工程材料第四章二元相图及应用PPT幻灯片课件

工程材料,王金星材料科学与工程学院,邮箱：wjx电话EngineeringMaterials,1,第四章二元相图及应用,2,第四章二元相图及应用,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。特别提示相图是在热力学平衡的条件下建立起来的。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。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。,3,4.1二元相图的建立,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。,4,Cu,Ni,20,40,60,80,wNi(%),时间,温度,wNi=100%,wNi=80%,wNi=60%,wNi=40%,wNi=20%,Cu-Ni二元合金相图的建立,wCu=100%,4.1二元相图的建立,5,4.2二元相图的基本类型与分析,一、二元匀晶相图匀晶反应（转变）：从液相中直接结晶出固溶体的反应（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：CuNi、AuAg、FeNi、CuAu、CrMo等。相图分析的内容：相图的基本分析对相图中的各个点、各条线和各个面（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过程中所发生的各种变化。,6,Cu,Ni,20,40,60,80,wNi(%),液相线,固相线,A,B,L,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,4.2二元相图的基本类型与分析,温度,7,Cu,Ni,20,40,60,80,wNi(%),A,B,L,L,Cu-Ni合金相图,4.2二元相图的基本类型与分析,温度,8,4.2二元相图的基本类型与分析,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。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,L,L,x,x1,x2,x1,x,x2,Cu,Ni,差异的现象。晶内偏析就是发生在一个晶粒内的成分不均匀现象。合金在结晶时通常以树枝状形式长大，从而造成了树干和树枝在成分上的差异，这就是枝晶偏析。枝晶偏析是一种冶金缺陷。枝晶偏析一般可以通过均匀化退火(或称扩散退火)予以减轻或消除。,T,9,4.2二元相图的基本类型与分析,CuNi合金铸态（枝晶偏析）,CuNi合金退火态,10,二、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。,4.2二元相图的基本类型与分析,11,Pb,Sn,20,40,60,80,wSn(%),A,B,L,L,L,M,N,F,G,E,1,2,3,4,1,2,1,2,3,1,2,3,Pb-Sn合金相图,4.2二元相图的基本类型与分析,12,4.2二元相图的基本类型与分析,A,B,F,G,13,Pb,Sn,20,40,60,80,wSn(%),A,B,L,L,L,()II,M,N,F,G,E,按组织组成物填写的Pb-Sn合金相图,(),()II,II,II,4.2二元相图的基本类型与分析,14,三、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。,4.2二元相图的基本类型与分析,15,Pt,Ag,20,40,60,80,wAg(%),A,B,L,L,L,E,D,1,2,3,1,2,1,2,3,P,C,F,4,5,3,Pt-Ag合金相图,4.2二元相图的基本类型与分析,16,Mg,Si,20,40,60,80,wAg(%),A,B,L+Mg,L,E,D,C,F,P,M,N,Q,Mg2Si,L+Mg2Si,L+Si,Mg+Mg2Si,Mg2Si+Si,L+Mg2Si,Mg-Si合金相图,4.2二元相图的基本类型与分析,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：MgSi、MnSi、FeP、CuSb等。,17,五、具有共析反应的二元相图,4.2二元相图的基本类型与分析,wB(%),A,L,12,D,C,E,L,1,2,B1,B2,A1,A2,B,1,2,具有共析反应的二元合金相图,18,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）。12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。,4.2二元相图的基本类型与分析,19,铁碳合金：以铁和碳为基本组元的合金。两大类铁碳合金：碳在铁碳合金中的存在形式：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。,4.3铁碳合金相图,碳钢（C%2.11%）,铸铁（C%2.11%）,铁碳合金,铁碳合金（重点）,20,4.3铁碳合金相图,-Fe（A）,-Fe（F）,-Fe（F）,Fe3C,21,一、铁碳合金中的基本相（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%。,4.3铁碳合金相图,22,（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%。,4.3铁碳合金相图,23,L,L+,L+Fe3C,+Fe3C,+Fe3C,+,L+,+,Fe3C,(0.09),(0.53),(0.17),(0.77),(0.0218),(2.11),(4.3),1495C,1148C,727C,1538C,1227C,1394C,912C,FeFe3C相图,4.3铁碳合金相图,24,二、铁碳合金相图分析（一）FeFe3C相图中的特性点,4.3铁碳合金相图,25,（二）FeFe3C相图中的特性线1、液、固相线液相线：ABCD；固相线：AHJECF2、三条水平线HJB线：包晶线（1495C）包晶反应：ECF线：共晶线（1148C）共晶反应：PSK线：共析线（727C），又标记为A1线共析反应：,4.3铁碳合金相图,莱氏体（ledeburite），符号：Ld,珠光体（pearlite），符号：P,26,3、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,4.3铁碳合金相图,五种形态不同的渗碳体：一次渗碳体（Fe3C）：从液相中析出的渗碳体。共晶渗碳体：共晶反应中生成的渗碳体。二次渗碳体（Fe3C）：从奥氏体中析出的渗碳体。共析渗碳体：共析反应中生成的渗碳体。三次渗碳体（Fe3C）：从铁素体中析出的渗碳体。,27,4.3铁碳合金相图,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%）,28,F,Fe3C,工业纯铁（wc=00.0218%）的室温组织FFe3C,4.3铁碳合金相图,29,共析钢（wc=0.77%）的室温组织：P,F,Fe3C,P,4.3铁碳合金相图,30,亚共析钢（wc=0.02180.77%）的室温组织:FP,F,P,4.3铁碳合金相图,31,过共析钢（wc=0.772.11%）的室温组织：PFe3C,Fe3C,P,4.3铁碳合金相图,32,共晶白口铸铁（wc=4.3%）的室温组织:Ld,Fe3C,P,Ld,4.3铁碳合金相图,33,亚共晶白口铸铁（wc=2.114.3%）的室温组织:PFe3CIILd,Fe3C,P,Ld,4.3铁碳合金相图,34,过共晶白口铸铁（wc=4.36.69%）的室温组织Fe3CLd,Fe3C,Ld,4.3铁碳合金相图,35,按组织组成物标注的Fe-Fe3C相图,L,L+,L+Fe3C,+,L+,+,Fe3C,(0.09),(0.53),(0.17),(0.77),(0.0218),(2.11),(4.3),1495C,1148C,727C,1538C,1227C,1394C,912C,Fe3CIII,+P,+Fe3CII,P,P+Fe3CII,P+Fe3CII+Ld,Ld,+Fe3CII+Ld,Fe3CI+Ld,Fe3CI+Ld,Ld,4.3铁碳合金相图,36,4.3铁碳合金相图,四、含碳量对铁碳合金组织和性能的影响1、含碳量对铁碳合金平衡组织的影响对相组成物的影响铁碳合金室温下的相组成物：F和Fe3C。随C%升高，F的相对量减少，Fe3C的相对量增多。对组织组成物的影响铁碳合金室温下的组织组成物：F、Fe3C、P、Fe3C、Ld、Fe3C。随C%升高，F的相对量减少，Fe3C的相对量增多，其余组织的相对量在达到其特性成分点时达到最大值。,37,4.3铁碳合金相图,2、含碳量对铁碳合金力学性能的影响铁素体（F）：软韧相；渗碳体（Fe3C）：硬脆相。对硬度的影响随C%升高，硬度逐渐增大。对强度的影响随C%升高，强度先增大、后降低。对塑性和韧性的影