1,机械工程材料,Mechanical Engineering Materials,2,第3章 二元合金相图与铁碳合金,本章目录3.1 二元合金相图的建立及意义3.2 二元合金相图的基本类型3.3 合金性能与相图之间的关系3.4 铁碳合金的基本组织3.5 Fe-Fe3C相图3.6 钢铁材料生产简介3.7 碳钢,3,3.1 二元合金相图的建立及意义,3.1.1 二元合金相图的建立相——合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态、并以明 显的界面互相分开的、均匀的组成部分相图——表示合金系中合金的状态与温度、成分间的关系的图解4,（2）二元相图的建立方法1）配制一系列成分不同的Cu-Ni合金：①100%Cu； ②80%Cu+20%Ni； ③60%Cu+40%Ni；④40%Cu+60%Ni； ⑤20%Cu+80%Ni； ⑥100%Ni2）用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线，如图3-3a所示3）找出各冷却曲线上的临界点，如图3-3a所示4）将各个合金的临界点分别标注在温度—成分坐标图中相应的合金线上5）连接各相同意义的临界点，所得的线称为相界线。
这样就获得了Cu-Ni合金相图，如图3-1b所示 这样就获得了Cu-Ni合金相图，如图3-1b所示3.1.1 二元合金相图的建立,5,3.1.1 二元合金相图的建立,图3-1 用热分析法测定Cu-Ni合金相图,6,3.1.1 二元合金相图的建立,各开始结晶温度连成的相界线线称为液相线；各终了结晶温度连成的相界线线称为固相线在整个冷却过程中，随温度的降低：液相成分随液相线变化; 固相成分随固相线变化;,图3-2 Cu-Ni合金相图,7,相律及应用相律：描述系统的组元数、相数和自由度数间的关系的法则吉布斯相律： f＝c－p＋２ f为自由度数（≥0）它是指不影响体系平衡状态的独立可变参数（如温度、压力、浓度等）的数目； C是系统的组元数；p为平衡条件下系统的相数， 对于不含气相的凝聚体系，压力在通常范围的变化对平衡的影响极小，一般可认为是常量 当系统的压力为常数时：f＝c－p＋１ 相律的应用：可以确定系统中可能存在最多平衡相数可以解释纯金属和二元合金结晶时一些差别,返回,3.1.1 二元合金相图的建立,8,杠杆定律 杠杆定律就是确定两相区内两个组成相（平衡相）在某一温度时两相的成分以及相的相对量的重要法则。
图3-4 杠杆定律的证明,图3-5 杠杆定律的力学比喻,3.1.1 二元合金相图的建立,9,计算液相和固相在温度t1时的相对含量设合金的总质量为1，液相的质量为，固相的质量为，则有此外，合金Ⅰ中的含镍量等于液相和固相中镍的含量之和，即由以上两式可以得出 或,3.1.1 二元合金相图的建立,,,10,如果将合金I成分C的r点看作支点，将和看作是作用于a和b的力（见图3-5)，则按力学杠杆原理可得出：故称为杠杆定律据此可求得两平衡相的相对量分别为：,,3.1.1 二元合金相图的建立,杠杆定律:某合金两相的质量比等于这两相成分点到合金成分点距离的反比11,建立和利用合金相图，可以知道各种成分的合金在不同温度下存在哪些相、各个相的成分及其相对含量 不同合金系的合金，在固态下具有不同的显微组织，对于同一合金系的合金，由于合金的成分不同，以及所处的温度不同，在固态下也会形成不同的显微组织 相图是研究合金中各种组织形成和变化规律的有效工具，也是生产实践中正确制订冶炼、铸造、锻压、焊接、热处理工艺的重要依据 掌握相图的分析和使用方法，对于了解合金的化学成分、组织与性能之间的关系，以提高和改善合金的性能、研究和开发新的合金材料，具有重要的指导意义。
3.1.2 二元合金相图的意义,12,3.2 二元合金相图的基本类型,,,,3.2.1 匀晶相图及杠杆定律 3.2.2 共晶相图 3.2.3 包晶相图 3.2.4 具有共析反应的相图 3.2.5 含有稳定化合物的相图,13,凡是二元合金系中两组元在液态下可以任何比例均匀相互溶解，在固态下能形成无限固溶体时，其相图属于二元匀晶相图例如Cu-Ni、Fe-Cr、Au-Ag等合金系都属于这类相图由液相结晶出均一固相的过程就称为匀晶转变下面就以Cu-Ni合金相图为例，对匀晶相图进行分析3.2.1 匀晶相图及杠杆定律,图3-6 Cu-Ni合金相图及典型合金平衡结晶过程分析,14,（1）相图分析图3-6a所示为Cu-Ni合金相图，点——图中tA =1083℃为纯铜的熔点；tB=1455℃为纯镍的熔点线——tA L3 L2 L1tB为液相线，代表各种成分的Cu-Ni合金在冷却过程中开始结晶、或在加热过程中熔化终了的温度；tAα3α2α1tB为固相线，代表各种成分的合金冷却过程中结晶终了、或在加热过程中开始熔化的温度相区——液相线与固相线把整个相图分为三个不同相区在液相线以上是单相的液相区，合金处于液体状态，以“L”表示；固相线以下是单相的固溶体区，合金处于固体状态，为Cu与Ni组成的无限固溶体，以“α”表示；在液相线与固相线之间是液相+固相的两相共存区，即结晶区，以“L+α”表示。
3.2.1 匀晶相图及杠杆定律,15,3.2.1 匀晶相图及杠杆定律,（2）典型合金结晶过程分析 现以含40%Ni的Cu-Ni合金为例，分析其结晶过程，如图3-6b所示 由图3-6a可见，该合金的合金线与相图上液相线、固相线分别在t1、t3温度时相交，这就是说，该合金是在t1温度时开始结晶，在t3温度时结晶结束因此，当合金自高温液态缓慢冷却到t1温度时，开始从液相中结晶出α固溶体，随着温度的下降，α固溶体量不断增多，剩余液相量不断减少直到温度降到t3温度时，合金结晶终了，获得了Cu与Ni组成的α固溶体 图3-7 Cu-Ni合金固溶体的显微组织,图3-7 Cu-Ni合金固溶体的显微组织,16,（3）杠杆定律的应用 如图3-8中，任一含x%Ni的Cu-Ni合金，在t温度时，液相成分为x1%Ni，固相成分为x2%Ni在这一温度下，已结晶出的固相α和剩余液相L的相对量分别是：,3.2.1 匀晶相图及杠杆定律,或,图3-8 杠杆定律的应用,17,共晶转变——二元合金系中，一定成分的液相，在一定温度 下同 时结晶 出两种不相同的固相的转变，称为共晶转变。
二元共晶相图——凡二元合金系中两组元在液态下能完全互 溶， 在固态下形成两种不同固相，并发生共晶转变的 的相图属于二元共晶相图3.2.2 二元共晶相图,18,（1）相图分析① 简单共晶相图 在液态下能完全互溶，在固态下彼此互不溶解的共晶相图，如图3-9中A、B两组元组成的二元相图，称为简单共晶相图共晶转变，其反应式为：,3.2.2 二元共晶相图,图3-9 简单共晶相图,,,19,② 一般共晶相图 两组元在液态下能完全互溶，在固态下互相有限溶解的共晶相图，称为一般共晶相图图3-12是由A、B两组元组成的一般共晶相图3.2.2 二元共晶相图,图3-12 Pb-Sn合金相图,20,3.2.2 二元共晶相图,图3-14 ＜19.2%Sn的Sn--Pb组织 (200×),图3-13 合金I的冷却曲线及结晶过程,（2） 典型合金的结晶过程分析① 含Sn量小于D点的合金的结晶过程（合金Ⅰ） 合金Ⅰ含Sn量小于D点，其冷却曲线及结晶过程如图3-13所示。
合金Ⅰ的室温组织 如图3-14 21,3.2.2 二元共晶相图,合金Ⅰ在室温时，α与βⅡ的相对量，可用杠杆定律计算： 或α=（1-βⅡ）×100%,22,② 含Sn量为C点成分的合金的结晶过程（合金Ⅱ）共晶合金Ⅱ的冷却曲线及结晶过程如图3-15所示 共晶合金Ⅱ的室温组织应为（αF +βG）共晶体，如图3-16所示3.2.2 二元共晶相图,图3-15 合金Ⅱ的冷却曲线及结晶过程,图3-16 Pb--Sn共晶合金的室温组织(100×),23,合金Ⅱ共晶转变的反应式为：共晶体中αD与βE的相对量可用杠杆定律计算如下：βE=(1-αD)×100%≈54.6%,3.2.2 二元共晶相图,,24,③ 含Sn量在C、D点间的合金的结晶过程（合金Ⅲ） 合金成分在C点与D点之间的合金，称为亚共晶合金现以合金Ⅲ为例进行分析图3-17为合金Ⅲ的冷却曲线及结晶过程3.2.2 二元共晶相图,图3-17 合金Ⅲ的冷却曲线及结晶过程,图3-18 Pb--Sn亚共晶合金的室温组织(100×),25,④ 含Sn量在C、E点间的合金的结晶过程（合金Ⅳ） 合金成分C点与E点之间的合金称为过共晶合金。
现以合金Ⅳ为例进行分析图3-19为合金的冷却曲线及结晶过程3.2.2 二元共晶相图,图3-20 Pb--Sn过共晶合金的室温组织(100×),图3-19 合金Ⅳ的冷却曲线及结晶过程,26,不同的合金中，由于形状条件不同，各种相将以不同的数量、形状、大小互相组合，而在显微镜下可观察到不同的组织以组织组成物填写的Pb-Sn合金相图如图 3-21所示3.2.2 二元共晶相图,图3-21 以组织组成物填写的Pb-Sn合金相图,27,合金中相组成物和组织组成物的相对量，均可利用杠杆定律来计算 合金Ⅲ在183℃（共晶转变结束后）时由α、β两相组成，其相对量为： 合金Ⅲ在183℃（共晶转变结束后）时由初晶αD与共晶体（αD+βB）两种组织组成物组成，其相对量为： 可见，如合金成分已知，即可根据相图，利用杠杆定律，分别计算出其相组成或组织组成物的相对量3.2.2 二元共晶相图,,,28,3.2.3 包晶相图 在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变过程，称之为包晶转变或包晶反应。
两组元在液态下相互无限互溶、在固态下相互有限溶解，并发生包晶转变的二元合金系相图，称为包晶相图3.2.3 包晶相图,图3-22 Pt-Ag合金相图,29,3.2.4 具有共析反应的相图 在一定温度下，由一定成分的固相分解为另外两个一定成分的固相的转变过程，称之为共析转变或共析反应在相图上，这种转变与共晶转变相似，都是由一个相分解为两个相的三相恒温转变，三相成分点在相图上的分布也一样，反应相成分分布在两转变产物的中间所不同的是共析转变的反应相是固相，而不是液相例如Fe-Fe3C相图（如图3-32所示）上的PSK线即为共析线，S点是共析点，其反应式为727℃ γs αp+Fe3C 由于是固相分解，其原子扩散比较困难，容易产生较大的过冷，所以共析组织远比共晶组织细密共析相变对合金的热处理强化有重大意义，钢铁及铁合金的热处理就是建立在共析转变的基础上共析相变及其特征将在下节铁碳合金相图中详细介绍。