第四章：二元相图课件.ppt

第四章：二元相图,复习合金、组元、相、相结构（固溶体、化合物） 纯金属结晶单相。,相图：以温度为纵坐标，成分为横坐标，反映不同成分的合金在任意温度下所处的平衡相状态的图解。相图状态图，平衡状态图 。平衡：合金从液态（高温）到室温是在极其缓慢的条件下完成的。相图用途：帮助认识相的变化规律 计算任意合金在不同温度下相和组织含量。 帮助制定热加工工艺： a.铸造 、 b.锻造、 c.热处理,第四章：二元相图,41相图的基本知识 411相图的表示方法 相图反映的是相的平衡状态，是在极其缓慢冷却条件下测定的，以温度为纵坐标， 成分为横坐标。,以Pb-Sn二元合金相图为例说明。,温度：纵坐标 成分：横坐标，用重量百分数表示例“10”表示：含Sn=10%，含Pb=90%,相区用一些字母表示：如：L-表示液相区 L+ -表示液相和固相（）两相区 相区交界线：例AE线，L与L+交界线 AEB线：液相线 AMENB线：固相线,表象点：标图上任意一点，反映给定成分合金在一定温度下所具有的相的状态。,第四章：二元相图,41相图的基本知识,412二元合金相图的建立,实验测定.测定原理：合金发生相变时，会导致物理、力学性能变化及结构变化。,测定方法：（复杂相图需用几种方法结合） 热分析法 电阻法 硬度法 膨胀法 金相法 x-射线检测法 磁性法,第四章：二元相图,41相图的基本知识,412二元合金相图的建立,测定方法：,以Pb-Sn二元相图为例，说明相图建立过程。,采用热分析法测冷却曲线。依据：相变时放热，冷却曲线上有拐点。,测定步骤：（结合黑板） 配置几组不同成分的合金。 测定上述合金各自冷却曲线。 确定各曲线上的拐点（临界点）温度。 将临界点引入相图的相应位置，将具有相同意义的点连接起来。用字母表示不同相的名称，填入不同相区。,第四章：二元相图,41相图的基本知识,413相律及杠杆定律 1相律及应用 相律作用：帮助分析使用相图 判断相图是否正确,（1）相律概念：表示在相平衡状态下，系统的自由度数，组元数和相数之间的关系。 表达式：f=C-P+2 f:自由度数；C:组元数；P:相数；2：温度、压力。 合金结晶、固态相变是在恒压下进行（压力影响小） f=C-P+1,第四章：二元相图,41相图的基本知识,413相律及杠杆定律 1相律及应用,相律表达式：f=C-P+1,自由度f:当合金相数固定时，合金相可以独立改变的、影响合金状态的内、外因素的数目。 内因：成份；外因：温度。,最大自由度数：纯金属：1个温度可变（成份不可变） 二元合金：2个温度，一个成分 三元合金：3个温度，两个成分。 当f=0时，温度、成分都固定。,第四章：二元相图,41相图的基本知识,413相律及杠杆定律 1相律及应用,（2）相律应用：以Pb-Sn合金为例说明：,纯金属在恒温下结晶。在熔点，液相、固相共存。 f=1-2+1=0,合金在两相区，当温度一定时，两相成分固定。 f=2-2+1,只有一个独立变量。 例x成分：C=2;P=2当t固定：液相成分为x1;固相成分为x2. 也说明二元合金在一定温度范围内结晶。,当二元合金出现三相平衡时，成分、温度均恒定。 f=C-P+1=2-3+1=0 例：相图中在183，三相：、L、平衡，其成分分别为M、E、N点。,可确定合金系中最多平衡相数。 令：f=0 得：P=C+1 纯金属：Pmax=2; 二元合金：Pmax=3; 三元合金：Pmax=4,第四章：二元相图,41相图的基本知识,413相律及杠杆定律,2.杠杆定律： 问题提出： 当二元合金（成分已知）由两相组成时两相的相对重量是多少？ 例：45钢（含C=0.45%）,铁素体（F）和Fe3C两相各占多少？ 当二元合金两相相对重量已知时，合金成分是多少？ 例：金相观察：F:95%; Fe3C：5%；求钢的含碳量？ 杠杆定律可以解决此类问题。,以Cu-Ni二元合金相图说明：,第四章：二元相图,41相图的基本知识,413相律及杠杆定律,2.杠杆定律：,以Cu-Ni二元合金相图说明：,计算成分为x的合金在t1时，L和两相的相对重量。 根据相律：在t1时，L和两相成分分别为CL,C .。 设：合金总重量为1，液相重为WL, 相重W 则有：WL+W=1 WLxCL+Wx C =C (液相含Ni量+固相含Ni量=合金含Ni量),解得：,推导见板书,第四章：二元相图,41相图的基本知识,413相律及杠杆定律,2.杠杆定律：,*杠杆定律适用于任何二元相图两相区两相重量的计算。 在单相区，其相占100% （二元相图的几何规律，后面讲解）,第四章：二元相图,42二元相图的基本类型基本类型：a.匀晶型 b.共晶型 c.包晶型（复杂相图都由简单类型组合而成）,第四章：二元相图,421匀晶相图匀晶转变：由液相结晶出单相固溶体的过程。 表达：L匀晶相图：当合金在液态和固态均为无限互溶时构成的相图。二元匀晶系：Cu-Ni;Au-Ag;Cu-Au(fcc) Cr-Mo; -Fe-Cr; -Fe-V(bcc),第四章：二元相图,421匀晶相图,1相图分析(以Cu-Ni合金为例)：,A点：纯铜熔点(1083)；B点：纯镍熔点(1462 )； -液相线； -固相线 所有合金都在一定温度范围内完成结晶。 两相区，自由度f=2-2+1=1,第四章：二元相图,421匀晶相图,2.固溶体合金平衡凝固及组织。平衡凝固：极其缓慢冷却，凝固每一阶段都达到平衡。,（1）合金结晶过程。 以30%Ni(70%Cu)合金为例： 在t1温度:开始结晶出含Ni为1成分的晶核（Ni多，Cu少） 在t2温度：液相平衡成分为L2点，相平衡成分为2点。,t3温度结晶结束。各部分成分均匀，为含30%Ni的固溶体。平衡结晶，极其缓冷，L和中的Cu、Ni原子有充分的扩散时间。,第四章：二元相图,421匀晶相图,2.固溶体合金平衡凝固及组织。,结晶过程示意图,第四章：二元相图,421匀晶相图,2.固溶体合金平衡凝固及组织。,（2）结晶规律： 形核 长大（3）结晶条件需过冷，提供驱动力。结构起伏-提供晶胚。能量起伏-补偿形核功。成分起伏（浓度起伏）：在任一瞬间，液相中某些微小体积成分偏离于均匀成分，这些微小体积成分、尺寸、位置在不断变化。,第四章：二元相图,421匀晶相图,2.固溶体合金平衡凝固及组织。,（4）固溶体结晶特点（与纯金属相比） 异分结晶结晶时，结晶出的晶体成分不同于母体成分称为异分结晶。 对Cu-Ni合金：先结晶部分富Ni;后结晶部分富Cu.,平衡分配系数：在一定温度下，固液两平衡相中溶质浓度之比。 用K0=,若把液、固相线看成直线，则K0=常数（可用相似三角形证明） 当K01时，K0越大，则液、固相线距离越大，所需成分起伏越大,第四章：二元相图,421匀晶相图,2.固溶体合金平衡凝固及组织。,（4）固溶体结晶特点（与纯金属相比）,在一定温度范围内结晶。 随T,固相，液相，两相成分分别沿固相线，液相线变化。溶质、溶剂不断扩散，在两相中不断重新分配。只在极其缓冷情况下，才能结晶出成分均匀的固溶体。,第四章：二元相图,421匀晶相图,3固溶体合金的非平衡结晶及组织。 实际铸件，结晶时冷速较快，原子不能充分扩散，结晶后各处化学成分不均匀。 以Cu-Ni合金为例： 在T下，t1下开始结晶出1； t2下结晶出2 ,原子不能充分扩散（尤其在固相中）先结晶富Ni;后结晶富Cu.成分不均匀-偏析。,第四章：二元相图,421匀晶相图,3固溶体合金的非平衡结晶及组织。,（1）晶内偏析：概念：由于不平衡结晶，使固溶体晶粒内部化学成分不均匀现象,称为晶内偏析.由于结晶成树枝状晶-枝晶偏析 液、固相线距离越大，则偏析越严重。 冷速越快，偏析越严重。,最大偏析程度 Cd-C0=C0K0-C0=C0(K0-1) 对K01,K0越大，偏析 对K01,K0越小，偏析,枝晶偏析对性能影响力学性能降低，尤其是塑性、韧性耐蚀性压力加工性 消除枝晶偏析方法。高温扩散退火（均匀化退火）：将铸件加热至固相线下100-200长期保温，使溶质、溶剂原子相互扩散。,第四章：二元相图,421匀晶相图,3固溶体合金的非平衡结晶及组织。,（2）区域偏析实际铸件表面与心部化学成分不均匀现象宏观偏析。以K01为例 (图示)先结晶溶质含量低（表面），后结晶溶质含量高（心部）。（3）区域提纯 从固溶体合金中提取纯金属。(图示) 依据：非平衡结晶，会产生区域偏析。常采用区域熔炼法提纯金属。,第四章：二元相图,421匀晶相图,4成分过冷。 纯金属结晶：在负的温度梯度下-树枝晶。 在正的温度梯度下-平滑界面（平面长大） 固溶体合金，即使在正的温度梯度下，也会形成树枝晶-是由于成分过冷造成的。（1）成分过冷概念：固溶体合金结晶时，由于液固界面前沿存在溶质浓度梯度而改变了过冷情况，称为成分过冷。,（2） 产生原因：以K01为例(图示说明)过冷度：界面前沿液相实际温度液相平衡结晶温度,（3） 产生成分过冷的条件：,(讨论成分过冷的影响),G:实际温度梯度 m:液相线斜率； C0:溶质浓度； R:晶体生长速度 D:溶质在液散系数； K0:平衡分配系数。,第四章：二元相图,421匀晶相图,5固溶体合金凝固时生长形态在负的温度梯度下：树枝晶,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图共晶反应（共晶转变）：把在一定温度下，由一定成分的液相、同时结晶出成分和结构不同的两相的过程。二元共晶相图：两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，且发生共晶反应的相图。 相图特征：,具有共晶转变的二元合金： Pb-Sn Pb-Sb Fe-C(C2.11%) Al-Si Al-Cu Ag-Cu,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,1.相图分析 以Pb-Sn二元合金相图为例：,三个单相区：L、 ：Sn溶入Pb中固溶体 : Pb溶入Sn中固溶体,AEB-液相线 E点：共晶合金 AMNB-固相线 ME之间：亚共晶 ; EN之间：过共晶合金 MF-Sn在Pb中溶解度曲线，随T,溶解度 NG- Pb在Sn中溶解度曲线,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,1.相图分析 以Pb-Sn二元合金相图为例：,最大特征：三相水平线：,f=2-3+1=0 温度恒定，三相成分固定。 E点：共晶点,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,2典型合金平衡结晶及组织,（1）固溶体合金的结晶 M点以左（），N点以右（）以含Sn=10%的合金为例,1-2点，与匀晶结晶一样。2-3点，为单相。3点以下：从含Sn过饱和的中析出II。 II-二次晶：常沿晶界析出；也可在晶内析出。 室温组织：+II (画组织示意图),室温组织中两相相对重量：,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,2典型合金平衡结晶及组织,（1）固溶体合金的结晶以含Sn=10%的合金为例室温组织：+II,越靠近M点，II含量越多,非平衡结晶同样也会产生枝晶偏析，区域偏析。，,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,2典型合金平衡结晶及组织,（2）共晶合金结晶过程(61.9%Sn),在183，由61.9%Sn的液相，同时结晶出（19%Sn）和（97.5%Sn）两种固溶体。,在183下，从中析出II； 从中析出II ; 但两相与其晶体，混在一起，难分辨。,室温组织为：（ +）共晶体,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,2典型合金平衡结晶及组织,（2）共晶合金结晶过程(61.9%Sn),室温组织为：（ +）共晶体,共晶体中两相相对重量（在183）：,在室温下共晶体中两相相对重量（提问）,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,2典型合金平衡结晶及组织,（3）亚共晶合金及过共晶合金的结晶过程 以含Sn=50%的亚共晶合金为例：,1点上：L相1- 2点：L+:L相成分沿AE变化。 相成分沿AM变化。当冷至2点（183），剩余L相成分达到61。9%Sn,发生共晶转变。转变后，组织由先共晶相与共晶体（+）组成。,在183组织相对重量：,在183以下，从先共晶中析出II（在显微镜下可见），从共晶体中析出的看不到室温组织：+(+)+II,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,2典型合金平衡结晶及组织,（3）亚共晶合金及过共晶合金的结晶过程 以含Sn=50%的亚共晶合金为例：,室温组织：+(+)+II,室温组织相对量：,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,2典型合金平衡结晶及组织,（3）亚共晶合金及过共晶合金的结晶过程 以含Sn=50%的亚共晶合金为例：,室温组织：+(+)+II,室温时、两相的相对量：,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,2典型合金平衡结晶及组织,（3）亚共晶合金及过共晶合金的结晶过程,过共晶合金结晶（同学分析）室温组织：+(+)+II,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,2典型合金平衡结晶及组织,亚共晶合金、共晶合金及过共晶合金组织图对照,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,2典型合金平衡结晶及组织,在相图上填写组织组成物,相图,组织组成物图,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,3共晶组织的形态： 共晶：同时结晶出两相，两相交替形核、长大。 其形态可能有：层片状、棒状、球状、针状、螺旋状,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,4不平衡结晶及组织：（1）伪共晶：概念：在不平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的亚（过）共晶合金得到100%共晶组织，这种共晶组织称为伪共晶。,根据合金系不同，有两种形式的伪共晶区。a.以共晶点左右对称。 熔点相差不大的金属与金属二元系：如：Pb-Sn,Ag-Cu,b.伪共晶区偏向一侧： 熔点相差悬殊两组元，偏向高熔点一侧。 金属-非（亚）金属，偏向金属一侧。,伪共晶：使合金强度、硬度提高。a.相界面增多 b.共晶片间距减小（过冷度越大，片间距越小）,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,4不平衡结晶及组织：,（2）离异共晶概念：在先共晶相很多，共晶组织甚少的情况下，有时共晶组织中与先共晶相相同的那一相，依附在先共晶相上长大，而把另一相推到晶界上。两相分离。,离异共晶：使性能恶化。（第二相沿晶界分布） 如钢中：（F+FeS）少量共晶，FeS沿晶分布,锻造易开裂-“热脆” 消除办法：加热单相区，快冷。,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,4不平衡结晶及组织：,（3）比重偏析概念：在先共晶相与液相比重相差悬殊时，则结晶时，先共晶相上浮或下沉，,如：铸铁中石墨易上浮。,产生原因： a.两组元比重相差大。 b.结晶区间大 c.冷速慢。,消除办法： a.增大冷速。 b.加入第三组元，使先共晶相密度与液相接近。 c.对流、搅拌。,第四章：二元相图,4.2.3包晶相图包晶反应（转变）：在恒温下，由液相和一个固相相互作用，生成另一固相的反应过程。二元包晶相图：两组元在液态时完全互溶，在固态时形成有限固溶体，且发生包晶转变所构成的相图。,反应特征： 相图中有如下三相水平线：,具有包晶转变的二元合金：Pt-Ag Sn-Sb Cu-Sn Cu-Zn Fe-C(C0.53%),第四章：二元相图,4.2.3包晶相图,1.相图分析 以Pt-Ag二元合金相图为例：,ACB-液相线 APDB-固相线 PE-Ag在Pb中溶解度曲线， DF- Pt在Ag中溶解度曲线，随T,溶解度,三个单相区：L、 ：Ag溶入Pt中固溶体 : Pt溶入Ag中固溶体 三个两相区：L+ 、L+ 、+,最大特征：三相水平线：,第四章：二元相图,4.2.3包晶相图,2典型合金平衡结晶及组织,(1)I合金(包晶合金,含42.4%Ag),1-D点:随温度降低，液相成分沿AC线变化，固相成分沿AP线变化，增多，L相减少。,“内吃外扩”向内吃掉 ，同时向外部L相中长大。需要Pt,Ag充分扩散。,D点以下：从中析出 ，可计算两相相对重量,室温组织： + ,第四章：二元相图,4.2.3包晶相图,2典型合金平衡结晶及组织,(2)合金（过包晶合金）,包晶转变结束后，有剩余液相L,室温组织： + ,第四章：二元相图,4.2.3包晶相图,2典型合金平衡结晶及组织,（3）合金（亚包晶合金）,包晶转变结束后，有剩余在2点以下，从中析出 ，从中析出。,室温组织： + + + ,第四章：二元相图,4.2.3包晶相图,3 不平衡结晶及组织冷却速度较快时，包晶合金、过包晶合金发生包晶转变后，有剩余,因为，包晶转变时，将包围，Pt,、Ag原子通过固相扩散困难，所以，包晶反应难以充分进行。,4 包晶转变的实际应用（1）用做轴承合金初生化合物作为硬质点软基体包围硬质点 耐磨,（2）细化晶粒例：铝合金铸造时加Ti,发生下列反应 L + AlTi3-AlTi3极细小，作为人工晶核，依附在AlTi3上长大。,第四章：二元相图,43二元相图的分析和使用,431其它类型的二元相图1 其它类型的恒温转变相图（有三相水平线）,（1）熔晶相图：熔晶转变：在恒温下，由一定成分的固相转变成另一成分的液相L和不同成分的固相。,第四章：二元相图,43二元相图的分析和使用,431其它类型的二元相图1 其它类型的恒温转变相图（有三相水平线）,（2）偏晶相图。偏晶转变：在恒温下，由一定成分液相L1转变成不同成分的L2和固相。,L1(B)L2(C)+(A),第四章：二元相图,43二元相图的分析和使用,431其它类型的二元相图1 其它类型的恒温转变相图（有三相水平线）,（3）合晶相图：合晶转变：在恒温下，由两个不同成分的液相转变成另一成分的固相。,第四章：二元相图,43二元相图的分析和使用,431其它类型的二元相图1 其它类型的恒温转变相图（有三相水平线）,（4）共析相图：共析转变：在恒温下，由一定成分的固相转变成不同成分的两个固相。,(B)(A)+(C),是Fe-C合金中极其重要的转变。,第四章：二元相图,43二元相图的分析和使用,431其它类型的二元相图1 其它类型的恒温转变相图（有三相水平线）,（5）包析相图：包析转变：在恒温下，由两个不同成分的固相转变成另一固相。,第四章：二元相图,43二元相图的分析和使用,431其它类型的二元相图,总结：具有三相水平线的相图类型。,第四章：二元相图,43二元相图的分析和使用,431其它类型的二元相图,2.组元间形成化合物的相图.(1)稳定化合物:具有一定的熔点,在熔点以下不分解的化合物. 稳定化合物可作为一个组元,将二元合金相图拆开分析. 例Mg-Si相图,Mg2Si作为一个独立的组元.可将相同拆成两部分:a. Mg-Mg2Si, b. Mg2Si-Si,Fe-C相图(实际上是Fe-Fe3C相图),(2)不稳定化合物:在加热至一定温度下分解不能拆分相图.,第四章：二元相图,43二元相图的分析和使用,431其它类型的二元相图,3.具有异晶转变的相图. 当组元具有同素异晶转变特性是,形成固溶体也会发生异晶转变. 如:,铁碳合金中: 奥氏体(,A):C溶入-Fe中的固溶体. 铁素体(,F):C溶入-Fe中的固溶体. AF(异晶转变),第四章：二元相图,43二元相图的分析和使用,431其它类型的二元相图,4.具有固溶体转变成中间相的相图. 如:Fe-Cr相图(P82)5.具有有序-无序转变的相图 如Cu-Au合金6.具有磁性转变的相图 如Fe-C相图770:是铁素体磁性转变点(居里点)230:是渗碳体(Fe3C)磁性转变点.,第四章：二元相图,43二元相图的分析和使用,4.3.2复杂二元相图的分析方法。1. 复杂二元相图分析要点.(1)判定相图类别: 三大类: a.匀晶型 b.共晶型:共晶，共析，偏晶，熔晶（一相分解成两相） c.包晶型：包晶，包析，合晶（两相合成一相） 抓住三相水平线特征分析,第四章：二元相图,43二元相图的分析和使用,4.3.2复杂二元相图的分析方法。,第四章：二元相图,43二元相图的分析和使用,4.3.2复杂二元相图的分析方法。1. 复杂二元相图分析要点.,（2）读相图应掌握要点相图中若有稳定化合物，可拆图分析.在单相区,相的成分即为合金成分.纯金属在恒温下结晶,两个单相区比交于一点.两个单相区之间必存在一个两相区.两相成分通过表象点做水平线在两相区边界交点上,用杠杆定律求两相重量.水平线为三相共存线,三相成分在三个交点上,三相水平线邻近必有三个两相区和三个单相区.相邻相区相数差”1”(点除外),第四章：二元相图,43二元相图的分析和使用,4.3.2复杂二元相图的分析方法。,2.应用相图是要注意的问题(1)相图只给出平衡条件下的相和相的相对量,不能给出各相的形态,尺寸和分布.(需用金相组织分析)(2)相图只表示平衡状态的情况 不平衡结晶体现不出,但可用于分析不平衡情况(如偏析,伪共晶等)(3)二元相图只反映二元系合金平衡相的关系 对多元合金,必须考虑合金元素的影响.,第四章：二元相图,43二元相图的分析和使用,4.3.2复杂二元相图的分析方法。,3.根据相图判断合金性能(1)当合金形成单相固溶体时 a.力学性能 随溶质，HB,b:畸变大，强化 b.物理性能 溶质，电阻率（R），磁矫顽力,第四章：二元相图,43二元相图的分析和使用,4.3.2复杂二元相图的分析方法。,3.根据相图判断合金性能(1)当合金形成单相固溶体时,c.铸造性能随溶质，铸造性能差：流动性差偏析严重分散缩孔增多（疏松，缩孔）组织不致密,第四章：二元相图,43二元相图的分析和使用,4.3.2复杂二元相图的分析方法。,3.根据相图判断合金性能,（2）当合金形成两相机械混合物时共晶，共析等反应a.力学性能 在两相间，强度、硬度随成分呈直线变化。 合金硬度：,共晶组织细化（或形成伪共晶），强度、硬度出现峰值。,第四章：二元相图,43二元相图的分析和使用,4.3.2复杂二元相图的分析方法。,3.根据相图判断合金性能,（2）当合金形成两相机械混合物时,b铸造性能 结晶温度间隔，铸造性能差，一般做铸造合金，多为共晶成分附近的合金。,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金金属材料：a.黑色合金（Ferrous metals）:钢、铸铁 Fe和C为基本组元。 b.有色合金（Nonferrous metals）:除铁基以外所有合金。Fe-C二元合金： a.碳钢 + 合金元素合金钢b.铸铁 + 合金元素 合金铸铁为搞清钢、铁成分、组织、性能、热处理及用途，必须从Fe-C二元合金入手。,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,4.4.1铁碳合金的组元和基本相1、纯铁 熔点：1538，过渡族元素 密度：7.87g/cm3 原子量：55.85,铁的同素异晶转变图 概念：金属在固态下发生晶格类型变化的过程，称为同素异晶转变。 （同一元素，在不同温度下，晶体结构不同）,正是由于铁具有多晶型性，与不同的碳及合金元素结合，可进行各种热处理，得到不同的组织，具有不同的性能。,同素异晶转变：形核，长大。这一过程称为“重结晶”“phase crystallization”,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,4.4.1铁碳合金的组元和基本相1、纯铁,纯铁的力学性能 根据晶粒大小和纯度不同，性能在一定范围内变化。强度、硬度低；韧性、塑性高；不用于工程结构件。,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,4.4.1铁碳合金的组元和基本相,2、铁的固溶体铁素体（F）Ferrite 碳溶入-Fe中的间隙固溶体（用F或表示） -Fe最大溶碳能力：0.0218%C(727) 室温下：0.0008%C(忽略不计) 碳溶入-Fe中的间隙固溶体称为-铁素体(用-F) -铁素体最大溶碳能力：0.09%C(1495),奥氏体（A）Austenite碳溶入-Fe中的间隙固溶体(用A或表示) -Fe最大溶碳能力：2.11%C(1148) 提问：为何-Fe溶碳能力远高于-Fe？,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,4.4.1铁碳合金的组元和基本相,3、渗碳体（Fe3C）稳定金属化合物；HB=800, =0,硬、脆，是钢中主要强化相。 熔点：1227；含碳为：6.69%C 高温长时间保温：Fe3CFe+C(石墨)铸铁中常见。,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,4.4.2Fe-Fe3C相图分析要求学生背画相图,1、相图中各点、线、区及其意义。各点用语言叙述。ABCD:液相线AHJECF:固相线五个单相区：L,A,F,Fe3C七个两相区：L+,L+A,L+Fe3C, +A,A+F,A+Fe3C，F+Fe3C,三条水平线： HJB-包晶转变线 ECF-共晶转变线PSK-共析转变线,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,4.4.2Fe-Fe3C相图分析要求学生背画相图,1、相图中各点、线、区及其意义。各点用语言叙述。ABCD:液相线AHJECF:固相线五个单相区：L,A,F,Fe3C七个两相区：L+,L+A,L+Fe3C, +A,A+F,A+Fe3C，F+Fe3C,三条水平线： HJB-包晶转变线 ECF-共晶转变线PSK-共析转变线,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,4.4.2Fe-Fe3C相图分析,1、相图中各点、线、区及其意义。,三条水平线：,包晶转变： 含C=0.090.53%合金在1495均发生包晶转变,共晶转变： 含C= 2.116.69%合金在1148发生共晶转变,共析转变： 含C=0.0218%6.69%合金在727发生共析转变。,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,4.4.2Fe-Fe3C相图分析,1、相图中各点、线、区及其意义。,另三条重要特征曲线 GS线（A3线）意义：冷却时：A向F同素异晶转变开始温度加热时：F向A同素异晶转变终了温度 随C%，AF温度降低。, ES线（Acm线）意义：碳在A中溶解度曲线。 含C0.77%合金，冷却时从A中析出渗碳体二次渗碳体（Fe3CII）,PQ线 意义：碳在F中溶解度曲线 合金冷却至此线以下，从F中析出Fe3C三次渗碳体（Fe3CIII）,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,4.4.2Fe-Fe3C相图分析,2、相图中铁碳合金分类 分三大类，七类合金,工业纯铁（C0.0218%）室温平衡组织：F+Fe3CIII,碳钢（C=0.02182.11%） a.共析钢：C=0.77% 平衡组织：P b.亚共析钢：C=0.02180.77% 平衡组织:F+P c.过共析钢：C=0.772.11% 平衡组织:P+Fe3CII, 铸铁（C=2.116.69%） a.共晶白口铁：C=4.3% 室温平衡组织:Ld b.亚共晶白口铁：C=2.114.3% 室温平衡组织:Ld+Fe3CII+P c. 过共晶白口铁：C=4.36.69% 室温平衡组织:Ld+Fe3CI,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,4.4.2Fe-Fe3C相图分析,3典型合金的平衡结晶及组织。选择7种典型合金进行分析,（1）工业纯铁 以C=0.01%合金为例,从液态到室温，与相图交7点（看黑板）,室温组织：F+Fe3CIII,计算F和Fe3CIII相对重量：,Fe3CIII最大含量（C=0.0218%合金）,很少，所以，Fe3CIII经常忽略不计,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,4.4.2Fe-Fe3C相图分析,3典型合金的平衡结晶及组织。,（2）共析钢（C=0.77%）从液态到室温，与相图交3点,室温平衡组织：珠光体P,珠光体（P）: 是F和Fe3C层片组织，F片厚约为Fe3C的8倍。,在727转变终了时P中两相重量：,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,4.4.2Fe-Fe3C相图分析,3典型合金的平衡结晶及组织。,（3）亚共析钢(C=0.02180.77%),室温平衡组织：F+P,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,4.4.2Fe-Fe3C相图分析,3典型合金的平衡结晶及组织。,（3）亚共析钢(C=0.02180.77%),室温平衡组织：F+P,20号钢(C=0.2%),60号钢(C=0.6%),计算室温下两个平衡相的相对量：,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,4.4.2Fe-Fe3C相图分析,3典型合金的平衡结晶及组织。,（3）亚共析钢(C=0.02180.77%),室温平衡组织：F+P,20号钢(C=0.2%),60号钢(C=0.6%),经金相观察，可根据F和P相对面积（近似为相对重量）确定钢中含碳量，从而确定钢号：,钢中含碳量：,例题：在显微镜下观察到某碳钢平衡组织中F占74%，P占26%,求该钢含碳量。,解：,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,4.4.2Fe-Fe3C相图分析,3典型合金的平衡结晶及组织。,（4）过共析钢(C=0.772.11%),室温平衡组织：P+Fe3CII,以含C=1.2%钢为例。,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,4.4.2Fe-Fe3C相图分析,3典型合金的平衡结晶及组织。,（4）过共析钢(C=0.772.11%),室温平衡组织：P+Fe3CII,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,4.4.2Fe-Fe3C相图分析,3典型合金的平衡结晶及组织。,（4）过共析钢(C=0.772.11%),室温平衡组织：P+Fe3CII,经金相观察，可根据P和Fe3CII相对面积（近似为相对重量）确定钢中含碳量，从而确定钢号：,钢中含碳量： C% = Qp0.77% + QFe3C6.69%,例题：在显微镜下观察到某碳钢平衡组织中二次渗碳体占7.3%，珠光体占92.7%,求该钢含碳量。 解：C% = Qp0.77% + QFe3C6.69% = 92.7%0.77% + 7.3%6.69% =1.2% 是工具钢 T12,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,4.4.2Fe-Fe3C相图分析,3典型合金的平衡结晶及组织。,（5）共晶白口铸铁（C=4.3%）,1点(1148)：共晶反应：,室温组织：变态莱氏体Ld(Fe3C基体上分布P),变态莱氏体Ld性能极脆、硬,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,4.4.2Fe-Fe3C相图分析,3典型合金的平衡结晶及组织。,（6）亚共晶白口铁(2.11-4.3%C)以C=3.0%合金为例：室温平衡组织：Ld+P+Fe3CII,组织相对重量计算： 在1148,室温下：,室温组织相对量：,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,4.4.2Fe-Fe3C相图分析,3典型合金的平衡结晶及组织。,（7）过共晶白口铸铁以C=5%合金为例：室温平衡组织：Ld+Fe3CIFe3CI最大含量100%C=6.69%的合金,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,4.4.2Fe-Fe3C相图分析,4含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响,（1）对平衡组织的影响,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,4.4.2Fe-Fe3C相图分析,4含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响,（2）对力学性能的影响铁素体：强度、硬度低，韧塑性好珠光体：强度、硬度高，韧塑性介于F和Fe3C之间渗碳体：硬度高，强度低，塑性极低=0退火：随炉缓冷，室温组织接近平衡组织。亚共析钢：C%,F,P,HB,b,aK过共析钢：C%,Fe3CII,HB, b, ,aK C%1.0%时，Fe3CII连续网，C,网变厚，塑、韧性白口铁：由于组织为Ld,极脆，很少用。 常将Fe3C处理分解成石墨灰口铸铁,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,443杂质元素对钢性能的影响钢中除Fe、C外，还不可避免存在杂质元素，Mn、Si、S、P、N、H、O杂质元素：不是有意加入，在冶炼时残余在钢中的元素。,1锰的影响 冶炼时，用锰铁脱氧，残留于钢中，Mn=0.250.8% Mn-有益元素强化F 固溶强化,使b细化P片，增加P量， 细晶强化、第二相强化，b与S结合MnS，取代FeS,减轻S的有害作用降低“热脆性”,2Si的影响 冶炼时，用硅铁脱氧残留 Si0.5% 有益作用：强化铁素体 当含量高时，使,aK,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,443杂质元素对钢性能的影响,3硫的影响 有害元素：矿石中带来 在钢中形成：（熔点989） ( F+FeS)共晶FeS分布晶界离异共晶 锻造时（T1100）,晶界熔化，锻造裂纹“热脆性”所以，钢中必须严格控制S,4磷的影响 有害：矿石带来溶入F中：a.使b，HB b.但-,aK-产生低温脆性（“冷脆”）所以，钢中必须严格控制磷(P)a.高级优质钢： S0.025% P0.025%b. 优质钢： S0.035% P0.035%c. 普通钢： S0.05% P0.045%,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,443杂质元素对钢性能的影响,5.氮的影响 炉料带来，炉气中吸入。 N在Fe最大溶解度：0.1%(595)N在Fe室温溶解度：0.001%淬火时效：室温下快冷，N在F中过饱和，长期放置，析出氮化铁。 使：a.使b，HB b.,aK应变时效：含N钢塑性变形后，长期放置，析出氮化铁。 使：a.使b，HB b.,aK二者均使钢变脆。防止办法：冶炼时加Al: a.细化晶粒 b.AlN弥散分布。,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,443杂质元素对钢性能的影响,6氢的影响 来源：a.炉料含水； b.炉气中吸入 H对钢材危害极大，使钢脆化。 氢脆： H+HH2,在钢内部产生裂纹；纵向断口：白点 横向断口：发纹浇注成钢锭后，应进行去氢退火。,7氧的影响 以氧化物夹杂存在钢中，破坏金属连续性，裂纹起源,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,444 合金铸件组织与缺陷 宏观组织与宏观缺陷宏观组织：三个晶区缺陷：a.缩孔、疏松、气孔、裂纹 b.偏析：1.铸锭的三晶区 表面细晶区（激冷区）： 柱状晶区： 中心等轴晶区（晶粒粗大）,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,444 合金铸件组织与缺陷,2偏析（1）宏观偏析正（常）偏析 （区域偏析）反（常）偏析 （区域偏析）比重偏析（2）微观偏析胞状偏析以胞状晶生长（成分过冷小）晶体在胞壁富集杂质。消除：均匀化退火枝晶偏析 前以讲过晶界偏析晶界为最后凝固部位，富集低熔点物质。,第四章：二元相图,44铁碳相图和铁碳合金,444 合金铸件组织与缺陷,3缩孔、气泡 缩孔：a.集中缩孔：合金凝固区间小。b.分散缩孔：（疏松）：结晶温区大，压力加工焊合。气泡：液态合金可溶解大量气体，随T,气体溶解度，以气泡形成，压力加工焊合。,