第四章：二元相图课件

第四章：二元相图

复习合金、组元、相、相结构（固溶体、化合物）纯金属结晶→单相。相图：以温度为纵坐标，成分为横坐标，反映不同成分的合金在任意温度下所处的平衡相状态的图解。相图→状态图，平衡状态图。平衡：合金从液态（高温）到室温是在极其缓慢的条件下完成的。相图用途：①帮助认识相的变化规律②计算任意合金在不同温度下相和组织含量。③帮助制定热加工工艺：a.铸造、b.锻造、c.热处理

第四章：二元相图复习合金、组元、相、相结构（固溶体、化合物1第四章：二元相图

4．1相图的基本知识

4．1．1相图的表示方法相图反映的是相的平衡状态，是在极其缓慢冷却条件下测定的，以温度为纵坐标，成分为横坐标。以Pb-Sn二元合金相图为例说明。温度：纵坐标成分：横坐标，用重量百分数表示例“10”表示：含Sn=10%，含Pb=90%相区用一些字母表示：如：L----表示液相区L+α----表示液相和固相（α）两相区相区交界线：例AE线，L与L+α交界线AEB线：液相线AMENB线：固相线表象点：标图上任意一点，反映给定成分合金在一定温度下所具有的相的状态。第四章：二元相图4．1相图的基本知识以Pb-Sn二元合2第四章：二元相图

4．1相图的基本知识

4．1．2二元合金相图的建立实验测定.测定原理：合金发生相变时，会导致物理、力学性能变化及结构变化。测定方法：（复杂相图需用几种方法结合）①热分析法⑤电阻法②硬度法⑥膨胀法③金相法⑦x-射线检测法④磁性法第四章：二元相图4．1相图的基本知识4．1．2二元合金3第四章：二元相图

4．1相图的基本知识

4．1．2二元合金相图的建立测定方法：以Pb-Sn二元相图为例，说明相图建立过程。采用热分析法测冷却曲线。依据：相变时放热，冷却曲线上有拐点。测定步骤：（结合黑板）①配置几组不同成分的合金。②测定上述合金各自冷却曲线。③确定各曲线上的拐点（临界点）温度。④将临界点引入相图的相应位置，将具有相同意义的点连接起来。⑤用字母表示不同相的名称，填入不同相区。第四章：二元相图4．1相图的基本知识4．1．2二元合金4第四章：二元相图

4．1相图的基本知识

4．1．3相律及杠杆定律

1．相律及应用相律作用：①帮助分析使用相图②判断相图是否正确（1）相律概念：表示在相平衡状态下，系统的自由度数，组元数和相数之间的关系。表达式：f=C-P+2f:自由度数；C:组元数；P:相数；2：温度、压力。合金结晶、固态相变是在恒压下进行（压力影响小）∴f=C-P+1第四章：二元相图4．1相图的基本知识4．1．3相律及杠5第四章：二元相图

4．1相图的基本知识

4．1．3相律及杠杆定律

1．相律及应用相律表达式：f=C-P+1自由度f:当合金相数固定时，合金相可以独立改变的、影响合金状态的内、外因素的数目。

内因：成份；外因：温度。最大自由度数：①纯金属：1个→温度可变（成份不可变）②二元合金：2个→温度，一个成分③三元合金：3个→温度，两个成分。当f=0时，温度、成分都固定。第四章：二元相图4．1相图的基本知识4．1．3相律及杠6第四章：二元相图

4．1相图的基本知识

4．1．3相律及杠杆定律

1．相律及应用（2）相律应用：

以Pb-Sn合金为例说明：①纯金属在恒温下结晶。在熔点，液相、固相共存。f=1-2+1=0②合金在两相区，当温度一定时，两相成分固定。

∵f=2-2+1,只有一个独立变量。例x成分：C=2;P=2当t固定：液相成分为x1;固相成分为x2.也说明二元合金在一定温度范围内结晶。

③当二元合金出现三相平衡时，成分、温度均恒定。

f=C-P+1=2-3+1=0例：相图中在183℃，三相：α、L、β平衡，其成分分别为M、E、N点。④可确定合金系中最多平衡相数。

令：f=0得：P=C+1纯金属：Pmax=2;二元合金：Pmax=3;三元合金：Pmax=4第四章：二元相图4．1相图的基本知识4．1．3相律及杠7第四章：二元相图

4．1相图的基本知识

4．1．3相律及杠杆定律2.杠杆定律：

问题提出：①当二元合金（成分已知）由两相组成时两相的相对重量是多少？例：45钢（含C=0.45%）,铁素体（F）和Fe3C两相各占多少？②当二元合金两相相对重量已知时，合金成分是多少？例：金相观察：F:95%;Fe3C：5%；求钢的含碳量？杠杆定律可以解决此类问题。

以Cu-Ni二元合金相图说明：

第四章：二元相图4．1相图的基本知识4．1．3相律及杠8第四章：二元相图

4．1相图的基本知识

4．1．3相律及杠杆定律2.杠杆定律：

以Cu-Ni二元合金相图说明：

计算成分为x的合金在t1℃时，L和两相的相对重量。

根据相律：在t1℃时，L和α两相成分分别为CL,Cα.。设：合金总重量为1，液相重为WL,α相重Wα则有：WL+Wα=1WLxCL+WαxCα=C

(液相含Ni量+固相含Ni量=合金含Ni量)

解得：

推导见板书第四章：二元相图4．1相图的基本知识4．1．3相律及杠9第四章：二元相图

4．1相图的基本知识

4．1．3相律及杠杆定律2.杠杆定律：

*①杠杆定律适用于任何二元相图两相区两相重量的计算。②在单相区，其相占100%（二元相图的几何规律，后面讲解）

第四章：二元相图4．1相图的基本知识4．1．3相律及杠10第四章：二元相图

4．2二元相图的基本类型基本类型：a.匀晶型b.共晶型c.包晶型（复杂相图都由简单类型组合而成）第四章：二元相图4．2二元相图的基本类型11第四章：二元相图

4．2．1匀晶相图匀晶转变：由液相结晶出单相固溶体的过程。表达：L→α匀晶相图：当合金在液态和固态均为无限互溶时构成的相图。二元匀晶系：①Cu-Ni;Au-Ag;Cu-Au(fcc)②Cr-Mo;α-Fe-Cr;α-Fe-V(bcc)第四章：二元相图

4．2．1匀晶相图12第四章：二元相图

4．2．1匀晶相图1．相图分析(以Cu-Ni合金为例)：

A点：纯铜熔点(1083℃)；B点：纯镍熔点(1462℃)；

---液相线；

---固相线

所有合金都在一定温度范围内完成结晶。

两相区，自由度f=2-2+1=1第四章：二元相图

4．2．1匀晶相图1．相图分析13第四章：二元相图

4．2．1匀晶相图2.固溶体合金平衡凝固及组织。平衡凝固：极其缓慢冷却，凝固每一阶段都达到平衡。（1）合金结晶过程。以30%Ni(70%Cu)合金为例：在t1温度:开始结晶出含Ni为α1成分的晶核（Ni多，Cu少）在t2温度：液相平衡成分为L2点，α相平衡成分为α2点。t3温度结晶结束。各部分成分均匀，为含30%Ni的α固溶体。平衡结晶，极其缓冷，L和α中的Cu、Ni原子有充分的扩散时间。第四章：二元相图

4．2．1匀晶相图2.固溶体合14第四章：二元相图

4．2．1匀晶相图2.固溶体合金平衡凝固及组织。结晶过程示意图第四章：二元相图

4．2．1匀晶相图2.固溶体合15第四章：二元相图

4．2．1匀晶相图2.固溶体合金平衡凝固及组织。（2）结晶规律：形核长大（3）结晶条件①需过冷，提供驱动力。②结构起伏------提供晶胚。③能量起伏-------补偿形核功。④成分起伏（浓度起伏）：在任一瞬间，液相中某些微小体积成分偏离于均匀成分，这些微小体积成分、尺寸、位置在不断变化。第四章：二元相图

4．2．1匀晶相图2.固溶体合16第四章：二元相图

4．2．1匀晶相图2.固溶体合金平衡凝固及组织。（4）固溶体结晶特点（与纯金属相比）①异分结晶结晶时，结晶出的晶体成分不同于母体成分称为异分结晶。对Cu-Ni合金：先结晶部分富Ni;后结晶部分富Cu.平衡分配系数：在一定温度下，固—液两平衡相中溶质浓度之比。

用K0=

若把液、固相线看成直线，则K0=常数（可用相似三角形证明）当K0<1时，K0越小，则液、固相线距离越大，所需成分起伏越大。当K0>1时，K0越大，则液、固相线距离越大，所需成分起伏越大第四章：二元相图

4．2．1匀晶相图2.固溶体合17第四章：二元相图

4．2．1匀晶相图2.固溶体合金平衡凝固及组织。（4）固溶体结晶特点（与纯金属相比）

②在一定温度范围内结晶。随T↓,固相↑，液相↓，两相成分分别沿固相线，液相线变化。溶质、溶剂不断扩散，在两相中不断重新分配。只在极其缓冷情况下，才能结晶出成分均匀的固溶体。第四章：二元相图

4．2．1匀晶相图2.固溶体合18第四章：二元相图

4．2．1匀晶相图3．固溶体合金的非平衡结晶及组织。

实际铸件，结晶时冷速较快，原子不能充分扩散，结晶后各处化学成分不均匀。以Cu---Ni合金为例：在ΔT下，t1℃下开始结晶出α1’；

t2℃下结晶出α2’……原子不能充分扩散（尤其在固相中）∴先结晶富Ni;后结晶富Cu.成分不均匀-----偏析。第四章：二元相图

4．2．1匀晶相图3．固溶体合19第四章：二元相图

4．2．1匀晶相图3．固溶体合金的非平衡结晶及组织。

（1）晶内偏析：①概念：由于不平衡结晶，使固溶体晶粒内部化学成分不均匀现象,称为晶内偏析.由于结晶成树枝状晶------枝晶偏析液、固相线距离越大，则偏析越严重。冷速越快，偏析越严重。最大偏析程度

Cd-C0=C0K0-C0=C0(K0-1)对K0>1,K0越大，偏析↑对K0<1,K0越小，偏析↑②枝晶偏析对性能影响力学性能降低，尤其是塑性、韧性↓↓耐蚀性↓压力加工性↓③消除枝晶偏析方法。高温扩散退火（均匀化退火）：将铸件加热至固相线下100---200℃长期保温，使溶质、溶剂原子相互扩散。第四章：二元相图

4．2．1匀晶相图3．固溶体合20第四章：二元相图

4．2．1匀晶相图3．固溶体合金的非平衡结晶及组织。

（2）区域偏析实际铸件表面与心部化学成分不均匀现象→宏观偏析。以K0<1为例(图示)先结晶溶质含量低（表面），后结晶溶质含量高（心部）。（3）区域提纯从固溶体合金中提取纯金属。(图示)依据：非平衡结晶，会产生区域偏析。常采用区域熔炼法提纯金属。第四章：二元相图

4．2．1匀晶相图3．固溶体合21第四章：二元相图

4．2．1匀晶相图4．成分过冷。

纯金属结晶：在负的温度梯度下---------树枝晶。在正的温度梯度下------平滑界面（平面长大）固溶体合金，即使在正的温度梯度下，也会形成树枝晶-------是由于成分过冷造成的。（1）成分过冷概念：固溶体合金结晶时，由于液固界面前沿存在溶质浓度梯度而改变了过冷情况，称为成分过冷。

（2）

产生原因：以K0<1为例(图示说明)过冷度：界面前沿液相实际温度<液相平衡结晶温度（3）

产生成分过冷的条件：(讨论成分过冷的影响)G:实际温度梯度m:液相线斜率；C0:溶质浓度；R:晶体生长速度D:溶质在液散系数；K0:平衡分配系数。第四章：二元相图

4．2．1匀晶相图4．成分过冷22第四章：二元相图

4．2．1匀晶相图5．固溶体合金凝固时生长形态在负的温度梯度下：树枝晶第四章：二元相图

4．2．1匀晶相图5．固溶体合23第四章：二元相图

4.2.2共晶相图①共晶反应（共晶转变）：把在一定温度下，由一定成分的液相、同时结晶出成分和结构不同的两相的过程。②二元共晶相图：两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，且发生共晶反应的相图。

③相图特征：④具有共晶转变的二元合金：Pb-SnPb-SbFe-C(C>2.11%)Al-SiAl-CuAg-Cu第四章：二元相图4.2.2共晶相图④具有共晶转变的二元合24第四章：二元相图

4.2.2共晶相图1.相图分析以Pb-Sn二元合金相图为例：三个单相区：L、α、βα：Sn溶入Pb中固溶体β:Pb溶入Sn中固溶体AEB-液相线E点：共晶合金AMNB-固相线ME之间：亚共晶;EN之间：过共晶合金

MF-Sn在Pb中溶解度曲线，随T↓,溶解度↓NG-Pb在Sn中溶解度曲线第四章：二元相图4.2.2共晶相图1.相图分析三个单相区25第四章：二元相图

4.2.2共晶相图1.相图分析以Pb-Sn二元合金相图为例：最大特征：三相水平线：f=2-3+1=0温度恒定，三相成分固定。E点：共晶点第四章：二元相图4.2.2共晶相图1.相图分析最大特征：26第四章：二元相图

4.2.2共晶相图2．典型合金平衡结晶及组织

（1）固溶体合金的结晶

M点以左（α），N点以右（β）以含Sn=10%的合金为例1-2点，与匀晶结晶一样。2-3点，为单相α。3点以下：从含Sn过饱和的α中析出βII。βII-二次晶：常沿晶界析出；也可在晶内析出。

室温组织：α+βII(画组织示意图)室温组织中两相相对重量：

第四章：二元相图4.2.2共晶相图2．典型合金平衡结晶及27第四章：二元相图

4.2.2共晶相图2．典型合金平衡结晶及组织

（1）固溶体合金的结晶以含Sn=10%的合金为例室温组织：α+βII越靠近M点，βII含量越多非平衡结晶同样也会产生枝晶偏析，区域偏析。，第四章：二元相图4.2.2共晶相图2．典型合金平衡结晶及28第四章：二元相图

4.2.2共晶相图2．典型合金平衡结晶及组织

（2）共晶合金结晶过程(61.9%Sn)

在183℃，由61.9%Sn的液相，同时结晶出α（19%Sn）和β（97.5%Sn）两种固溶体。在<183℃下，从α中析出βII；从β中析出αII;但两相与其晶体α，β混在一起，难分辨。室温组织为：（α+β）共晶体第四章：二元相图4.2.2共晶相图2．典型合金平衡结晶及29第四章：二元相图

4.2.2共晶相图2．典型合金平衡结晶及组织

（2）共晶合金结晶过程(61.9%Sn)

室温组织为：（α+β）共晶体共晶体中两相相对重量（在183℃）：在室温下共晶体中两相相对重量（提问）第四章：二元相图4.2.2共晶相图2．典型合金平衡结晶及30第四章：二元相图

4.2.2共晶相图2．典型合金平衡结晶及组织

（3）亚共晶合金及过共晶合金的结晶过程以含Sn=50%的亚共晶合金为例：1点上：L相1-

2点：L+α:L相成分沿AE变化。α相成分沿AM变化。当冷至2点（183℃），剩余L相成分达到61。9%Sn,发生共晶转变。转变后，组织由先共晶相α与共晶体（α+β）组成。在183℃组织相对重量：

在183℃以下，从先共晶α中析出βII（在显微镜下可见），从共晶体中析出的看不到室温组织：α+(α+β)+βII第四章：二元相图4.2.2共晶相图2．典型合金平衡结晶及31第四章：二元相图

4.2.2共晶相图2．典型合金平衡结晶及组织

（3）亚共晶合金及过共晶合金的结晶过程以含Sn=50%的亚共晶合金为例：室温组织：α+(α+β)+βII室温组织相对量：第四章：二元相图4.2.2共晶相图2．典型合金平衡结晶及32第四章：二元相图

4.2.2共晶相图2．典型合金平衡结晶及组织

（3）亚共晶合金及过共晶合金的结晶过程以含Sn=50%的亚共晶合金为例：室温组织：α+(α+β)+βII室温时α、β两相的相对量：第四章：二元相图4.2.2共晶相图2．典型合金平衡结晶及33第四章：二元相图

4.2.2共晶相图2．典型合金平衡结晶及组织

（3）亚共晶合金及过共晶合金的结晶过程

过共晶合金结晶（同学分析）室温组织：β+(α+β)+αII

第四章：二元相图4.2.2共晶相图2．典型合金平衡结晶及34第四章：二元相图

4.2.2共晶相图2．典型合金平衡结晶及组织

亚共晶合金、共晶合金及过共晶合金组织图对照第四章：二元相图4.2.2共晶相图2．典型合金平衡结晶及35第四章：二元相图

4.2.2共晶相图2．典型合金平衡结晶及组织

在相图上填写组织组成物相图组织组成物图第四章：二元相图4.2.2共晶相图2．典型合金平衡结晶及36第四章：二元相图

4.2.2共晶相图3．共晶组织的形态：

共晶：同时结晶出两相，两相交替形核、长大。其形态可能有：层片状、棒状、球状、针状、螺旋状第四章：二元相图4.2.2共晶相图3．共晶组织的形态：37第四章：二元相图

4.2.2共晶相图4．不平衡结晶及组织：（1）伪共晶：概念：在不平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的亚（过）共晶合金得到100%共晶组织，这种共晶组织称为伪共晶。根据合金系不同，有两种形式的伪共晶区。a.以共晶点左右对称。熔点相差不大的金属与金属二元系：如：Pb-Sn,Ag-Cub.伪共晶区偏向一侧：熔点相差悬殊两组元，偏向高熔点一侧。金属-非（亚）金属，偏向金属一侧。伪共晶：使合金强度、硬度提高。∵a.相界面增多b.共晶片间距减小（过冷度越大，片间距越小）第四章：二元相图4.2.2共晶相图4．不平衡结晶及组织：38第四章：二元相图

4.2.2共晶相图4．不平衡结晶及组织：（2）离异共晶概念：在先共晶相很多，共晶组织甚少的情况下，有时共晶组织中与先共晶相相同的那一相，依附在先共晶相上长大，而把另一相推到晶界上。→两相分离。离异共晶：使性能恶化。（第二相沿晶界分布）如钢中：（F+FeS）少量共晶，FeS沿晶分布,锻造易开裂---“热脆”

消除办法：加热单相区，快冷。第四章：二元相图4.2.2共晶相图4．不平衡结晶及组织：39第四章：二元相图

4.2.2共晶相图4．不平衡结晶及组织：（3）比重偏析①概念：在先共晶相与液相比重相差悬殊时，则结晶时，先共晶相上浮或下沉，如：铸铁中石墨易上浮。②产生原因：a.两组元比重相差大。b.结晶区间大c.冷速慢。③消除办法：a.增大冷速。b.加入第三组元，使先共晶相密度与液相接近。c.对流、搅拌。第四章：二元相图4.2.2共晶相图4．不平衡结晶及组织：40第四章：二元相图

4.2.3包晶相图①包晶反应（转变）：在恒温下，由液相和一个固相相互作用，生成另一固相的反应过程。②二元包晶相图：两组元在液态时完全互溶，在固态时形成有限固溶体，且发生包晶转变所构成的相图。③反应特征：

相图中有如下三相水平线：α（P）+L(C)

β（D)④具有包晶转变的二元合金：Pt-AgSn-SbCu-Sn

Cu-Zn

Fe-C(C<0.53%)第四章：二元相图4.2.3包晶相图③反应特征：α（P）+41第四章：二元相图

4.2.3包晶相图1.相图分析以Pt-Ag二元合金相图为例：ACB-液相线APDB-固相线PE-Ag在Pb中溶解度曲线，DF-Pt在Ag中溶解度曲线，随T↓,溶解度↓三个单相区：L、α、βα：Ag溶入Pt中固溶体β:Pt溶入Ag中固溶体三个两相区：L+α、L+β、α+β最大特征：三相水平线：α（P）+L(C)

β（D)第四章：二元相图4.2.3包晶相图1.相图分析ACB-液42第四章：二元相图

4.2.3包晶相图2．典型合金平衡结晶及组织

(1)I合金(包晶合金,含42.4%Ag)1--D点:随温度降低，液相成分沿AC线变化，固相成分沿AP线变化，α增多，L相减少。

D点：发生包晶转变α10.5+L66.3

β42.4β“内吃外扩”向内吃掉α，同时向外部L相中长大。需要Pt,Ag充分扩散。

D点以下：从β中析出αⅡ，可计算两相相对重量室温组织：

β+αⅡ第四章：二元相图4.2.3包晶相图2．典型合金平衡结晶及43第四章：二元相图

4.2.3包晶相图2．典型合金平衡结晶及组织

(2)Ⅱ合金（过包晶合金）包晶转变结束后，有剩余液相L室温组织：

β+αⅡ第四章：二元相图4.2.3包晶相图2．典型合金平衡结晶及44第四章：二元相图

4.2.3包晶相图2．典型合金平衡结晶及组织

（3）Ⅲ合金（亚包晶合金）包晶转变结束后，有剩余α在2点以下，从β中析出αⅡ，从α中析出βⅡ。室温组织：

β+αⅡ+α+βⅡ第四章：二元相图4.2.3包晶相图2．典型合金平衡结晶及45第四章：二元相图

4.2.3包晶相图

3不平衡结晶及组织冷却速度较快时，包晶合金、过包晶合金发生包晶转变后，有剩余α

因为，包晶转变时，β将α包围，Pt,、Ag原子通过固相扩散困难，所以，包晶反应难以充分进行。4包晶转变的实际应用（1）用做轴承合金初生化合物作为硬质点软基体包围硬质点

耐磨（2）细化晶粒例：铝合金铸造时加Ti,发生下列反应

L+AlTi3---αAlTi3极细小，作为人工晶核，α依附在AlTi3上长大。第四章：二元相图4.2.3包晶相图

3不平衡结晶及组46第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用

4．3．1其它类型的二元相图1．

其它类型的恒温转变相图（有三相水平线）（1）熔晶相图：熔晶转变：在恒温下，由一定成分的固相α转变成另一成分的液相L和不同成分的固相β。第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用4．347第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用

4．3．1其它类型的二元相图1．

其它类型的恒温转变相图（有三相水平线）（2）偏晶相图。偏晶转变：在恒温下，由一定成分液相L1转变成不同成分的L2和固相α。L1(B)→L2(C)+β(A)第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用4．348第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用

4．3．1其它类型的二元相图1．

其它类型的恒温转变相图（有三相水平线）（3）合晶相图：合晶转变：在恒温下，由两个不同成分的液相转变成另一成分的固相。第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用4．349第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用

4．3．1其它类型的二元相图1．

其它类型的恒温转变相图（有三相水平线）（4）共析相图：共析转变：在恒温下，由一定成分的固相转变成不同成分的两个固相。γγ(B)→α(A)+β(C)是Fe-C合金中极其重要的转变。

第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用4．350第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用

4．3．1其它类型的二元相图1．

其它类型的恒温转变相图（有三相水平线）（5）包析相图：包析转变：在恒温下，由两个不同成分的固相转变成另一固相。第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用4．351第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用

4．3．1其它类型的二元相图总结：具有三相水平线的相图类型。第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用4．352第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用

4．3．1其它类型的二元相图2.组元间形成化合物的相图.(1)稳定化合物:具有一定的熔点,在熔点以下不分解的化合物.稳定化合物可作为一个组元,将二元合金相图拆开分析.例Mg-Si相图

Mg2Si作为一个独立的组元.可将相同拆成两部分:a.Mg-Mg2Si,b.Mg2Si-Si,

Fe-C相图(实际上是Fe-Fe3C相图)(2)不稳定化合物:在加热至一定温度下分解→不能拆分相图.

第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用4．353第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用

4．3．1其它类型的二元相图3.具有异晶转变的相图.

当组元具有同素异晶转变特性是,形成固溶体也会发生异晶转变.

如:(bCC)(fCC)(bCC)铁碳合金中:奥氏体(γ,A):C溶入γ-Fe中的固溶体.铁素体(α,F):C溶入α-Fe中的固溶体.A→F(异晶转变)第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用4．354第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用

4．3．1其它类型的二元相图4.具有固溶体转变成中间相的相图.

如:Fe-Cr相图(P82)5.具有有序-无序转变的相图

如Cu-Au合金6.具有磁性转变的相图

如Fe-C相图770℃:是铁素体磁性转变点(居里点)230℃:是渗碳体(Fe3C)磁性转变点.第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用4．355第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用

4.3.2复杂二元相图的分析方法。1.

复杂二元相图分析要点.(1)判定相图类别:

三大类:a.匀晶型

b.共晶型:共晶，共析，偏晶，熔晶（一相分解成两相）

c.包晶型：包晶，包析，合晶（两相合成一相）

抓住三相水平线特征分析第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用4.356第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用

4.3.2复杂二元相图的分析方法。第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用4.357第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用

4.3.2复杂二元相图的分析方法。1.

复杂二元相图分析要点.（2）读相图应掌握要点①相图中若有稳定化合物，可拆图分析.②在单相区,相的成分即为合金成分.③纯金属在恒温下结晶,两个单相区比交于一点.④两个单相区之间必存在一个两相区.两相成分通过表象点做水平线在两相区边界交点上,用杠杆定律求两相重量.⑤水平线为三相共存线,三相成分在三个交点上,三相水平线邻近必有三个两相区和三个单相区.⑥相邻相区相数差”1”(点除外)第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用4.358第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用

4.3.2复杂二元相图的分析方法。2.应用相图是要注意的问题(1)相图只给出平衡条件下的相和相的相对量,不能给出各相的形态,尺寸和分布.(需用金相组织分析)(2)相图只表示平衡状态的情况

不平衡结晶体现不出,但可用于分析不平衡情况(如偏析,伪共晶等)(3)二元相图只反映二元系合金平衡相的关系

对多元合金,必须考虑合金元素的影响.第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用4.359第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用

4.3.2复杂二元相图的分析方法。3.根据相图判断合金性能(1)当合金形成单相固溶体时

a.力学性能

随溶质↑，HB↑,σb↑:畸变大，强化

b.物理性能

溶质↑，电阻率ρ↑（R↑），磁矫顽力↑第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用4.360第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用

4.3.2复杂二元相图的分析方法。3.根据相图判断合金性能(1)当合金形成单相固溶体时

c.铸造性能随溶质↑，铸造性能差：流动性差偏析严重

分散缩孔增多（疏松，缩孔）→组织不致密第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用4.361第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用

4.3.2复杂二元相图的分析方法。3.根据相图判断合金性能

（2）当合金形成两相机械混合物时共晶，共析等反应a.力学性能

在两相间，强度、硬度随成分呈直线变化。

合金硬度：共晶组织细化（或形成伪共晶），强度、硬度出现峰值。

第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用4.362第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用

4.3.2复杂二元相图的分析方法。3.根据相图判断合金性能

（2）当合金形成两相机械混合物时b．铸造性能

结晶温度间隔↑，铸造性能差，∴一般做铸造合金，多为共晶成分附近的合金。第四章：二元相图

4．3二元相图的分析和使用4.363第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金金属材料：a.黑色合金（Ferrous

metals）:钢、铸铁

Fe和C为基本组元。

b.有色合金（Nonferrous

metals）:除铁基以外所有合金。Fe-C二元合金：a.碳钢

+

合金元素

→合金钢

b.铸铁

+

合金元素

→合金铸铁为搞清钢、铁成分、组织、性能、热处理及用途，必须从Fe-C二元合金入手。第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金64第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.1铁碳合金的组元和基本相1、纯铁

熔点：1538℃，过渡族元素

密度：7.87g/cm3

原子量：55.85①铁的同素异晶转变图

概念：金属在固态下发生晶格类型变化的过程，称为同素异晶转变。

（同一元素，在不同温度下，晶体结构不同）1538℃→1394℃，δ-Fe(bcc)1394~912℃:γ-Fe(fcc)

912℃以下，α-Fe(bcc)

*纯铁在高温冷却时，发生两次同素异晶转变。

正是由于铁具有多晶型性，与不同的碳及合金元素结合，可进行各种热处理，得到不同的组织，具有不同的性能。

同素异晶转变：形核，长大。这一过程称为“重结晶”—“phase

crystallization”

第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.165第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.1铁碳合金的组元和基本相1、纯铁②纯铁的力学性能

根据晶粒大小和纯度不同，性能在一定范围内变化。强度、硬度低；韧性、塑性高；不用于工程结构件。第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.166第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.1铁碳合金的组元和基本相2、铁的固溶体①铁素体（F）→Ferrite

碳溶入α-Fe中的间隙固溶体（用F或α表示）

α-Fe最大溶碳能力：0.0218%C(727℃)

室温下：0.0008%C(忽略不计)

碳溶入δ-Fe中的间隙固溶体称为δ-铁素体(用δ-F)

δ-铁素体最大溶碳能力：0.09%C(1495℃)②奥氏体（A）→Austenite碳溶入γ-Fe中的间隙固溶体(用A或γ表示)

γ-Fe最大溶碳能力：2.11%C(1148℃)

提问：为何γ-Fe溶碳能力远高于α-Fe？第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.167第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.1铁碳合金的组元和基本相3、渗碳体（Fe3C）稳定金属化合物；HB=800,δ=0,硬、脆，是钢中主要强化相。

熔点：1227℃；含碳为：6.69%C

高温长时间保温：Fe3C→Fe+C(石墨)→铸铁中常见。第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.168第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．Fe-Fe3C相图分析要求学生背画相图1、相图中各点、线、区及其意义。各点用语言叙述。ABCD:液相线AHJECF:固相线五个单相区：L,δ,A,F,Fe3C七个两相区：L+δ,L+A,L+Fe3C,δ+A,A+F,A+Fe3C，F+Fe3C三条水平线：

HJB---包晶转变线

ECF----共晶转变线

PSK----共析转变线第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.269第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．Fe-Fe3C相图分析要求学生背画相图1、相图中各点、线、区及其意义。各点用语言叙述。ABCD:液相线AHJECF:固相线五个单相区：L,δ,A,F,Fe3C七个两相区：L+δ,L+A,L+Fe3C,δ+A,A+F,A+Fe3C，F+Fe3C三条水平线：

HJB---包晶转变线

ECF----共晶转变线

PSK----共析转变线第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.270第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．Fe-Fe3C相图分析1、相图中各点、线、区及其意义。三条水平线：

①包晶转变：

含C=0.09~0.53%合金在1495℃均发生包晶转变

②共晶转变：

含C=2.11~6.69%合金在1148℃发生共晶转变

③共析转变：

含C=0.0218%~6.69%合金在727℃发生共析转变。

第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.271第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．Fe-Fe3C相图分析1、相图中各点、线、区及其意义。另三条重要特征曲线①

GS线（A3线）意义：冷却时：A向F同素异晶转变开始温度加热时：F向A同素异晶转变终了温度

随C%↑，A→F温度降低。②

ES线（Acm线）意义：碳在A中溶解度曲线。

含C>0.77%合金，冷却时从A中析出渗碳体→二次渗碳体（Fe3CII）③PQ线

意义：碳在F中溶解度曲线

合金冷却至此线以下，从F中析出Fe3C→三次渗碳体（Fe3CIII）第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.272第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．Fe-Fe3C相图分析2、相图中铁碳合金分类

分三大类，七类合金①工业纯铁（C<0.0218%）室温平衡组织：F+Fe3CIII②碳钢（C=0.0218~2.11%）

a.共析钢：C=0.77%

平衡组织：P

b.亚共析钢：C=0.0218~0.77%

平衡组织:F+P

c.过共析钢：C=0.77~2.11%

平衡组织:P+Fe3CII③

铸铁（C=2.11~6.69%）a.共晶白口铁：C=4.3%

室温平衡组织:Ld

b.亚共晶白口铁：C=2.11~4.3%

室温平衡组织:Ld+Fe3CII+P

c.过共晶白口铁：C=4.3~6.69%

室温平衡组织:Ld+Fe3CI第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.273第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．Fe-Fe3C相图分析3．典型合金的平衡结晶及组织。选择7种典型合金进行分析

（1）工业纯铁

以C=0.01%合金为例从液态到室温，与相图交7点（看黑板）室温组织：F+Fe3CIII

计算F和Fe3CIII相对重量：

Fe3CIII最大含量（C=0.0218%合金）很少，所以，Fe3CIII经常忽略不计第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.274第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．Fe-Fe3C相图分析3．典型合金的平衡结晶及组织。

（2）共析钢（C=0.77%）从液态到室温，与相图交3点室温平衡组织：珠光体P珠光体（P）:是F和Fe3C层片组织，F片厚约为Fe3C的8倍。

在727℃转变终了时P中两相重量：第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．75第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．Fe-Fe3C相图分析3．典型合金的平衡结晶及组织。

（3）亚共析钢(C=0.0218—0.77%)

室温平衡组织：F+P

20号钢(C=0.2%)60号钢(C=0.6%)第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．76第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．Fe-Fe3C相图分析3．典型合金的平衡结晶及组织。

（3）亚共析钢(C=0.0218—0.77%)

室温平衡组织：F+P

20号钢(C=0.2%)60号钢(C=0.6%)

以C=0.4%C为例：

计算室温平衡组织相对量：计算室温下两个平衡相的相对量：第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．77第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．Fe-Fe3C相图分析3．典型合金的平衡结晶及组织。

（3）亚共析钢(C=0.0218—0.77%)

室温平衡组织：F+P

20号钢(C=0.2%)60号钢(C=0.6%)经金相观察，可根据F和P相对面积（近似为相对重量）确定钢中含碳量，从而确定钢号：

钢中含碳量：

例题：在显微镜下观察到某碳钢平衡组织中F占74%，P占26%,求该钢含碳量。解：

第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．78第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．Fe-Fe3C相图分析3．典型合金的平衡结晶及组织。

（4）过共析钢(C=0.77—2.11%)室温平衡组织：P+Fe3CII

以含C=1.2%钢为例。第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．79第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．Fe-Fe3C相图分析3．典型合金的平衡结晶及组织。

（4）过共析钢(C=0.77—2.11%)室温平衡组织：P+Fe3CII

以含C=1.2%钢为例

平衡组织中：

过共析钢，随含碳量增多，Fe3CII↑含碳量为2.11%的合金Fe3CII量最大：Fe3CII以网状分布原A晶界，使钢变脆。第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．80第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．Fe-Fe3C相图分析3．典型合金的平衡结晶及组织。

（4）过共析钢(C=0.77—2.11%)室温平衡组织：P+Fe3CII

经金相观察，可根据P和Fe3CII相对面积（近似为相对重量）确定钢中含碳量，从而确定钢号：

钢中含碳量：

C%=Qp×0.77%+QFe3C×6.69%例题：在显微镜下观察到某碳钢平衡组织中二次渗碳体占7.3%，珠光体占92.7%,求该钢含碳量。

解：C%=Qp×0.77%+QFe3C×6.69%

=92.7%×0.77%+7.3%×6.69%

=1.2%→是工具钢T12第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．81第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．Fe-Fe3C相图分析3．典型合金的平衡结晶及组织。

（5）共晶白口铸铁（C=4.3%）

1点(1148℃)：共晶反应：

随T↓,Ld中的A成分沿ES线变化，从A中析出Fe3CII(Fe3CII与共晶Fe3C分辨不清)

冷至727℃，莱氏体（Ld）中的A成分变为0.77%C→发生共析转变。室温组织：变态莱氏体Ld’(Fe3C基体上分布P)变态莱氏体Ld’性能极脆、硬

第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．82第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．Fe-Fe3C相图分析3．典型合金的平衡结晶及组织。

（6）亚共晶白口铁(2.11-4.3%C)以C=3.0%合金为例：室温平衡组织：Ld’+P+Fe3CII组织相对重量计算：

在1148℃

室温下：

∴室温组织相对量：第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．83第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．Fe-Fe3C相图分析3．典型合金的平衡结晶及组织。

（7）过共晶白口铸铁以C=5%合金为例：室温平衡组织：Ld’+Fe3CIFe3CI最大含量100%→C=6.69%的合金第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．84第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．Fe-Fe3C相图分析4．含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响（1）对平衡组织的影响

第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．85第四章：二元相图

4．4铁碳相图和铁碳合金4.4.2．Fe-Fe3C相图分析4．含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响（2）对力学性能的影响

铁素体：强度、硬度低，韧塑性好珠光体：强度、硬度高，韧塑性介于F和Fe3C之间渗碳体：硬度高，强度低，塑性极低δ=0退火：随炉缓冷，室温组织接近平衡组织。亚共析钢：C%↑,F↓,P↑,HB↑,σb↑,δ↓aK↓过共析钢：C%↑,Fe3CII↑,HB↑,σb↓,δ↓,aK↓

C%>1.0%时，Fe3CII连续网，C↑,网变厚，塑、韧性↓↓白口铁：由于组织为