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1南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics and Astronautics24.1 二元合金相图的建立4.2 二元合金相图的基本类型 4.2.1 匀晶相图 4.2.2 共晶相图 4.2.3 包晶相图及其它类型相图4.3 相图与合金性能之间的关系4.4 铁碳合金相图 4.4.1 铁碳合金的基本组织 4.4.2 铁碳合金相图 4.4.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系 4.4.4 Fe-Fe3C相图的应用教学内容3组元：组成合金的独立的最基本的单元。一般是一种元素（如Pb-Sn合金中的Pb和Sn）或一种稳定的化合物（如Fe3C）。4.1.1 名词涵义基本概念合金(Alloy)由两种或两种以上的金属或金属与非金属,经过熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质 金属金属金属金属 或或 金属金属非金属非金属CuZnCuZnFeCFeCFe-Cr-SiFe-Cr-Si基本概念相(Phase)相是从组织角度说明材料中具有同一聚集状态、同一结构,以及成分、性质完全相同的均匀组成部分 气相固相液相液相液相固相油相水相基本概念合金相相是从组织角度说明材料中具有同一聚集状态、同一结构,以及成分、性质完全相同的均匀组成部分 合金相是从组织角度说明合金中具有同一聚集状态、同一结构,以及成分、性质完全相同的均匀组成部分 工业纯铁工业纯铁0.3%C单一相铁素体相A相B相铁素体相渗碳体相基本概念组织(Microstructure)组织指的是在外界因素、成分等条件一定的情况下,组成合金的不同成分、结构和性能的相的总体珠光体组织珠光体组织铁素体相渗碳体相8Cu-Ni相图相图的意义：分析合金组织的重要参考资料；制定热加工工艺的重要依据。Cu-Sn相图9名称名称A金属金属B金属金属晶格类型晶格类型bccbcc熔点熔点高高低低合金合金1100%0%合金合金290%10%合金合金380%20%.合金合金920%80%合金合金1010%90%合金合金110%100%10时间温度90705030AB温度AB温度11u以Cu-Ni合金为例，说明热分析法建立相图的步骤：u1）配制不同成分的Cu-Ni合金。u2）将合金熔化后，测定它们的冷却曲线，并找出曲线上临界点（即转折点和停歇点）。u3）将上述数据引入相应成分的温度-成分坐标图中。u4）将物理意义相同的临界点连成曲线，即得Cu-Ni合金相图。12：纯铜：75%Cu+25%Ni：50%Cu+50%Ni：25%Cu+75%Ni ：纯Ni金属和合金在冷却到该温度时发生了冷却速度的突然改变。【原因】金属和合金在结晶（相变）时有结晶潜热释放，抵消了部分或全部热量的散失。结晶开始结晶终了13Cu-Ni合金匀晶相图点：A，B线：液相线 固相线区：L L+4.2.1 匀晶相图定义：两组元在液、固两相下均能无限互溶，结晶时只结 晶出单相固溶体组织的合金相图。14 在不同温度下刚刚结晶出来的固相的化学成分是不相同的，其变化规律是沿着固相线变化。与此同时剩余液相的化学成分也相应地沿着液相线变化。匀晶转变的平衡结晶过程：LL+15匀晶结晶特点：固溶体结晶是在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶过程。在两相区内，温度一定时，两相的成分（即Ni含量）是确定的。先结晶出的固溶体和后结晶出的固溶体成分不同。平衡结晶条件下，可通过原子扩散使成分均匀化，最终获得与原合金成分相同的单相固溶体。与纯金属一样，固溶体从液相中结晶出来的过程中，包括有生核与长大两个过程，但固溶体更趋向于树枝状长大。163.杠杆定律 在两相区结晶过程中，两相的成分和相对量都在不断变化。杠杆定律就是确定两相区内平衡相的成分和相对重量的重要工具。杠杆定律可以计算匀晶相图中两相区中两平衡相的相对质量，也可以计算其它类型二元合金相图两相区中两平衡相的相对质量。17匀晶相图合金的结晶过程QLQa18QLab=Qa bc 杠杆定律 杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点，而支点为合金的成分点。杠杆定律与力学比喻QLQabcabQQ%L%aLa19【证明】Q合金，其中Ni含量b%；T1温度时，L相中Ni质量分数a%，a相中Ni质量分数c%。Q0 b%=QL a%+Qa c%又因为 Q0=QL+Qa 所以 （QL+Qa）b%=QL a%+Qa c%bcabbcabQQLaQ0合金总质量，QL液相质量，Qa固相质量。20acabaQQacbcLQQ%,%0a0L21实际金属的结晶主要以树枝状长大：这是由于当冷却速度较大，特别是存在有杂质时，晶体与液体界面的温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴，树枝间最后被填充。4.非平衡结晶与枝晶偏析22 固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却较快，原子扩散不能充分进行，则形成成分不均匀的固溶体。一个晶粒中先结晶的树枝晶晶枝含高熔点组元较多，后结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多，结果造成在一个晶粒内化学成分的分布不均，这种现象称为枝晶偏析。消除枝晶偏析的方法采用扩散退火（或均匀化退火）。性能不均匀成分不均匀组织不均匀富Ni区富Cu区23一定成分的均匀液相，在一定温度下，从液相中同时结晶出两种不同固相的转变称为共晶转变。所生成的两相混合物叫共晶体。水平线ced为共晶反应线。L1.相图分析4.2.2 共晶相图24组元:Pb，Sn相:L，（是Sn在Pb中的有限固溶体；是Pb在Sn中的有限固溶体）点、线：a，b，c，d，e液相线：aeb 固相线：acedb 共晶反应线：ced，在共晶温度发生共晶反应，转变过程中 是三相（L，）共存。溶解度线：cf，Sn在Pb中的溶解度线，或称相的固溶线；固溶体中Sn 的溶解度极限曲线；dg，Pb在Sn中溶解度线，或称相的固溶线；固溶体中Pb的溶解度极限曲线。共晶相图：两组元液态时彼此无限互溶，固态下彼此部分固溶，并发生共晶转变的合金系形成的相图。25相区：三个单相区：L、（、是有限固溶体）三个双相区：L+、L+、+三相区：L+（共晶点）共晶体：共晶反应产生共晶体（+）26(1)合金IV的平衡结晶过程温度降低，固溶体溶解度下降。从固态相中析出富Sn的相称为二次，常写作。这种二次结晶可表示为。由于固溶体中溶解度的减少而析出另一固相的反应叫二次析出反应或脱溶过程。2.合金的结晶过程 0 1 2 3 4匀晶 不变 析出富Sn的相在冷却过程中，当超过其固溶度时，会析出低Sn的相，。27室温组织：+II合金IV冷却曲线及结晶过程二次相通常沿初生相的晶界析出，也可在晶内沿缺陷处析出。28运用杠杆定律，两相的质量分数：合金IV室温组织由和两相组成。）或%1%(%100%100%II4II4fgfxfggx29（共晶合金）Le c+d合金室温组织全部为共晶体，即只含一种组织组成物（即共晶体）；而其组成相仍为和两相。(2)合金I的平衡结晶过程30 共晶合金组织的形态(机械混合物，两相交替分布，黑色片层为富Pb的相，白色基体为富Sn的相）室温时：合金的室温组织为共晶体,即只含一种组织组成物;其组成相仍为 和 相。共晶转变温度时：相组成物，cdcecded,共晶转变温度以下：共晶体中和二次结晶,从 中析出II,从 中析出II。成分由 cf,成分由 d g。两种相的相对重量依杠杆定律变化。II和II 同和相连在一起,共晶体形态和成分不发生变化。31（亚共晶合金）结晶过程分三个阶段，即相析出+共晶反应+二次结晶反应。L初+L 初+（c+d)初+II+（+）【共晶组织中二次相的析出忽略】合金室温组织：初生+(+)，合金组成相：和。(3)合金II的平衡结晶过程32PbSn亚共晶组织黑色斑状组织（三维形态为粗大树枝晶）为初生相共晶组织(+)二次相33室温下，组成相(，)质量分数：%100%3fggx%100%3fgfx34组织组成物质量分数：在共晶温度时%1002%L%1002ceccee初35室温下初生+(+)，次生相与初生相成分和结构完全相同，是同一种相；但形貌特征、分布完全不同，属于两种组织。%1002%cec%1002%IIceefgfcfgfc初%1002%ceefggcfggc初初36位于共晶点e点右侧和d点以左的合金称为过共晶合金。(4)合金III的平衡结晶过程（过共晶合金）合金III结晶过程与合金II相似，只是匀晶产物为初晶，二次结晶产物为。室温组织为+（+）+。37组织标注相图 填写组织组成物的PbSn相图38 PtAg合金相图 包晶 L+1.包晶相图4.2.3 包晶相图及其它类型相图 包晶转变是指一定成分的固相与一定成分的液相相互作用，在一定温度下转变为另一个新固相。392.具有稳定化合物的二元相图40在二元合金中，若合金冷却到固态时，还能发生由一个固相同时分解形成两个新的固相，这种相图叫共析相图。此两相混合物称为共析体。与共晶反应不同点：1）共析反应是固态反应，原子的扩散困难，组织更细。2）因母相与子相的比容不同，反应后易引起较大的内应力。3.共析相图41具有共析反应的二元合金相图42匀晶L 共晶L+共析+包晶L+43二元合金两相平衡时，两相成分均随温度而变化。其具体数值可由恒温水平线与两相区相界线的交点来确定。温度变化时，两平衡相成分也分别沿两条相界线相应变化。二元相图的三相平衡区是一条水平线。它与三个单相区均以点接触。从三个单相区的相互位置，可以判断三相平衡的性质。分析复杂相图时，首先要弄清单相区，然后找出三相区、三相点，再弄清三相平衡转变类型。牢记：两个单相区之间必有一个由这两相组成的两相区隔开，而不能以一条直线接界；两个两相区之间必须以一个单相区或三相区隔开。相区接触法则：相图中相邻相区相数之差均为1（点接触除外）。二元合金相图小结44 合金性能取决于其成分和组织，而相图表明不同成分合金在不同温度下的平衡组织，可见合金性能与相图之间存在联系。4.3.1 相图与合金力学性能、物理性能的关系匀晶相图：溶质元素晶格畸变大强度、硬度，电阻率共晶相图：在单相区与匀晶相图相同。复相组织区（如共晶转变范围），合金的强度、硬度和物理性能随成分的变化呈直线关系，大致是两相性能的算术平均值。HB=HB%+HB%对组织较敏感的性能（强度），与组成相或组织组成物的形态关系密切。组成相或组织组成物越细密，强度越高。共晶点处，共晶组织呈细小、均匀细密的复相组织，强度达最高值。454.3.2 相图与合金铸造性能的关系铸造性能液态合金的流动性以及产生缩孔、缩松和偏析倾向等。液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小合金的流动性好有利于浇注。液固相线距离大枝晶偏析倾向愈大，合金流动性愈差，形成分散缩孔的倾向也愈大，使铸造性能恶化。因此铸造合金的成分常取共晶成分和接近共晶成分或选择结晶温度间隙最小的成分。这种成分合金流动性好，易形成集中缩孔，铸件致密，铸造性能最好。464.4.1 铁碳合金的组元分析 (1)纯Fe组元 -Fe(bcc)-Fe(fcc)-Fe(bcc)同素异构转变 韧性、塑性好;强度低、硬度低。9121394纯铁的冷却曲线及晶体结构变化(体心立方)(体心立方)(面心立方)158347484.4.2 Fe-Fe3C相图分析 1.五个基本相SPNJHGECBA+Fe3C+L+L+LL+Fe3C+Fe3CKFDFeFe3CC%49Fe-Fe3C五个基本相五个基本相之一之一50Fe-Fe3C五个基本相五个基本相之二之二51Fe-Fe3C五个基本相五个基本相之三之三52(4)相l碳在-Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格。l也称铁素体，用符号F 或表示。l碳在-Fe中的最大溶解度为727时的0.0218%（P点）。l 强度、硬度低；塑性好。Fe-Fe3C五个基本相五个基本相之四之四53Fe-Fe3C五个基本相五个基本相之五之五54SPNJHGECBA+Fe3C+L+L+LL+Fe3C+Fe3CKFDFeFe3CC%2.特性点【A点】5556SPNJHGECBA+Fe3C+L+L+LL+Fe3C+Fe3CKFDFeFe3CC%【B点】5758SPNJHGECBA+Fe3C+L+L+LL+Fe3C+Fe3CKFDFeFe3CC%【C点】5960SPNJHGECBA+Fe3C+L+L+LL+Fe3C+Fe3CKFDFeFe3CC%【D点】6162SPNJHGECBA+Fe3C+L+L+LL+Fe3C+Fe3CKFDFeFe3CC%【E点】6364SPNJHGECBA+Fe3C+L+L+LL+Fe3C+Fe3CKFDFeFe3CC%【G点】6566SPNJHGECBA+Fe3C+L+L+LL+Fe3C+Fe3CKFDFeFe3CC%【H点】6768SPNJHGECBA+Fe3C+L+L+LL+Fe3C+Fe3CKFDFeFe3CC%【J点】6970SPNJHGECBA+Fe3C+L+L+LL+Fe3C+Fe3CKFDFeFe3CC%【N点】7172SPNJHGECBA+Fe3C+L+L+LL+Fe3C+Fe3CKFDFeFe3CC%【P点】7374SPNJHGECBA+Fe3C+L+L+LL+Fe3C+Fe3CKFDFeFe3CC%【S点】7576SPNJHGECBA+Fe3C+L+L+LL+Fe3C+Fe3CKFDFeFe3CC%Q【Q点】7778(1)三条水平线(三个重要点)3.特性线SPNJHGECBA+Fe3C+L+L+LL+Fe3C+Fe3CKFDFeFe3CC%Q【线1】7980SPNJHGECBA+Fe3C+L+L+LL+Fe3C+Fe3CKFDFeFe3CC%Q【线2】8182SPNJHGECBA+Fe3C+L+L+LL+Fe3C+Fe3CKFDFeFe3CC%Q【线3】83 共析点S与共析转变线PSKA1线727 ，C%=0.77%AS FP+Fe3C（共析渗碳体）A0.77 F0.0218+Fe3C共析反应产物是铁素体与渗碳体的机械混合物，称珠光体，以P表示。在显微镜下珠光体形态呈片状。在放大倍数很高时，可清楚看到相间分布的渗碳体片（窄条）与铁素体（宽条）。珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C和F之间。碳的质量分数0.0218%6.69%的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。PSK线亦称A1线。84(2)液固相线液固相线固相线AHJECFSPNJHGECBA+Fe3C+L+L+LL+Fe3C+Fe3CKFDFeFe3CC%Q液相线ABCD85(3)溶解度线SPNJHGECBA+Fe3C+L+L+LL+Fe3C+Fe3CKFDFeFe3CC%Q【ES线】8687SPNJHGECBA+Fe3C+L+L+LL+Fe3C+Fe3CKFDFeFe3CC%Q【PQ线】8889合金冷却时自奥氏体A中开始析出铁素体F的开始线；或者，加热时F溶入A的终了线。SPNJHGECBA+Fe3C+L+L+LL+Fe3C+Fe3CKFDFeFe3CC%Q901.铁碳合金的分类 根据Fe-Fe3C相图，铁碳合金可分为三类：(1)工业纯铁wc 0.0218%(2)钢0.0218%wc 2.11%(3)白口铸铁2.11%wc 6.69%4.4.3 铁碳合金平衡结晶分析91工业纯铁室温平衡组织为铁素体（F），呈白色状。强度低、硬度低，不宜用作结构材料。钢的共同特点：高温下都有塑性良好的奥氏体（A）组织，适合于压力加工。白口铸铁因为在高温时都有脆性的共晶莱氏体，所以不能进行锻压；但共晶成分合金的流动性好，适合于铸造。922.典型合金的结晶(1)工业纯铁工业纯铁 wc 0.0218%93SPNJHGECBA+Fe3C+L+L+LL+Fe3CKFDFeFe3CQ wc=0.01%1234567匀晶转变同素异构转变同素异构转变三次渗碳体Fe3CIIFe3CIII94相组成物：Fe3C；F 相相对量：组织组成物：F（等轴晶）和Fe3CIII（小片状）%1000008.069.669.6%Fx%1000008.069.60008.0%CFe3x95工业纯铁组织金相图96(2)共析钢 wc=0.77%123匀晶转变共析转变97相组成物：F和Fe3C 组织组成物：P(层片状)100%88%10069.677.069.6%F%12%88%100%CFe3共析钢金相组织图98(3)亚共析钢(0.0218%C%0.77%)wc=0.45%【简化处理】不考虑包晶反应，即忽略P40，图3-3中合金(3)中的12部分。1以上12233444相中析出相共析反应：铁素体Fe3C先共析铁素体先共析FP99亚共析钢组织金相图先共析铁素体珠光体100相组成物：F，Fe3C相相对量：组织组成物：F、P%10069.669.6%F1x%10069.60%CFe13x%1000218.077.00218.0%P1x%P1%F1）写出P、S、C点的含碳量；S、C点的转变反应式及反应名称。（6分）2 2）画出40钢完全奥氏体化后的平衡冷却过程，及其室温组织示意图。(5分)3）计算40钢在室温下平衡组织中的相及组织的含量。（4分）写出铁碳二元相图中共晶和共析反应式及反应产物的名称（2分）。根据铁碳二元相图，有一块碳钢在共析反应完成后平衡组织中的珠光体和铁素体含量均为50%。试问（1）该碳钢的含碳量是多少？（3分）（2）该碳钢的室温平衡组织中的相组成百分比各占多少？（3分）103(4)过共析钢(0.77%C%2.11%)wc=1.2%沿A晶界析出Fe3CII共析反应：铁素体Fe3C(P)104Fe3CIIP过共析钢组织金相图105相组成物：F，Fe3C 组织组成物：P，Fe3CII组织相对量：%10069.60%CFe23x%10069.669.6%F2x%10077.069.677.0%CFe2II3x%10077.069.669.6%P2x根据Fe-Fe3C相图，回答下列问题。（12分）（1）分别计算含碳量为T12钢在室温下的相组成和组织组成的相对量。（4分）（2）画出成分处于、点和处铁碳合金在室温下的平衡组织示意图。（6分）（3）在下图的右边画出含碳量为2.11%铁碳合金的冷却曲线，并标上各段的组织组成。（2分）107(5)共晶白口铸铁(C%=4.3%)12LLd(A+Fe3C共晶)A+Fe3C共晶+Fe3CII 变态莱氏体Ld(P+Fe3C共晶+Fe3CII)108共晶白口铁组织金相图109相组成物：F，Fe3C 组织组成物：Ld%10069.6%CFe3x%10069.669.6%Fx110(6)亚共晶白口铸铁(2.11%C%4.3%)wc=3.0%123111亚共晶白口铁组织金相图PLd沿边界分布的Fe3CII112室温相组成物：F，Fe3C相相对量：%10069.6%CFe3x%10069.669.6%Fx113室温组织组成物：P，Ld，Fe3CII初晶：Ld：%10011.23.43.4%x%10011.23.411.2%Ldx第1步：114第2步：从初晶相中析出的Fe3CII和P:%)(77.0)(69.6)(77.0)(11.2%CFeII3SKSE%)(77.0)(69.6)(11.2)(69.6%PSKEK第3步：室温下，Ld%=Ld%Fe3CII和P不变115(7)过共晶白口铸铁(4.3%C%6.69%)wc=5.0%123116过共晶白口铁组织金相图Fe3CILd117相组成物：组织组成物：Ld，Fe3C%10069.6%CFe3x%10069.669.6%Fx%1003.469.669.6Ld%Ld%1003.469.63.4%CFe3xx118【总结铁碳合金相图】点：成分、温度组织组成物标注相区标注线：液固相线、水平线、固溶线、固溶体转变线A 1538D 1227N 1394G 912PSK 727ECF 1148HJB 1495FeFe3CSQPNJHGECBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CA+Fe3C+LdLdLd+Fe3CLd+Fe3CLdP+Fe3C+LdP+Fe3CP+FPF+Fe3CKFDC%119(1)在钢铁材料选用方面的应用 建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，因此选用碳含量较低的钢材。各种机械零件需用强度、塑性及韧性都较好的材料。应选用碳含量适中的中碳钢。各种工具需用硬度高和耐磨性好的材料，则选碳含量高的钢种。纯铁磁导率高，矫顽力低，可作软磁材料使用，例如做电磁铁的铁心等。白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。4.1.4 铁碳相图的应用120(2)在铸造工艺方面的应用 根据Fe-Fe3C相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上50100。(3)在热缎、热轧工艺方面的应用 锻造或轧制要求好的塑性、变形抗力，选在单相奥氏体区内进行。(4)在热处理工艺方面的应用 Fe-Fe3C相图对制定热处理工艺具有重要意义。一些热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据Fe-Fe3C相图确定的。在运用Fe-Fe3C相图时应注意以下两点：Fe-Fe3C相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态，如含有其它元素，相图将发生变化。Fe-Fe3C相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状态，若冷却或加热速度较快时，其组织转变就不能只用相图来分析。
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