第三章二元合金相圖及其應(yīng)用

第三章二元合金相圖及其應(yīng)用§6.1相圖的建立§6.2勻晶相圖§6.3共晶相圖§6.4其它相圖§6.5相圖與性能的關(guān)系§6.6鐵碳合金相圖§3.1相圖的建立1、概念相圖：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。2、兩元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)確定相變時(shí)的臨界溫度。

●二元相圖的建立：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-臨界點(diǎn)；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。Cu-Nidiagram圖3-1銅-鎳合金的冷卻曲線和相圖(a)不同成分合金冷卻曲線(b)銅鎳合金相圖§3.2勻晶相圖1.相圖分析勻晶相圖－兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能無(wú)限互溶時(shí)形成的相圖2.合金平衡結(jié)晶過(guò)程圖3-2含60%Ni合金的冷卻曲線及結(jié)晶過(guò)程示意圖3.杠桿定律

LeverLaw4、非平衡結(jié)晶與固溶強(qiáng)化合金內(nèi)部尤其是固相內(nèi)部的原子擴(kuò)散來(lái)不及充分進(jìn)行

。。晶內(nèi)偏析枝晶偏析圖4-11固溶體在不平衡凝固時(shí)液、固兩相的成分變化及組織變化示意圖晶內(nèi)偏析：晶粒內(nèi)部出現(xiàn)的成分不均勻現(xiàn)象（濃度差別）。枝晶偏析：枝干和分枝間的成分不一致。消除方法：擴(kuò)散退火（均勻化退火）－－通過(guò)擴(kuò)散消除熱軋、鍛造等使枝晶偏析程度減輕。5、勻晶相圖與性能的關(guān)系－固溶強(qiáng)化勻晶相圖與合金硬度間關(guān)系§3.3共晶相圖兩組元在液態(tài)下完全互溶、在固體下有限互溶，并且有共晶反應(yīng)發(fā)生的合金相圖。1、相圖分析2、典型合金平衡結(jié)晶過(guò)程3、偽共晶與比重偏析1.相圖分析●特征點(diǎn)：E:共晶點(diǎn)，tA:Pb的熔點(diǎn)，tB:Sn的熔點(diǎn)?！裉卣骶€：液相線，固相線，Sn在Pb中的溶解度曲線（也稱(chēng)飽和溶解度曲線或固溶線），Pb在Sn中的溶解度曲線。共晶反應(yīng)線共晶反應(yīng)共晶點(diǎn)（亞共晶、過(guò)共晶）共晶溫度共晶組織?！裣鄥^(qū)：三個(gè)單相區(qū)：L、α、β三個(gè)兩相區(qū)：L＋α、L+β、α＋β

2典型合金的平衡結(jié)晶過(guò)程2.1.共晶合金的結(jié)晶過(guò)程Amountofb

AmountofαPb-Sn共晶合金平衡凝固過(guò)程示意圖這一過(guò)程在恒溫一直進(jìn)行凝固完畢，此溫度時(shí)的共晶體由αM和βN兩個(gè)固溶體組成。相對(duì)量用杠桿法則計(jì)算：

*光鏡下：αⅡ、βⅡ與α、β不易區(qū)分*最終組織：（α＋β）共晶體相組成物：指合金由幾個(gè)相組成組織組成物：指合金在顯微鏡下有哪幾種可以清楚區(qū)分的相發(fā)布形態(tài)圖3-6亞共晶合金的結(jié)晶過(guò)程示意圖(a)結(jié)晶過(guò)程(b)冷卻曲線及組織變化示意圖2.2亞共晶合金的結(jié)晶過(guò)程2.3過(guò)共晶合金的結(jié)晶過(guò)程

2.4小于共晶成分合金的結(jié)晶過(guò)程3、共晶相圖與性能的關(guān)系－時(shí)效強(qiáng)化第二相的數(shù)量、形狀、大小、分布狀況對(duì)合金的性能影響連續(xù)網(wǎng)狀分布層片狀彌散顆粒狀Pb-Sn共晶合金平衡凝固過(guò)程示意圖§3.4其他相圖1、共析相圖2、具有穩(wěn)定化合物的兩元相圖1、共析相圖2、形成穩(wěn)定化合物的相圖§3.5相圖與性能的關(guān)系1、合金的力學(xué)性能與相圖的關(guān)系形成機(jī)械混合物的合金中，各相的分散度對(duì)組織敏感的性能有較大的影響組成物細(xì)小、分散，強(qiáng)硬度提高第二相分布：沿晶界――脆、σb↓層片狀――細(xì)小、σb↑、δ％↑顆粒狀――σb↑↑、δ％↑↑彌散強(qiáng)化：由過(guò)飽和固溶體中彌散強(qiáng)化相強(qiáng)化合金的方法2、合金工藝性能與相圖的關(guān)系工藝性：共晶體――熔點(diǎn)低、流動(dòng)性好、易鑄造、切削加工固溶體――韌性好，沖壓流動(dòng)性好§3.6鐵碳合金相圖鐵碳相圖Fe－C相圖Fe－Fe3C相圖（Fe3C亞穩(wěn)定相）1、鐵碳合金的基本相鐵素體：碳原子溶于α鐵形成的固溶體碳在鐵素中的最大溶解度――0.0218%。奧氏體：碳原子溶于γ鐵形成的固溶體碳在奧氏體的最大溶解度為2.11%滲碳體Fe3C：硬脆相、復(fù)雜的斜方結(jié)構(gòu)、強(qiáng)化相分解Fe3C→3Fe+C(石墨)Fe3C在鋼和鑄鐵中可呈片狀、球狀、網(wǎng)狀、板狀等不同的形態(tài)。2．相圖分析ABCD――液相線，AHJECF――固相線相圖組成――共晶、共析等恒溫轉(zhuǎn)變（1）ECF線（1148℃）發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變：LC→γE+Fe3C。轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是奧氏體與滲碳體的機(jī)械混合物，稱(chēng)為萊氏體。（2）PSK線（727℃）發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：γS→αP+Fe3C。轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是鐵素體與滲碳體的機(jī)械混合物，稱(chēng)為珠光體。

A1溫度固態(tài)轉(zhuǎn)變線：（1）GS線—A開(kāi)始析出F或F全部溶入A轉(zhuǎn)變線，A3溫度。（2）ES線—碳在A中的溶解限度線。Acm溫度。低于此溫度時(shí)，A中將析出二次滲碳體，

Fe3CⅡ，區(qū)別L中析出的一次滲碳體Fe-Fe3CⅠ。（3）PQ線—碳在F中的溶解度線。在727℃時(shí)，碳在鐵素中的最大溶解度為0.0218%，F(xiàn)中析出的滲碳體，稱(chēng)為三次滲碳體Fe3CⅢ。典型鐵碳合金冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變過(guò)程分析

3．典型鐵碳合金的平衡凝固碳鋼：含碳量小于2.11%Fe-Fe3C合金鑄鐵：含碳量大于2.11%Fe-Fe3C系結(jié)晶的鑄鐵，稱(chēng)為白口鑄鐵。

根據(jù)組織特征，參照Fe-Fe3C相圖，鐵碳合金按含碳量劃分為七種類(lèi)型：（1）工業(yè)純鐵，<0.0218%C；（2）共析鋼，0.77%C；（3）亞共析鋼，0.0218~0.77%C；（4）過(guò)共析鋼，0.77~2.11%；（5）共晶白口鑄鐵，4.30%C；（6）亞共晶白口鑄鐵，2.11~4.30%C；（7）過(guò)共晶白口鑄鐵，4.30~6.69%C。（1）含碳0.01%的合金（工業(yè)純鐵）合金全部呈單相A。冷到5~6點(diǎn)間又發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?chǔ)谩?，變?yōu)镕。在A晶界上優(yōu)先形核長(zhǎng)大。6點(diǎn)以下全部是F。冷到7點(diǎn)時(shí)，碳在F中的溶解量達(dá)到飽和。在7點(diǎn)以下，將從F中析出三次滲碳體Fe3CⅢ。含碳0.01%的工業(yè)純鐵結(jié)晶過(guò)程示意（2）含碳0.77%的合金（共析鋼）在1~2點(diǎn)間合金按勻晶轉(zhuǎn)變結(jié)晶出A。在2點(diǎn)凝固完成，全部為A。冷到3點(diǎn)（727℃），在恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：γ0.77→α0.0218+Fe3C，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體.珠光體：F與Fe3C的層片混合物。含碳0.77%的碳鋼結(jié)晶過(guò)程示意

P中的Fe3C稱(chēng)為共析滲碳體。經(jīng)退火處理后也可呈球粒狀分布在F的基體上，稱(chēng)為球狀（或粒狀）P。P中F與Fe3C的相對(duì)量可用杠桿法則求得：Fe3Cp=100%-88%=12%（3）含碳0.4%的合金（亞共析鋼）冷到3點(diǎn)，合金全部由含碳量0.40%的A所組成。單相的A冷卻到4點(diǎn)時(shí)，開(kāi)始析出F。隨著溫度下降，F(xiàn)不斷增多，其含碳量沿GP線變化，而剩余A的含碳量則沿GS線變化。當(dāng)溫度達(dá)到5點(diǎn)（727℃）時(shí)，剩余A的含碳量達(dá)到0.77%，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變形成P。在5點(diǎn)以下，先共析鐵素體中將析出三次Fe3C，數(shù)量很少，可勿略。亞共析鋼冷卻到室溫后組織組成物：F＋P。鋼的含碳量越高，室溫組織中的P含量也越多。含碳0.40%的碳鋼結(jié)晶過(guò)程示意亞共析鋼的室溫組織（白色晶粒為鐵素體，暗黑色組成體是珠光體，有些珠光體團(tuán)的片層組織可以分辨）200×a)0.40%C；b)0.60%C

（4）含碳1.2%的合金（過(guò)共析鋼）冷到3點(diǎn)開(kāi)始從A中析出二次Fe3C，直到4點(diǎn)為止。這種先共析的Fe3C多沿奧氏體呈網(wǎng)狀分布，量較多時(shí)還在晶內(nèi)呈針狀分布。隨著Fe3C的析出，A的含碳量沿ES線不斷下降，當(dāng)溫度到達(dá)4點(diǎn)時(shí)（727℃）A的含碳量降為0.77%。在恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，最后得到的組織是網(wǎng)狀的二次滲碳體和珠光體。過(guò)共析鋼冷卻到室溫后

組織組成物：Fe3C＋P。鋼的含碳量越高，室溫組織中的Fe3C含量也越多。含碳1.2%的碳鋼結(jié)晶過(guò)程示意含碳1.2%的過(guò)共析鋼緩冷后的組織500a)硝酸酒精浸蝕，白色網(wǎng)狀相為二次滲碳體，暗黑色為珠光體；b)苦味酸鈉浸蝕，黑色為二次滲碳體，淺白色為珠光體a)b)（5）含碳4.3%的合金（共晶白口鑄鐵）合金熔液冷到1點(diǎn)（1148℃）時(shí)，在恒溫下發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變L4.30→γ2.11+Fe3C，此共晶體通常萊氏體（Ld）。冷到1點(diǎn)以下，共晶奧氏體中不斷析出二次Fe3C，溫度降至2點(diǎn)（727℃）時(shí)，共晶A的含碳量降至0.77%，在恒溫下轉(zhuǎn)變?yōu)镻。最后得到的組織由P分布在共晶Fe3C上所組成。室溫Ld保留了高溫下共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形態(tài)特征，但組成相A已發(fā)生了轉(zhuǎn)變。1以上1~22以下含碳4.3%的白口鐵結(jié)晶過(guò)程示意共晶白口鑄鐵的室溫組織250×（白色基體是共晶滲碳體，黑色顆粒是由共晶奧氏體轉(zhuǎn)變而來(lái)的珠光體）含碳3.0%的白口鐵結(jié)晶過(guò)程示意（6）含碳3.0%的合金（亞共晶白口鑄鐵）合金熔液在1~2點(diǎn)結(jié)晶出奧氏體，此時(shí)液相成分按BC線變化，而奧氏體成分沿JE線變化。溫度降到2點(diǎn)（1148℃）時(shí)，剩余液相的成分達(dá)到共晶，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，生成Ld。在2點(diǎn)以下，先共晶A和共晶A中都析出二次滲碳體。隨著二次滲碳體的析出，奧氏體的含碳量沿ES線降低。當(dāng)溫度到達(dá)3點(diǎn)（727℃）時(shí)，所有A都發(fā)生共析轉(zhuǎn)變成為珠光體。

合金的室溫組織組成物：P＋Ld’亞共晶白口鑄鐵在室溫下的組織（黑色的樹(shù)枝組成體是珠光體，其余為萊氏體）

80×

枝狀的大塊黑色組成體是由先共晶奧氏體轉(zhuǎn)變來(lái)的P其余Ld。由先共晶A出的二次滲碳體也依附在共晶滲碳體上而難以分辨。含碳5.0%的過(guò)共晶白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程示意過(guò)共晶白口鑄鐵冷卻到室溫后的組織(白色條片是一次滲碳體，其余為萊氏體)250×（7）含碳5.0%的合金（過(guò)共晶白口鑄鐵）先共晶相是滲碳體，