1、工程材料与机械制造基础工程材料与机械制造基础第四章第四章 铁碳合金铁碳合金 主主 要要 内内 容容l合金的相结构合金的相结构 固溶体 金属化合物 l二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立 二元相图的建立 杠杆定律 共晶相图 共析相图l铁碳合金的结构和相图铁碳合金的结构和相图 铁碳合金的基本组织 铁碳合金相图 典型成分合金平衡结晶过程分析 铁碳合金的应用合金的相结构合金的相结构 合金合金是指由两种或两种是指由两种或两种以上元素组成的具有金以上元素组成的具有金属特性的物质。属特性的物质。组成合金的元素可以是组成合金的元素可以是全部是金属全部是金属，也可是，也可是金金属与非金属属与非金属。组成合金
2、的元素相互作组成合金的元素相互作用可形成不同的用可形成不同的相相。Al-Cu两相合金两相合金黄铜黄铜 铁碳合金铁碳合金 相相 是指金属或合金中凡是指金属或合金中凡成分相成分相同、结构相同同、结构相同，并与其它部分，并与其它部分有有界面分开界面分开的的均匀均匀组成部分。组成部分。组织组织 一种或多种一种或多种相按一定方式相按一定方式相互结合相互结合所构成的整体。所构成的整体。显微组织显微组织 是指在显微镜下观察是指在显微镜下观察到的金属中各到的金属中各相相或各或各晶粒晶粒的的形态形态、数量、大小和分布、数量、大小和分布的组合。的组合。固态合金中的相分为固态合金中的相分为固溶体固溶体和和金金属化合
3、物属化合物两类。两类。单相单相合金合金两相两相合金合金 合金的相结构合金的相结构 固溶体固溶体 合金中其合金中其结构与组成元素之一结构与组成元素之一的的晶体结构晶体结构相同相同的固的固 相。习惯以相。习惯以、表示。表示。l与合金晶体结构相同的元素称与合金晶体结构相同的元素称溶溶剂剂。其它元素称。其它元素称溶质溶质。l固溶体是固溶体是合金的重要组成相合金的重要组成相，实，实际合金多是单相固溶体合金或以际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。固溶体为基的合金。l按溶质原子所处位置分为按溶质原子所处位置分为置换固置换固溶体溶体和和间隙固溶体间隙固溶体。Cu-Ni置换固溶体置换固溶体Fe-C间隙
4、固溶体间隙固溶体 合金的相结构合金的相结构 置换固溶体置换固溶体 溶质原子占据溶剂晶格某些结点溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。位置所形成的固溶体。溶质原子呈无序分布的称溶质原子呈无序分布的称无序固溶体无序固溶体，呈有序分布的称，呈有序分布的称有序固溶体有序固溶体。黄铜置换固溶体组织黄铜置换固溶体组织 固溶体固溶体 间隙固溶体间隙固溶体 溶质原子溶质原子嵌入溶剂晶格间隙嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。所形成的固溶体。形成间隙固溶体的形成间隙固溶体的溶质元素溶质元素是是原子半径较小的非金原子半径较小的非金 属属元素，如元素，如C、N、B等，而等，而溶剂元素溶剂元素一般一般是是过渡族
5、元素过渡族元素。l形成间隙固溶体的一形成间隙固溶体的一般规律为般规律为r质质/r剂剂0.59。l间隙固溶体都是间隙固溶体都是无序无序固溶体固溶体。固溶体固溶体 固溶体的溶解度固溶体的溶解度 溶质原子在固溶体中的溶质原子在固溶体中的极限浓度极限浓度。溶解度有一定限度的固溶体称溶解度有一定限度的固溶体称有限有限固溶体固溶体。组成元素无限互溶的固溶体称组成元素无限互溶的固溶体称无限无限固溶体固溶体。组成元素组成元素原子半径原子半径、电化学特性电化学特性相相近，近，晶格类型晶格类型相同的置换固溶体，相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。才有可能形成无限固溶体。间隙固溶体间隙固溶体都是有限固溶体。都
6、是有限固溶体。Cu-Ni无限固溶体无限固溶体Cu-Zn有限固溶体有限固溶体固溶体固溶体化合物化合物 固溶体固溶体 固溶体的性能固溶体的性能 随溶质含量增加随溶质含量增加,固溶体的固溶体的强度强度、硬度增加硬度增加,塑性、韧塑性、韧性下降性下降固溶强化固溶强化。产生产生固溶强化的原因固溶强化的原因是溶是溶质原子使质原子使晶格发生畸变晶格发生畸变及及对对位错的钉扎作用位错的钉扎作用。l与与纯金属相比纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但性低。但与化合物相比与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。和韧性则要高得多。固溶
7、体固溶体金属化合物金属化合物 合金中其合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相的固相称称金属化合物金属化合物。金属化合物金属化合物具有具有较高的熔点较高的熔点、硬度和脆性硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。，并可用分子式表示其组成。铁碳合金中的铁碳合金中的Fe3Cl当合金中出现金属化合当合金中出现金属化合物时，可物时，可提高其强度、提高其强度、硬度和耐磨性硬度和耐磨性，但，但降低降低塑性塑性。l金属化合物也是合金的金属化合物也是合金的重要组成重要组成相相。合金的相结构合金的相结构 正常价化合物正常价化合物符合符合正正常原子价规律常原子价规律。如。如
8、Mg2Si 电子化合物电子化合物符合符合电子电子浓度规律浓度规律。如。如Cu3Sn。电子浓度电子浓度为为价电子数与价电子数与原子数原子数的比值。的比值。间隙化合物间隙化合物由由过渡族过渡族元素元素与与C、N、B、H等小等小原子半径的非金属元素原子半径的非金属元素组成。组成。Al-Mg-Si合金中的合金中的Mg2SiPbPb基轴承合金中的电子化合物基轴承合金中的电子化合物 金属化合物金属化合物 a.间隙相：间隙相：r非非/r金金 0.59时形时形 成的具有简单晶格结构的间成的具有简单晶格结构的间隙化合物。隙化合物。如如 M4X(Fe4N)、M2X(Fe2N、W2C)、MX(TiC、VC、TiN)
9、等。等。间隙相具有金属特征和极高间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定。的硬度及熔点，非常稳定。部分碳化物和所有氮化物属部分碳化物和所有氮化物属于间隙相。于间隙相。VC的结构的结构 金属化合物金属化合物 如如FeB、Fe3C、Cr23C6等。等。Fe3C称称渗碳体渗碳体，是钢中重要组，是钢中重要组成成相相，具有，具有复杂斜方晶格复杂斜方晶格。化合物也可溶入其它元素原子，化合物也可溶入其它元素原子，形成以形成以化合物为基的固溶体化合物为基的固溶体。Fe3C的晶格的晶格高温合金中的高温合金中的Cr23C6 金属化合物金属化合物 合金的结晶过程比纯金属复杂，常用合金的结晶过程比纯金属复杂，常
10、用相图相图进行分析进行分析.常压下，合金存在的常压下，合金存在的状态状态由由成分成分和和温度温度确定。确定。合金相图合金相图是表示在平衡条件下合金系中的是表示在平衡条件下合金系中的合金状态合金状态与与温度温度、成分成分之间关系图解。又称之间关系图解。又称状态图状态图或或平衡图平衡图。二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立 合金系合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。一系列不同成分的合金。l组元组元是指组成合金的最简是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存单、最基本、能够独立存在的物质。在的物质。l多数情况下多数情况下组元组
11、元是指是指组成组成合金的元素合金的元素。但对于。但对于既不既不发生分解发生分解、又不发生任何又不发生任何反应的化合物反应的化合物也可看作组也可看作组元元,如如Fe-C合金中的合金中的Fe3C。Cu-Ni合金相图合金相图L 成分（成分（wt%Ni）温度（温度（）CuNi 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立 相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温组织随温度变化的规律度变化的规律，是，是制订熔炼、铸造、热加工及热处制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据理工艺的重要依据。根据组元数根据组元数,分为二元相图、三元相图和多元相图。分为二元相图、三元相图
12、和多元相图。Fe-C二元相图二元相图三元相图三元相图 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立 几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。热分析法。二元相图的建立步骤为：二元相图的建立步骤为：以以Cu-Ni合金合金(白铜白铜)为例为例 1.配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的找出曲线上的临界点临界点（停歇点或转折点）。（停歇点或转折点）。2.将临界点标在温度将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。成分坐标中的成分垂线上。3.将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的将垂线上相同
13、意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。数字和字母。相图中，结晶开始点的连线叫相图中，结晶开始点的连线叫液相线液相线。结晶终了点。结晶终了点的连线叫的连线叫固相线固相线。二元相图的建立二元相图的建立二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析l两组元在液态和固两组元在液态和固态下均无限互溶时态下均无限互溶时所构成的相图称所构成的相图称二二元匀晶相图。元匀晶相图。l以以Cu-Ni合金为例合金为例进行分析。进行分析。匀晶相图匀晶相图 二元相图分析二元相图分析 相图由两条线构成相图由两条线构成，上面是，上面是液相线液相线，下面是下面是固相线固相线。相图被两条线分为相图被两条线分为三个相区，液相
14、线三个相区，液相线以上为以上为液相区液相区L L，固相线以下为固相线以下为 固固溶体区溶体区，两条线之，两条线之间为两相共存的间为两相共存的两两相区相区（L+L+）。）。LL+成分成分（wt%Ni）温度温度（）CuNi液相线液相线固相线固相线 匀晶相图匀晶相图 合金的结晶过程合金的结晶过程 除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以合合金为例说明。金为例说明。l当液态金属自高温冷当液态金属自高温冷却到却到 t1温度时，开始温度时，开始结晶出成分为结晶出成分为 1的固的固溶体，其溶体，其Ni含量高于含量高于合金平均成分合金平均成分L L+匀晶相图匀晶相图 随
15、温度下降，固溶随温度下降，固溶体重量增加，液相体重量增加，液相重量减少。重量减少。液相成分沿液相线液相成分沿液相线变化，固相成分沿变化，固相成分沿固相线变化。固相线变化。l从液相中结晶出单一固相的转变称为从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变匀晶转变或或匀匀晶反应晶反应。匀晶相图匀晶相图 成分变化是通过成分变化是通过原子扩散原子扩散完成的。当合金冷却到完成的。当合金冷却到t3时时，最后一滴，最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时成分的液体也转变为固溶体，此时固溶固溶体的成分又体的成分又变回到合金成分变回到合金成分 3上来上来。l液固相线液固相线不仅是不仅是相区相区分界线分界线,也是结晶时
16、两也是结晶时两相的相的成分变化线成分变化线；匀；匀晶转变是变温转变。晶转变是变温转变。匀晶相图匀晶相图 杠杆定律杠杆定律 处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用成分，还可用杠杆定律杠杆定律求出求出两平衡相的相对重量两平衡相的相对重量。现以现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：合金为例推导杠杆定律：确定两平衡相的成分：确定两平衡相的成分：设合金成分为设合金成分为x，过，过x做成做成分垂线。在成分垂线相当分垂线。在成分垂线相当于温度于温度t 的的o点作水平线，点作水平线，其与液固相线交点其与液固相线交点a、b所所对应的成分对应的成分x1、
17、x2即分别即分别为液相和固相的成分。为液相和固相的成分。12 t 二元相图分析二元相图分析 则则 QL+Q =1 QL x1+Q x2=x 解方程组得解方程组得121122xxxxQxxxxQLl 确定两平衡相的相对重量确定两平衡相的相对重量l设合金的重量为设合金的重量为1，液相重量为，液相重量为QL，固相重量为，固相重量为Q。杠杆定律杠杆定律 因此两相的相对重量因此两相的相对重量百分比为：百分比为：abaoxxxxQabobxxxxQL2112122112或)(xxQxxQaoobxxxxQQLL 杠杆定律杠杆定律 上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为上式与力学中的杠杆定律完全相似，因
18、此称之为杠杆杠杆定律定律。即。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。度下与各自相区距离较远的成分线段之比。在杠杆定律中，在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。杠杆定律只适用于两相区。杠杆定律只适用于两相区。例例（如图）（如图）%5.61%10045.058.045.053.0Q%5.38%10045.058.053.058.0LQ 杠杆定律杠杆定律 合金的结晶只有在缓慢冷却合金的结晶只有在缓慢
19、冷却条件下才能得到成分均匀的条件下才能得到成分均匀的固溶体。固溶体。但实际冷速较快，但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及结晶时固相中的原子来不及扩散，使扩散，使先结晶出的枝晶轴先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素（如含有较多的高熔点元素（如Cu-Ni合金中的合金中的Ni）,后结晶后结晶的枝晶间含有较多的低熔点的枝晶间含有较多的低熔点元素元素(如如Cu-Ni合金中的合金中的Cu)。l枝晶偏析枝晶偏析 匀晶相图匀晶相图 在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作现象称作枝晶偏析枝晶偏析。不仅与不仅与冷速冷速有关，而且与有关，而且与液固相线的
20、间距液固相线的间距有关。有关。冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。枝晶偏析会枝晶偏析会影响合金的力学影响合金的力学、耐蚀耐蚀、加工等性能加工等性能。l生产上常将铸件加热到固相生产上常将铸件加热到固相线以下线以下100-200长时间保温，长时间保温，以使以使原子充分扩散、成分均原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析匀，消除枝晶偏析，这种热，这种热处理工艺称作处理工艺称作扩散退火扩散退火。枝晶偏析枝晶偏析Cu-Ni合金的合金的平衡组织与枝晶偏析组织平衡组织与枝晶偏析组织平衡组织平衡组织枝晶偏析组织枝晶偏析组织 枝晶偏析枝晶偏析共晶相图共晶相图 当两
21、组元在液态当两组元在液态下完全互溶，在下完全互溶，在固态下有限互溶固态下有限互溶,并发生并发生共晶反应共晶反应时所构成的相图时所构成的相图称作称作共晶相图共晶相图。以以 Pb-Sn 相图为相图为例进行分析。例进行分析。Pb-Sn合金相图合金相图成分（成分（wt%Sn）温度（温度（）PbSn 二元相图分析二元相图分析 相图分析相图分析 相：相：相图中有相图中有L、三种相三种相,是溶质是溶质Sn在在 Pb中的固溶体，中的固溶体，是溶是溶质质Pb在在Sn中的固溶体。中的固溶体。相区：相区：相图中有相图中有三个三个单相区单相区：L、；三三个两相区个两相区：L+、L+、+；一个三相区一个三相区：即：即水
22、平线水平线CED。AB 共晶相图共晶相图 固溶线固溶线:溶解度溶解度点的连线称点的连线称固溶线固溶线。相图中的相图中的CF、DG线分别为线分别为 Sn在在 Pb中和中和 Pb在在 Sn中的中的固溶线固溶线。固溶体的溶解度随固溶体的溶解度随温度降低而下降。温度降低而下降。l 液固相线：液固相线：液相线液相线AEB，固相线，固相线ACEDB。A、B分别为分别为Pb、Sn的熔点。的熔点。AB 共晶相图共晶相图在一定温度下，由一定在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作同的新固相的转变称作共晶转变共晶转变或或共晶反应共晶反
23、应。共晶线：共晶线：水平线水平线CED叫做叫做共晶线共晶线。在共晶线对应的温度下在共晶线对应的温度下（183），），E点成分的合金点成分的合金同时结晶出同时结晶出C点成分的点成分的 固溶体和固溶体和D点成分的点成分的 固溶固溶体体，形成这两个相的机械混，形成这两个相的机械混 合物：合物：LE (C+D)AB 共晶相图共晶相图 共晶反应的产物，即两共晶反应的产物，即两相的机械混合物称相的机械混合物称共晶共晶体或共晶组织体或共晶组织。发生共发生共晶反应的温度称晶反应的温度称共晶温共晶温度度。代表共晶温度和共代表共晶温度和共晶成分的点称晶成分的点称共晶点共晶点。Pb-Sn共晶组织共晶组织共晶体长大示
24、意图共晶体长大示意图 Sn原子原子扩散扩散Pb原子原子扩散扩散 共晶相图共晶相图 具有共晶成分的合金称具有共晶成分的合金称共晶合金共晶合金。在共晶线上，。在共晶线上，凡凡成分位于共晶点以左的合金称成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金亚共晶合金，位于共位于共 晶点以右的合金晶点以右的合金称称过共晶合金过共晶合金。l凡具有凡具有共晶线成分共晶线成分的合金液体冷却到的合金液体冷却到共晶温度时都将发共晶温度时都将发生共晶反应。生共晶反应。L+CDAB 共晶相图共晶相图 合金的结晶过程合金的结晶过程 含含Sn量小于量小于C点合金点合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程 在在3点以前为匀晶转变点以前为匀晶转
25、变，结晶出单相，结晶出单相 固溶体，这种固溶体，这种直接从液相中结晶出的固相称直接从液相中结晶出的固相称一次相一次相或或初生相初生相。.2 共晶相图共晶相图 温度降到温度降到3点以下，点以下，固溶体被固溶体被Sn过饱和，由于晶格过饱和，由于晶格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相 相。相。由已有固相析出的新固相称由已有固相析出的新固相称二次相二次相或或次生相次生相。形成二次相的过程称形成二次相的过程称二次析出二次析出,是固态相变的一种。是固态相变的一种。H 共晶相图共晶相图 由于二次由于二次相析出温相析出温度较低，度较低，一般十分一般十分细小。细小。%1
26、004FGFQ室温下室温下 的相对重量百分比为：的相对重量百分比为：l由由 析出的二次析出的二次 用用 表示。表示。l随温度下降，随温度下降，和和 相的成分分别沿相的成分分别沿CF线和线和DG线变线变化，化，的重量增加。的重量增加。Q Q 共晶相图共晶相图 合金室温组织合金室温组织为为 +。l成分大于成分大于 D点合金结晶点合金结晶过程与过程与合金相似，室合金相似，室温组织为温组织为 +。ABCDEFG 共晶相图共晶相图 共晶合金共晶合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程 液态合金冷却到液态合金冷却到E 点时同时被点时同时被Pb和和Sn饱和饱和,发生共发生共晶反应：晶反应：LE (C+D)。19
27、.2wt%Sn温度温度,1 共晶相图共晶相图 析出过程中析出过程中两相相间形核两相相间形核、互相促进互相促进、共同长大共同长大，因而共晶组织较细，呈因而共晶组织较细，呈片片、棒、点球、棒、点球等形状。等形状。共晶相图共晶相图共晶组织形态共晶组织形态层片状层片状(Al-CuAl2定向凝固定向凝固)条棒状条棒状(Sb-MnSb横截面横截面)螺旋状（螺旋状（Zn-Mg）Pb-Sn共晶组织共晶组织 共晶相图共晶相图共晶组织形态共晶组织形态针状共晶针状共晶树枝状共晶树枝状共晶放射状共晶放射状共晶螺旋状共晶螺旋状共晶 共晶相图共晶相图 在共晶转变过程中，在共晶转变过程中，L、三相共存三相共存,三个相的三个
28、相的量在不断变化，但它们量在不断变化，但它们各各自成分是固定的自成分是固定的。共晶组织中的相称共晶组织中的相称共晶相共晶相.共晶转变结束时，共晶转变结束时，和和 相的相对重量百分比为：相的相对重量百分比为：%6.54%100%4.45%1002.195.979.615.97%100QQCDEDQE(61.9)D(97.5)C(19.2)共晶相图共晶相图 共晶结束后，随温度下降，共晶结束后，随温度下降，和和 的成分分别沿的成分分别沿CF线和线和DG线变化线变化，并从，并从共晶共晶 中析出中析出 ，从，从共晶共晶 中中析出析出 ，由于共晶组织细，由于共晶组织细，与共晶与共晶 结合，结合，与与共晶共
29、晶 结合，结合，共晶合金的室温组织仍为共晶合金的室温组织仍为(+)共晶体共晶体。室温下两相的相对重量百分比是多少？室温下两相的相对重量百分比是多少？FGFEQFGGEQ,共晶相图共晶相图 亚共晶合金亚共晶合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程 合金液体在合金液体在2点以前为点以前为匀晶转变匀晶转变。冷却到。冷却到2点，点，固相成固相成分变化到分变化到C点点，液相成分变化到液相成分变化到E点点,此时两相的相对此时两相的相对重量为：重量为：%1002%,1002)(CEEQCECQQEL 共晶相图共晶相图 在在2点，具有点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应：点成分的剩余液体发生共晶反应：L (+)
30、，转变为共晶组织，共晶体的重量与转，转变为共晶组织，共晶体的重量与转变前的液相重量相等变前的液相重量相等,即即QE=QL 反应结束后，在共晶温度下反应结束后，在共晶温度下、两相的相对重量百两相的相对重量百分比为：分比为：%1002%,1002CDCQCDDQ%1002%,1002CEEQCEC 共晶相图共晶相图 温度继续下降，将从温度继续下降，将从一次一次 和共晶和共晶 中析出中析出，从，从共晶共晶 中析出中析出。其室温。其室温组织为组织为+(+)+。如何求室温下三种组织组成物的相对重量？如何求室温下三种组织组成物的相对重量？共晶相图共晶相图 过共晶合金结晶过程过共晶合金结晶过程 与亚共晶合金
31、相似，不同的与亚共晶合金相似，不同的是是一次相为一次相为 ,二次相为二次相为 室温组织为室温组织为+(+)+。共晶相图共晶相图 共晶相图共晶相图 组织组成物在相图上的标注组织组成物在相图上的标注 组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。l 和和,和和,共晶体共晶体(+)。l相与相之间的相与相之间的差别主要在结差别主要在结构和成分上。构和成分上。共晶相图共晶相图 组织组成物之间的差别主要在形态上。如组织组成物之间的差别主要在形态上。如 、和共晶和共晶 的结构成分相同，属同一个相的结构成分相同，属同一个相，但它们的，但它们的形态不同形态不同，分属，分属不
32、同的组织组成物不同的组织组成物。将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观察到的组织一致。显微镜下观察到的组织一致。Pb-Sn亚共晶组织亚共晶组织 共晶相图共晶相图组织组成组织组成物在相图物在相图上的标注上的标注 共晶相图共晶相图二元包晶相图二元包晶相图 当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并并发生包晶反应发生包晶反应时所构成的相图称作时所构成的相图称作包晶相图包晶相图。以以Pt-Ag相图为例简要分析相图为例简要分析L+L+L +l 相图分析相图分析l单相区：单相区：L、l二相区：二相区
33、：L+、L+、+l三相区：三相区：L+（水（水平线平线PDC）二元相图分析二元相图分析在一定温度下，由一在一定温度下，由一个液相包着一个固相个液相包着一个固相生成另一新固相的反生成另一新固相的反应称应称包晶转变包晶转变或或包晶包晶反应反应。水平线水平线PDC称称包晶线包晶线，与该线成分对应的合金在该温与该线成分对应的合金在该温度下发生包晶反应：度下发生包晶反应：LC+P D。该反应是液相该反应是液相L包包着固相着固相,新相新相 在在L与与的界面上形核，并向的界面上形核，并向L和和 两两个方向长大。个方向长大。包晶相图包晶相图 合金的结晶过程合金的结晶过程 包晶成分合金：匀晶包晶成分合金：匀晶包
34、晶包晶二次析出。二次析出。室温组织为室温组织为+II 包晶相图包晶相图 PD成分成分合金：合金：匀晶匀晶包晶包晶二次析出二次析出。室温组织为室温组织为 +II+II 包晶相图包晶相图 DC成分成分合金：合金：匀晶匀晶包晶包晶匀晶匀晶二次析出二次析出 室温组织为室温组织为+II。时间温度 包晶相图包晶相图形成稳定化合物的二元相图形成稳定化合物的二元相图 稳定化合物稳定化合物是指在熔化前不发生分解的化合物是指在熔化前不发生分解的化合物(如如Mg-Si系的系的Mg2Si和和Fe-C系的系的Fe3C)。其。其成分固定成分固定，在相图中是在相图中是一条垂线一条垂线(代表一个单相区代表一个单相区)。垂足是
35、其。垂足是其 成分成分,顶点是其顶点是其熔点熔点,结结晶过程同纯金属。晶过程同纯金属。l分析这类相图时，可分析这类相图时，可把把稳定化合物当作纯组元稳定化合物当作纯组元看待看待，将相图分成几个，将相图分成几个部分进行分析。部分进行分析。Mg2SiMg2Si+SiMg+Mg2SiSiL+Mg2SiL+SiL+Mg2SiL+Mg 二元相图二元相图 共析转变也是固共析转变也是固态相变。态相变。最常见的共析转最常见的共析转变是铁碳合金中变是铁碳合金中的珠光体转变的珠光体转变:S P+Fe3C。具有共析反应的二元相图具有共析反应的二元相图l共析反应共析反应(共析转变共析转变)是指在一定温度下，由一定成是
36、指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。相的过程。PS(奥氏体，奥氏体，铁素体，铁素体，Fe3C渗碳体渗碳体)二元相图二元相图铁碳合金相图铁碳合金相图 共析相图共析相图 共析反应的产物是共析反应的产物是共析体共析体（铁碳合金中的共析体称（铁碳合金中的共析体称珠珠光体光体），也是），也是两相的机械混合物两相的机械混合物（铁素体（铁素体+渗碳体渗碳体)。l与共晶反应不同与共晶反应不同的是，的是，共析反应共析反应的母相是固相的母相是固相，而不是液相。而不是液相。l另外，由于固态另外，由于固态转变转变过冷度大过冷度大，因
37、而因而共析组织比共析组织比共晶组织细共晶组织细。珠光体珠光体 共析相图共析相图二元相图的分析步骤二元相图的分析步骤 实际二元相图比较复杂，可按下列步骤进行分析。实际二元相图比较复杂，可按下列步骤进行分析。分清相图中包括哪些基本类型相图分清相图中包括哪些基本类型相图 确定相区确定相区 相区接触法则相区接触法则 相邻两个相区的相数差为相邻两个相区的相数差为1 单相区的确定单相区的确定 液相线以上为液相区；液相线以上为液相区；Fe-Fe3C相图相图 二元相图分析二元相图分析 靠纯组元的封闭区是以该组元为基单相固溶体区；靠纯组元的封闭区是以该组元为基单相固溶体区；相图中的垂线可能是稳定化合物（单相区）
38、，也可相图中的垂线可能是稳定化合物（单相区），也可能是相区分界线；能是相区分界线；l 相图中部出现的成相图中部出现的成分可变的单相区是以分可变的单相区是以化合物为基的单相固化合物为基的单相固溶体区；溶体区；l 相图中每一条水平相图中每一条水平线必定与三个单相区线必定与三个单相区点接触。点接触。Cu-Zn相图相图+二元相图分析二元相图分析 两相区的确定：两相区的确定：两个单相区之间夹有一个两相两个单相区之间夹有一个两相 区，该两相区的相区，该两相区的相由两相邻单相区的由两相邻单相区的相组成。相组成。l 三相区的确定：三相区的确定：二元相图中的水平二元相图中的水平线是三相区，其三线是三相区，其三个
39、相由与该三相区个相由与该三相区点接触的三个单相点接触的三个单相区的相组成。区的相组成。Fe-Fe3C相图相图 二元相图分析二元相图分析恒温下由一个固相同时恒温下由一个固相同时析出两个成分结构不同析出两个成分结构不同的新固相。的新固相。+共析反应共析反应恒温下由一个液相包着恒温下由一个液相包着一个固相生成另一个新一个固相生成另一个新的固相。的固相。L+包晶反应包晶反应恒温下由一个液相同时恒温下由一个液相同时结晶出两个成分结构不结晶出两个成分结构不同的新固相。同的新固相。L L +共晶反应共晶反应说明说明反应式反应式图形特征图形特征反应名称反应名称常见三相等温水平线上的反应常见三相等温水平线上的反
40、应 二元相图分析二元相图分析 作出典型合金冷作出典型合金冷却曲线示意图却曲线示意图 二元合金冷却曲线二元合金冷却曲线的特征是的特征是:在单相区和两相在单相区和两相区冷却曲线为一斜区冷却曲线为一斜线。线。分析典型合金的结晶过程分析典型合金的结晶过程 二元相图分析二元相图分析 由一个相区进入另一相区时由一个相区进入另一相区时,冷却曲线出现拐点冷却曲线出现拐点:a.由相数少的相区进入相数多的相区曲线向右拐由相数少的相区进入相数多的相区曲线向右拐;lb.由相数多的由相数多的相区进入相数相区进入相数少的相区曲线少的相区曲线向左拐。向左拐。l 发生三等温发生三等温转变时，冷却转变时，冷却曲线呈一水平曲线呈
41、一水平台阶。台阶。分析典型合金的结晶过程分析典型合金的结晶过程 分析合金结晶过程分析合金结晶过程 画出组织转变示意图。画出组织转变示意图。l 计算各相、计算各相、各组织组成物相各组织组成物相对重量百分比：对重量百分比：la.在单相区，合在单相区，合金由单相组成，金由单相组成，相的成分、重量相的成分、重量即合金的成分、即合金的成分、重量。重量。分析典型合金的结晶过程分析典型合金的结晶过程 b.在两相区，两相的成分在两相区，两相的成分随温度沿各自的相线变化，随温度沿各自的相线变化，各相和各组织组成物的相对各相和各组织组成物的相对重量可由杠杆定律求出。重量可由杠杆定律求出。合金成分为杠杆的支点，相合
42、金成分为杠杆的支点，相或组织组成物的成分为杠杆或组织组成物的成分为杠杆的端点。的端点。c.在三相区，三个相成分在三相区，三个相成分固定，重量不断变化，杠杆固定，重量不断变化，杠杆定律不适用。定律不适用。合金成分合金成分相相1成分成分相相2成分成分相相1重量重量相相2重量重量合金成分合金成分组织组织1成分成分组织组织2成分成分组织组织1重量重量组织组织2重重量量 分析典型合金的结晶过程分析典型合金的结晶过程相图与合金性能之间的关系相图与合金性能之间的关系 相图与合金力学性能、相图与合金力学性能、物理性能的关系物理性能的关系 两相机械混合物的合金两相机械混合物的合金:性能与合金成分呈直线关性能与合
43、金成分呈直线关系，是两相性能的算术平系，是两相性能的算术平均值，如：均值，如：混混=Q +Q HB混混=HB Q +HBQ(Q 、Q为两相相对重量为两相相对重量)二元相图分析二元相图分析 单相固溶体的合金：单相固溶体的合金：性能随成分呈曲线变化，随性能随成分呈曲线变化，随溶质含量增加，溶质含量增加，、HB、增加，塑性下降。增加，塑性下降。形成稳定化合物的合金：形成稳定化合物的合金：性能性能-成分曲线出现拐点。成分曲线出现拐点。相图与合金性能之间的关系相图与合金性能之间的关系 相图与铸造性能的关系相图与铸造性能的关系 l固溶体合金固溶体合金液固相液固相线间距越大、偏析倾线间距越大、偏析倾向大向大
44、,树枝晶发达树枝晶发达,流流动性降低动性降低,补缩能力补缩能力下降下降,分散缩孔增加分散缩孔增加.l共晶合金共晶合金结晶温度结晶温度低，流动性好，缩孔低，流动性好，缩孔集中，集中，偏析小，偏析小，铸铸造性能好。造性能好。相图与合金性能之间的关系相图与合金性能之间的关系 铁碳合金铁碳合金碳钢碳钢和和铸铁铸铁，是工业应用，是工业应用最广的合金。最广的合金。含碳量为含碳量为0.0218%2.11%的称钢。的称钢。含碳量为含碳量为 2.11%6.69%的称铸铁。的称铸铁。铁碳合金相图铁碳合金相图 铁和碳可形成一系列稳定化合物铁和碳可形成一系列稳定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，它们都可以作为纯组元
45、看待。，它们都可以作为纯组元看待。含碳量大于含碳量大于Fe3C成分（成分（6.69%）时，合金太脆，）时，合金太脆，已无实用价值。已无实用价值。实际所讨论的铁碳合金相图是实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-Fe3C相图。相图。铁碳合金相图铁碳合金相图铁碳合金的组元和相铁碳合金的组元和相 碳在碳在-Fe中的固溶体称中的固溶体称-铁素体铁素体，用，用 表示。表示。都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在在727时最大为时最大为0.0218%，室温室温下仅为下仅为0.0008%。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与
46、纯铁相似。铁素铁素体体l 组元：组元：Fe、Fe3Cl 相相l 铁素体：铁素体：l碳在碳在-Fe中的固溶体称中的固溶体称铁素体铁素体,用用F 或或 表示。表示。铁碳合金相图铁碳合金相图 奥氏体奥氏体:碳在碳在 -Fe中的固溶体称中的固溶体称奥氏体奥氏体。用。用A或或 表示。表示。是面心立方晶格的是面心立方晶格的间隙固溶体间隙固溶体。溶碳能力比铁素体。溶碳能力比铁素体大，大，1148时时最大为最大为2.11%。l组织为组织为不规则多面体不规则多面体晶粒晶粒，晶界较直晶界较直。强。强度低、塑性好，度低、塑性好，钢材钢材热加工都在热加工都在 区进行。区进行。l碳钢室温组织中无奥碳钢室温组织中无奥氏体
47、。氏体。奥氏体奥氏体 铁碳合金的组元和相铁碳合金的组元和相 渗碳体：渗碳体：即即Fe3C,含碳含碳6.69%,用用Fe3C或或Cm表示。表示。Fe3C硬度高硬度高、强度低强度低(b 35MPa),脆性大脆性大,塑性几乎为零塑性几乎为零lFe3C是一个是一个亚稳相亚稳相，在一，在一定条件下可发生分解：定条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C(石墨石墨),该反该反应对铸铁有重要意义。应对铸铁有重要意义。l由于碳在由于碳在-Fe中的溶解度中的溶解度很小，因而常温下很小，因而常温下碳在铁碳在铁碳合金中主要以碳合金中主要以Fe3C或石或石墨墨的形式存在。的形式存在。铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗碳体钢中
48、的渗碳体 铁碳合金的组元和相铁碳合金的组元和相 特征点特征点 LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+铁碳合金相图的分析铁碳合金相图的分析 特征线特征线 液相线液相线ABCD，固相线固相线AHJECFD 三条水平线：三条水平线：HJB：包晶线包晶线LB+H J ECF：共晶线共晶线LC E+Fe3C 共晶产物是共晶产物是 与与Fe3C的机械的机械混合物，称作混合物，称作莱氏体莱氏体,用用Le表示。为表示。为蜂窝状蜂窝状,以以Fe3C为为基，性能硬而脆基，性能硬而脆。莱氏体莱氏体 铁碳合金相图的分析铁碳合金相图的分析 PSK：共析线共析线 S FP+Fe3C 共析转变的产物是共析转变的产
49、物是 与与Fe3C的机械混合物的机械混合物，称，称作作珠光体珠光体，用，用P表示。表示。L+L+L+Fe3C+Fe3C +F+Fe3Cl珠光体珠光体的组织特点是的组织特点是两相呈两相呈片层相间分布片层相间分布,性能介于两相之间。性能介于两相之间。PSK线线又称又称A1线线。珠光体珠光体 铁碳合金相图的分析铁碳合金相图的分析 其它相线其它相线 GS,GP 固溶体固溶体转变线转变线,GS又称又称A3 线线。HN,JN 固溶体固溶体转变线，转变线，ES碳在碳在 -Fe中的固中的固溶线。又称溶线。又称Ac m线线。PQ碳在碳在-Fe中的固中的固溶线。溶线。铁碳合金相图的分析铁碳合金相图的分析 三个三相
50、区：三个三相区：即即HJB(L+)、ECF(L+Fe3C)、PSK(+Fe3C)三条水平线三条水平线 l 相区相区l 五个单相区：五个单相区：L、Fe3C l 七个两相区七个两相区:L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+、+Fe3C 铁碳合金相图的分析铁碳合金相图的分析 钢钢(0.02182.11%C)高温高温组织为单相组织为单相 亚共析钢亚共析钢 (0.02180.77%C)共析钢共析钢(0.77%C)过共析钢过共析钢 (0.772.11%C)l铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：l 工业纯铁工业纯铁(0.0218%C)组织为单相铁素体。组织为单相铁
