二元合金相图63069

1、工程机械材料1二元合金相图与铁碳合金 2一、 二元合金相图的建立及意义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。 3一、 二元合金相图的建立图3-1 纯铜的冷却曲线及相图图3-2 Cu-Ni合金相图（1）二元相图的表示方法纯金属相图 用一条表示温度的纵坐标把其在不同温度下的组织状态表示出来，如图3-1纯铜的冷却曲线及相图。二元合金相图 以温度为纵坐标、以合金成分为横坐标的平面图，如图3-2所示Cu-Ni合金相图。4 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

2、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。二元合金相图的意义5 （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

3、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固溶体， 随着温度的下降，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组成的固溶体。图3-7 Cu-Ni合金固溶体的显微组织6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，并发生共晶转变的相图属于二元共晶相图。二元共晶相图7具有共析

4、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。具有共析反应的相图727 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 s p+Fe3C8三、合金性能与相图之间的关系 合金的性能取决于合金的化学成分和组织。 在一定的条件下，一定成分的合金具有一定的组织，表现出一定的性能，因而相图与合金的性质必然存

5、在一定的联系。1. 合金的使用性能与相图之间的关系 合金的使用性能包括合金有力学性能、物理性能及其它性能等。图3-28表示了各类合金的相图和合金力学性能及物理性能之间的关系。 9图3-28相图与合金的硬度、强度及电导率之间的关系102 合金的工艺性能与相图之间的关系图3-29 相图与合金铸造性能之间的关系11四、铁碳合金的基本组织 由于钢铁材料的基本组元是铁和碳，故统称为铁碳合金。铁碳合金的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。 (1)铁素体 概念：碳溶入-e中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。 晶格：铁素体仍具有-Fe的体心立方晶格。 溶解度：碳在-Fe中的溶解度小，72

6、7时溶解度最大为0.0218%，室温时几乎位零。 性能：铁素体的性能与纯铁相似，塑性、韧性好，而强度、硬度低。 组织：多边形晶粒。12 （2）奥氏体概念：碳溶入-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。奥氏体存在于727以上。晶格：奥氏体具有-Fe的面心立方晶格。溶解度：-Fe的溶碳能力比-Fe大，727时溶解度为0.77%，随着温度升高，溶碳量增多，1148时其溶解度最大为2.11%。性能：奥氏体的强度和硬度 不高，塑性和韧性很好，易 锻压成形。组织：多边形晶粒，晶粒内有孪晶。 13 （3）渗碳体 概念：渗碳体是铁和碳形成的一种具有复杂晶体结构的金属化合物，用化学式FeC表示。 性能

7、：渗碳体中碳的质量分数为6.69%，熔点为1227，硬度很高(800HBW)，塑性和韧性很低，脆性大。 作用：渗碳体是钢中主要的强 化相，它的数量、形状、大小及分 布状况对钢的性能影响很大。14 （4）珠光体 概念：珠光体由铁素体和渗碳体组成的多相组织，用符号P表示。 成分与性能：珠光体中碳的质量分数平均为0.77%，其性能介于铁素体和渗碳体之间，即具有较高的强度和塑性，硬度适中。 组织：在显微镜放大倍数较 高时，能清楚地看到铁素体和渗 碳体呈片层状交替排列的情况。由于珠光体中渗碳体量较铁素体少，因此渗碳体层片较铁素体层片薄。15 （5）莱氏体 概念：碳含量为4.3%的液态铁碳合金冷却到114

8、8时，同时结晶出奥氏体和渗碳体的多相组织称为莱氏体，用符号Ld表示。在727以下莱氏体变成由珠光体和渗碳体组成，称为变态莱氏体，用符号Ld表示。 性能：莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度很高， 塑性很差。163.5 Fe-Fe3C相图 铁碳合金相图 是指在极其缓慢的加热或冷却的条件下，不同成分的铁碳合金，在不同温度下所具有的状态或组织的图形. 是研究铁碳合金成分、组织和性能之间关系的理论基础. 也是选材、制定热加工工艺及热处理工艺的重要依据.171 .相图分析（1）相图中的主要特性点 A点：纯铁的熔点 C点：共晶点 D点：渗碳体的熔点 E点：碳在-Fe中的最大溶解度 G点：纯铁的同素异晶转变点 P

9、点：碳在-Fe中的最大溶解度 S点：共析点18 （2）相图中的主要特性线 ACD线：液相线，在ACD线以上合金为液态，用符号L表示。液态合金冷却到此线时开始结晶，在AC线以下结晶出奥氏体，在CD线以下结晶出渗碳体，称为一次渗碳体（FeC）。 AECF线：固相线，在此线以下合金为固态。液相线与固相线之间为合金的结晶区域，这个区域内液体和固体共存。3.5 Fe-Fe3C相图 ECF线：共晶线，温度为1148。 液态合金冷却到该线温度时发生共晶转变,即C点成分的液态合金缓慢冷却到共晶温度(1148)时，从液体中同时结晶出E点成分的奥氏体和渗碳体。 共晶转变后的产物称为莱氏体，C点称为共晶点。凡是碳的

10、质量分数为2.11%6.69%的铁碳合金均会发生共晶转变。19 PSK线：共析线，又称A线，温度为727。 铁碳合金冷却到该线温度时发生共析转变,即S点成分的奥氏体缓慢冷却到共析温度时，同时析出P点成分的铁素体和渗碳体。 转变后的产物称为珠光体，S点称为共析点。 凡是碳的质量分数为0.0218%6.69%的铁碳合金均会发生共析转变。五、 Fe-Fe3C相图 ES线：碳在Fe中的溶解度曲线，又称Acm线。溶解度随温度的下降而减小，在1148时溶解度为2.11%(E点)，到727时降为0.77%(S点)。 因此，凡碳的质量分数在0.77%以上的铁碳合金由1148冷却到727的过程中，都有渗碳体从奥

11、氏体中析出，称为二次渗碳体（FeC）。 GS线：又称A3线。是冷却时由奥氏体中析出铁素体的开始线。20 PQ线：碳在-Fe中的溶解度曲线。 碳在-Fe中的溶解度随温度的下降而减小，在727时溶解度为0.0218%(P点)，到600时降为0.008%(Q点)。 因此，铁碳合金从727向下冷却时，多余的碳从铁素体中以渗碳体的形式析出，这种渗碳体称为三次渗碳体。用符号FeC表示。 因其数量极少，常予以忽略。五、 Fe-Fe3C相图（3）相图中的相区 单相区：L、F、A、Fe3C。 两相区：L+A、L+Fe3C、F+A、A+Fe3C、F+Fe3C。 三相区（三相平衡线）：ECF、PSK。212. 铁碳

12、合金的分类223 典型铁碳合金的结晶过程及组织 （1）共析钢：室温组织为珠光体(P)。 （2）亚共析钢：室温组织为铁素体和珠光体(F+P)。随着含碳量的增加，珠光体量增多，而铁素体量减少。 233. 典型铁碳合金的结晶过程及组织 （3）过共析钢：室温组织为珠光体和网状二次渗碳体(P+Fe3C)。随着合金中含碳量的增加，组织中网状二次渗碳体的量增多。 （4）共晶白口铁：共晶白口铁的室温组织为变态莱氏体(Ld)。 24 （5）亚共晶白口铁：室温组织为珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体(P+Fe3C+Ld)。随着含碳量的增加，组织中变态莱氏体量增多。 （6）过共晶白口铁：室温组织为一次渗碳体和变态莱氏体

13、(Ld+Fe3C)。随着含碳量的增加，组织中一次渗碳体量增多。254.碳含量对铁碳合金室温平衡组织及力学性能的影响 （1）碳含量对室温平衡组织的影响：不同成分的铁碳合金室温下均由铁素体和渗碳体两相组成。 随着含碳量的增加，渗碳体量增加，铁素体量减小，而且渗碳体的形态和分布情况也发生变化。 （2）含碳量对力学性能的 影响：钢中渗碳体量愈多，其 强度、硬度愈高，而塑性、韧 性相应降低。 当钢中碳的质量分数小于0.9%时，强度达到最大值. 当钢中碳的质量分数大 于0.9%时，强度也明显下降。265 铁碳相图的应用 （1）选材 需要塑性、韧性好材料，应选用低碳钢； 需要强度、塑性及韧性都较好的材料，应

14、选用中碳钢； 需要硬度高、耐磨性好的材料，应选用高碳钢。 （2）制订热加工工艺 铁碳相图可作为制定铸造、锻造、焊接、热处理等热加工工艺的重要依据，如确定浇注温度、确定锻造温度范围及热处理的加热温度等。27六、 钢铁材料生产简介 钢铁材料是工程实践中应用最广泛的金属材料，是现代工业特别是机械制造业的重要支柱。 钢铁材料的生产过程，一般是由钢铁厂先用铁矿石等原料经过高炉冶炼成生铁. 再用生铁或加入废钢等在炼钢炉内冶炼成钢液，将钢液浇注成钢锭，最后通过轧制等压力加工方法制成各种钢材。 （1） 炼铁 铁是组成铁碳合金的组元，是钢铁材料的基本组成元素。 自然界中的铁以各种化合物的形式存在，并同其他元素的

15、化合物混合在一起形成矿石. 炼铁的过程实质上就是将铁从其化合物中还原出来，并同其他元素相分离的过程。 28 炼铁的基本过程： 炼铁的主要原料是铁矿石、燃料和熔剂。 铁矿石主要有赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿等； 熔剂燃料主要是焦炭；熔剂主要是富含碱性氧化物的石灰石等。 在炼铁过程中要将铁矿石、燃料和熔剂等炉料按照一定的比例加入到炼铁高炉中，经过一系列的冶炼过程即可得到铁的系列产品。 29 炼铁过程中所采用的燃料主要是焦炭。 焦炭燃烧所产生的热量为铁的冶炼提供了所需的热量； 同时，高温下的焦炭及其燃烧后生成的CO气体还起到还原剂的作用，前者称为直接还原，后者称为间接还原。 高炉炼铁时，高温焦炭和CO不断

16、地把铁从铁矿石中还原出来，并将碳渗入铁中，同时炉料中的Si、Mn、S、P等杂质元素也会溶入铁中，形成的最终产品称为生铁。 高炉炼铁的主要产品为生铁，根据生铁中硅的质量分数的不同可将其分为炼钢生铁和铸造生铁两类。 高炉冶炼的副产品主要有炉渣和高炉煤气。 炉渣是制造水泥的主要原料； 高炉煤气经过净化处理后可作为气体燃料使用。 30 （2）炼钢 炼钢的实质就是利用氧化和脱氧的方法，清除生铁中多余的C以及Si、Mn、S、P等杂质元素，使化学成分达到钢标准规定的基本要求，从而获得所需的性能。 目前，主要的炼钢方法有转炉炼钢法和电炉炼钢法。 在炼钢的脱氧过程中，通过控制脱氧剂的种类和加入量可以控制钢的脱氧程度，通常根据钢的脱氧程度不同可将其分为镇静钢、沸腾钢和半镇静钢三种。 在炼钢过程完成后，通常将其浇注成钢锭或钢坯，以便进行加工和使用。 31 （3）钢材生产 型材和板材：在实际生产中，通常是将钢锭通过一系列轧机轧制成型材和板材进行使用。 若轧机的轧辊设计为光滑的表面，轧制出的产品为钢板或钢带； 若轧机的轧辊上存在各种孔型，则轧制出的产品即