铁碳合金相图1-2.ppt

第4章铁碳合金相图Chapter4TheIronCarbonAlloyPhaseDiagram 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 MetallicCompound 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 MechanicalMixture 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 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 EquilibriumDiagram 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 ThermalAnalysis 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 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 IsomorphousReaction 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 LeverRule 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 IntracrystallineSegregation 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 DendriteSegregation 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 EutecticReaction 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 EutecticPoint 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 EutecticLine 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 从 中析出 相区 PhaseField 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 wSn 19 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 EutecticAlloy 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 wSn 61 9 的结晶过程及室温组织亚共晶合金 HypoeutecticAlloy 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 HypereutecticAlloy 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 PhaseConstituent 相组成物是指构成合金的基本的相 简称相 如Pb Sn合金中的 组织组成物 StructuralConstituent 组织组成物是指构成合金的 在显微镜下具有一定形态特征的单元 简称组织 如Pb Sn合金中的 共晶体 等 按组织组成物填写的Pb Sn合金相图 4 2二元合金相图 包晶相图包晶反应 PeritecticReaction 已从液相中结晶出的固相与液相作用 生成一种新的固相的反应 又称包晶转变 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 Pt Ag Sn Sb Cu Sn Cu Zn等 以下以Pt Ag合金为例对相图进行分析 4 2二元合金相图 Pt Ag 20 40 60 80 wAg A B L L L E D P C F Pt Ag合金相图 4 2二元合金相图 4 2二元合金相图 3种单相液相L 固溶体 以Pt为溶剂 Ag为溶质 固溶体 以Ag为溶剂 Pt为溶质 重要的点A点 Pt的熔点 B点 Ag的熔点 D点 包晶点 PeritecticPoint 合金液相在D点将发生包晶反应 1 相图分析 4 2二元合金相图 相图分析 续 重要的线ACB 液相线 APDCB 固相线 PDC 包晶线 PeritecticLine PF 相的固溶度曲线 温度降至PF线时 从 中析出 DF 相的固溶度曲线 温度降至DF线时 从 中析出 相区3个单相区 L 3个两相区 L L 1三相区 L 即包晶线PDC 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 wAg 42 4 的结晶过程及室温组织 1 2 3 合金 结晶完成后在室温下的组织 L L 4 2二元合金相图 合金 10 5 wAg 42 4 的结晶过程及室温组织 1 2 3 合金 结晶完成后在室温下的组织 L L 4 2二元合金相图 合金 42 4 wAg 66 3 的结晶过程及室温组织 1 2 3 合金 结晶完成后在室温下的组织 L 4 5 L 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 Mg Si Mn Si Fe P Cu Sb等 4 2二元合金相图 五 具有共析反应的二元相图 4 2二元合金相图 b 共析反应 EutectoidReaction 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 又称共析转变 s p k共析反应的产物是一种机械混合物 通常称为共析体 Eutectoid 是许多合金系中的一种重要组织 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