铁碳合金相图1-2讲解

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1、第4章 铁碳合金相图 Chapter 4 The Iron Carbon Alloy Phase Diagram,主要内容： 固态合金的相结构 二元合金相图 铁碳合金的基本相与基本组织 Fe-Fe3C相图分析 含碳量对铁碳合金组织与性能的影响 铁碳合金相图的应用,1.合金的基本概念： 合金（Alloy） 合金是一种金属元素与其他金属元素或非金属元素，结合在一起而形成具有金属特性的物质。 组元（Component） 组成合金最最基本的独立物质。 相（Phase ） 合金中成分、晶体结构相同，并以明显界面互相分开的均匀组成部分。 组织（Structure） 是相的综合体，是由不同数量、形状、大小和

2、分布方式组合而成的。,4.1 固态合金的相结构,合金：合金是一种金属元素与其他金属元素或非金属元素，结合在一起而形成具有金属特性的物质。,思考,金属与非金属组成的是不是一定就是合金？,Fe + C,Fe(C)合金（钢）,Fe3C (化合物）,4.1 固态合金的相结构,组元：组成合金最基本的独立物质。组元可以是元素或是稳定化合物。,Fe(C)合金,Fe、C组元,Fe、Fe3C组元,类比,鸡蛋,水，蛋白质，脂肪，胆固醇,4.1 固态合金的相结构,相：具有相同结构，相同成分和性能（也可以是连续变化的）并以界面相互分开的均匀组成部分，如液相、固相是两个不同的相。,类比,鸡蛋,蛋白、蛋黄,工业纯铁,单相

3、铁素体,共析碳钢,铁素体相、渗碳体相,普通陶瓷,晶相、玻璃相、气相,4.1 固态合金的相结构,组织：用肉眼或显微镜观察到的材料内部形貌图像的统称（宏观组织、微观组织）。组织是影响材料性能的重要因素。,相是组织的基本组成部分,相同的相，但当组成相的数量、大小、形态和分布不同时，其组织也不同！,不同的相构成不同的组织！,4.1 固态合金的相结构,2.合金的相结构： 固溶体（Alloy） 一种组元的原子溶入另一组元的晶格中所形成的均匀固相。与固溶体晶格相同的组元称溶剂，晶格消失的组元称溶质， 置换固溶体:溶质原子占据部分溶剂晶格结点位置而形成的固溶体。 间隙固溶体:溶质原子分布于溶剂晶格间隙处而形成

4、的固溶体。,4.1 固态合金的相结构,按溶质原子所占据的位置,固溶体类型,只有溶剂原子直径较大而溶质原子直径很小时，才能形成间隙固溶体。,溶质与溶剂原子直径之比小于0.59。,2.合金的相结构：,4.1 固态合金的相结构,按固态溶解度分：,有限固溶体：间隙固溶体只能是有限固溶体 无限固溶体：无限固溶体只能是置换固溶体,如铜锌合金,如铜镍合金、间隙固溶体,影响溶解度的因素： a 晶体结构 b 原子尺寸 c 化学亲和力 d 原子价,2.合金的相结构： 固溶体的性能 固溶强化通过溶入溶质元素形成固溶体而使金属材料强度、硬度提高的现象。 无论是间隙固溶体还是置换固溶体，在其形成过程中，都会使溶剂晶格发

5、生畸变，从而使合金性能的改变。,4.1 固态合金的相结构,形成固溶体时晶格畸变示意图,2.合金的相结构： 金属化合物（Metallic Compound） 合金各组元相互化合而成的一种新的物质。 它具有与组元原来晶格不同的特殊晶格。熔点高、硬度高、脆性大，生产中很少使用单相金属化合物的合金。 机械混合物（Mechanical Mixture） 两种或两种以上的相按一定的质量百分数，以混合形式组合在一起的组成物。,4.1 固态合金的相结构,特别提示： 相图是在热力学平衡的条件下建立起来的。 平衡是指在一定条件下合金系中参与相变的各相的成分和相对量不发 生变化所达到的一种状态。此时合金系的状态稳定

6、，不随时间而改变。 测定相图最常用的方法是热分析法，它要求在合金冷却时，其冷却速 度非常缓慢，从而能够满足热力学平衡的条件。因此相图又称为平衡相 图，平衡图（Equilibrium Diagram）。 相图的作用： 利用相图，可以了解不同成分的材料在不同条件下： 存在哪些相； 各相的相对量； 成分、温度变化时材料中发生的相变。,4.2 二元合金相图,4.2 二元合金相图,1、二元相图的建立 建立相图的方法有实验测定和理论计算两种，目前，最常用的方法是热分析法（Thermal Analysis）。,Cu-Ni二元合金相图的测定步骤： 配制一系列不同成分的Cu-Ni合金； 例如：100%Cu、80

7、%Cu-20%Ni、60%Cu-40%Ni、40%Cu-60%Ni、 20%Cu-80%Ni、100%Ni等6个合金。 分别测定上述合金的冷却曲线； 在冷却曲线上找出合金的各个临界点； 临界点指合金在冷却时凝固开始和凝固终了的温度点。 将各临界点标在相图的坐标平面上； 二元相图的坐标平面，其纵坐标为温度，横坐标为成分。 在相图平面上将性质相同的临界点分别连接起来，即建立起相图。,4.2 二元合金相图,Cu,Ni,20,40,60,80,wNi（%）,wNi=100%,wNi=80%,wNi=60%,wNi=40%,wNi=20%,Cu-Ni二元合金相图的建立,wCu=100%,4.2 二元合金

8、相图,2、基本相图 大多数二元相图都是由几类最基本的相图组合而成的，或者说，许多 二元相图都包含了几类基本相图。 二元相图的主要基本类型： 匀晶相图 共晶相图 包晶相图 形成稳定化合物的相图 共析相图,4.2 二元合金相图,匀晶相图 匀晶反应（Isomorphous Reaction）： 从液相中直接结晶出固溶体的反应。又称匀晶转变。L 匀晶相图： 两组元在液态和固态下均能无限互溶，冷却时发生匀晶反应的相图。 具有匀晶相图的二元合金系： Cu-Ni、Au-Ag、Fe-Ni、Cu-Au、Cr-Mo等。 1.相图分析 相图的基本分析 对相图中各重要的点、各重要的线和各个面（区域）进行分析。 典型合

9、金的结晶过程分析 选择若干典型合金，分析它们从高温冷却至室温的过程中所发生的各种变化。,4.2 二元合金相图,合金结晶开始的温度连线,合金结晶终了的温度连线,液相线 （Liquidus）,固相线 （Solidus）,A,B,L,L,Cu-Ni合金相图,4.2 二元合金相图,t1,t4,t2,t3,2,1,3,相图分析和典型合金平衡结晶过程分析：,T,C,t,L,L,匀晶转变 L ,冷却曲线,固溶体合金的结晶特点： 固溶体的结晶过程与纯金属一样由形核和长大完成。 实际结晶时也需要一定的过冷度。 结晶是在一温度范围内进行的。 只有在温度不断下降时，固相 的相对量才增加，温度不变，液相L和固相 的相

10、对量保持不变，即达到平衡状态。 结晶时，L相和 相的成分分别沿着液相线和固相线变化。 结晶时，L相和 相的相对量不断变化。,4.2 二元合金相图,2.杠杆定律（Lever Rule） 杠杆定律用于二元合金处于两相平衡时，两个相的相对量的计算。,x,x1,x2,x1,x,x2,t,4.2 二元合金相图,3.固溶体合金的非平衡结晶 实际生产时，合金的结晶过程往往是非平衡的。 平衡结晶的特点： 合金平衡结晶时，晶体在长大过程中，组元的原子（例如Cu原子和Ni原子）在析出的固相中不断的发生迁移或扩散，如果冷却速度非常缓慢，则原子可以通过扩散而达到浓度处处相等。 非平衡结晶的特点： 在实际生产中，冷却速

11、度往往较快，且原子在固相中的扩散相对于在液相中要缓慢得多，因此就出现了在先结晶出的固溶体与后结晶出的固溶体中，组元原子分布不均匀（先结晶出来的固相含有较多的高熔点组元），即浓度差异的现象。,4.2 二元合金相图,4.偏析（Segregation） 偏析，是指固溶体在结晶过程中先结晶的部分与后结晶的部分存在成分差异的现象。 晶内偏析（Intracrystalline Segregation）： 发生在晶粒内部的偏析称为晶内偏析，即在一个晶粒内出现成分不均匀的现象。,4.2 二元合金相图,枝晶偏析（Dendrite Segregation）： 合金在结晶时通常是树枝状长大，非平衡结晶时，将造成树干

12、和树枝在成分上的差异，即产生枝晶偏析。枝晶偏析属于晶内偏析。 枝晶偏析是一种冶金缺陷，一般可以通过均匀化退火（或称扩散退火）予以减轻或消除。,4.2 二元合金相图,非平衡结晶引起的晶内偏析,Cu-Ni合金铸态 （枝晶偏析，非平衡组织）,Cu-Ni合金退火态 （平衡组织）,4.2 二元合金相图,共晶相图 共晶反应（Eutectic Reaction）： 从液相中同时结晶出两种不同的固相的反应。又称共晶转变。 L 共晶相图： 两组元在液态无限互溶、固态有限互溶或完全不互溶，冷却时发生共晶反应的相图。 具有共晶相图的二元合金系： Pb-Sn、Al-Ag、Al-Si、Pb-Bi等。 以下以Pb-Sn合

13、金为例对相图进行分析。,4.2 二元合金相图,L,L ,L, ,Pb-Sn合金相图,4.2 二元合金相图,4.2 二元合金相图,1.相图分析,3种单相 液相L； 固溶体（以Pb为溶剂、Sn为溶质）； 固溶体（以Sn为溶剂、Pb为溶质）。 重要的点 A点：Pb的熔点；B点：Sn的熔点； E点：共晶点（Eutectic Point）。 合金液相在E点将发生共晶反应：,4.2 二元合金相图,相图分析（续）,重要的线 AEB：液相线； AMENB：固相线； MEN：共晶线（Eutectic Line）； MF：相的固溶度曲线； 温度降至MF线时，从 中析出： NG：相的固溶度曲线。 温度降至NG线时，

14、从 中析出： 相区（Phase Field） 3个单相区： L、； 3个两相区：L、L、； 1三相区：L，即共晶线MEN。,4.2 二元合金相图,2.典型合金的平衡结晶过程分析：,4.2 二元合金相图,合金（2 wSn19）的结晶过程及室温组织,1,2,3,4,合金结晶完成后在室温下的组织： ,L , ,Pb-Sn合金相图,4.2 二元合金相图,合金（wSn= 61.9）的结晶过程及室温组织 共晶合金（Eutectic Alloy）,1,2,合金结晶完成后在室温下的组织：（ ）,L ,4.2 二元合金相图,Pb-Sn合金共晶组织，（ ）,4.2 二元合金相图,各种形态的共晶组织,4.2 二元合

15、金相图,一些合金中的共晶组织,Pb-Sn合金相图,4.2 二元合金相图,合金（19 wSn61.9 ）的结晶过程及室温组织 亚共晶合金（Hypoeutectic Alloy）,1,2,合金结晶完成后在室温下的组织： （ ） ,L , ,L ,3,4.2 二元合金相图,Pb-Sn合金亚共晶组织 （ ） ,3,Pb-Sn合金相图,4.2 二元合金相图,合金（61.9 wSn 97.5）的结晶过程及室温组织 过共晶合金（Hypereutectic Alloy）,合金结晶完成后在室温下的组织： （ ） ,L , ,L ,1,2,3,4.2 二元合金相图,Pb-Sn合金平衡结晶后的室温组织： 合金结晶完成后在室温下的组织： 合金结晶完成后在室温下的组织：（ ） 合金结晶完成后在室温下的组织： （ ） 合金结晶完成后在室温下的组织： （ ） 相组成物（Phase Constituent）： 相组成物是指构成合金的基本的相，简称相。