y第二章第二部分合金相图-铁碳相图

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1、第二章 材料的结构与凝固,主讲人：孙利,二、二元合金相图,1、合金的结晶特点 2、二元合金相图的基本知识 3、二元合金相图的用途与建立方法 4、二元合金相图类型匀晶相图共晶相图包晶相图 四种转变 5、相图与合金性能之间的关系 6、铁碳合金相图,1、合金的结晶特点 （也是形核与长大，但有自己的特点）：,（1）不是恒温下进行的，有一定的结晶温度范围。 （2）结晶过程中不只有一个固相和液相，而是在不同范围内有不同的相，各相成分也变化。,纯金属的结晶过程是在恒温下进行的。 在结晶的过程中只有液相和固相数量的变化。 而合金的结晶通常是在一定的温度范围内进行的， 在结晶的过程中，不但有固相和液相数量变化，

2、而且各相的成分也在变化。为了研究合金结晶过程的特点以及合金相与组织的变化规律， 必须应用合金相图这一重要工具。,2、二元合金相图的基本知识相图（平衡图、状态图）相图是表明平衡结晶条件下（即极缓慢加热或冷却条件下） 合金系中成分、温度和相（或组织）之间的关系图形。表示在平衡状态下，合金的组成相或组织状态与温度、成分、压力之间关 系的简明图解 。 平衡状态 :合金的成分、质量份数不再随时间而变化的一种状态。,相图用途： 研究合金的相变、组织形成及变化的规律； 制定热加工工艺的重要工具。建立方法：相图的建立可以用实验的方法，也可以用计算的方法，热分析法、金相法、膨胀法、电阻法等。主要是热分析法下面就

3、以Cu-Ni二元合金系为例进行介绍： 1）配制不同成分的合金 2）测定每种合金的冷却曲线，找出每种合金的临界点（即冷却曲线上的转折点） 3）将具有相同意义的临界点标注在温度成分坐标图中相应的合金线上。 4）把具有相同意义的临界点连成曲线即可,3、二元合金相图的用途与建立方法,4、二元合金相图类型,匀晶相图共晶相图包晶相图共析相图,一、匀晶相图,4、二元合金相图类型,匀晶相图中两组元在液态、固态下都能无限互溶， 具有这类相图的二元合金系有Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Fe-Ni、W-Mo、 Cr-Mo等，有些硅酸盐材料如镁橄榄石（Mg2SiO4）-铁橄榄石（Fe2SiO4）等 也具有此类特

4、征。在这类合金中，结晶时都是由液相结晶出单相的固溶体，（不同温度结晶的 固溶体成分不同） 这种结晶过程称为匀晶转变。,上面一条是液相线，下面一条是固相线。 由液相线和固相线将相图分成三个相区：液相区L、固相区以及液、固两相并存区L+ 。 其中相是铜和镍形成的合金溶液，是铜和镍组成的无限固溶体。,杠杆定律,以Cu-Ni合金相图为例说明： 设某一合金成分为b， 在t温度时，L相的成分为a1； 相的成分为c1。 L、 两相的重量为WL、W 、 总重量为W。 则有：WL+W =W (1)WLa1+ Wc1 = Wb (2) 由此两式得： 则L、 两相得相对重量分数为：,杠杆定律的力学比喻,杠杆定律的使

5、用条件,只适用于相图中的两相区，只能在平衡状态下使用,固溶体结晶时的晶内偏析,纯金属？,共晶合金结晶过程示意图,亚共晶合金结晶过程示意图,共晶组织示意图,当合金凝固到一定温度时，若已结晶出来的 一定成分的固相与剩余液相发生反应生成另 一种固相，即包晶转变。,包晶线与共晶线不同之处在于： 共晶反应为分解型反应： 而包晶反应为合成型反应： 共晶线为固相线，而包晶线仅有PD段为固相线，而CD线段为非固相线；反应后的组织不同；液相成分点位置不同。,Pt-Ag 合金相图,合金的平衡结晶过程,合金的平衡结晶过程,合金的平衡结晶过程,匀晶转变: L(液)(固) 共晶转变: L(液)(固)+ (固) 包晶转变

6、: L(液)+(固)(固) 共析转变: (固)(固)+(固),相图与合金性能之间的关系,（一） 铁碳合金概述 （二） 铁碳相图的应用 （三） 铁碳合金中的组元 （四） 铁碳合金中的基本相 （五） FeFe3C相图分析 （六） 碳素结构钢的分类和编号 （七） 铁碳合金的平衡结晶过程及组织,5、铁碳合金相图,（一）FeC合金概述,钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是现代机械制造工业中应用最广的金属材料，虽然种类很多，成分不一，其基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素，故统称为铁碳合金（alloys of the ironcarbon system）。铁碳相图(iron-carbon

7、 diagram)描述了钢铁材料的成分、温度与组织（相）之间的关系，是了解钢铁材料的基础。,在铁碳合金中，Fe与C可以形成一系列化合物：Fe3C、Fe2C、FeC。所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。由于化合物是硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过5），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。,（二）铁碳相图的应用,在生产中具有很大的实际意义，主要应用在钢铁材料的选用和加工工艺的制订两个方面。 （1）在选材方面 （2）在铸造工艺方面 （3）在热锻热轧工艺方面 （4）在热处理工艺方

8、面,(1) 纯铁（Fe） 熔点1538，塑性好，强度硬度极低，在结晶过程中存在 同素异晶转变。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体。 (2) 碳（Fe3C） 在FeFe3C相图中，碳有两种存在形式：一是以化合物 Fe3C形式存在；二是以间隙固溶体形式存在。,（三） FeC合金中的组元,纯铁（pure iron） 熔点1538、汽化点2738、密度7.87g/。 同素异构转变 磁性转变（770/768磁性转变、magnetic transformation）。纯铁的强度低，塑性好(软)，很少用于结构材料。主要利用铁磁性（ferromagnetism）。,(1) 纯铁（Fe）,纯铁的显微组织,（2

9、）渗碳体(Fe3C),渗碳体（cementite） 晶体结构复杂，含碳量 6.69，熔点高，硬而脆， 几乎没有塑性。Fe3C在230以下具有铁 磁性亚稳化合物。 渗碳体可以分解形成石墨状 的自由碳： Fe3C3Fe + C(石墨)。,渗碳体对合金性能的影响：（1）渗碳体的存在能提高合金的硬度、耐磨性，使合金的塑性和韧性降低。（2）对强度的影响与渗碳体的形态和分布有关：A、以层片状或粒状均匀分布在组织中，能高合金的强度；B、以连续网状、粗大的片状或作为基体出现时，急剧降低 合金的强度、塑性韧性。,（四） FeC合金中的基本相,相：指系统中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并以界面隔开的均匀

10、组成部分。 铁碳合金系统中，铁和碳相互作用形成的相有两种：固溶体和金属化合物。固溶体是铁素体和奥氏体；金属化合物是渗碳体。这也是碳在合金中的两种存在形式。,（1）铁素体 碳溶于a-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素 体，用a或者F表示，为体心立方晶格结构。 塑性好，强度硬度低。 （2）奥氏体 碳溶于g-Fe中形成的间隙固溶体称为奥 体，用g或者A表示，为面心立方晶格结构。 塑性好，强度硬度略高于铁素体，无磁性。 （3）渗碳体Fe3C（前面已讲过）,简图总结,两相机械混合物：4. 珠光体：铁素体与渗碳体的两相混合物，强度、硬度及塑性适中。 5. 莱氏体：奥氏体与渗碳体的混合物；室温下为珠光体与渗碳体

11、的混合物，又硬又脆。铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体为铁碳合金中的基本组织，是铁碳合金中的组织组成物。 组织组成物：指构成显微组织的独立部分，可以是单相，也可以是两相或多相混合物。 显微组织：指在金相显微镜下所观察到的金属及合金内部的微观形貌，包括相和晶粒的形态、大小、分布等。,（五） FeFe3C相图分析,FeFe3C相图全貌。根据分析围绕三条水平 线可把FeFe3C相图分解为三个部分考虑：左上角的包晶部分右边的共晶部分 左下角的共析部分 分析点、线、区特别是重要的点、三条水平 恒温转变线 、重要的相界线 铁碳合金分类,FeFe3C相图相图中的各特性点： A、B、C、D、E、F、G、H

12、、J、K、N、P、S、Q各点,1组元的熔点： A (0, 1538) Fe ； D (6.69, 1227) Fe3C,2同素异构转变点：N（0, 1394）-Fe -Fe；G（0, 912）-Fe-Fe,5其它点 B（0.53，1495），发生包晶反应时液相的成分 F（6.69，1148），渗碳体 K（6.69，727 ）， 渗碳体,3碳在铁中最大溶解度点：P（0.0218，727），碳在-Fe中的最大溶解度；E（2.11，1148），碳在-Fe 中的最大溶解度； H（0.09，1495），碳在-Fe中的最大溶解度 Q（0.0008，RT），室温下碳在-Fe中的溶解度,4三相共存点：S（共析

13、点，0.77，727），（AF Fe3C）C（共晶点，4.3，1148），（AL Fe3C）J（包晶点，0.17，1495），（ AL ）,2、图中重要的线：FeFe3C相图有一些特性线，它们是由不同成分合金具有相同意义的点连接起来的。A、三条水平恒温转变线B、二条磁性转变线(水平)C、三条重要的相界线,HJB为包晶转变线转变：+L ECF为共晶转变线：L+Fe3C（莱氏体） PSK为共析转变线：+Fe3C（珠光体）, 230为水平线为Fe3C的磁性转变线，230以上Fe3C无磁性，230以下为铁磁性。常用A0表示； 770为的铁磁性转变线。770以上无铁磁性，770以下为铁磁体。常用A2表示

14、，又称居里点。, GS线：A中开始析出或全部溶入(升温时) 的转变线。因这条线在共析转变线以上，故又称为先共析相开始析出线。常称为A3线或A3温度。 ES线：C在中溶解度曲线。低于此温度，溶解度降低，析出Fe3C。为了区别自液(CD线)态合金中直接析出的一次Fe3C，将中析出的Fe3C称为二次Fe3C。 PQ线：C在中溶解度曲线。在727时，C在中的最大溶解度0.0218%，但温度下降，C在中溶解度下降，会析出少量的渗碳体，称为三次Fe3C。以区别于沿CD线和ES线析出的Fe3C。,3、FeFe3C相图中的区,FeFe3C相图中的区： 5个单相区：L、渗碳体 7个两相区：L+、L+、L+ Fe

15、3C、+、+ Fe3C、+、+ Fe3C 3个三相共存区：L+ Fe3C（ECF共晶线）、L+（HJB包晶线）、+ Fe3C（PSK共析线）,Fe、C合金通常按其含碳 量(Wc)及其室温平衡组织 分为三大类： 工业纯铁（pure iron） 碳钢（carbon steel） 铸铁（cast iron） 根据碳钢和铸铁的相变、 组织特征可把二者细分。 即：1）工业纯铁 (Wc0.0218%)显微组织 为固溶体。 室温下退火态的组织由 等轴晶粒组成；强度 低，塑性、韧性好；作 为功能材料使用，如变 压器的铁芯等,4、FeC合金分类,钢（steel）是含碳量在(Wc=0.02182.11%)之间的F

16、eC合金。其特点是：高温组织为单相的，具有很好的塑性。因而可以进行锻造、轧制等压力加工。亚共析钢（hypoeutectoid steel）：Wc=0.02180.77% 含碳量在0.15-0.25%的亚共析钢：属低碳钢，为工程结构用钢。这类钢主要用于房屋，桥梁、船舶、车辆、矿井或油井井架等大型工程结构件，一般不进行热处理，直接在热轧或正火状态下使用。 含碳量在0.30-0.50%的亚共析钢，属中碳钢，为机械结构用钢。主要用于制造各种机械零部件，如轴类、齿轮等。它要求有较高的强度，塑性、韧性和疲劳强度等综合力学性能。这类钢通常在淬火、高温回火状态下使用，常称之为调质钢。 含碳量在0.60.7%的亚共析钢，属高碳钢，也为机械结构用钢。主要用于制造各种弹性元件，如弹簧。它要求有较高的弹性极限和疲劳强度。这类钢通常在淬火后再中温回火后使用，常称之为弹簧钢。 共析钢（eutectoid steel）：Wc=0.77% 过共析钢（hypereutectoid steel）：Wc=0.772.11% 含碳量在0.7%以上的共析钢和过共析钢，属于高碳钢，属工具钢类。主要用于制作刃具、量具、模具、轧制工具及耐磨损工具等。要求有高强度、高硬度和高耐磨性等。,