第四章二元合金相图

1、第四章第四章 二元合金相图二元合金相图 本章重点：本章重点： 1 1、匀晶与共晶相图分析。、匀晶与共晶相图分析。 2 2、相图与性能的关系。、相图与性能的关系。 3 3、铁碳合金相图。、铁碳合金相图。 难点：难点：组织与相的关系，初生相与次生相的异同。组织与相的关系，初生相与次生相的异同。 4-1 二元相图的建立二元相图的建立纯金属结晶后只能得到单相固体，合金结晶后既纯金属结晶后只能得到单相固体，合金结晶后既可得到固溶体组织，也可获得单向的化合物组织，可得到固溶体组织，也可获得单向的化合物组织，最常见的是得到由固溶体和化合物组成的多相组最常见的是得到由固溶体和化合物组成的多相组织。组元不同，获

2、得固溶体和化合物的类型不同。织。组元不同，获得固溶体和化合物的类型不同。即使组元确定后，结晶后所获得的相的性质、数即使组元确定后，结晶后所获得的相的性质、数目及其相对含量也会随着温度和合金成分改变而目及其相对含量也会随着温度和合金成分改变而变化。为了研究不同合金中相的存在状态和合金变化。为了研究不同合金中相的存在状态和合金成分与温度直接的变化规律，就要利用相图这一成分与温度直接的变化规律，就要利用相图这一工具。工具。 4-1 二元相图的建立二元相图的建立 合金系合金系：由两个或两个以上组元按不同比例配制成的由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，称为合金系。一系列不同成分的

3、合金，称为合金系。 相图相图：相图相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明图解。结晶过程的简明图解。又称又称状态图状态图或或平衡图（平衡图（不同成不同成分、温度下合金中相的平衡关系。分、温度下合金中相的平衡关系。) )一、研究相图的意义一、研究相图的意义1 1、研究合金在缓慢冷却条件下的相变化。、研究合金在缓慢冷却条件下的相变化。2 2、判断合金在快速冷却条件下相的变化。、判断合金在快速冷却条件下相的变化。3 3、指导制定热加工工艺。、指导制定热加工工艺。l相律是检验、分析和使用相图的工具相律是检验、分析和使用相图的工具. .是描述系统的组是描

4、述系统的组元数元数C C、相数、相数P P与自由度数与自由度数f f 之间关系的法则。之间关系的法则。l吉布斯（吉布斯（GibbsGibbs）相律表达式：）相律表达式：f=c-p+2f=c-p+2l当压力为常数时：当压力为常数时： f=c-p+1f=c-p+1l自由度是在平衡相数不变的前提下，给定系统中可以自由度是在平衡相数不变的前提下，给定系统中可以独立变化的、决定体系状态因素的数目。独立变化的、决定体系状态因素的数目。 f f 0 0l决定决定合金状态的因素有成分、温度和压力，当压力不合金状态的因素有成分、温度和压力，当压力不变时，合金状态有温度和成分两个因素确定，对于纯变时，合金状态有温

5、度和成分两个因素确定，对于纯金属，成分固定不变，只有温度可以独立改变，所以金属，成分固定不变，只有温度可以独立改变，所以纯金属的自由度最多是一个。同理，二元合金的自由纯金属的自由度最多是一个。同理，二元合金的自由度最多是两个；三元合金的自由度最多是三个度最多是两个；三元合金的自由度最多是三个。l1 1）确定系统中可能存在的最多平衡相数）确定系统中可能存在的最多平衡相数l因：因：f=c-p+1 f=c-p+1 则：则： p =c- f +1 p =c- f +1 当当f =0f =0时，平衡相数时，平衡相数p p最多。最多。l对单元系对单元系c=1c=1，则，则p =2p =2，所以纯金属结晶时

6、，温度不，所以纯金属结晶时，温度不变，共存的平衡相为液、固两相。变，共存的平衡相为液、固两相。l二元系二元系c=2c=2，则，则p =3p =3，说明二元系共存的平衡相最多，说明二元系共存的平衡相最多为三相。为三相。l2 2）解释纯金属和二元合金结晶的差别）解释纯金属和二元合金结晶的差别l纯金属结晶时存在液固两相，纯金属结晶时存在液固两相， f =0f =0，所以温度不能变，所以温度不能变，是在恒温下进行。是在恒温下进行。l二元合金，在两相平衡时，二元合金，在两相平衡时， f =1f =1，所以温度可以变化，所以温度可以变化，l当出现三相平衡时，当出现三相平衡时， f =0f =0，此时温度与

7、成分都不能变。，此时温度与成分都不能变。注意：注意：1）相律只适合于热力学平衡状态；）相律只适合于热力学平衡状态；2）相律只能表示系统中组元和相的数目，）相律只能表示系统中组元和相的数目，不能指明其含量和类型；不能指明其含量和类型；3）相律不能预报反应速度；）相律不能预报反应速度；4）自由度不得小于零。）自由度不得小于零。三、相图的建立三、相图的建立相图用纵坐标表示温度变化，横坐标表示成分变化。一般采用相图用纵坐标表示温度变化，横坐标表示成分变化。一般采用热分析法热分析法。原理是凝固时释放凝固潜热。原理是凝固时释放凝固潜热。下面以下面以Cu-NiCu-Ni合金为例，说明用热分析法建立相图的步骤

8、：合金为例，说明用热分析法建立相图的步骤：1 1）首先，配制不同成分的）首先，配制不同成分的Cu-NiCu-Ni合金。合金。2 2）将合金熔化后，测定它们的冷却曲线，并找出曲线上临界）将合金熔化后，测定它们的冷却曲线，并找出曲线上临界点（即转折点和平台）。点（即转折点和平台）。3 3）将上述数据引入相应成分的温度）将上述数据引入相应成分的温度- -成分坐标图中。成分坐标图中。4 4）将物理意义相同的临界点连成曲线，即得）将物理意义相同的临界点连成曲线，即得Cu-NiCu-Ni合金相图。合金相图。四、相图的测定四、相图的测定 热分析法测定简单相图的步骤（以热分析法测定简单相图的步骤（以Cu-Ni

9、合金合金为例）：为例）：纯铜纯铜 ：75%Cu+25%Ni：50%Cu+50%Ni：25%Cu+75%Ni ：纯纯Ni金属和合金在冷却到该温度时发生了金属和合金在冷却到该温度时发生了冷却速度的突然改变。冷却速度的突然改变。【原因原因】金属金属和合金在结晶（相变）时有结晶潜热和合金在结晶（相变）时有结晶潜热释放，抵消了部分或全部热量的散失。释放，抵消了部分或全部热量的散失。结晶开始结晶开始结晶终了结晶终了一、匀晶相图分析一、匀晶相图分析两组元在液态和固态下均能两组元在液态和固态下均能以任何比例以任何比例相互溶解，相互溶解，冷却时发生匀晶转变的合金系的相图是冷却时发生匀晶转变的合金系的相图是匀晶相

10、图。匀晶相图。Cu-Ni合金匀晶相图合金匀晶相图点：点：A，B线：线： 液相线液相线 固相线固相线区区：L L+二、合金的平衡结晶过程二、合金的平衡结晶过程以以点成分的点成分的Cu-Ni合金合金（Ni的质量分数为的质量分数为40%）为例分析结晶过程。为例分析结晶过程。匀晶结晶特点：匀晶结晶特点：固溶体结晶是在固溶体结晶是在一个温度区间一个温度区间内进行，即为一个变内进行，即为一个变温结晶过程。温结晶过程。在两相区内，温度一定时，两相的成分（即在两相区内，温度一定时，两相的成分（即Ni含量）含量）是确定的。是确定的。先结晶出的固溶体和后结晶出的固溶体成分不同。先结晶出的固溶体和后结晶出的固溶体成

11、分不同。平衡结晶平衡结晶条件下，可通过条件下，可通过原子扩散原子扩散使成分均匀化，使成分均匀化，最终获得与原合金成分相同的单相最终获得与原合金成分相同的单相固溶体。固溶体。与纯金属一样，与纯金属一样，固溶体从液相中结晶出来的过程固溶体从液相中结晶出来的过程中，包括有生核与长大两个过程，但固溶体更趋向中，包括有生核与长大两个过程，但固溶体更趋向于于树枝状长大树枝状长大。三、杠杆定律及应用三、杠杆定律及应用匀晶相图合金的结晶过程匀晶相图合金的结晶过程QLQaQLab= Qa bc 杠杆定律杠杆定律 杠杆的两个杠杆的两个端点端点为给定温度时两相的成分点，为给定温度时两相的成分点，而而支点支点为合金的

12、成分点。为合金的成分点。杠杆定律与力学比喻杠杆定律与力学比喻QLQabcabQQ%L%aLa【证明证明】Q合金，其中合金，其中Ni含量含量b%；T1温度时，温度时，L相中相中Ni质量分数质量分数a%，a相中相中Ni质量分数质量分数c%。Q0 b%=QL a% + Qa c%又因为又因为 Q0=QL+Qa 所以所以 （QL+Qa ） b% = QL a% + Qa c%bcabbcabQQLaQ0合金总质量，合金总质量，QL液相质量，液相质量，Qa固相质量。固相质量。 由杠杆定律可算出由杠杆定律可算出T1时液相和固相在合金中质量分数：时液相和固相在合金中质量分数： 运用杠杆定律时注意，它只适用于

13、相图中的两相区，并且运用杠杆定律时注意，它只适用于相图中的两相区，并且只能在平衡状态下使用。只能在平衡状态下使用。 杠杆定律的应用：杠杆定律的应用： 确定某一温度下两平衡相的成分；确定某一温度下两平衡相的成分； 确定某一温度下两平衡相的相对量。确定某一温度下两平衡相的相对量。acabaQQacbcLQQ%,%0a0L四、固溶体合金中的枝晶偏析四、固溶体合金中的枝晶偏析固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却较快，原子扩散不能充分固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却较快，原子扩散不能充分进行，则形成成分不均匀的固溶体。一个晶粒中先结晶的树枝晶进行，则形成成分不均匀的固溶体。一个晶粒中先结晶的树枝晶晶枝含

14、高熔点组元较多，后结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较晶枝含高熔点组元较多，后结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多，结果造成在一个晶粒内化学成分的分布不均，这种现象称为多，结果造成在一个晶粒内化学成分的分布不均，这种现象称为枝晶偏析枝晶偏析。性能就不均匀性能就不均匀成分不均匀成分不均匀组织不均匀组织不均匀枝晶偏析枝晶偏析 一个晶粒内化学成分不均匀的现象叫枝晶偏析。一个晶粒内化学成分不均匀的现象叫枝晶偏析。固溶体晶粒成分不均匀性示意图，固溶体晶粒成分不均匀性示意图，颜色深浅代表高熔点组元的浓度大小颜色深浅代表高熔点组元的浓度大小。Cu-NiCu-Ni合金枝晶偏析示意图合金枝晶偏析示意图l枝晶偏析与枝晶偏析

15、与冷却速度和液固相线的间距冷却速度和液固相线的间距有关。冷却速有关。冷却速度越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。度越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。l枝晶偏析使合金的塑性、韧性显著下降，给压力加工枝晶偏析使合金的塑性、韧性显著下降，给压力加工带来不利影响。带来不利影响。l生产上常将铸件加热到生产上常将铸件加热到固相线以下固相线以下100-200长时间长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作析，这种热处理工艺称作扩散退火扩散退火。平衡组织平衡组织枝晶偏析组织枝晶偏析组织一、相图分析一、相图分析PbSn合金相图合

16、金相图这种由一种液相在恒温这种由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相下同时结晶出两种固相的反应叫做的反应叫做共晶反应共晶反应。所生成的两相混合物叫所生成的两相混合物叫共晶体共晶体。水平线。水平线ced为为共共晶反应线晶反应线。dcL组元组元: : Pb，Sn相相: : L，（是是Sn在在Pb中的有限固溶体；中的有限固溶体；是是Pb在在Sn中的有限固溶体）中的有限固溶体）点、线：点、线：a，b，c，d，e液相线液相线 ： aeb 固相线固相线 ： acedb 共晶反应线共晶反应线：ced，在共晶温度发生共晶反应，转变过程中，在共晶温度发生共晶反应，转变过程中 是三相（是三相（L， ， ）共存。）共

17、存。 溶解度线溶解度线：cf ， Sn在在Pb中的溶解度线，或称中的溶解度线，或称相的固溶线；相的固溶线； 固溶体中固溶体中Sn 的溶解度极限曲线；的溶解度极限曲线； dg ， Pb在在Sn中溶解度线，或称中溶解度线，或称相的固溶线；相的固溶线； 固溶体中固溶体中Pb的溶解度极限曲线。的溶解度极限曲线。共晶相图：共晶相图：两组元液态时彼此两组元液态时彼此无限无限互溶互溶，固态下彼此，固态下彼此部分固溶部分固溶，并发，并发生共晶转变的合金系形成的相图。生共晶转变的合金系形成的相图。 相区：相区：三个单相区三个单相区：L、（、是有限固溶体）是有限固溶体）三个双相区三个双相区：L+、 L +、 +三

18、相区三相区： L+ （共晶点）。（共晶点）。 共晶体：共晶体： 共晶反应产生共晶体（共晶反应产生共晶体（+）。）。(1)合金合金IV的平衡结晶过程的平衡结晶过程温度降低，固溶体溶解度下温度降低，固溶体溶解度下降。从固态降。从固态相中析出相中析出富富Sn的的相称为二次相称为二次，常写作，常写作。这种二次结晶可表示为这种二次结晶可表示为 。由于固溶体中溶解度的减少而析出另一固相的反应叫由于固溶体中溶解度的减少而析出另一固相的反应叫二次析出反应或脱溶过程二次析出反应或脱溶过程。二、典型合金的结晶过程二、典型合金的结晶过程 0 1 2 3 4匀晶匀晶 不变不变 析出析出富富Sn的的相在冷却过程中，相在

19、冷却过程中，当超过其固溶度时，会析出当超过其固溶度时，会析出低低Sn的的相，相，。室温组织：室温组织：+IIII合金合金IVIV冷却曲线及结晶过程冷却曲线及结晶过程二次相通常沿初生相二次相通常沿初生相的晶界析出，也可在的晶界析出，也可在晶内沿缺陷处析出。晶内沿缺陷处析出。运用杠杆定律，两相的质量分数：运用杠杆定律，两相的质量分数： 合金合金IV室温室温组织组织由由和和两两相相组成。组成。）或%1%(%100%100%II4II4fgfxfggx（ 共晶合金）共晶合金） Le c + d合金室温组织全部为共晶体，即只含合金室温组织全部为共晶体，即只含一种组织一种组织组成物组成物（即（即共晶体共晶

20、体）；而其组成相仍为）；而其组成相仍为和和两相两相。(2)合金合金I的平衡结晶过程的平衡结晶过程 共晶合金组织的形态共晶合金组织的形态( 机械混合物，两相机械混合物，两相交替分布，黑色片层交替分布，黑色片层为富为富Pb的的相，白色相，白色基体为富基体为富Sn的的相）相）室温时：室温时：合金的室温组织为共晶体合金的室温组织为共晶体, 即只含即只含一种组织一种组织组成物组成物; 其组成其组成相相仍为仍为 和和 相。相。共晶转变温度时：共晶转变温度时：相组成物相组成物， cdcecded,共晶转变温度以下：共晶转变温度以下：共晶体中共晶体中和和二次结晶二次结晶, 从从 中析出中析出II, 从从 中析

21、出中析出II。成分由成分由 cf, 成分由成分由 d g。两种相的相对重量依杠杆定律变化两种相的相对重量依杠杆定律变化。II和和II 同同和和相连在一起相连在一起, 共晶体形共晶体形态和成分不发生变化态和成分不发生变化。共晶体长大示意图共晶体长大示意图层片状层片状(Al-CuAl2定向凝固定向凝固)Pb-Sn共晶组织共晶组织条棒状条棒状(Sb-MnSb横截面横截面)螺旋状（螺旋状（Zn-Mg）针状共晶针状共晶树枝状共晶树枝状共晶放射状共晶放射状共晶螺旋状共晶螺旋状共晶 共晶反应的条件：共晶反应的条件： 1）温度是确定的，即水平线的温度。）温度是确定的，即水平线的温度。 2）成分是确定的，即共晶

22、点的成分。）成分是确定的，即共晶点的成分。 共晶体的特点：共晶体的特点： 1）组成共晶体的两个固相的相对量是一定的。）组成共晶体的两个固相的相对量是一定的。 2）在显微镜下具有独特的形貌，多样形态）在显微镜下具有独特的形貌，多样形态（视为一种组织）。（视为一种组织）。 3）组织较细密。）组织较细密。（亚共晶合金）（亚共晶合金）结晶过程分三个阶段，即匀晶反应结晶过程分三个阶段，即匀晶反应+共晶反应共晶反应+二次结晶反应。二次结晶反应。 L初初+L 初初+（c+d) 初初+II+（+）【共晶组织中二次相的析出忽略共晶组织中二次相的析出忽略】合金室温组织：合金室温组织：初生初生+(+)，合金组成相：

23、合金组成相：和和。(3)合金合金II的平衡结晶过程的平衡结晶过程PbSn亚共晶组织亚共晶组织黑色斑状组织（三维形态黑色斑状组织（三维形态为粗大树枝晶）为初生相为粗大树枝晶）为初生相共晶组织共晶组织(+)二次相二次相室温下，室温下，组成相组成相(，)质量分数：质量分数： %100%3fggx%100%3fgfx组织组成物组织组成物质量分数质量分数： 在共晶温度时在共晶温度时%1002%L%1002ceccee初室温下室温下初生初生+(+)，次生相次生相 与初生相与初生相 成分和成分和结构完全相同，是结构完全相同，是同一种同一种相相；但形貌特征、分布完；但形貌特征、分布完全不同，属于全不同，属于两

24、种组织两种组织。%1002%cec%1002%IIceefgfcfgfc初%1002%ceefggcfggc初初位于共晶点位于共晶点e点右侧和点右侧和d点以左的合金称为点以左的合金称为过共过共晶合金晶合金。(4) 合金合金III的平衡结晶过程的平衡结晶过程（过共晶合金）（过共晶合金）合金合金III结晶过程与合金结晶过程与合金II相似，只是匀晶产物相似，只是匀晶产物为初晶为初晶 ，二次结晶产，二次结晶产物为物为 。室温组织为室温组织为 +（ + ）+ 。组织标注相图组织标注相图 三、组织组成物在相图上的标注三、组织组成物在相图上的标注l组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。组织组成物是指组成

25、合金显微组织的独立部分。l 和和 , , 和和 , ,共晶体共晶体( ( + + ) )都是组织组成都是组织组成物。物。l相与相之间的相与相之间的差别主要在结差别主要在结构和成分上。构和成分上。l组织组成物之间的差别主要在形态上。如组织组成物之间的差别主要在形态上。如 、 和共晶和共晶 的结构成分相同，属同一个相，但它们的的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织组成物。形态不同，分属不同的组织组成物。l将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观察到的组织一致。显微镜下观察到的组织一致。Pb-Sn亚共晶组织亚共晶组织 时

26、效强化时效强化当次生相以细小粒状形式分布在较软的固溶体基体上时，由当次生相以细小粒状形式分布在较软的固溶体基体上时，由于次生相对位错运动的阻碍作用，使材料的强度提高的现象称于次生相对位错运动的阻碍作用，使材料的强度提高的现象称沉淀强化沉淀强化。由于由于固溶处理时抑制了过饱和固溶体的析出过程，形成溶质固溶处理时抑制了过饱和固溶体的析出过程，形成溶质原子富集区，引起固溶体畸变，原子富集区，引起固溶体畸变，使位错运动受到阻碍，从而提使位错运动受到阻碍，从而提高了强度。随时间的延长作用强化效果进一步提高，所以称为高了强度。随时间的延长作用强化效果进一步提高，所以称为时效强化时效强化。T固溶体的溶解度固

27、溶体的溶解度 脱溶转变脱溶转变析出沉淀相析出沉淀相T固溶体的溶解度固溶体的溶解度 次生相来不及析出次生相来不及析出过饱和固溶体过饱和固溶体冷却速率足够缓慢冷却速率足够缓慢快冷快冷固溶处理固溶处理二元共析相图二元共析相图在二元合金中，若合金冷却到固态时，还能发生由在二元合金中，若合金冷却到固态时，还能发生由一个固相同一个固相同时分解形成两个新的固相时分解形成两个新的固相，这种相图叫，这种相图叫共析相图共析相图。此两相混合。此两相混合物称为物称为共析体共析体。与共晶反应不同点：与共晶反应不同点：1）共析反应是固态反应，原子的扩散困难，组织更细。）共析反应是固态反应，原子的扩散困难，组织更细。2）因

28、母相与子相的比容不同，反应后易引起较大的内应力。）因母相与子相的比容不同，反应后易引起较大的内应力。具有共析反应的二元合金相图具有共析反应的二元合金相图包晶反应的合金相图包晶反应的合金相图 PtAg合金相图合金相图 包晶包晶L+匀晶匀晶L 共晶共晶L+ 共析共析 + 包晶包晶L+二元合金两相平衡时，两相成分均随温度而变化。其具体二元合金两相平衡时，两相成分均随温度而变化。其具体数值可由恒温水平线与两相区相界线的交点来确定。温度数值可由恒温水平线与两相区相界线的交点来确定。温度变化时，两平衡相成分也分别沿两条相界线相应变化。变化时，两平衡相成分也分别沿两条相界线相应变化。二元相图的二元相图的三相

29、平衡区三相平衡区是一条水平线。它与三个单相区均是一条水平线。它与三个单相区均以以点接触点接触。从三个单相区的相互位置，可以判断三相平衡。从三个单相区的相互位置，可以判断三相平衡的性质。的性质。分析复杂相图时，首先要弄清单相区，然后找出三相区、分析复杂相图时，首先要弄清单相区，然后找出三相区、三相点，再弄清三相平衡转变类型。三相点，再弄清三相平衡转变类型。牢记：牢记：两个单相区之间必有一个由这两相组成的两个单相区之间必有一个由这两相组成的两相区隔两相区隔开开，而不能以一条直线接界；两个两相区之间必须以一个，而不能以一条直线接界；两个两相区之间必须以一个单相区单相区或或三相区三相区隔开。隔开。相区

30、接触法则相区接触法则：相图中相邻相区相相图中相邻相区相数之差均为数之差均为1（点接触除外）（点接触除外）。二元合金相图小结二元合金相图小结 4-3相图与性能的关系相图与性能的关系合金的性能取决于它的成分和组织，而相图则表明不同成分合金合金的性能取决于它的成分和组织，而相图则表明不同成分合金在室温下的平衡组织，可见，合金的性能与相图之间存在着一定在室温下的平衡组织，可见，合金的性能与相图之间存在着一定的联系。的联系。一、一、合金的使用性能与相图的关系合金的使用性能与相图的关系匀晶相图：匀晶相图：溶质元素溶质元素晶格畸变大晶格畸变大强度、硬度强度、硬度，电阻率，电阻率 （50%最大）最大）共晶相图

31、共晶相图：在单相区与匀晶相图相同。复相组织区域内（如共晶转变范围）在单相区与匀晶相图相同。复相组织区域内（如共晶转变范围），合金的强度、硬度，合金的强度、硬度和物理性能和物理性能随成分的变化呈直线关系，大致随成分的变化呈直线关系，大致是两相性能的算术平均值。是两相性能的算术平均值。 HB=HBa * a% + HB * %对组织较敏感的性能对组织较敏感的性能强度强度，与组成相或组织组成物的形态有很，与组成相或组织组成物的形态有很大关系。组成相或组织组成物越细密，强度越高（共晶点处，共大关系。组成相或组织组成物越细密，强度越高（共晶点处，共晶组织呈细小、均匀细密的复相组织，强度可达最高值。）晶组

32、织呈细小、均匀细密的复相组织，强度可达最高值。） 二、二、 合金的合金的工艺工艺性能与相图的关系性能与相图的关系合金的工艺性能与相图的关系合金的工艺性能与相图的关系(1) 铸造性能铸造性能 液态合金的液态合金的流动性流动性以及产生以及产生缩孔、缩松缩孔、缩松和和偏析倾向偏析倾向等。等。 液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小合金的流动性好合金的流动性好有利于浇注。有利于浇注。 液固相线距离大液固相线距离大枝晶偏析倾向愈大，合金流动性愈差，枝晶偏析倾向愈大，合金流动性愈差，形成分散缩孔的倾向也愈大，使铸造性能恶化。形成分散缩孔的倾向也愈大，使铸造性能恶化。 因此铸造

33、合金的成分常取因此铸造合金的成分常取共晶成分共晶成分和和接近共晶成分接近共晶成分或选择或选择 结晶温度间隙最小结晶温度间隙最小的成分。这种成分合金流动性好，易形成的成分。这种成分合金流动性好，易形成集中缩孔，铸件致密，铸造性能最好。集中缩孔，铸件致密，铸造性能最好。 (2)锻造、轧制性能锻造、轧制性能 单相固溶体合金变形抗力小，变形均匀，不易开裂，塑性、单相固溶体合金变形抗力小，变形均匀，不易开裂，塑性、韧性好，所以共晶线两侧的合金适合于锻压。单相固溶体的韧性好，所以共晶线两侧的合金适合于锻压。单相固溶体的硬度较低，切削加工性较差。硬度较低，切削加工性较差。4-4 铁碳合金的组元分析铁碳合金的

34、组元分析 (1) 纯纯Fe组元组元 -Fe (bcc) -Fe (fcc) -Fe (bcc) 同素异构转变同素异构转变 韧性、塑性好韧性、塑性好; 强度低、硬度低。强度低、硬度低。9121394纯铁的冷却曲线及晶体结构变化纯铁的冷却曲线及晶体结构变化( (体心立方体心立方) )( (体心立方体心立方) )( (面心立方面心立方) )1583(2) 渗碳体渗碳体( Fe3C)l具有复杂结构的间隙化合物，具有复杂结构的间隙化合物，Fe原子与原子与C原子之比原子之比3：1。lFe3C熔点高（熔点高（1227），），不发生不发生同素异晶转变。同素异晶转变。lFe3C硬而脆硬而脆，塑性、韧性几乎为零。

35、，塑性、韧性几乎为零。l室温平衡状态下，铁碳合金中的碳大多以室温平衡状态下，铁碳合金中的碳大多以Fe3C形形式存在。式存在。3-2 Fe-Fe3C相图分析相图分析3-2-1 五个基本相五个基本相SPNJHGECBA+ Fe3C+ +L+ L+ LL+ Fe3C+ Fe3CKFD FeFe3CC%Fe-Fe3C五个基本相五个基本相之一之一(1) 液相液相L液相液相L是铁与碳的液溶体。是铁与碳的液溶体。(2) 相相l碳在碳在-Fe中的间隙固溶体，呈体心立方中的间隙固溶体，呈体心立方晶格，在晶格，在1394以上存在。以上存在。l称为称为固溶体，又称固溶体，又称高温铁素体高温铁素体。l碳在碳在-Fe中

36、的最大溶解度为中的最大溶解度为1495时的时的0.09%（H点点）。）。Fe-Fe3C五个基本相五个基本相之二之二Fe-Fe3C五个基本相五个基本相之三之三(3) 相相 l碳在碳在-Fe中的间隙固溶体，呈面心立方中的间隙固溶体，呈面心立方晶格。晶格。l常称常称奥氏体奥氏体，用符号，用符号A表示表示.l奥氏体中碳的固溶度较大，在奥氏体中碳的固溶度较大，在1148时时碳溶量最大达碳溶量最大达2.11%（E点点）。）。l奥氏体的强度较低，硬度不高，易于塑奥氏体的强度较低，硬度不高，易于塑性变形。性变形。(4) 相相l碳在碳在-Fe中的间隙固溶体，呈体心立方中的间隙固溶体，呈体心立方晶格。晶格。l也称

37、也称铁素体铁素体，用符号，用符号F 或或表示。表示。l碳在碳在-Fe中的最大溶解度为中的最大溶解度为727时的时的0.0218%（P点点）。）。l 强度、硬度低；塑性好。强度、硬度低；塑性好。Fe-Fe3C五个基本相五个基本相之四之四(5) Fe3C相相l 是一个是一个化合物相化合物相，渗碳体根据生成条件，渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态，不同有条状、网状、片状、粒状等形态，是钢中主要的强化相，对铁碳合金的力是钢中主要的强化相，对铁碳合金的力学性能有很大影响。学性能有很大影响。l由于由于Fe3C是是稳定化合物稳定化合物， Fe3C相区在碳相区在碳的质量分数为的质量分数为6.

38、69%的成分垂线上的成分垂线上（DFK）。）。Fe-Fe3C五个基本相五个基本相之五之五SPNJHGECBA+ Fe3C+ +L+ L+ LL+ Fe3C+ Fe3CKFD FeFe3CC%3-2-2 特性点【A点点】l温度温度：1538；l碳质量分数碳质量分数：0%；l意义意义：纯铁的熔点。：纯铁的熔点。SPNJHGECBA+ Fe3C+ +L+ L+ LL+ Fe3C+ Fe3CKFD FeFe3CC%【B点点】l温度温度：1495；l碳质量分数碳质量分数：0.53%；l意义意义：包晶转变时：包晶转变时（LB + H AJ）液液相合金的成分。相合金的成分。SPNJHGECBA+ Fe3C+

39、 +L+ L+ LL+ Fe3C+ Fe3CKFD FeFe3CC%【C点点】l温度温度：1148；l碳质量分数碳质量分数：4.30%；l意义意义：共晶点，：共晶点，LC AE+Fe3CSPNJHGECBA+ Fe3C+ +L+ L+ LL+ Fe3C+ Fe3CKFD FeFe3CC%【D点点】l温度温度：1227；l碳质量分数碳质量分数：6.69%；l意义意义：Fe3C的熔点。的熔点。SPNJHGECBA+ Fe3C+ +L+ L+ LL+ Fe3C+ Fe3CKFD FeFe3CC%【E点点】l温度温度：1148；l碳质量分数碳质量分数：2.11%；l意义意义：碳在：碳在-Fe中的最大溶

40、解度。中的最大溶解度。SPNJHGECBA+ Fe3C+ +L+ L+ LL+ Fe3C+ Fe3CKFD FeFe3CC%【G点点】l温度温度：912；l碳质量分数碳质量分数：0%；l意义意义：-Fe -Fe同素异构转变。同素异构转变。SPNJHGECBA+ Fe3C+ +L+ L+ LL+ Fe3C+ Fe3CKFD FeFe3CC%【H点点】l温度温度：1495；l碳质量分数碳质量分数：0.09%；l意义意义：碳在：碳在 -Fe中的最大溶解度。中的最大溶解度。SPNJHGECBA+ Fe3C+ +L+ L+ LL+ Fe3C+ Fe3CKFD FeFe3CC%【J点点】l温度温度：149

41、5；l碳质量分数碳质量分数：0.17%；l意义意义：包晶点，：包晶点， LB + HAJSPNJHGECBA+ Fe3C+ +L+ L+ LL+ Fe3C+ Fe3CKFD FeFe3CC%【N点点】l温度温度：1394；l碳质量分数碳质量分数：0%；l意义意义： -Fe -Fe同素异构转变点。同素异构转变点。SPNJHGECBA+ Fe3C+ +L+ L+ LL+ Fe3C+ Fe3CKFD FeFe3CC%【P点点】l温度温度：727；l碳质量分数碳质量分数：0.0218%；l意义意义： 碳在碳在-Fe中的最大溶解度。中的最大溶解度。SPNJHGECBA+ Fe3C+ +L+ L+ LL+

42、 Fe3C+ Fe3CKFD FeFe3CC%【S点点】l温度温度：727；l碳质量分数碳质量分数：0.77%；l意义意义： 共析点，共析点，ASFP+Fe3CSPNJHGECBA+ Fe3C+ +L+ L+ LL+ Fe3C+ Fe3CKFD FeFe3CC%Q【Q点点】l温度温度：600；l碳质量分数碳质量分数：0.0057%；l意义意义：600时碳在时碳在-Fe中的溶解度。中的溶解度。l（室温，（室温， 0.0008%，室温时碳在，室温时碳在-Fe中的溶解度）中的溶解度）(1) 三条水平线三条水平线(三个重要点三个重要点)3-2-3 特性线SPNJHGECBA+ Fe3C+ +L+ L+

43、 LL+ Fe3C+ Fe3CKFD FeFe3CC%Q【线线1】包晶点包晶点J与包晶转变线与包晶转变线HJBl1495 ，C%=0.17 LB+HAJ l即即 L0.53+ 0.09 A0.17l包晶反应生成碳在包晶反应生成碳在-Fe中的间隙固溶体，中的间隙固溶体，即奥氏体组织，用即奥氏体组织，用A表示。表示。l碳的质量分数碳的质量分数0.09%0.53%的铁碳合的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生包晶反应。金在平衡结晶过程中均发生包晶反应。SPNJHGECBA+ Fe3C+ +L+ L+ LL+ Fe3C+ Fe3CKFD FeFe3CC%Q【线线2】共晶点共晶点C与共晶转变线与共晶转变线EC

44、Fl1148 ，C%=4.3%，LC AE + Fe3CF （共晶渗碳体）（共晶渗碳体）lL4.3 A2.11+Fe3C6.69l共晶反应产物是奥氏体共晶反应产物是奥氏体(A)与与渗碳体渗碳体(Fe3C)的机械混合物，称为的机械混合物，称为莱氏体莱氏体组织组织(Ld)。l碳的质量分数在碳的质量分数在2.11%6.69%间的铁碳合间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共晶反应。金，在平衡结晶过程中均发生共晶反应。SPNJHGECBA+ Fe3C+ +L+ L+ LL+ Fe3C+ Fe3CKFD FeFe3CC%Q【线线3】共析点共析点S与共析转变线与共析转变线PSKA1线线727 ，C%=0.7

45、7% AS FP+Fe3C（共析渗碳体）（共析渗碳体）A0.77 F0.0218+Fe3C共析反应产物是共析反应产物是铁素体铁素体与与渗碳体渗碳体的机械混合物，的机械混合物，称称珠光体珠光体，以，以P表示。表示。在显微镜下珠光体形态呈片状。在放大倍数很高在显微镜下珠光体形态呈片状。在放大倍数很高时，可清楚看到相间分布的渗碳体片时，可清楚看到相间分布的渗碳体片（窄条）（窄条）与与铁素体铁素体（宽条）（宽条）。珠光体的强度较高，塑性、韧。珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于性和硬度介于Fe3C和和F之间。之间。碳的质量分数碳的质量分数0.0218%6.69%的铁碳合金，在的铁碳合金，在平衡结晶过

46、程中均发生共析反应。平衡结晶过程中均发生共析反应。PSK线亦称线亦称A1线。线。(2) 液固相线固相线固相线AHJECFSPNJHGECBA+ Fe3C+ +L+ L+ LL+ Fe3C+ Fe3CKFD FeFe3CC%Q液相线液相线ABCD(3) 溶解度线溶解度线SPNJHGECBA+ Fe3C+ +L+ L+ LL+ Fe3C+ Fe3CKFD FeFe3CC%Q【ES线线】l ES线线：碳在奥氏体：碳在奥氏体A中的固溶线中的固溶线Acml1148 ，2.11%（E）；l727 ，0.77% （S）l碳的质量分数大于碳的质量分数大于0.77%的铁碳合金自的铁碳合金自1148冷至冷至727

47、的过程中，将从的过程中，将从A中析出中析出Fe3C，称为，称为二次渗碳体二次渗碳体（Fe3C）。）。SPNJHGECBA+ Fe3C+ +L+ L+ LL+ Fe3C+ Fe3CKFD FeFe3CC%Q【PQ线线】l PQ线线：碳在铁素体：碳在铁素体F中的固溶线中的固溶线l727 ，0.0218%l室温，室温，0.0008%。l铁碳合金自铁碳合金自727冷至室温的过程中，将冷至室温的过程中，将从从F中析出中析出Fe3C，称为，称为三次渗碳体三次渗碳体（Fe3C）。）。Fe3C数量极少，往往予以数量极少，往往予以忽略。忽略。 (4) GS线线A3线线合金冷却时自奥氏体合金冷却时自奥氏体A中开始

48、析中开始析出铁素体出铁素体F的开始线；的开始线；或者或者，加，加热时热时F溶入溶入A的终了线。的终了线。SPNJHGECBA+ Fe3C+ +L+ L+ LL+ Fe3C+ Fe3CKFD FeFe3CC%Q3-3 铁碳合金平衡结晶分析铁碳合金平衡结晶分析 3-3-1铁碳合金的分类铁碳合金的分类 根据根据Fe-Fe3C相图，铁碳合金可分为相图，铁碳合金可分为三类三类： (1) 工业纯铁工业纯铁wc 0.0218% (2) 钢钢0.0218% wc 2.11% (3) 白口铸铁白口铸铁2.11% wc 6.69% 工业纯铁室温平衡组织为工业纯铁室温平衡组织为铁素体铁素体（F），呈白色），呈白色状

49、。强度低、硬度低，不宜用作结构材料。状。强度低、硬度低，不宜用作结构材料。钢的共同特点：高温下都有塑性良好的钢的共同特点：高温下都有塑性良好的奥氏体奥氏体（A）组织，适合于压力加工。组织，适合于压力加工。白口白口铸铸铁因为在高温时都有脆性的铁因为在高温时都有脆性的共晶莱氏体共晶莱氏体，所以不能进行锻压；但共晶成分合金的流动性好，所以不能进行锻压；但共晶成分合金的流动性好，适合于铸造。适合于铸造。 4-4-1 典型合金的结晶典型合金的结晶(1) 工业纯铁工业纯铁工业纯铁工业纯铁 wc 0.0218%SPNJHGECBA+ Fe3C+ +L+ L+ LL+ Fe3CKFD FeFe3CQ wc=0

50、.01%1234567匀晶转变匀晶转变同素异构转变同素异构转变同素异构转变同素异构转变三次渗碳体三次渗碳体Fe3CIIFe3CIII相组成物：相组成物： Fe3C ；F 相相对量：相相对量： 组织组成物：组织组成物：F（等轴晶）和（等轴晶）和Fe3CIII（小片状）（小片状）%1000008. 069. 669. 6%Fx%1000008. 069. 60008. 0%CFe3x工业纯铁组织金相图工业纯铁组织金相图(2) 共析钢共析钢 wc=0.77%123匀晶转变匀晶转变共析转变共析转变相组成物：相组成物：F和和Fe3C 组织组成物组织组成物 ： P (层片状层片状) 100%88%1006

51、9. 677. 069. 6%F%12%88%100%CFe3共析钢金相共析钢金相组织组织图图(3)亚亚共析钢共析钢(0.0218%C%0.77%) wc=0.45%【简化处理简化处理】不考虑包晶反应，不考虑包晶反应，即忽略即忽略P40，图，图3-3中合金中合金(3)中的中的12部分。部分。1以上以上12233444相中析相中析出出相相共析反应：共析反应：铁素体铁素体Fe3C先共析铁素体先共析铁素体先共析先共析FP亚共析钢组织金相图亚共析钢组织金相图先共析铁素体先共析铁素体珠光体珠光体相组成物相组成物：F，Fe3C相相对量：相相对量：组织组成物：组织组成物：F、P%10069. 669. 6%

52、F1x%10069. 60%CFe13x%1000218. 077. 00218. 0%P1x%P1%F(4) 过共析钢过共析钢(0.77%C%2.11%) wc=1.2%沿沿A晶界析晶界析出出Fe3CII共析反应：共析反应：铁素体铁素体Fe3C (P)Fe3CIIP过共析钢组织金相图过共析钢组织金相图相组成物：相组成物：F，Fe3C 组织组成物：组织组成物：P，Fe3CII组织相对量：组织相对量： %10069. 60%CFe23x%10069. 669. 6%F2x%10077. 069. 677. 0%CFe2II3x%10077. 069. 669. 6%P2x(5) 共晶白口铸铁共晶

53、白口铸铁(C%=4.3%)12LLd(A+Fe3C共晶共晶) A+Fe3C共晶共晶+Fe3CII 变态莱氏体变态莱氏体Ld (P+Fe3C共晶共晶+Fe3CII) 共晶白口铁组织金相图共晶白口铁组织金相图相组成物：相组成物：F，Fe3C 组织组成物：组织组成物：Ld%10069. 6%CFe3x%10069. 669. 6%Fx(6) 亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 (2.11%C%4.3%) wc=3.0%123亚共晶白口铁组织金相图亚共晶白口铁组织金相图PLd沿边界分布沿边界分布的的Fe3CII室温相组成物：室温相组成物：F，Fe3C相相对量：相相对量： %10069. 6%CFe3x%10

54、069. 669. 6%Fx室温组织组成物：室温组织组成物：P，Ld，Fe3CII初晶初晶 ：Ld：%10011. 23 . 43 . 4%x%10011. 23 . 411. 2%Ldx第第1步：步：第第2步：步：从初晶从初晶相中析出相中析出的的Fe3CII和和P:%)(77. 0)(69. 6)(77. 0)(11. 2%CFeII3SKSE%)(77. 0)(69. 6)(11. 2)(69. 6%PSKEK第第3步：步：室温下，室温下，Ld%=Ld%Fe3CII和和P不变不变(7) 过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 (4.3%C%6.69%) wc=5.0%123过共晶白口铁组织金相图过共

55、晶白口铁组织金相图Fe3CILd相组成物：相组成物： 组织组成物：组织组成物：Ld，Fe3C %10069. 6%CFe3x%10069. 669. 6%Fx%1003 . 469. 669. 6Ld%Ld%1003 . 469. 63 . 4%CFe3xx 总结：铁碳合金相图总结：铁碳合金相图 l点：点：符号、成分、温度符号、成分、温度莱氏体莱氏体Le(A+ Fe3C) Le(P+Fe3C)珠光体珠光体P(F+ Fe3C)复相组织组成物：复相组织组成物：组织组成物标注组织组成物标注相区标注相区标注线：线：液固相线、水液固相线、水平线、固溶线、固平线、固溶线、固溶体转变线溶体转变线A 1538

56、D 1227N 1394G 912PSK 727ECF 1148HJB 1495FeFe3CSQPNJHGECBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ F ALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LdLdLd+ Fe3CLd+ Fe3CLdP+ Fe3C+LdP+ Fe3CP+FPF+ Fe3C温度温度KFDC%FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ F ALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LdLdLd+ Fe3CLd+ Fe3CLdP+ Fe3C+LdP+ Fe3CP+FPF+ Fe3CC%温度温度合金合金

57、相的相对重量百分比相的相对重量百分比组织组成物的相对重组织组成物的相对重量百分比量百分比45钢钢T10钢钢含碳含碳3.0%亚亚共晶白共晶白口铁口铁%7 . 6%1000008. 069. 60008. 045. 03 CFeQ%3 .93%7 . 6%100 FQ%4 .58%1000008. 077. 00008. 045. 0 PQ%6 .41%4 .58%100 FQ%9 .14%1000008. 069. 60008. 00 . 13 CFeQ%1 .85%9 .14%100 FQ%9 . 3%10077. 069. 677. 00 . 13 CFeQ%1 .96%9 . 3%100

58、PQ%6 .40%10011. 23 . 411. 20 . 3 LeQ%4 .1377. 069. 677. 011. 2%)6 .401(3 CFeQ%46%4 .13%6 .40%100 PQ%2 .55%1000008. 069. 60 . 369. 6 FQ%8 .44%2 .55%1003 CFeQ杠杆定律的应用杠杆定律的应用4-4-2 铁碳相图的应用铁碳相图的应用(1) 在钢铁材料选用方面的应用在钢铁材料选用方面的应用 建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，因此建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，因此选用选用碳含量较低碳含量较低的钢材。的钢材。各种机械零件需用强度、塑性

59、及韧性都较好的材料。各种机械零件需用强度、塑性及韧性都较好的材料。应选用应选用碳含量适中碳含量适中的中碳钢。各种工具需用硬度高和耐的中碳钢。各种工具需用硬度高和耐磨性好的材料，则选磨性好的材料，则选碳含量高碳含量高的钢种。的钢种。纯铁纯铁磁导率高，矫顽力低，可作软磁材料使用，例如磁导率高，矫顽力低，可作软磁材料使用，例如做电磁铁的铁心等。做电磁铁的铁心等。白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货不

60、受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。车轮、犁铧、球磨机的磨球等。 (2)在铸造工艺方面的应用在铸造工艺方面的应用根据根据Fe-Fe3C相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上一般在液相线以上50100。(3)在热缎、热轧工艺方面的应用在热缎、热轧工艺方面的应用锻造或轧制要求好的塑性、变形抗力，选在单相奥氏体区锻造或轧制要求好的塑性、变形抗力，选在单相奥氏体区内进行。内进行。(4)在热处理工艺方面的应用在热处理工艺方面的应用Fe-Fe3C相图对制定热处理工艺具有重要意义。一些热处理相图对制定热处理工艺具有重要意