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1、第四章 二元合金相图及应用学习要求1.掌握相图、杠杆原理、枝晶偏析、共晶合金、次生 相、组织组成物、碳钢、共析钢、铸铁、共晶白口 铸铁、铁素体、奥氏体、渗碳体、莱氏体、珠光体 、二次渗碳体等基本概念。2.熟悉几种基本的二元合金相图，并掌握典型合金的 平衡结晶过程。3.重点掌握铁碳合金相图及其分析方法，碳钢的平衡 结晶过程、碳含量对铁碳合金平衡组织和性能的影 响。重要概念相图 描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的一种 图解。状态 指系统中的各相的凝聚状态、相的类型等。相变 合金中的相从一种类型转变为另一种类型的过程。 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
2、的相对量；成分、温度变化时材料中发生的相变。1二元相图的建立热分析法（以CuNi合金为例）1、配制一系列不同成分的CuNi合金；例如：100%Cu、80%Cu20%Ni、60%Cu40%Ni、40%Cu60%Ni、20%Cu80%Ni、100%Ni等6个合金。2、分别测定上述合金的冷却曲线；3、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。4、将各临界点标在相图的坐标平面上；二元相图的坐标平面，其纵座标为温度，横座标为成分。5、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。1二元相图的建立CuNi20406080 wNi(%)时间温度wNi=10
3、0%wNi=80% wNi=60%wNi=40%wNi=20%Cu-Ni二元合金相图的建立wCu=100%1二元相图的建立CuNi20406080wNi(%)液相线固相线ABL L结晶过程两个方面的变化：L相和相的成分分别沿着液相线和固相线变化；L相和相的相对量不断变化。Cu-Ni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一、匀晶相图2二元相图的基本类型杠杆定律：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。LLxx1x2x1 x x2CuNiT枝晶偏析：实际生产时，合金的结晶过程是非 平衡的。所谓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
4、象。晶内偏析就是发生在一个 晶粒内的成分不均匀现象。1二元相图的基本类型CuNi合金铸态 （枝晶偏析）CuNi合金退火态2二元相图的基本类型二、二元共晶相图共晶反应（转变）：从液相中同时结晶出两种不同的固相的反应（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：PbSn、AlAg、AlSi、PbBi等。以下以PbSn合金为例对相图进行分析。2二元相图的基本类型合金分析： 结晶过程：LL+； 室温时的相：+； 室温时的组织： 初晶+； 杠杆原理应用：合金分析： 结晶过程：L（+）； 室温时的相：+； 室温时的组织： （+）
5、； 杠杆原理应用：2二元相图的基本类型合金分析： 结晶过程：LL+（ + ）初晶+（ 共晶 +共晶 ）； 室温时的相：+； 室温时的组织： 初晶+（ 共晶+共晶 ）； 杠杆原理应用：共晶温度组织2二元相图的基本类型室温相室温组织PbSn20406080wSn(%)ABLL L MNFGE123412123123Pb-Sn合金相图2二元相图的基本类型PbSn20406080wSn(%)ABLL L ( ) II M NF GE按组织组成物填写的Pb-Sn合金相图( ) ( ) II II II 1二元相图的基本类型三、二元包晶相图包晶反应（转变）：已从液相中结晶出的固相与液相作用，生成一种新的固
6、相的反应。L 包晶相图：两组元在液态无限互溶、固态有限互溶或完全不互溶，冷却时发生包晶反应的相图。具有包晶反应的二元合金系：PtAg、SnSb、CuSn、CuZn等。以下以PtAg合金为例对相图进行分析。2二元相图的基本类型PtAg20406080 wAg(%)ABLL L ED1231212 3PCF453Pt-Ag合金相图2二元相图的基本类型MgSi20406080 wAg(%)ABL + MgLEDCFPMNQMg2Si L + Mg2Si L + SiMg + Mg2Si Mg2Si + SiL + Mg2Si Mg-Si合金相图四、形成稳定化合物的二元相图稳定化合物：具有一定熔点、在
7、熔点以下保持其固有结构而不发生分解的化合物。形成稳定化合物的二元合金系：MgSi、MnSi、FeP、CuSb等。1二元相图的基本类型共析反应（转变）：一定成分的固相，在一定温度下，同时析出两种化学成分和结构完全不同的新的固相的反应（转变）。 1 2共析相图与共晶相图在形状上很相似，但发生的反应完全不同。共析相图的分析方法与共晶相图类似。五、具有共析反应的二元相图2二元相图的基本类型wB(%)AL1 2DCEL12B1B2A1A2B 1 2具有共析反应的二元合金相图2二元相图的基本类型以铁和碳为基本组元的合金。碳钢 （C%2.11% ） 铸铁 （C%2.11%）铁碳合金碳在铁碳合金中的存在形式：
8、 C溶入Fe的晶格间隙中形成间隙固溶体（铁素体、奥氏体）。 C与Fe作用形成化合物(Fe3C）。 以游离态（石墨）存在。当C主要以Fe3C形式在钢中存在时，铁碳合金的组成相就是Fe和Fe3C。本节讨论的铁碳相图即为FeFe3C相图。3铁碳合金相图LL+ L+Fe3C +Fe3C+Fe3C + L+ +Fe3C (0.09 ) (0.53 ) (0.17 )(0.77 )（0.0218 ）(2.11 )(4.3)1495C1148C727C1538C1227C1394C912C铁碳合金相图（一）铁素体（ferrite)符号： 或 F。定义：碳溶解在体心立方晶格的Fe中形成的间隙固溶体。碳溶解在体
9、心立方晶格的Fe中形成的间隙固溶体也是铁素体，为了区别起见，称为 铁素体或高温铁素体。性能：强度和硬度低，塑性和韧性高。HB5080， 3050%。一、铁碳合金中的基本相3铁碳合金相图（二）奥氏体（austenite) 符号： 或 A。 定义：碳溶解在面心立方晶格的Fe中形成的间隙固溶体。 性能：强度和硬度较低，塑性和韧性高。HB170220， 3050%。相比铁素体，奥氏体可溶入更多的碳，强度和硬度更高。（三）渗碳体（cementite) 符号：Cm 或 Fe3C。 定义：碳和铁相互作用形成的间隙化合物。 性能：熔点高，硬度高，脆性大，塑性几乎为零。HB800， 0%。3铁碳合金相图二、铁碳
10、合金相图分析（一）FeFe3C相图中的特性点 符号温度/CC%说 明A15380纯铁的熔点B14950.53包晶转变时液态合金的成分（C%）C11484.3共晶点D12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在Fe中的最大溶解度F11486.69渗碳体的成分G9120FeFe的转变温度（A3）H14950.09碳在Fe中的最大溶解度J14950.17包晶点K7276.69渗碳体的成分N13940FeFe的转变温度（A4）P7270.0218碳在Fe中的最大溶解度S7270.77共析点（A1）Q室温0.0008室温时碳在Fe中的溶解度3铁碳合金相图Fe3C1227CLL+ L+Fe3C +F
11、e3C+Fe3C + L+ + (0.09 ) (0.53 ) (0.17 )(0.77 )（0.0218 ）(2.11 )(4.3)1495C1148C727C1538C1394C912C3铁碳合金相图（二）FeFe3C相图中的特性线1、液、固相线液相线：ABCD；固相线：AHJECF莱氏体（ledeburite），符号：Ld珠光体（pearlite），符号：PPSK线：共析线（727C），又标记为A1线共析反应：L0.53+0.09 0.171495C2、三条水平线HJB线：包晶线包晶反应：ECF线：共晶线（1148C）共晶反应：L4.3 2.11+Fe3C1148C0.77 0.0218
12、Fe3C727C3铁碳合金相图3、三条固态转变线GS线：ES线：碳在奥氏体（ ）中的固溶度曲线，又标记为Acm线PQ线：碳在铁素体（）中的固溶度曲线 转变温度线，又标记为A3线加热冷却 Fe3C加热冷却 Fe3C加热冷却五种形态不同的渗碳体：l一次渗碳体（Fe3C）：从液相中析出的渗碳体。l共晶渗碳体：共晶反应中生成的渗碳体。l二次渗碳体（Fe3C） ：从奥氏体中析出的渗碳体。l共析渗碳体：共析反应中生成的渗碳体。l三次渗碳体（Fe3C） ：从铁素体中析出的渗碳体。3铁碳合金相图LL+L+Fe3C +Fe3C+Fe3C + L+ +Fe3C (0.09 ) (0.53 ) (0.17 )(0.
13、77 )(0.0218)(2.11 )(4.3)1495C1148C727C1538C1227 C1394C912C三、典型铁碳合金的平衡结晶过程分析工业纯铁（C%0.0218%）共析钢（C%0.77%）共晶白口铸铁（C%4.3%）亚共晶白口铸铁（C%2.114.3 %）过共晶白口铸铁（C%4.36.69 %）过共析钢（C%0.772.11%）亚共析钢铁（C%0.02180.77%）3铁碳合金相图FFe3C工业纯铁（wc=00.0218% ）的室温组织FFe3C 工业纯铁（wC0.0218% ）结晶过程 ：室温组织：F先共析+Fe3C三次渗碳体最大量计算：3铁碳合金相图组织 计算 ：P共析钢的
14、室温组织PFFe3C共析钢(wC=0.77%):共析转变产物称为珠光体，用P 表示。即 P=F共析+Fe3C共析室温 组织3铁碳合金相图结晶过程 ：组织 计算 ：亚共析钢的室温组织FPFP室温组织：F先共析+P+（Fe3C）Fe3C通常忽略不计。例：以wC=0.6%进行组织计算：完成共析转变时：室温下：亚共析钢(0.0218%wC%0.77%)3铁碳合金相图过共析钢的室温组织 P Fe3CFe3CP室温组织：P +Fe3C（假定wC=1.2%）二次渗碳体最大量计算：（3）过共析钢(0.77%wC2.11%)3铁碳合金相图共晶白口铸铁的室温组织LdFe3CPLd共晶白口铸铁 (wC=4.3%) 结晶过程：组织计算：（莱氏体中1148）低温莱氏体中7273铁碳合金相图亚共晶白口铸铁的室温 组织P Fe3CII LdFe3CPLd亚共晶白口铸铁（2.11%wC4.3%）结晶过程：组织计算：3铁碳合金相图过共晶白口铸铁的室温组织 Fe3C LdFe3CLd过共晶白口铸铁（4.3%wC6.69% ） 结晶过程：组织计算：3铁碳合金相图按组织组成物标注的Fe-Fe3C相图LL+AL+Fe3CIF + L+A+Fe3CF (0.09 ) (0.53 ) (0.17 )(0.77 )(0.021 8)(2.11 )(4.3)1495C1148C727C1538C1227 C1394C9
