第三章 合金的相结构与相图

《第三章 合金的相结构与相图》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章 合金的相结构与相图（41页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第三章 合金的相结构与相图第一节 基本概念 第二节 合金的相结构 第三节 二元合金相图的建 第四节 二元匀晶相图 第五节 二元共晶相图 第六节 二元包晶相图 第七节 具有共析反应的二元合金相图 第八节 合金的性能与相图的关系 第九节 铁碳合金相图学习要求l1.了解二元匀晶相图、二元共晶相图、二元包晶相图各个 区间的组织组成和特征；l2.掌握共晶转变和共析转变的实质和条件；l3.掌握铁碳合金基本组织的特征和性能，并能结合晶体结 构知识进行分析、对比；l4.熟练分析铁碳合金典型7种合金的结晶过程，并能够做 到举一反三；l5.了解铁碳合金的化学成分、组织状态和性能之间的定性 关系；l6.了解合金的性

2、能与相图的关系。第一节 基本概念l合金:由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属 元素熔合或烧结而成的具有金属特性的物质。一般前者为 熔合合金，后者为烧结合金 .l组元:组成合金最基本的、独立的物质叫组元。一般来说 ，组元既可以是组成合金的元素，也可以是稳定的化合物 。l合金系:由两种或两种以上的组元按不同的比例配制成一 系列不同成分的所有合金称为合金系。l相:金属中具有相同的化学成分、相同结构和相同物理性 能并与其它部分有界面分开的均匀组成部分，称为相。l组织:是指用金相观察方法看到的由形态、尺寸不同和分 布方式不同的一种或多种相构成的总体。 第二节 合金的相结构 l一、固溶体l合金中两

3、组元在液态和固态下 都互相溶解，共同形成均匀的 固相，这类相称为固溶体。习 惯以、表示。l与合金晶体结构相同的元素称 溶剂,其它元素称溶质。l置换固溶体:溶质原子占据溶剂 晶格某些结点位置所形成的固 溶体。l溶质原子呈无序分布的称无序 固溶体，呈有序分布的称有序 固溶体。置换固溶体 l间隙固溶体:溶质原子嵌入 溶剂晶格间隙所形成的固 溶体。l形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族元素。l形成间隙固溶体的一般规 律为r质/r剂0.59时形成复杂结构 间隙化合物。l如FeB、Fe3C、Cr23C6等。 Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成 相，具有复

4、杂斜方晶格。l形成复杂晶格的间隙化合物，其 熔点和硬度较间隙相低，稳定性 也较差。l化合物也可溶入其它元素原子， 形成以化合物为基的固溶体。间隙化合物Fe3C的晶体结构 l三、机械混合物l纯金属、固溶体、金属化合物是组成合金的基本相， 由这些基本相按照固定比例构成的组织称为机械混合 物。它可以是两种或多种纯金属、固溶体、金属化合 物各自组成的机械混合物，也可以是它们之间的混合 物。l机械混合物中的各个组成相仍然保持各自的晶体结构 和性能，一般情况下在金相显微镜下可以加以区别。 机械混合物的性能取决于各组成相的大小、数量、分 布及形状。l工业生产中大多数合金是由机械混合物组成，如钢、 铸铁、铜合

5、金、铝合金等。 第三节 二元合金相图的建立l 相图又称状态图，它表明金属的相结构或状态随温度、压力及成分的改变而发生变化的情况。由于它只表示金属在平衡状态(那是极缓慢加热或冷却条件)下的相结构，所以也称平衡图。l l一、二元合金相图的表示方法一、二元合金相图的表示方法l l二、二元合金相图的建立二、二元合金相图的建立二元合金相图的坐标 Cu-Ni二元合金相图的建立 第四节 二元匀晶相图l匀晶相图：两组元在固态 时形成无限固溶体，且液 态时又能完全互溶的合金 相图称为匀晶相图。l一、相图分析l二、合金的结晶过程Cu-Ni合金相图、冷却曲线及结晶过程分析 l三、杠杆定律 l1.两平衡相及其成分的确

6、定l2.两平衡相相对质量的确定lmLar = mrb lmL = rb/ab100%lm = ar/ab100%杠杆定律 杠杆定律的力学比喻 l例：Bi-Sb二元合金相图，求Sb的质量分数为40%的Bi-Sb合金，在 400时组成相的成分及组成相的相对质量。l解：在成分轴上找出Sb的质量分数40%的合金点，并引-成分垂 线，再在400作水平线与液相线和固相线分别相交于C点及E点，且 与-成分垂线相交于D点，此时C点在成分轴上的投影即为液相的 成分。故液相中Sb的质量分数为18%，同理固溶体中Sb的质量分数 为72%。l根据杠杆定律，求得液、固两相的相对质量分别为：lmL = DE/CE =(7

7、2-40)/(70-18) = 55%lm = 1-55% = 45%l四、枝晶偏析Bi-Sb二元合金相图 在一个晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝 晶偏析。枝晶偏析的存在，使塑性、韧性降 低，使合金的压力加工难以进行。另外，枝 晶偏析也将导致合金的力学性能不均匀，使 合金的耐蚀性下降。 第五节 二元共晶相图l共晶相图：两组在液态无限互溶，在固态相互有限溶解或不溶解且发 生共晶转变的相图，称为共晶相图。l一、相图分析l共晶转变：从某种成分固定的合金溶液中同时结晶出两种成分和结构 皆不相同的固相，称为共晶转变。 共晶转变 Pb-Sn二元共晶相图 l二、典型合金的结晶过程l1.共晶合金的结晶过程（合

8、金）合金的冷却曲线及结晶过程 Pb-Sn共晶合金组织 l2.亚共晶合金的结晶过程（合金）l3.过共晶合金的结晶过程（合金）合金的冷却曲线及结晶过程 合金的冷却曲线及结晶过程 l4.含Sn量小于c点的合金结晶过程（合金）合金的冷却曲线及结晶过程 第六节 二元包晶相图l 包晶相图:两个组元在液态无限互溶，在固态形成有限固溶体并发生包晶反应的相图，称为包晶相图。l 一、相图分析 l 包晶转变:成分为P点的固溶体和在它周围成分为C点的液相L，在PDC水平线所对应的温度下，相互作用转变为成分是D点的另一新相固溶体，这一转变称为包晶转变。 Pt-Ag包晶相图 包晶转变 l二、典型合金的结晶过程l1.合金的

9、结晶过程l2.合金的结晶过程l3.合金的结晶过程第七节 具有共析反应的二元合金相图l共析转变：自某种均匀一致的固相中同时析出两种化学成 分和晶格结构完全不同的新固相的转变称为共析转变。 共析转变 l分析二元合金相图的要点：l相图中每一点都代表某一成分的合金在某一温度下所处 的状态，此点称为合金的表象点。l在单相区中，合金由单相组成，相的成分即等于合金的 成分，它由合金的表象点来决定。l在两个单相区之间必定存在着一个两相区。在此两相区 中，合金处于两相平衡状态；两个平衡相的成分可由通过 合金表象点的水平线与两相区边界线的交点来决定，两相 的相对质量可运用杠杆定律加以计算。l在二元合金相图中，三相

10、平衡共存表现为一条水平线。 三相平衡线的图形特征及性质 第八节 合金的性能与相图的关系一、合金的使用性能与相图的关系 二、合金的工艺性能与相图的关系第九节 铁碳合金相图l一、纯铁的同素异构转变l金属在固态下随温度或压力的改变，由一种晶格转变为另 一种晶格的变化，称为同素异构转变。 纯铁的冷却曲线 纯铁的同素异构转变 l二、铁碳合金的基本组织l铁素体：碳溶于体心立方晶格的-Fe中所形成的间隙固溶 体，称为铁素体，用符号“F”或表示。在727时，碳 在-Fe中的溶解度最大（0.0218%），室温下几乎为零 （0.0008%）。l由于铁素体的溶碳量很小，可认为是纯铁，其力学性能与 纯铁极为相近，强度

11、、硬度低，而塑性、韧性好。铁素体 在770以下具有铁磁性，在770以上时铁磁性消失。 l奥氏体：碳溶于面心立方晶格的-Fe中所形成的间隙固溶 体，称为奥素体，用符号“A”或表示。在1148时溶 碳量最大，为2.11%，随着温度的下降，溶解度也逐渐下 降，在727时，溶碳量为0.77%。 l奥氏体溶有较多的碳，故其具有一定的强度和硬度，良好 的韧性，低的塑性变形抗力，易于锻造成形。 l渗碳体：碳与铁以一定的比例形成的具有复杂晶格的间隙化合物，称 为渗碳体，用分子式Fe3C表示。渗碳体的含碳量为6.69%，是钢中 的主要强化相，它的数量、形状、大小及分布对钢的性能影响很大， 其组织形态有片状、球状

12、、网状和长条状。l渗碳体的力学性能特点是硬度高、脆性大。塑性、韧性几乎等于零。l珠光体：铁素体和渗碳体两相组成的机械混合物，称为珠光体，用符 号“P”表示。珠光体的含碳量为0.77%,其性能介于铁素体和渗碳体 之间，具有较高的强度和足够的韧性。 l莱氏体l莱氏体：奥氏体和渗碳体两相组成的机械混合物，叫莱氏体，用符号 “Ld”表示。莱氏体的含碳量为4.3%，存在于1148727温度范 围的莱氏体，称为高温莱氏体。727以下时，莱氏体是由珠光体和 渗碳体组成的机械混合物，称为低温莱氏体，用符号“Ld”表示。 因为莱氏体是以渗碳体为基体，其力学性能与渗碳体相近，硬度很高 ，塑性很差。 三、铁碳合金相

13、图lFe-Fe3C相图分析l1. Fe-Fe3C相图中的特性点l2. Fe-Fe3C相图中的特性线l1）三种恒温转变l包晶转变 在1495（HJB水平线）发生包晶转变： l共晶转变 在1148（ECF水平线）发生共晶转变：l共析转变 在727（PSK水平线）发生共析转变：l2）三条特性曲线lES线 是碳在奥氏体中的溶解度曲线。 lGS线 是冷却时奥氏体开始析出铁素体的转变线和加热 时铁素体转变为奥氏体的终了线，又叫A3线。lPQ线 是碳在铁素体中的溶解度曲线。 l3）Fe-Fe3C相图中的相区l5个单相区： ABCD线以上液相区（L）l AHNA高温铁素体区（）l NJESGN奥氏体区（A或）

14、l GPQG铁素体区（F或）l DFK渗碳体区（Fe3C）l 7个两相区：L+；L+A；L+ Fe3C；+A；F+A； A+ Fe3C及F+ Fe3C，它们分别位于两相邻的单相区之间。l三相共存水平线HJB、ECF及PSK分别可以被看作是 三相区。 l3.铁碳合金的分类 l工业纯铁（C0.02%）；l钢（0.02%2.11%C）：包括亚共析钢（ 0.77%C）、共析钢（0.77%C）和过共析钢（ 0.77%C）；l白口铸铁（2.11%6.69%C）：包括亚共晶白 口铸铁（4.3%C）、共晶白口铸铁（4.3%C） 及过共晶白口铸铁（4.3%C）。l典型合金结晶过程分析 7个典型合金在相图上的位置

15、 7个典型合金在相图上的位置 工业纯铁 合金 工业纯铁在室温下的 平衡组织为F+ Fe3C 共析钢 合金 共析钢的显微组织 工业纯铁的显微组织 共析钢结晶过程示意图 亚共析钢 合金过共析钢 合金 亚共析钢结晶过程示意图 过共析钢结晶过程示意图 0.45%C钢的显微组织 1.2%C钢的显微组织 共晶白口铸铁 合金亚共晶白口铸铁 合金共晶白口铸铁结晶过程示意图 亚共晶白口铸铁结晶过程示意图 共晶白口铸铁的显微组织 亚共晶白口铸铁的显微组织 过共晶白口铸铁 合金过共晶白口铸铁结晶过程示意图 过共晶白口铸铁的显微组织 l组织组成物计算共析钢珠光体组织中铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）的相对质量为：Fe3C1-88% = 12%含碳量为1.0%的过共析钢组织中二次渗碳体（Fe3C） 和珠光体（P）的相对质量为： P1-3.9% = 96.1% l含碳量对特碳合金组织及性能的影响l1.含碳量对平衡组织的影响铁碳合金的成分与组织的关系 l2.含碳量对性能的影响 l含碳量对力学性能的影响含碳量对退火钢力学性能的影响 l含碳量对切削加工性能的影响 l低碳钢（0.25%C）中铁素体较多，塑性好，切削时易粘刀 不易断屑，工件表面粗糙，切削加工性能不好。高碳钢（ 0.60%C）中二次渗碳体较多，并且当wc0.77%后，二次渗 碳体呈网状分布，切削抗力大