1、2022-12-7第七章第七章 二元系相图及其合金的凝固二元系相图及其合金的凝固2022-12-7本章要求 二元相图的表示和测定方法，复习相图热力学的基本要点二元相图的表示和测定方法，复习相图热力学的基本要点 几种基本相图：几种基本相图：匀晶相图（匀晶相图（Cu-Ni合金相图）、合金相图）、共晶相图（共晶相图（Pb-Sn合金相合金相图）、包晶相图（图）、包晶相图（Pt-Ag合金相图）；合金相图）；相律，杠杆定律及其应用；相律，杠杆定律及其应用；二元合金相图中的几种平衡反应：二元合金相图中的几种平衡反应：共晶反应、共析反应、包晶反应、包共晶反应、共析反应、包晶反应、包析反应析反应、偏晶反应、熔晶
2、反应、合晶反应。、偏晶反应、熔晶反应、合晶反应。二元合金相图中合金的结晶转变过程及转变组织。二元合金相图中合金的结晶转变过程及转变组织。熟练掌握熟练掌握Fe-Fe3C相图。熟悉相图。熟悉Fe-C合金中各相与组织的结构。会几种典型合金中各相与组织的结构。会几种典型Fe-C合金的冷却过程分析合金的冷却过程分析 熟练杠杆定律在熟练杠杆定律在Fe-C合金的应用。合金的应用。二元合金的凝固理论二元合金的凝固理论了解合金铸件的组织与缺陷，了解合金铸件的组织与缺陷，高分子合金进行简述。高分子合金进行简述。2022-12-7相图的表示相图的表示2022-12-7二元相图中的成分在国家标准有两种表示方法：质量分
3、数（）和摩尔分数（x），两者换算如下：7.1 7.1 相图的表示和测定方法相图的表示和测定方法 式中，A，B分别为A，B组元的质量分数；ArA，ArB分别为组元A，B的相对原子质量；xA，xB分别为组元A，B的摩尔分数，并且A+B=1（或100），xA+xB=1（或100）。2022-12-7相图测定方法相图测定方法二元相图是根据各种成分材料的临界点绘制的，临界点表示物质结构状态发生本质变化的相变点。动态法热分析法膨胀法电阻法 静态法金相法X射线结构分析精确测定相图需多种方法配合使用2022-12-7下面介绍用热分析法测量临界点来绘制二元相图的过程。测定条件：冷却需非常缓慢，保持热力学平衡。2
4、022-12-7热分析装置示意图热分析装置示意图 2022-12-7二元相图的线、区二元相图的线、区 由凝固开始温度连接起来的线成为液相线（liquidus line）。由凝固终了温度连接起来的线成为固相线（solidus line）。相图中由相界线划分出来的区域称为相区（phase regions），表明在此范围内存在的平衡相类型和数目。在二元合金系中有单相区（single phase region）、两相区（two phase region）、三相区（three phase region）。单相区内、f=2，T和成分都可变。双相区内、f=1，T和成分只有一个可以独立变化。若三相共存、f=0
5、，T和成分都不变，属恒温转变。2022-12-7由相率可知，二元系最多只能三相共存，且在相图上为水平线，如图7.2。2022-12-7固溶体的准化学模型近似：只考虑最近邻原子间的键能 两者晶体结构相同，原子半径相等，且无限互溶，混合后Vm0 只考虑两种不同组元不同排列方式产生的混合熵7.2 7.2 相图热力学的基本要点相图热力学的基本要点 7.2.1 7.2.1 固溶体的自由能固溶体的自由能-成分曲线成分曲线 2022-12-7固溶体的自由能为 7.2 7.2 相图热力学的基本要点相图热力学的基本要点 7.2.1 7.2.1 固溶体的自由能固溶体的自由能-成分曲线成分曲线 式中，xA和xB分别
6、表示A，B组元的摩尔分数；A和B分别表示A，B组元在T(K)温度时的摩尔自由能；R是气体常数；为相互作用参数，其表达式为 式中，NA为阿伏加德罗常数，z为配位数,eAA,eBB和eAB为AA，BB，AB对组元的结合能。2022-12-7按三种不同的情况，分别作出任意给定温度下的固溶体自由能成 分曲线，如图73所示。2022-12-7 相互作用参数的不同，导致自由能相互作用参数的不同，导致自由能成分曲线的差异，其物理意成分曲线的差异，其物理意义为：义为：当当 0 0，由，由(7(74)4)式可知，式可知，A AB B对的能量低于对的能量低于AAAA和和BBBB对的对的 平均能量，所以固溶体的平均
7、能量，所以固溶体的A A，B B组元互相吸引，形成短程有序分布组元互相吸引，形成短程有序分布，在极端情况下会形成长程有序，此时，在极端情况下会形成长程有序，此时HmHm0 0。有序固溶体或有序固溶体或超点阵超点阵 当当 0 0，ABAB对的能量等于对的能量等于A-AA-A和和B-BB-B对的平均能量，组元的配对的平均能量，组元的配置是随机的，这种固溶体称为置是随机的，这种固溶体称为理想固溶体理想固溶体，此时，此时Hm Hm 0 0。当当 0 0，ABAB对的能量高于对的能量高于A-AA-A和和B-BB-B对的平均能量，意味着对的平均能量，意味着 ABAB对结合不稳定，对结合不稳定，A A，B
8、B组元倾向于分别聚集起来，形成偏聚状组元倾向于分别聚集起来，形成偏聚状态，此时态，此时Hm Hm 0 0。偏聚固溶体偏聚固溶体，如，如Al-CuAl-Cu合金的合金的 G.P.G.P.区区 2022-12-77.2.2 多相平衡的公切线原理 自由能成分曲线上每一点切线的含义2022-12-77.2.2 7.2.2 多相平衡的公切线原理多相平衡的公切线原理两相平衡时的成分由两相自由能成分曲线的公切线所确定，如图7.4所示。相平衡的热力学条件：iii由图可知：结论：两者斜率相等，为两相公切线。AABB,iii2022-12-7对于二元系在特定温度下可出现三相平衡，如对于二元系在特定温度下可出现三相
9、平衡，如7.57.5所示：所示：2022-12-77.2.3 混合物的自由能和杠杆法则 设A、B两组元形成的和两相，物质的量和摩尔吉布斯自由能分别为：n1，n2和Gm1，Gm2，和相中含B组元的摩尔分数分别为x1和x2。相(n1摩尔，Gm1)相(n2摩尔，Gm2)混合物组元B(x1)组元B(x2)2022-12-7混合物中B组元的摩尔分数(x):212211nnxnxnx212211nnGnGnGmmm1221xxxxnn1221mmmmGGGGnn1212mmmmGGGGxxxxxxGGxxGGmmmm2211上式表明：斜率相等，说明Gm必在Gm1和Gm2同一直线上（两相平衡时的公切线），而
10、且 x(平衡相成分)必在x1和x2之间，如下图所示。2022-12-7 xxGGxxGGmmmm2211上式表明上式表明：斜率相等，说明：斜率相等，说明Gm必在必在Gm1和和Gm2同一直线上（两同一直线上（两相平衡时的公切线），而且相平衡时的公切线），而且 x(平衡相成分平衡相成分)必在必在x1和和x2之间。之间。2022-12-7 混合物混合物Gm最低，两平衡相共存，各相的成分是切点最低，两平衡相共存，各相的成分是切点所对应的成分所对应的成分x1和和x2，固定不变。，固定不变。那么，当合金成分那么，当合金成分x在在x1,x2变化时，将引起体系内怎样的变化呢？变化时，将引起体系内怎样的变化呢？
11、两相相对量的变化两相相对量的变化杠杆定理杠杆定理导出导出由图由图7.6可知，可知，两边除以两边除以x2-x，得：，得：21xxx)()(1212xxxxxx1211221212221211nnnnnxxxxxxxxxxxxxxxx122211xxxxnnn121212xxxxnnn相图中两相平衡相图中两相平衡时相含量计算得时相含量计算得基本法则基本法则杠杆杠杆法则法则相的相对量相的相对量2022-12-77.2.4 7.2.4 从自由能从自由能成分曲线推测相图成分曲线推测相图根据公切线原理可求出体系在某一温度下平衡相的成分。图77表示由T1，T2，T3，T4及T5温度下液相(L)和固相(S)的
12、自由能一成分曲线求得A，B两组元完全互溶的相图。2022-12-7图图78表示了由表示了由5 5 个不同温度下个不同温度下L L，和和相的自由能一成分曲线求相的自由能一成分曲线求得得A A，B B两组元形成共晶系的相图。两组元形成共晶系的相图。2022-12-72022-12-72022-12-72022-12-7图图79、图图710和图和图711分别示出包晶相图、溶混间隙相图和形分别示出包晶相图、溶混间隙相图和形成化合物相图与自由能成化合物相图与自由能成分曲线成分曲线 的关系。的关系。2022-12-72022-12-77.2.5 7.2.5 二元相图的几何规律二元相图的几何规律 根据热力学
13、的基本原理，可导出相图应遵循的一些几何规律，由此根据热力学的基本原理，可导出相图应遵循的一些几何规律，由此能帮助我们理解相图的构成，并判断所测定的相图可能出现的错误。能帮助我们理解相图的构成，并判断所测定的相图可能出现的错误。(1)相图中所有的线条都代表发生相转变的温度和平衡相的成分，所相图中所有的线条都代表发生相转变的温度和平衡相的成分，所以以相界线是相平衡的体现，平衡相成分必须沿着相界线随温度而变化。相界线是相平衡的体现，平衡相成分必须沿着相界线随温度而变化。(2)相区接触法则相区接触法则：两个单相区之间必定有一个由该两相组成的两相两个单相区之间必定有一个由该两相组成的两相区把它们分开，而
14、不能以一条线接界。两个两相区必须以单相区或三相区把它们分开，而不能以一条线接界。两个两相区必须以单相区或三相水平线隔开。水平线隔开。(3)二元相图中的二元相图中的三相平衡三相平衡必为必为一条水平线一条水平线，表示恒温反应。，表示恒温反应。(4)相界线走向规则：相界线走向规则：当两相区与单相区的分界线与三相等温线相交当两相区与单相区的分界线与三相等温线相交，则分界线的延长线应进入另一两相区内，而不会进入单相区内。，则分界线的延长线应进入另一两相区内，而不会进入单相区内。2022-12-77.3.1 7.3.1 匀晶相图和固溶体凝固匀晶相图和固溶体凝固-匀晶相图匀晶相图两组元无限互溶的条件：两组元
15、无限互溶的条件：晶体结构相同晶体结构相同 原子尺寸相近，尺寸差原子尺寸相近，尺寸差15%T2温度，可采取两种方法：每一步都非常缓慢，处于平衡状态；每一步都非常缓慢，处于平衡状态；一下子降温到一下子降温到T T2 2温度，保温足够长时间，使其扩散均匀温度，保温足够长时间，使其扩散均匀 固相成分由初始41Ni36Ni，依靠固相量的增多；液相成分由初始30Ni24Ni，依靠结晶出3641Ni的固相 晶粒之间和晶粒内部的成分是均匀的2022-12-7 固溶体非平衡凝固固溶体非平衡凝固在工业生产中，合金溶液浇涛后的冷却速度较快，使凝固过在工业生产中，合金溶液浇涛后的冷却速度较快，使凝固过程偏离平衡条件，
16、称为非平衡凝固。图程偏离平衡条件，称为非平衡凝固。图7 717(a)17(a)是非平衡凝是非平衡凝固时液、固两相成分变化的示意图。固时液、固两相成分变化的示意图。2022-12-7固溶体非平衡凝固特点固溶体非平衡凝固特点u液、固相平均成分线与冷速有关，冷速越快液、固相平均成分线与冷速有关，冷速越快，偏离越严重；反之，越接近平衡状态；，偏离越严重；反之，越接近平衡状态；u先结晶部分总是富高熔点组元；先结晶部分总是富高熔点组元；u非平衡凝固终结温度低于平衡凝固时的终结非平衡凝固终结温度低于平衡凝固时的终结温度。温度。2022-12-7固溶体通常以树枝状生长方式结晶，非平衡凝固导致先结晶固溶体通常以
17、树枝状生长方式结晶，非平衡凝固导致先结晶的枝干和后结晶的枝间的成分不同，故称为的枝干和后结晶的枝间的成分不同，故称为枝晶偏析枝晶偏析。图。图7 71818是是Cu-NiCu-Ni合金的铸态组织，树枝晶形貌的显示是由于枝干和合金的铸态组织，树枝晶形貌的显示是由于枝干和枝间的成分差异引起浸蚀后颜色的深浅不同。图枝间的成分差异引起浸蚀后颜色的深浅不同。图7 71919是经扩是经扩散退火后的散退火后的CuCuNiNi合金的显微组织，树枝状形态已消失，由合金的显微组织，树枝状形态已消失，由电子探针微区分析的结果也证实了枝晶偏析已消除。电子探针微区分析的结果也证实了枝晶偏析已消除。2022-12-71、E
18、：低共熔点：低共熔点 L AB f=0 TAE 液相线液相线 L A f=1 TBE 液相线液相线 L B f=12、M点析晶路程点析晶路程具有低共熔点的二元系统相图具有低共熔点的二元系统相图A TBE ABALBLTABLBMTECE2022-12-7 Lp=1 f=2M(熔体熔体)L1 s1,(A)L A p=2 f=1L2s2,AL A p=2 f=1EsE，A(B)L A+B p=3 f=0E(液相消失液相消失)ME,A+Bp=2 f=1M3,A+BA TBALBLTABLBMA+BEL2S2L1S1SEMEM32022-12-7杠杆规则杠杆规则A TBALBLTABLBMA+BEL2
19、S2L1S1SEMEM3M2M1T1T2TE(3)刚到刚到TE :晶体晶体B未析出，固相只含未析出，固相只含A。S%=MEE/SEE 100 ；L MESE/SEE 100(4)离开离开TE ：L 消失，晶体消失，晶体A、B 完全析出。完全析出。SA%=M3B/AB 100 ；SB%=M3A/AB 100 (1)T1：固相量固相量 S%=0 ;液相量液相量 L=100%;(2)T2：S%=M2L2/S2L2 100 ；L M2S2/S2L2 1002022-12-7共晶合金的平衡凝固及其组织共晶合金的平衡凝固及其组织共晶相图的概念 组成共晶相图（the eutectic phase diagr
20、am）的两组元，其相互作用的特点是:液态下两组元能无限互溶，固态下只能部分互溶(形成有限固溶体或化合物)，甚至有时完全不溶，并具有共晶转变（the eutectic reaction）。所谓所谓共晶转变共晶转变是在一定条件下是在一定条件下(温度、成分温度、成分)，由均匀液体，由均匀液体中同时结晶出两种不同固相的转变，所得到两固相的混合中同时结晶出两种不同固相的转变，所得到两固相的混合物称为物称为共晶组织共晶组织(体体)。具有共晶转变的相图称为共晶相图。具有共晶转变的相图称为共晶相图。属于二元共晶相图的合金有：PbSn、PbSb、AlSi、AlCu、MgSi、AlMg等。2022-12-7共晶相
21、图分析共晶相图分析 相图中有三个基本相：液相（L）、固相和 相图中的相线：液相线、固相线和共晶转变线。共晶转变线是一条水平线，是L、和三相共存的温度和各相的成分。成分为E的液相在该温度下发生共晶反应：LE M+N 共晶组织（eutectic structure）的特点是两相细小弥散混合。发生共晶转变的温度称为共晶温度（the eutectic temperature）。发生共晶转变的液相成分点E称为共晶点（the eutectic point）或共晶成分。相图中的相区：三个单相区：L相区、相区和相区；三个双相区 L+相区、L+相区、+相区；三相共存于MEN线 L+各相区中相组成物：各相区中组织
22、组成物：2022-12-7共晶合金的特点共晶合金的特点 熔点分别低于各纯组元；熔点分别低于各纯组元；比纯金属具有更好的流动性，防止枝晶的形成；比纯金属具有更好的流动性，防止枝晶的形成；恒温转变，减少铸造缺陷；恒温转变，减少铸造缺陷；其组织弥散细小混合，层状或杆状组织，性能优其组织弥散细小混合，层状或杆状组织，性能优异的原位复合材料。异的原位复合材料。2022-12-7共晶合金的平衡凝固及其组织共晶合金的平衡凝固及其组织PbPbSnSn共晶相图共晶相图2022-12-7共晶合金的平衡凝固共晶合金的平衡凝固 根据相变特点和组织特征将共晶系合金分为了四类：端部固溶体合金、亚共晶合金（hypoeute
23、ctic alloys）、过共晶合金（hypereutectic alloys）、共晶合金（eutectic alloy）。(1)端部固溶体合金端部固溶体合金(Sn)19%的合金)这类合金的冷却曲线为：结晶过程：L L+III+匀晶反应 脱溶转变 室温组织：+2022-12-7图721为(Sn)10的Pb-Sn合金平衡凝固过程示意图。2022-12-72022-12-7共晶合金（共晶合金（61.9Sn）该合金的冷却曲线为：该合金发生共晶反应：LE M+N 这一过程在恒温下进行，直至凝固结束。形成共晶体（+）。两个相的相对量可用杠杆法则求得：M=EN/MN N=ME/MN 其组织特征如图7.22
24、 结晶过程：LL+（+）(+)共 共晶反应脱溶转变 室温组织：(+)共2022-12-7共晶合金平衡凝固示意图共晶合金平衡凝固示意图2022-12-7共晶合金的平衡结晶的显微组织共晶合金的平衡结晶的显微组织2022-12-7亚共晶合金亚共晶合金 这类合金的冷却曲线为：其组织变化示意图如图：其结晶过程：LL+L+（+）共+(+)共+(+)共 匀晶反应共晶反应脱溶转变 室温组织：+(+)共 在共晶转变之前，从液态中先结晶出相。先结晶出的相叫先共晶相（pro-eutectic phase）。先共晶相和液相比例可用杠杆法则求出 2022-12-72022-12-72022-12-7现以现以 (Sn)(
25、Sn)5050的的Pb-SnPb-Sn合金为例合金为例,分析其平衡凝固过分析其平衡凝固过程程(见图见图7.24)7.24)。c.c.亚共晶合金亚共晶合金2022-12-7暗黑色树枝状晶为初生固溶体，其中的白点为，而黑白相间者为()共晶体。亚共晶合金的平衡结晶的显微组织亚共晶合金的平衡结晶的显微组织2022-12-7过共晶合金过共晶合金 过共晶合金的凝固过程和组织特征与亚共晶合金相类似，只是初生相(先共晶相)为固溶体而不是固溶体。这类合金的冷却曲线为：其结晶过程组织变化示意图如图：结晶过程：LL+L+（+）共+(+)共+(+)共 匀晶反应共晶反应脱溶转变 室温组织：+(+)共2022-12-7过
26、共晶合金显微组织过共晶合金显微组织成分位于E，N两点之间的合金称为过共晶合金。其平街凝固过程及平衡组织与亚共晶合金相似，只是初生相为固溶体而不是固溶体。室温时的组织为初+（+）。2022-12-7共晶系合金平衡凝固特点共晶系合金平衡凝固特点 通过以上分析共晶系合金的平衡凝固可分为两类：通过以上分析共晶系合金的平衡凝固可分为两类：固溶体合金和共晶型合金固溶体合金和共晶型合金。前者的结晶过程主要为。前者的结晶过程主要为匀晶相变脱溶转变匀晶相变脱溶转变，组织为初生固溶体和次生组，组织为初生固溶体和次生组织；后者的结晶过程主要为织；后者的结晶过程主要为匀晶相变、共晶相变和匀晶相变、共晶相变和脱溶相变脱
27、溶相变，组织为初生固溶体、共晶体和次生组织，组织为初生固溶体、共晶体和次生组织。2022-12-7共晶系合金平衡凝固特点共晶系合金平衡凝固特点 需要指出的是在分析显微组织时，应注意需要指出的是在分析显微组织时，应注意组织组成组织组成物物和和相组成相组成的区别。组织组成物是在结晶过程中形的区别。组织组成物是在结晶过程中形成的，有清晰轮廓的独立组成部分，如上述组织中成的，有清晰轮廓的独立组成部分，如上述组织中、(+)共共 都是组织组成物。而相都是组织组成物。而相组成物是指组成显微组织的基本相，它有确定的成组成物是指组成显微组织的基本相，它有确定的成分及结构但没有形态上的概念，上述各类合金在室分及结
28、构但没有形态上的概念，上述各类合金在室温的相组成物都是温的相组成物都是相和相和相。所以共晶合金都是由相。所以共晶合金都是由相和相和相组成的相组成的机械混合物（机械混合物（mechanical mixture）。2022-12-73共晶合金的非平衡凝固在非平衡凝固条件下，某些亚共晶或过共晶成分的合金也能得全部的共晶组织，这种由非共晶成 分的合金所得到的共晶组织称为伪共晶，如图7.27所示。a伪共晶伪共晶2022-12-7 在用在用Al-SiAl-Si合金中，共晶成分的合金中，共晶成分的Al-SiAl-Si合金在快冷条件下得到的组合金在快冷条件下得到的组织不是共晶组织，而是亚共晶组织；而过共晶成分
29、的合金则可能得织不是共晶组织，而是亚共晶组织；而过共晶成分的合金则可能得到共晶组织或亚共晶组织，这种异常现象通过图到共晶组织或亚共晶组织，这种异常现象通过图7 72828所示的伪共晶所示的伪共晶区的配置不难解释了。区的配置不难解释了。2022-12-7b.非平衡共晶组织非平衡共晶组织由于非平衡共晶体数量较少，通常共晶体中由于非平衡共晶体数量较少，通常共晶体中相依附于初生相依附于初生相生长，将共晶体中另一相相生长，将共晶体中另一相推到最后凝固的晶界处从而使推到最后凝固的晶界处从而使共晶体两组成相间的组织特征消失，这种两相分离的共晶体共晶体两组成相间的组织特征消失，这种两相分离的共晶体称为称为离异
30、共晶（离异共晶（divorced eutectic）离异共晶可通过非平衡凝固获得，如相图中的离异共晶可通过非平衡凝固获得，如相图中的a点左侧合金点左侧合金,c点右侧合金；点右侧合金；也可通过平衡凝固获得，如相图中的也可通过平衡凝固获得，如相图中的a点右侧合金点右侧合金,c点左侧点左侧合金；合金；2022-12-7离异共晶显微组织图离异共晶显微组织图2022-12-7包晶相图及其合金凝固包晶相图及其合金凝固包晶相图概述包晶相图概述 有些合金当凝固到一定温度时，已结晶出来的一定成分有些合金当凝固到一定温度时，已结晶出来的一定成分的固相与剩余液相的固相与剩余液相(有确定成分有确定成分)发生反应生成另
31、一种固相发生反应生成另一种固相的恒温转变过程称为的恒温转变过程称为包晶转变（包晶转变（peritectic reaction）。两组元在液态下无限互溶，固态下只能部分互溶并具有两组元在液态下无限互溶，固态下只能部分互溶并具有包晶转变的相图称为二元包晶转变的相图称为二元包晶相图（包晶相图（the peritectic phase diagram）。具有包晶转变的二元合金有：具有包晶转变的二元合金有：CuSn、FeC、CuZn、AgSn、AgPt 2022-12-7包晶相图分析包晶相图分析 线：线：固相线、液相线、水平线固相线、液相线、水平线(DPC)为包晶转变线。为包晶转变线。包包晶转变线上的合
32、金在该温度下发生包晶转变：晶转变线上的合金在该温度下发生包晶转变：Lc+p=D 相区：相区：三个单相区三个单相区 L相区、相区、相区和相区和相区；相区；三个双相区三个双相区 L+相区、相区、L+相区、相区、+相区；相区；三相共存于三相共存于DPC线线 L+包晶线与共晶线不同之处在于：共晶线为固相线，线上的包晶线与共晶线不同之处在于：共晶线为固相线，线上的合金在共晶温度全部凝固完毕，其组织为两相混合物。包合金在共晶温度全部凝固完毕，其组织为两相混合物。包晶线仅有晶线仅有DP为固相线，而为固相线，而DC为液相线。为液相线。2022-12-7包晶相图包晶相图图730所示的Pt-Ag相图是具有包晶转变
33、的相图中的典型代表。2022-12-7包晶点（D）合金 冷却曲线冷却曲线 发生包晶反应：发生包晶反应：Lc+P=D为恒温反应为恒温反应 结晶过程：结晶过程：LL+L+匀晶反应包晶反应脱溶转变匀晶反应包晶反应脱溶转变 室温组织：室温组织：+包晶转变机理：包晶转变机理：2022-12-7a.a.(Ag)为42.4%的Pt-Ag合金(合金)2022-12-7包晶反应时原子迁移过程示于图包晶反应时原子迁移过程示于图7.327.32中：中：2022-12-7包晶点（包晶点（D）以右合金）以右合金 冷却曲线冷却曲线 碰到碰到PC发生包晶反应发生包晶反应：Lc+P=D 为恒温反应为恒温反应 结晶过程：结晶过
34、程：LL+L+L+匀晶反应包晶反应匀晶反应脱溶转变匀晶反应包晶反应匀晶反应脱溶转变 室温组织：室温组织：+2022-12-7b.42.4%(Ag)66.3%的的Pt-Ag合金合金(合金合金)2022-12-7包晶点（包晶点（D）以左合金）以左合金 冷却曲线冷却曲线 碰到碰到DP发生包晶反应：发生包晶反应：Lc+P=D 为恒温反应为恒温反应 结晶过程：结晶过程：LL+L+匀晶反应匀晶反应 包晶反应包晶反应 脱溶转变脱溶转变 室温组织：室温组织：+2022-12-7c.10.5%(Ag)0.0218%的的Fe、C合金冷却到合金冷却到PSK线均发生共析反线均发生共析反应，即：应，即：0.770.02
35、18+Fe3C （SP+Fe3C）转变转变产物为产物为和和Fe3C组成的机械混合物称为组成的机械混合物称为珠光体（珠光体（pearlite），），用用P表示。共析转变温度常用表示。共析转变温度常用A1表示。表示。2022-12-7两条磁性转变线两条磁性转变线 230为水平线为为水平线为Fe3C的磁性转变线，的磁性转变线，230以上以上Fe3C无磁性，无磁性，230以下为铁磁性。常用以下为铁磁性。常用A0表示表示 770为为的铁磁性转变线。的铁磁性转变线。770以上无铁磁性以上无铁磁性，770以下为铁磁体。常用以下为铁磁体。常用A2表示，又称居里表示，又称居里点。点。2022-12-7几条重要的
36、相界线几条重要的相界线(固态转变线固态转变线)GS线线：A中开始析出中开始析出或或全部溶入全部溶入(升温时升温时)的转变线。常的转变线。常用用A3表示。因这条线在共析转变线以上，故又称为先共析表示。因这条线在共析转变线以上，故又称为先共析相开始析出线。常称为相开始析出线。常称为A3线或线或A3温度。温度。ES线线：C在在中溶解度曲线。常用中溶解度曲线。常用Acm表示，称为表示，称为Acm温度。温度。低于此温度，溶解度降低，将析出低于此温度，溶解度降低，将析出Fe3C。为了区别自液。为了区别自液(CD线线)态合金中直接析出的一次态合金中直接析出的一次Fe3C，将，将中析出的中析出的Fe3C称为称
37、为二次二次Fe3C。PQ线线：C在在中溶解度曲线。在中溶解度曲线。在727时，时，C在在中的最大中的最大溶解度溶解度0.0218%，但温度下降，但温度下降，C在中溶解度下降，会析出在中溶解度下降，会析出少量的渗碳体，称为三次少量的渗碳体，称为三次Fe3C。以区别于沿。以区别于沿CD线和线和ES线线析出的析出的Fe3C。2022-12-7FeFe3C相图中的区相图中的区FeFe3C相图中的区：相图中的区：4个单相区：个单相区：L、7个两相区：个两相区：L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+、+Fe3C 3个三相共存区：个三相共存区：L+Fe3C（ECF线）、线）、L+（HJB线）、线）、+
38、Fe3C（PSK线）线）2022-12-7FeC合金分类合金分类 Fe、C合金通常按其含碳量合金通常按其含碳量(Wc)及其室温平衡及其室温平衡组织分为三大类：组织分为三大类：工业纯铁（工业纯铁（pure iron）碳钢（碳钢（carbon steel）铸铁（铸铁（cast iron）根据碳钢和铸铁的相变、组根据碳钢和铸铁的相变、组织特征可把二者细分。即：织特征可把二者细分。即：1）工业纯铁：）工业纯铁：(Wc0.0218%)显微组织为固溶体显微组织为固溶体2022-12-72、钢、钢钢（钢（steel）是含碳量在是含碳量在(Wc=0.02182.11%)之间的之间的Fe、C合金。其特点是：合金
39、。其特点是：高温组织为单相的高温组织为单相的，具有很好的塑性。因而可以，具有很好的塑性。因而可以进行锻造、轧制等压力加工。根据其室温组织的不进行锻造、轧制等压力加工。根据其室温组织的不同，碳钢（同，碳钢（carbon steel）又可分为：）又可分为：共析钢（共析钢（eutectoid steel）：Wc=0.77%亚共析钢（亚共析钢（hypoeutectoid steel）：Wc=0.02180.77%过共析钢（过共析钢（hypereutectoid steel）：Wc=0.772.11%2022-12-73、白口铸铁 白口铸铁（白口铸铁（white cast iron）是含碳量在是含碳量在
40、Wc=2.116.69%之间的之间的Fe、C合金。其特点液态合金结晶时都发生共晶反合金。其特点液态合金结晶时都发生共晶反应，液态时有良好的流动性，因而铸铁都具有良好的铸造应，液态时有良好的流动性，因而铸铁都具有良好的铸造性能。但因共晶产物是以性能。但因共晶产物是以Fe3C为基的莱氏体组织，所以性为基的莱氏体组织，所以性能很脆，不能锻造。它们的断口呈银白色，故称为白口铸能很脆，不能锻造。它们的断口呈银白色，故称为白口铸铁。根据白口铸铁室温组织不同，可分为三种：铁。根据白口铸铁室温组织不同，可分为三种：共晶白口铸铁（共晶白口铸铁（eutectoid cast iron）：Wc=4.30%亚共晶白口
41、铸铁（亚共晶白口铸铁（hypoeutectoid cast iron）：Wc=2.114.30%过共晶白口铸铁（过共晶白口铸铁（hypereutectoid cast iron）：Wc=4.306.69%上述上述Wc=2.11%具有重要的意义，它是钢和铸铁具有重要的意义，它是钢和铸铁(生铁生铁)的的理论分界线。理论分界线。2022-12-7FeC合金的平衡结晶过程及组织 工业纯铁工业纯铁 以以Wc=0.01%的合金为例的合金为例 室温组织为：室温组织为：+Fe3C Fe3C最多为最多为0.33%如下图如下图 转变过程：转变过程：LL+Fe3C 匀晶转变多晶型转变脱溶沉淀匀晶转变多晶型转变脱溶沉
42、淀2022-12-7（1）工业纯铁2022-12-7工业纯铁室温组织图（工业纯铁室温组织图（200）2022-12-7（2）共析钢（）共析钢（Wc=0.77%）冷却曲线如图：2022-12-7共析钢（共析钢（Wc=0.77%）冷却曲线如图：冷却曲线如图：室温组织为室温组织为P（+Fe3C），），P呈层片状，是呈层片状，是和和Fe3C的层片交替重叠的机械混合物。如图的层片交替重叠的机械混合物。如图7.53图中图中的白色片状为的白色片状为，黑色片状为，黑色片状为Fe3C。过程如下：过程如下：LL+P（+Fe3C）匀晶转变共析转变脱溶沉淀匀晶转变共析转变脱溶沉淀2022-12-72022-12-7共
43、析钢的室温组织（共析钢的室温组织（650650）2022-12-7用透射电镜观察图用透射电镜观察图7.537.53中的珠光体组织，如图中的珠光体组织，如图7.547.54所示。所示。在同一珠光体中，铁素体在同一珠光体中，铁素体和渗碳体具有一定的晶体和渗碳体具有一定的晶体学位向关系：学位向关系：2022-12-7如果层片状珠光体经适当退火处理，共析渗碳体可呈球状如果层片状珠光体经适当退火处理，共析渗碳体可呈球状分布在铁索体的基体上，称为球状（或粒状）珠光体，如分布在铁索体的基体上，称为球状（或粒状）珠光体，如图图7.557.55所示。所示。2022-12-7（3 3）亚共析钢）亚共析钢 亚共析钢
44、（亚共析钢（Wc=0.0218Wc=0.02180.77%0.77%）冷却曲线冷却曲线如图：如图：2022-12-7亚共析钢（Wc=0.02180.77%）冷却曲线如图：冷却曲线如图：室温组织为：室温组织为：+P 如图如图7.56中的白色为中的白色为，黑色片状为，黑色片状为P。过程如下：过程如下：LL+L+L+P+P（析出（析出Fe3C）匀晶转变包晶转变共析转变脱溶沉淀匀晶转变包晶转变共析转变脱溶沉淀 特别需注意：室温组织为特别需注意：室温组织为+P，由于，由于是发生在共析转变是发生在共析转变之前，我们称为之前，我们称为先共析铁素体先共析铁素体。共析转变之前。共析转变之前和和的相对的相对量量(
45、即共析转变后即共析转变后和和P的相对量的相对量)可通过杠杆法则来计算。可通过杠杆法则来计算。2022-12-72022-12-7亚共析钢的室温组织（亚共析钢的室温组织（200200）2022-12-7（4 4）过共析钢过共析钢（Wc=0.77Wc=0.772.11%2.11%）过共析钢过共析钢 冷 却 曲冷 却 曲线如图：线如图：2022-12-7过共析钢（过共析钢（Wc=0.772.11%）冷却曲线如图：冷却曲线如图：室温组织为：室温组织为：P+Fe3C。凝固过程如下：凝固过程如下：LL+Fe3C P+Fe3C 匀晶转变共析转变脱溶沉淀匀晶转变共析转变脱溶沉淀2022-12-72022-12
46、-72022-12-7铸铁分类铸铁分类灰口铸铁：灰口铸铁：含碳量较高（含碳量较高（2.74.0），碳主要以片状石墨形态存），碳主要以片状石墨形态存在，断口呈灰色，简称灰铁。熔点低（在，断口呈灰色，简称灰铁。熔点低（11451250），凝固时收缩），凝固时收缩量小，抗压强度和硬度接近碳素钢，减震性好。用于制造机床床身、量小，抗压强度和硬度接近碳素钢，减震性好。用于制造机床床身、汽缸、箱体等结构件。汽缸、箱体等结构件。白口铸铁：白口铸铁：碳、硅含量较低，碳主要以渗碳体形态存在，断口呈银白碳、硅含量较低，碳主要以渗碳体形态存在，断口呈银白色。凝固时收缩大，易产生缩孔、裂纹。硬度高，脆性大，不能承受色
47、。凝固时收缩大，易产生缩孔、裂纹。硬度高，脆性大，不能承受冲击载荷。多用作可锻铸铁的坯件和制作耐磨损的零部件。冲击载荷。多用作可锻铸铁的坯件和制作耐磨损的零部件。可锻铸铁：可锻铸铁：由白口铸铁退火处理后获得，石墨呈团絮状分布，简称韧由白口铸铁退火处理后获得，石墨呈团絮状分布，简称韧铁。其组织性能均匀，耐磨损，有良好的塑性和韧性。用于制造形状铁。其组织性能均匀，耐磨损，有良好的塑性和韧性。用于制造形状复杂、能承受强动载荷的零件。复杂、能承受强动载荷的零件。球墨铸铁：球墨铸铁：将灰口铸铁铁水经球化处理后获得，析出的石墨呈球状，将灰口铸铁铁水经球化处理后获得，析出的石墨呈球状，简称球铁。比普通灰口铸
48、铁有较高强度、较好韧性和塑性。用于制造简称球铁。比普通灰口铸铁有较高强度、较好韧性和塑性。用于制造内燃机、汽车零部件及农机具等。内燃机、汽车零部件及农机具等。蠕墨铸铁：蠕墨铸铁：将灰口铸铁铁水经蠕化处理后获得，析出的石墨呈蠕虫状将灰口铸铁铁水经蠕化处理后获得，析出的石墨呈蠕虫状。力学性能与球墨铸铁相近，铸造性能介于灰口铸铁与球墨铸铁之间。力学性能与球墨铸铁相近，铸造性能介于灰口铸铁与球墨铸铁之间。用于制造汽车的零部件。用于制造汽车的零部件。合金铸铁：合金铸铁：普通铸铁加入适量合金元素（如硅、锰、磷、镍、铬、钼普通铸铁加入适量合金元素（如硅、锰、磷、镍、铬、钼、铜、铝、硼、钒、锡等）获得。、铜、
49、铝、硼、钒、锡等）获得。2022-12-7（6）亚共晶白口铸铁）亚共晶白口铸铁（Wc=2.114.30%）冷却曲线如图：2022-12-7共晶白口铸铁（Wc=4.30%）液相冷至液相冷至C点，发生共晶转变：点，发生共晶转变：L4.302.11+Fe3C 此共此共晶体成为晶体成为莱氏体莱氏体(Ld：+Fe3C)，温度降低，不断从共晶奥，温度降低，不断从共晶奥氏体中析出二次渗碳体，其相对量可达氏体中析出二次渗碳体，其相对量可达11.8。当温度降。当温度降至至PSK线发生共析转变形成线发生共析转变形成P，共析转变结束后组织为，共析转变结束后组织为Fe3C+P+Fe3C，称为，称为低温莱氏体低温莱氏体
50、(变态莱氏体变态莱氏体)，用，用Ld表示。表示。室温组织为：室温组织为：Ld（P+Fe3C+Fe3C）过程如下：过程如下：LL+Ld（+Fe3C）LdLd(+Fe3C+Fe3C）Ld（P+Fe3C+Fe3C）共晶转变共析转变脱溶沉淀共晶转变共析转变脱溶沉淀2022-12-7共晶白口铸铁组织图（共晶白口铸铁组织图（200）2022-12-7（6）亚共晶白口铸铁）亚共晶白口铸铁（Wc=2.114.30%）冷却曲线如图：2022-12-7亚共晶白口铸铁（Wc=2.114.30%）q 室温组织为：室温组织为：Fe3C+Ld+P，其组织如图，其组织如图7.59 过程如下：过程如下：LL+L+Ld+Ld
