diǎn)：固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)分類(lèi)、形成條件和特點(diǎn)。三種典型二元合金相圖特點(diǎn)、結(jié)晶過(guò)程。杠桿定律及其應(yīng)用。運(yùn)用相圖分析合金的性能。學(xué)習(xí)難點(diǎn)：

準(zhǔn)確區(qū)分相、組織、相組成物、組織組成物?！?.1二元合金相圖的建立相圖：

表示合金系中合金的狀態(tài)與溫度、成分之間關(guān)系的圖解。我們經(jīng)常見(jiàn)到的相圖是平衡相圖。4.1.1相圖的基本知識(shí)§4.1二元合金相圖的建立Gibbs相律：

表示在平衡條件下，系統(tǒng)的自由度數(shù)、組元數(shù)和相數(shù)之間的關(guān)系。

f=c-p+2

其中系統(tǒng)的自由度數(shù)是指在保持合金系的相的數(shù)目不變的情況下，合金系中可以獨(dú)立改變的、影響合金狀態(tài)的內(nèi)部及外部因素的數(shù)目。

當(dāng)系統(tǒng)的壓力為常數(shù)時(shí)，

f=c-p+1§4.1二元合金相圖的建立

建立相圖最常用方法是熱分析法。它是通過(guò)測(cè)量相變時(shí)的熱效應(yīng)（即相變時(shí)放出熱量或吸收熱量）來(lái)確相變時(shí)的臨界度。

4.1.2二元合金相圖的建立TemperatureTimeLiquidTwoPhaseSolid§4.1二元合金相圖的建立熱分析法實(shí)驗(yàn)原理1配制不同成分的二元合金；2作出每個(gè)合金的冷卻曲線；3建立T-x坐標(biāo)系，把每個(gè)合金冷卻曲線上的臨界點(diǎn)分別標(biāo)在各個(gè)合金的成分垂線上。4將各個(gè)成分垂線上具有相同意義的點(diǎn)連接成線，再加上標(biāo)注?！?.1二元合金相圖的建立二元合金相圖的繪制步驟§4.1二元合金相圖的建立圖6-5Cu-Ni合金的冷卻曲線和相圖的繪制150014001300120011001000CuNi80%Ni60%Ni40%Ni20%Ni溫度/℃溫度/℃時(shí)間Ni%Cu20406080NiLL+αα§4.2勻晶相圖及平衡結(jié)晶過(guò)程

兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能無(wú)限互溶時(shí)所構(gòu)成的相圖稱(chēng)為勻晶相圖。TemperatureXY%YaddedLiquidSolidTwoPhase§4.2勻晶相圖及平衡結(jié)晶過(guò)程§4.2勻晶相圖及平衡結(jié)晶過(guò)程4.2.1.相圖分析§4.2勻晶相圖及平衡結(jié)晶過(guò)程溫度/℃ABB%LL+αα液相線固相線B熔點(diǎn)A熔點(diǎn)

與純金屬的結(jié)晶過(guò)程不同，固溶體合金的結(jié)晶是在一定的溫度范圍內(nèi)完成的。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+）。

§4.2勻晶相圖及平衡結(jié)晶過(guò)程4.2.2.合金平衡結(jié)晶過(guò)程分析

Cu-Ni合金相圖

以Cu-Ni合金為例進(jìn)行分析。§4.2勻晶相圖及平衡結(jié)晶過(guò)程L

L+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N(xiāo)i含量高于合金平均成分。⑴合金的結(jié)晶過(guò)程除純組元外，其它成分合金結(jié)晶過(guò)程相似，以Ⅰ合金為例說(shuō)明。這種從液相中結(jié)晶出單一固相的轉(zhuǎn)變稱(chēng)為勻晶轉(zhuǎn)變或勻晶反應(yīng)?！?.2勻晶相圖及平衡結(jié)晶過(guò)程隨溫度下降，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。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§4.2勻晶相圖及平衡結(jié)晶過(guò)程變回到合金成分

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。AllLiquid52%Ni45%NiAlmost40%Ni40%Ni

在整個(gè)過(guò)程中,結(jié)晶出的α相的成分沿固相線變化，即：α1→α2

→

α3→α4

剩余液相成分按固相線變化：l1→l2→l3→l4§4.2勻晶相圖及平衡結(jié)晶過(guò)程Cu-40%Ni合金的結(jié)晶過(guò)程§4.2勻晶相圖及平衡結(jié)晶過(guò)程4.2.3.非平衡結(jié)晶—枝晶偏析固溶體晶粒成分不均勻性示意圖，顏色深淺代表高熔點(diǎn)組元的濃度大小。Cu-Ni合金枝晶偏析示意圖在一個(gè)枝晶范圍內(nèi)或一個(gè)晶粒范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象稱(chēng)作枝晶偏析。§4.2勻晶相圖及平衡結(jié)晶過(guò)程Cu-Ni合金枝晶偏析顯微組織§4.2勻晶相圖及平衡結(jié)晶過(guò)程合金的結(jié)晶只有在緩慢冷卻條件下才能得到成分均勻的固溶體。但實(shí)際冷速較快，結(jié)晶時(shí)固相中的原子來(lái)不及擴(kuò)散，使先結(jié)晶出的枝晶軸含有較多的高熔點(diǎn)元素（如Cu-Ni合金中的Ni）,后結(jié)晶的枝晶間含有較多的低熔點(diǎn)元素(如Cu-Ni合金中的Cu)?！?.2勻晶相圖及平衡結(jié)晶過(guò)程平衡組織枝晶偏析組織Cu-30%Ni合金的平衡組織與枝晶偏析組織§4.2勻晶相圖及平衡結(jié)晶過(guò)程

枝晶偏析不僅與冷速有關(guān)，而且與液固相線的間距有關(guān)。冷速越大，液固相線間距越大，枝晶偏析越嚴(yán)重。枝晶偏析會(huì)影響合金的力學(xué)、耐蝕、加工等性能?！?.2勻晶相圖及平衡結(jié)晶過(guò)程

生產(chǎn)上常將鑄件加熱到固相線以下100-200℃長(zhǎng)時(shí)間保溫，以使原子充分?jǐn)U散、成分均勻，消除枝晶偏析，這種熱處理工藝稱(chēng)作擴(kuò)散退火。消除枝晶偏析的辦法

大型鋁合金鑄造板材的擴(kuò)散退火§4.2勻晶相圖及平衡結(jié)晶過(guò)程4.2.4.杠桿定律

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。12

t②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

?！?.2勻晶相圖及平衡結(jié)晶過(guò)程

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勻晶相圖及平衡結(jié)晶過(guò)程

因此兩相的相對(duì)重量百分比為：兩相的重量比為：

上式與力學(xué)中的杠桿定律完全相似，因此稱(chēng)之為杠桿定律。即合金在某溫度下兩平衡相的重量比等于該溫度下與各自相區(qū)距離較遠(yuǎn)的成分線段之比。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。例（如圖）：§4.2勻晶相圖及平衡結(jié)晶過(guò)程杠桿定律只適用于兩相區(qū)?！?.2二元共晶相圖

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(chēng)作共晶相圖?！?.2二元共晶相圖

以Pb-Sn相圖為例進(jìn)行分析。Pb-Sn合金相圖溫度（℃）PbSn成分（wt%Sn）4.2.1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?！?.2二元共晶相圖AB③液固相線：液相線AEB，固相線ACEDB。A、B分別為Pb、Sn的熔點(diǎn)。§4.2二元共晶相圖④固溶線:溶解度點(diǎn)的連線稱(chēng)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。AB⑤共晶線：水平線CED叫做共晶線。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)§4.2二元共晶相圖

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(chēng)作共晶轉(zhuǎn)變或共晶反應(yīng)。AB

共晶反應(yīng)的產(chǎn)物，即兩相的機(jī)械混合物稱(chēng)共晶體或共晶組織。發(fā)生共晶反應(yīng)的溫度稱(chēng)共晶溫度。代表共晶溫度和共晶成分的點(diǎn)稱(chēng)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§4.2二元共晶相圖§4.2二元共晶相圖具有共晶成分的合金稱(chēng)共晶合金。在共晶線上，凡成分位于共晶點(diǎn)以左的合金稱(chēng)亞共晶合金，位于共

晶點(diǎn)以右的合金稱(chēng)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§4.2二元共晶相圖.24.2.2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(chēng)一次相或初生相?！?.2二元共晶相圖溫度降到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(chēng)析出）新相—

相。由已有固相析出的新固相稱(chēng)二次相或次生相。形成二次相的過(guò)程稱(chēng)二次析出,是固態(tài)相變的一種?！?.2二元共晶相圖由析出的二次

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。由于二次相析出溫度較低，一般十分細(xì)小。§4.2二元共晶相圖Ⅰ合金室溫組織為:

+

ⅡABCDEFG成分大于D點(diǎn)合金結(jié)晶過(guò)程與Ⅰ合金相似，室溫組織為:

+

Ⅱ§4.2二元共晶相圖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’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?！?.2二元共晶相圖§4.2二元共晶相圖共晶組織形態(tài)

層片狀(Al-CuAl2定向凝固)Pb-Sn共晶組織條棒狀(Sb-MnSb橫截面)螺旋狀（Zn-Mg）§4.2二元共晶相圖針狀共晶樹(shù)枝狀共晶放射狀共晶螺旋狀共晶§4.2二元共晶相圖在共晶轉(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(chēng)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)§4.2二元共晶相圖共晶結(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共晶合金組織室溫下兩相的相對(duì)重量百分比是多少？§4.2二元共晶相圖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：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：§4.2二元共晶相圖溫度繼續(xù)下降，將從一次

和共晶

中析出

Ⅱ，從共晶

中析出

Ⅱ。其室溫組織為

Ⅰ+(

+

)+

Ⅱ。亞共晶合金的結(jié)晶過(guò)程§4.2二元共晶相圖

如何求室溫下三種組織組成物的相對(duì)重量？

亞共晶合金結(jié)晶過(guò)程示意圖

其室溫組織為

Ⅰ+(

+

)+

Ⅱ§4.2二元共晶相圖§4.2二元共晶相圖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。Pb-Sn合金的結(jié)晶過(guò)程§4.2二元共晶相圖§4.2二元共晶相圖4.2.3

組織組成物在相圖上的標(biāo)注組織組成物是指組成合金顯微組織的獨(dú)立部分。

Ⅰ和

Ⅰ,

Ⅱ和

Ⅱ,共晶體(

+

)都是組織組成物。相與相之間的差別主要在結(jié)構(gòu)和成分上?！?.2二元共晶相圖組織組成物之間的差別主要在形態(tài)上。如

Ⅰ

、

Ⅱ和共晶

的結(jié)構(gòu)成分相同，屬同一個(gè)相，但它們的形態(tài)不同，分屬不同的組織組成物。將組織組成物標(biāo)注在相圖中，可使所標(biāo)注的組織與顯微鏡下觀察到的組織一致。Pb-Sn亞共晶組織組織組成物在相圖上的標(biāo)注§4.2二元包晶相圖當(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)生包晶反應(yīng)時(shí)所構(gòu)成的相圖稱(chēng)作包晶相圖。L+

L+L

+4.2.１相圖分析以Pt-Ag相圖為例單相區(qū)：L、

、β二相區(qū)：L+

、L+

、

+

三相區(qū)：L+

+

（水平線PDC）§4.2二元包晶相圖

水平線PDC稱(chēng)包晶線，與該線成分對(duì)應(yīng)的合金在該溫度下發(fā)生包晶反應(yīng)：LC+

P?βD

。該反應(yīng)是液相L包著固相

,新相β在L與α的界面上形核，并向L和

兩個(gè)方向長(zhǎng)大。§4.2二元包晶相圖

在一定溫度下，由一個(gè)液相包著一個(gè)固相生成另一新固相的反應(yīng)稱(chēng)包晶轉(zhuǎn)變或包晶反應(yīng)。§4.2二元包晶相圖§4.2二元包晶相圖4.2.2合金的結(jié)晶過(guò)程①

包晶成分合金：勻晶包晶二次析出。室溫組織為β+

II②PD成分合金：勻晶包晶二次析出。室溫組織為

+βII+β+

II§4.2二元包晶相圖時(shí)間溫度§4.2二元包晶相圖③DC成分合金：勻晶包晶勻晶二次析出室溫組織為β+

II。時(shí)間溫度§4.2其他類(lèi)型的二元合金相圖穩(wěn)定化合物是指在熔化前不發(fā)生分解的化合物(如Mg-Si系的Mg2Si和Fe-C系的Fe3C)。其成分固定，在相圖中是一條垂線(代表一個(gè)單相區(qū))。垂足是其

成分,頂點(diǎn)是其熔點(diǎn),

結(jié)晶過(guò)程同純金屬.分析這類(lèi)相圖時(shí)，可把穩(wěn)定化合物當(dāng)作純組元看待，將相圖分成幾個(gè)部分進(jìn)行分析.Mg2SiMg2Si+SiMg+Mg2SiSiL+Mg2SiL+SiL+Mg2SiL+Mg4.2.1形成穩(wěn)定化合物的二元相圖§4.2其他類(lèi)型的二元合金相圖4.2.2具有共析反應(yīng)的二元相圖共析反應(yīng)(共析轉(zhuǎn)變)是指在一定溫度下，由一定成分的固相同時(shí)析出兩個(gè)成分和結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的過(guò)程。共析轉(zhuǎn)變也是固態(tài)相變。最常見(jiàn)的共析轉(zhuǎn)變是鐵碳合金中的珠光體轉(zhuǎn)變:

S?

P+Fe3CPS(

—奧氏體，

—鐵素體，F(xiàn)e3C—滲碳體)共析相圖與共晶相圖相似，對(duì)應(yīng)的有共析線(PSK線)、共析點(diǎn)(S點(diǎn))、共析溫度、共析成分、共析合§4.2其他類(lèi)型的二元合金相圖金(共析成分合金)、亞共析合金(共析線上共析點(diǎn)以左的合金)、過(guò)共析合金(共析線上共析點(diǎn)以右的合金)。鐵碳合金相圖共析反應(yīng)的產(chǎn)物是共析體（鐵碳合金中的共析體稱(chēng)珠光體），也是兩相的機(jī)械混合物（鐵素體+滲碳體)?！?.2其他類(lèi)型的二元合金相圖與共晶反應(yīng)不同的是，共析反應(yīng)的母相是固相，而不是液相。另外，由于固態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)冷度大，因而共析組織比共晶組織細(xì)。珠光體§4.2其他類(lèi)型的二元合金相圖4.2.3二元相圖的分析步驟實(shí)際二元相圖往往比較復(fù)雜，可按下列步驟進(jìn)行分析。⒈分清相圖中包括哪些基本類(lèi)型相圖⒉確定相區(qū)⑴相區(qū)接觸法則相鄰兩個(gè)相區(qū)的相數(shù)差為1⑵單相區(qū)的確定①液相線以上為液相區(qū)；Fe-Fe3C相圖§4.2其他類(lèi)型的二元合金相圖②靠純組元的封閉區(qū)是以該組元為基單相固溶體區(qū)；③相圖中的垂線可能是穩(wěn)定化合物（單相區(qū)），也可能是相區(qū)分界線；④相圖中部出現(xiàn)的成分可變的單相區(qū)是以化合物為基的單相固溶體區(qū)；⑤相圖中每一條水平線必定與三個(gè)單相區(qū)點(diǎn)接觸。Cu-Zn相圖+

⑶兩相區(qū)的確定：兩個(gè)單相區(qū)之間夾有一個(gè)兩相§4.2其他類(lèi)型的二元合金相圖

區(qū)，該兩相區(qū)的相由兩相鄰單相區(qū)的相組成。⑷三相區(qū)的確定：二元相圖中的水平線是三相區(qū)，其三個(gè)相由與該三相區(qū)點(diǎn)接觸的三個(gè)單相區(qū)的相組成。Fe-Fe3C相圖常見(jiàn)三相等溫水平線上的反應(yīng)§4.2其他類(lèi)型的二元合金相圖恒溫下由一個(gè)固相同時(shí)析出兩個(gè)成分結(jié)構(gòu)不同的新固相。

?

+

共析反應(yīng)恒溫下由一個(gè)液相包著一個(gè)固相生成另一個(gè)新的固相。L

+

?

包晶反應(yīng)恒溫下由一個(gè)液相同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)成分結(jié)構(gòu)不同的新固相。L?

+

共晶反應(yīng)說(shuō)明反應(yīng)式圖形特征反應(yīng)名稱(chēng)§4.2其他類(lèi)型的二元合金相圖⒊分析典型合金的結(jié)晶過(guò)程⑴作出典型合金冷卻曲線示意圖二元合金冷卻曲線的特征是:①在單相區(qū)和兩相區(qū)冷卻曲線為一斜線。

§4.2其他類(lèi)型的二元合金相圖②由一個(gè)相區(qū)進(jìn)入另一相區(qū)時(shí),冷卻曲線出現(xiàn)拐點(diǎn):a.由相數(shù)少的相區(qū)進(jìn)入相數(shù)多的相區(qū)曲線向右拐;b.由相數(shù)多的相區(qū)進(jìn)入相數(shù)少的相區(qū)曲線向左拐。③發(fā)生三等溫轉(zhuǎn)變時(shí)，冷卻曲線呈一水平臺(tái)階。

⑵分析合金結(jié)晶過(guò)程①畫(huà)出組織轉(zhuǎn)變示意圖。§4.2其他類(lèi)型的二元合金相圖②計(jì)算各相、各組織組成物相對(duì)重量百分比：a.在單相區(qū)，合金由單相組成，相的成分、重量即合金的成分、重量。b.在兩相區(qū)，兩相的成分隨溫度沿各自的相線變化，各相和各組織組成物的相對(duì)重量可由杠桿定律求出。合金成分為杠桿的支點(diǎn)，相或組織組成物的成分為杠桿的端點(diǎn)。c.在三相區(qū)，三個(gè)相成分固定，重量不斷變化，杠桿定律不適用。

§4.2其他類(lèi)型的二元合金相圖合金成分相1成分相2成分

相1重量

相2重量合金成分組織1成分組織2成分組織1重量組織2重量??????4.3.1相圖與合金力學(xué)性能、物理性能的關(guān)系

1.

兩相機(jī)械混合物的合金:性能與合金成分呈直線關(guān)系，是兩相性能的算術(shù)平均值，如：

混=

?Q

+

β?Qβ

HB混=HB

?Q

+HBβ?Qβ(Q

、Qβ為兩相相對(duì)重量)§4.3相圖與性能的關(guān)系§4.3相圖與性能的關(guān)系2.單相固溶體的合金：性能隨成分呈曲線變化，隨溶質(zhì)含量增加，σ、HB、

增加，塑性下降。3.形成穩(wěn)定化合物的合金：性能-成分曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。4.3.2相圖與鑄造性能的關(guān)系

§4.3相圖與性能的關(guān)系①固溶體合金液固相線間距越大、偏析傾向大,樹(shù)枝晶發(fā)達(dá),流動(dòng)性降低,補(bǔ)縮能力下降,分散縮孔增加.②共晶合金結(jié)晶溫度低，流動(dòng)性好，縮孔集中，偏析小，鑄造性能好。合金的性能與相圖的關(guān)系§4.3相圖與性能的關(guān)系合金的流動(dòng)性、縮孔性質(zhì)與相圖之間的關(guān)系§4.3相圖與性能的關(guān)系第四節(jié)鐵碳合金§4.1鐵碳合金的組元與基本相§4.2Fe-Fe3C相圖分析§4.3鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程§4.4含碳量對(duì)鐵碳合金組織性能的影響§4.5碳鋼及其分類(lèi)學(xué)習(xí)要求和難點(diǎn)學(xué)習(xí)重點(diǎn)：學(xué)習(xí)難點(diǎn)：Fe-Fe3C相圖知識(shí)，要求掌握具有特殊意義的5個(gè)點(diǎn)（C、J、S、P、E）和4條線（ECF、PSK、GS、SE）的成分與溫度；含碳量對(duì)鐵碳合金組織、性能的影響規(guī)律。1.準(zhǔn)確區(qū)分鐵碳合金的基本相、組織；2.運(yùn)用Fe-Fe3C相圖分析任一給定成分的鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程、室溫組織。帶材異形材板材管材

鐵碳合金—碳鋼和鑄鐵，是工業(yè)應(yīng)用最廣的材料。其世界年產(chǎn)量已達(dá)10億噸，在機(jī)械產(chǎn)品中占整個(gè)用材的60%以上。1400℃1600℃Fe1%C2%C3%C4%C5%C6%C6.70%CLgad碳鋼鑄鐵1200℃1000℃800℃600℃400℃工業(yè)純鐵按含碳量劃分：工業(yè)純鐵：

≤0.0218%；鋼：

0.0218%~2.11%;鑄鐵：

2.11%~6.69%。

鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金最基本的工具，是研究碳鋼和鑄鐵的成分、溫度、組織及性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)，是制定熱加工、熱處理、冶煉和鑄造等工藝依據(jù)?！?.1鐵碳合金的組元與基本相4.1.1組元1.鐵α-Feγ-Feδ-FeL912℃1400℃1538℃bccbccfcc

鐵素體的磁性轉(zhuǎn)變溫度為770℃(居里點(diǎn))，曾經(jīng)把770－912℃無(wú)磁性(順磁性)的鐵稱(chēng)為β－Fe。

§4.1鐵碳合金的組元與基本相強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性好。

抗拉強(qiáng)度σb180~230MPa斷后伸長(zhǎng)率δ30~50％斷面收縮率ψ70~80％沖擊韌性

ak160~200J/cm2硬度50~60HB工業(yè)純鐵的力學(xué)性能§4.1鐵碳合金的組元與基本相2.碳

游離的碳有石墨和金剛石兩種晶體結(jié)構(gòu)，在鐵碳合金中的游離態(tài)是石墨。石墨(Graphite)具有簡(jiǎn)單六方晶格。

石墨的性能特點(diǎn)：耐高溫，可導(dǎo)電，有一定的潤(rùn)滑性，但其強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性都極低。

鐵和碳可形成一系列穩(wěn)定化合物：

Fe3C、

Fe2C、

FeC，它們都可以作為純組元看待。含碳量＞6.69%（Fe3C成分），合金太脆，無(wú)實(shí)用價(jià)值。實(shí)際所討論的鐵碳合金相圖是Fe-Fe3C相圖。FeFe3CFe2CFeCCC%(at%)→§4.1鐵碳合金的組元與基本相4.1.2基本相§4.1鐵碳合金的組元與基本相1.鐵素體（

相）：碳在

-Fe中的固溶體，用F(Ferrite)或

表示。

鐵素體§4.1鐵碳合金的組元與基本相體心立方間隙固溶體。鐵素體的性能與純鐵相似。鐵素體的溶碳能力很低,在727℃時(shí)最大為0.0218%，室溫下僅為0.0008%。

相§4.1鐵碳合金的組元與基本相2.奧氏體（

相）:

碳在

-Fe中的固溶體稱(chēng)奧氏體。用A(Austenite)或

表示。奧氏體§4.1鐵碳合金的組元與基本相奧氏體是面心立方晶格的間隙固溶體。溶碳能力比鐵素體大，1148℃時(shí)最大為2.11%。強(qiáng)度低、塑性好。鋼材熱加工都在

區(qū)進(jìn)行.§4.1鐵碳合金的組元與基本相3.滲碳體（Fe3C相）：鐵碳化合物，即Fe3C,含碳6.69%,用Fe3C或Cm表示。鋼中的滲碳體§4.1鐵碳合金的組元與基本相強(qiáng)度低(

b35MPa)，硬度高，脆性大，塑性幾乎為零。鑄鐵中的石墨§4.1鐵碳合金的組元與基本相

常溫下碳在鐵碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。Fe3C是一個(gè)亞穩(wěn)相，在一定條件下可發(fā)生分解：Fe3C→3Fe+C(石墨)——對(duì)鑄鐵有重要意義。4.δ相

C在δ-Fe中的間隙固溶體，晶體結(jié)構(gòu)也為bcc，δ相出現(xiàn)的溫度較高，組織形貌一般不觀察，也有稱(chēng)高溫鐵素體。5.石墨

在鐵碳合金中的游離狀態(tài)下存在的碳為石墨，組織記G(Graphite)。6.L相碳在高溫下熔入液體，相圖中標(biāo)記L(Liquid)。§4.1鐵碳合金的組元與基本相§4.2Fe-Fe3C相圖分析CDEFGSPQ1148℃727℃LγL+γ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe

Fe3CTLdαP0.77%CLd’K共晶相圖共析相圖勻晶相圖A包晶相圖§4.2Fe-Fe3C相圖分析4.2.1特征點(diǎn)?????§4.2Fe-Fe3C相圖分析4.2.2特征線

⑴

液相線—ABCD，

固相線—AHJECFD

⑵

三條水平線：包晶線—HJB：LB+δH?

J

共晶線—ECF：LC?

E+Fe3C共析線—PSK：

S?

αP+Fe3CLJNG

+Fe3C

+Fe3CL+Fe3CL+

+

§4.2Fe-Fe3C相圖分析

共晶產(chǎn)物是

與Fe3C的機(jī)械混合物，稱(chēng)作萊氏體,用Ld表示。為蜂窩狀,以Fe3C為基，性能硬而脆。LC?

E+Fe3C共晶反應(yīng)：§4.2Fe-Fe3C相圖分析共析反應(yīng)：

S?αP+Fe3C

共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是

與Fe3C的機(jī)械混合物，稱(chēng)作珠光體，用P表示?！?.2Fe-Fe3C相圖分析⑶其它相線GS、GP—固溶體轉(zhuǎn)變線：

?

,

GS又稱(chēng)A3

線；HN,JN—固溶體轉(zhuǎn)變線：

δ?

；ES—碳在

-Fe中的固溶線，又稱(chēng)Acm線。PQ—碳在

-Fe中的固溶線。L+δL+

L+Fe3Cδ+

+Fe3C

+

F+Fe3C

⑴五個(gè)單相區(qū)：

L、

、

、

、Fe3C

⑵七個(gè)兩相區(qū):

L+

L+

L+Fe3C

+

+Fe3C

+

+Fe3C

§4.2Fe-Fe3C相圖分析4.2.2相區(qū)

L

Fe3CL+

L+

L+Fe3C

+

+Fe3C

+

+Fe3C§4.2Fe-Fe3C相圖分析

⑶三個(gè)三相區(qū)（三條水平線）

：

HJB

：L+

+

ECF：L+

+Fe3C

PSK：

+

+Fe3C

§4.3鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程亞共析鋼共析鋼過(guò)共析鋼共晶白口鐵過(guò)共晶白口鐵亞共晶白口鐵工業(yè)純鐵

A工業(yè)純鐵(<0.0218%C)

B鋼

a.共析鋼(0.77%C)b.亞共析鋼(0.0218~0.77%C)c.亞共析鋼(0.77~2.11%C)

C鑄鐵

a.共晶白口鑄鐵(4.3%C)b.亞共晶白口鑄鐵(2.11~4.3%C)c.過(guò)共晶白口鑄鐵(2.11~4.3%C)4.3.1.工業(yè)純鐵的結(jié)晶過(guò)程

§4.3鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程§4.3鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程

從鐵素體中析出的滲碳體稱(chēng)三次滲碳體，用Fe3CⅢ表示。Fe3CⅢ以不連續(xù)網(wǎng)狀或片狀分布于晶界。

隨溫度下降，F(xiàn)e3CⅢ量不斷增加，合金的室溫下組織為F+Fe3CⅢ。室溫下Fe3CⅢ最大量為:

§4.3鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程4.3.2.碳鋼的結(jié)晶過(guò)程

1.共析鋼的結(jié)晶過(guò)程珠光體在光鏡下呈指紋狀。轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)，珠光體中相的相對(duì)重量百分比為：§4.3鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程珠光體中的滲碳體稱(chēng)共析滲碳體。S點(diǎn)以下，共析

中析出Fe3CⅢ，與共析Fe3C結(jié)合不易分辨。室溫組織為P。珠光體Q§4.3鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程

室溫下，珠光體中兩相的相對(duì)重量百分比是多少？Q43219§4.3鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程2.亞共析鋼的結(jié)晶過(guò)程以0.45%C的鋼為例合金在4點(diǎn)以前通過(guò)勻晶—包晶—?jiǎng)蚓Х磻?yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

。到4點(diǎn)，由

中析出

。到5點(diǎn),

成分沿GS線變到S點(diǎn)，

發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。溫度繼續(xù)下降，

中析出Fe3CⅢ，由于與共析Fe3C結(jié)合,且量少,忽略不計(jì).

+Fe3CⅢGSPABJH§4.3鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程利用平衡組織中珠光體所占的面積百分比，可以近似估算亞共析鋼的含碳量:

C%=P面積%×0.77%

(忽略

中含碳量，P面積%=QP)§4.3鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程

共析溫度下相的相對(duì)重量為：

組織組成物的相對(duì)重量為：

S’§4.3鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程室溫下相的相對(duì)重量百分比為：室溫下組織組成物的相對(duì)重量百分比為：S’§4.3鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程含0.45%C鋼的組織含0.20%C鋼的組織含0.60%C鋼的組織亞共析鋼室溫下的組織為F+P。在0.0218~0.77%C范圍內(nèi)珠光體的量隨含碳量增加而增加?！?.3鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程3.過(guò)共析鋼的結(jié)晶過(guò)程

合金在1~2點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

,到3點(diǎn),開(kāi)始析出Fe3C。從奧氏體中析出的Fe3C稱(chēng)二次滲碳體,用Fe3CⅡ表示,其沿晶界呈網(wǎng)狀分布。溫度下降,Fe3CⅡ量增加。到4點(diǎn)，

成分沿ES線變化到S點(diǎn)，余下的

轉(zhuǎn)變?yōu)镻?！?.3鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程

在共析溫度下Fe3CⅡ的相對(duì)量？過(guò)共析鋼室溫組織為P+Fe3CⅡ。Fe3CⅡ量隨含碳量而增加,含碳量為2.11%時(shí),Fe3CⅡ量最大：§4.3鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程含1.4%C鋼的組織§4.3鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程室溫下兩相的相對(duì)重量百分比：12345S’室溫下兩組織組成物的相對(duì)重量百分比：§4.3鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程1.共晶白口鐵的結(jié)晶過(guò)程

合金冷卻到C點(diǎn)發(fā)生共晶反應(yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體(Ld),是共晶

與共晶Fe3C的機(jī)械混合物,呈蜂窩狀.4.3.3.鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程

Fe3C

§4.3鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)，兩相的相對(duì)重量百分比為:C點(diǎn)以下,

成分沿ES線變化，共晶

將析出Fe3CⅡ。Fe3CⅡ與共晶Fe3C

結(jié)合，不易分辨。1’2

Fe3C§4.3鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程溫度降到2點(diǎn),

成分達(dá)到0.77%,此時(shí),相的相對(duì)重量:

在2點(diǎn),共晶

發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，這種由P與Fe3C組成的共晶體稱(chēng)低溫萊氏體,用Ld’表示.

2點(diǎn)以下，共晶體中P的變化同共析鋼。S§4.3鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程共晶白口鐵的結(jié)晶過(guò)程共晶白口鐵室溫組織為L(zhǎng)d’

(P+Fe3C),它保留了共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形態(tài)特征。室溫下兩相的相對(duì)重量百分比為：

§4.3鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程2.亞共晶白口鐵的結(jié)晶過(guò)程合金在1~2點(diǎn)間析出

。到2點(diǎn)，液相成分變到C點(diǎn),§4.3鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程并轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)d。2~3點(diǎn)間從

中析出Fe3CⅡ，一次

的Fe3CⅡ被共晶

襯托出來(lái)。到3點(diǎn)，

轉(zhuǎn)變?yōu)镻。§4.3鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程亞共晶白口鐵的結(jié)晶過(guò)程§4.3鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程亞共晶白口鐵室溫組織為P+Fe3CⅡ+Ld’。室溫下組織組成物相對(duì)重量百分比為：ECFD1234N室溫下相的相對(duì)重量百分比?§4.3鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程3.過(guò)共晶白口鐵的結(jié)晶過(guò)程

1~2點(diǎn)間從液相中析出Fe3C,稱(chēng)一次滲碳體，用Fe3CⅠ表示，呈粗條片狀。到2點(diǎn)，余下的液相成分變到C點(diǎn)并轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)d。DFK3Fe3C124

2點(diǎn)以下,Fe3CⅠ成分重量不再發(fā)生變化,Ld變化同共晶合金,其室溫組織為Fe3CⅠ+Ld’。

§4.3鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程4.3.4.組織組成物在鐵碳合金相圖上的標(biāo)注§4.3鐵碳合金平衡結(jié)晶過(guò)程組織組成物與相組成物標(biāo)注區(qū)別主要在

+Fe3C和

+Fe3C兩個(gè)相區(qū).

+Fe3C相區(qū)中有四個(gè)組織組成物區(qū)，

+Fe3C相區(qū)中有七個(gè)組織組成物區(qū)。

+Fe3C

+Fe3C

FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+

L+

F

ALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LdLdLd+Fe3CⅠLd’+Fe3CⅠLd’P+Fe3CⅡ+Ld’P+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢC%溫度鋼鐵素體

亞共析鋼過(guò)共析鋼亞共晶白口鑄鐵過(guò)共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵共析鋼白口鑄鐵二次滲碳體工業(yè)純鐵珠光體萊氏體一次滲碳體Fe3C鋼鐵分類(lèi)組織組成物相對(duì)量%相組成物相對(duì)量%含碳量%00.02180.772.114.36.6910010000三次滲碳體⒈含碳量對(duì)室溫平衡組織的影響

含碳量與緩冷后相及組織組成物之間的定量關(guān)系為：

§4.4含碳量對(duì)鐵碳合金組織性能的影響⒉含碳量對(duì)力學(xué)性能的影響a.亞共析鋼隨含碳量增加，P量增加，鋼的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降。b.0.77%C時(shí)，組織為100%P,鋼的性能即P的性能。c.＞0.9%C，F(xiàn)e3CⅡ?yàn)榫Ы邕B續(xù)網(wǎng)狀，強(qiáng)度下降,但硬度仍上升。d.＞2.11%C，組織中有以Fe3C為基的Ld’,合金太脆。§4.4含碳量對(duì)鐵碳合金組織性能的影響⒊含碳量對(duì)工藝性能的影響切削性能:中碳鋼合適可鍛性能:

低碳鋼好焊接性能:

低碳鋼好鑄造性能:

共晶合金好熱處理性能:

第六章介紹§4.4含碳量對(duì)鐵碳合金組織性能的影響鑄造焊縫組織模鍛切削加工的基本形式車(chē)刨鉆銑磨選擇材料a.分析零件的工作條件,根據(jù)鐵碳合金成分、組織、性能之間的變化規(guī)律進(jìn)行選擇材料。b.根據(jù)鐵碳合金成分、組織、性能之間的變化規(guī)律,確定選定材料的工作范圍。§4.4含碳量對(duì)鐵碳合金組織性能的影響4.Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用制訂熱加工工藝§4.4含碳量對(duì)鐵碳合金組織性能的影響§4.5碳鋼及其分類(lèi)4.5.1雜質(zhì)元素對(duì)鋼的質(zhì)量和性能的影響

碳鋼中的常存的雜質(zhì)元素是指除Fe、C外，因冶金必然帶來(lái)的材料中存在，且對(duì)性能有一定影響其他元素，在碳鋼中一般指：Si、Mn、S、P，冶金時(shí)難以徹底清除而存在于鋼中。一般鋼中大致含量：Si0.25~0.30%Mn0.25~0.50%S<0.05%P≤0.045§4.5碳鋼及其分類(lèi)1.有益元素

Si—

有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用,能脫氧。

Mn

—

脫氧、去硫,提高鋼的強(qiáng)度和硬度?！?.5碳鋼及其分類(lèi)2.有害元素

P

—

有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用,低溫韌性差(

冷脆

)。

S

—

引起鋼在熱加工時(shí)或高溫工作下開(kāi)裂

(熱裂

)?！?.5碳鋼及其分類(lèi)3.氣體元素

N：鋼中過(guò)飽和N在常溫放置過(guò)程中會(huì)發(fā)生時(shí)效脆化。加Ti、V、Al等元素可消除時(shí)效傾向。

O：鋼中的氧化物易成為疲勞裂紋源。

H：原子態(tài)的過(guò)飽和氫時(shí)將降低韌性,引起氫脆。當(dāng)氫在缺陷處以分子態(tài)析出時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高內(nèi)壓，形成微裂紋，其內(nèi)壁為白色，稱(chēng)白點(diǎn)或發(fā)裂?！?.5碳鋼及其分類(lèi)4.5.2.鋼錠中的組織缺陷在實(shí)際生產(chǎn)中，鋼液被澆注到錠模中便得到鋼錠，而注入到鑄型模具中成型則得到鑄鋼件。鋼錠(件)的組織及其存在的缺陷對(duì)其加工和使用性能有著直接的影響?！?.5碳鋼及其分類(lèi)1.縮孔

縮孔是凝固時(shí)由于液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)體積收縮且補(bǔ)縮不足而留下的空腔?？赏ㄟ^(guò)改變結(jié)晶時(shí)的冷卻條件和加冒口等來(lái)進(jìn)行控制。鋼錠出現(xiàn)縮孔在鍛軋前應(yīng)切除。縮孔§4.5碳鋼及其分類(lèi)2.疏松

微小分散的收縮孔，樹(shù)枝間或晶粒間凝固的封閉而得不到液體補(bǔ)充而留下得缺陷。軋制可減小或消除其部分不利的影響。

3.夾雜物

與基體要求成分和組織都不相同多余顆粒，外來(lái)夾雜物有澆鑄中沖入的其它固體物，如耐火材料、破碎鑄模等。

疏松§4.5碳鋼及其分類(lèi)4.氣孔

氣孔是指液態(tài)金屬中溶解的氣體或反應(yīng)生成的氣體在結(jié)晶時(shí)未逸出而存留于鑄錠(件)中的氣泡。鑄錠中的封閉的氣孔可在熱加工時(shí)焊合，張開(kāi)的氣孔需要切除。

鑄件中