材料科学基础4 二元相图

第四章：二元相图复习合金、组元、相、相结构（固溶体、化物）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。

第四章：二元相图平衡：

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%

第四章：二元相图4.1.1相图的表示方法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：

AE线:L与L+α交界线；AEB线:液相线；AMENB线:固相线。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

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。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步骤：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。

Cu0.300.500.70Ni1452ºC1083ºCt/ºCt/sa冷却曲线Lαb相图第四章：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步骤：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。Cu0.300.500.70Ni1452ºC1083ºCt/ºCt/sLαa冷却曲线b相图第四章：二元相图4.1.2二元合金相图的建立测定步骤：

①配几组成分;②测定冷却曲线;③确定拐点（临界点）温度;④将临界点引入相图将点连接起来;⑤用字母表示相区。Pb、Sn相图的建立第四章：二元相图4.1.3相律及杠杆定律1.相律及应用作用：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4.1.3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4．1．3相律及杠杆定律（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=0

②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。

第四章：二元相图4．1．3相律及杠杆定律（2）相律应用：

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4．1．3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。

第四章：二元相图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C的合金在t1℃时，L和α两相的相对重量。

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=1WL·CL+Wα·Cα=C(液相含Ni量+固相含Ni量=合金含Ni量)第四章：二元相图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C的合金在t1℃时，L和α两相的相对重量。

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=1WL·CL+Wα·Cα=C(液相含Ni量+固相含Ni量=合金含Ni量)解得：

第四章：二元相图4.1.3相律及杠杆定律2.杠杆定律：

*①定律适用于二元相图两相区两相重量的计算。②在单相区，其相占100%第四章：二元相图4.1．4二元相图的一些几何规律1.两个单相区之间必定有一个由这两个相组成的两相区，而不能以一条线接界。这个规律被称为相区接触法则。

2.在二元相图中，若是三相平衡，则三相区必为一水平线。第四章：二元相图4.1.4二元相图的一些几何规律

3.如果两个恒温转变中有两个相同的相，则这两条水平线之间一定是由这两个相组成的两相区。

4.当两相区与单相区的分界线与三相等温线相交．则分界线的延长线应进入另一两相区，而不会进人单相区。

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4．2．1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Cu-Ni;Au-Ag;Cu-Au(fcc);Cr-Mo;α-Fe-Cr;α-Fe-V(bcc)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）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。

(1)合金结晶过程

以30%Ni(70%Cu)合金为例在t2温度：液相平衡成分为L2点，α相平衡成分为α2点。

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。

(1)合金结晶过程以30%Ni(70%Cu)合金为例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2.固溶体平衡凝固(4)结晶特点（与纯金属相比）

①异分结晶结晶出的晶体成分不同于母体成分的结晶体。对Cu-Ni合金：先结晶部分富Ni，后结晶部分富Cu。液、固相线距离越大，所需成分起伏越大。第四章：二元相图2.固溶体合金平衡凝固。（4）固溶体结晶特点平衡分配系数：一定温度下,固--液两平衡相中溶质浓度之比。

若把液、固相线看成直线，则K0=常数当K0<1时,K0越小;

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2.固溶体合金平衡凝固。（4）固溶体结晶特点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’；……。第四章：二元相图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：

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。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：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）。

Ko＜1第四章：二元相图3．固溶体合金的非平衡结晶及组织。（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．固溶体合金凝固时溶质的质量分布

合金凝固时溶质要重新分布，这将产生宏观偏析和微观偏析并对晶体的生长形态产生影响。

图为匀晶合金的两种情况。设合金的浓度为Co，当合金冷却到温度To时，液相的浓度为CL,固相的浓度为CS,那么这两种浓度的比值Ko被称为平衡分配系数。Ko=CS/CLKo＜1第四章：二元相图4.2.1匀晶相图4．固溶体合金凝固时溶质的质量分布

图中（a)为Ko＜1的情况，（b)为Ko＞1的情况。为使问题简化我们粗略认为液、固相线为直线，这样Ko是常数。多数合金为Ko＜1情况。

Ko＜1Ko＞1第四章：二元相图4．2．1匀晶相图4．固溶体合金凝固时溶质的质量分布图中是一个水平放置的圆棒容器中的合金液体的定向凝固问题。合金Ko<1,凝固自左向右进行。第四章：二元相图4．固溶体合金凝固时溶质的质量分布

(1)平衡冷却时固相的溶质分布这种情况下，冷速极其缓慢，固体、液体中溶质原子都能充分扩散。这样凝固结束时，各部分成分都为Co，无偏析产生。实际凝固过程中，固相中扩散（扩散系数为1×10-8）几乎不能进行而液相中溶质可以通过扩散（扩散系数为5×10-5）、对流、搅拌，有不同程度的混合。这种凝固过程叫作正常凝固。一般的实际凝固过程均可视为正常凝固过程。第四章：二元相图4．固溶体合金凝固时溶质的质量分布

(2)液体中溶质完全混合。（假设固相无扩散）如凝固过程是缓慢的，液体通过扩散、对流、甚至搅拌充分混合。其定向凝固时液、固相成分见图4-8(b)。凝固结束后，棒中的溶质分布见图4-7中虚线图4-8(b)图4-7第四章：二元相图4．固溶体合金凝固时溶质的质量分布

(2)液体中溶质完全混合的情况设Co为合金的原始浓度，L为合金棒的长度，Ko为平衡分配系数，Z为固相的长度。则可以证明图4-7第四章：二元相图4.2.1匀晶相图(2)液体中溶质完全混合的情况

由下式及图4-7可知，Ko＜1时，如凝固从左到右进行则左端得到纯化，溶质富集于右端。Ko越小这种效应越明显。图4-7第四章：二元相图4．2．1匀晶相图(3)液体中仅通过扩散而混合（液相完全不混合）当凝固速度很快，无搅拌时，固体中无扩散而液体中仅靠扩散而混合。这种情况比较符合实际凝固情况。凝固过程见图4-8(a)。图4-7图4-8(a)第四章：二元相图4．固溶体合金凝固时溶质的质量分布

(3)液体中仅通过扩散而混合（液相完全不混合）成分C0的合金开始凝成的固体成分为K0C0。因为K0C0＜C0,所以有一部分溶质原子排到界面前液相中，在界面处的液相中形成溶质原子的堆积。以后界面推移过程中，因为固相是由浓度较高的液相凝固成的，所以固相浓度也逐渐增加。（固相表面溶质原子排到界面前液相的量↓，界面扩散出去的溶质原子数↑）第四章：二元相图4．固溶体合金凝固时溶质的质量分布

(3)液体中仅通过扩散而混合（液相完全不混合）

当界面液相浓度为C0/K0时，界面处固体浓度为C0（K0=CS/CL见图），这时，从固相中排到界面液相中的溶质原子数等于从界面扩散出去的溶质原子数，凝固达到稳定态。这以后，界面上及界面附近的条件不变，即凝固进入稳定状态。在稳定态Cs＝C0,CL＝C0/K0。在稳定阶段,固相的浓度始终为C0。第四章：二元相图4．固溶体合金凝固时溶质的质量分布(3)液体中仅通过扩散而混合（液相完全不混合）凝固后棒中的浓度分布见图4-7中点划线。直到凝固快要结束时由于所剩液体很少，堆集在界面的溶质已无地方扩散，于是液相中浓度迅速增高，凝固出的固相浓度也迅速增高图4-7图4-8(a)第四章：二元相图4．2．1匀晶相图4．固溶体合金凝固时溶质的质量分布

(3)液体中仅通过扩散而混合（液相完全不混合）在稳定态，液相的溶质成分分布可表示为。

式中，R是界面移动速度，D是溶质在液体中的扩散系数。第四章：二元相图4．固溶体合金凝固时溶质的质量分布

(4）液体中溶质部分混合的情况这种情况下凝固过程的溶质分布见图4-8(c），凝固后棒中的浓度分布见图4-7中实线。K0＞1时与上述三种情况类似，只不过溶质富集于始端，未端得到提纯。图4-8(c)第四章：二元相图4．固溶体合金凝固时溶质的质量分布

(5)区域熔炼合金定向凝固时,溶质要重新分布。对K0＜1的合金,溶质富集于末端,始端得到提纯,对K0＞1的合金,溶质富集于始端,未端得到提纯。区域提纯技术：区域提纯装置如图所示。将待提纯的金属棒放在一个长容器（如石墨盘）中，用一个可移动的电炉局部熔化该金属棒。当电炉从一端移动到另一端，金属棒得到一次提纯。如将这一过程重复多次则可以把金属棒的一端提炼得很纯。第四章：二元相图4.合金凝固时溶质的质量分布(5)区域熔炼

例如:对于K0＝0.1的材料。只需经五次区域熔炼，就可将前半段的杂质平均含量降低至原来的1/1000。

区域熔炼常被用来提炼超纯的硅、锗等半导体材料及高纯的金属材料、有机材料等。第四章：二元相图4．2．1匀晶相图5．成分过冷

凝固必须在有过冷的情况下才能发生。对纯金属，由于凝固过程中熔点始终不变，过冷度完全决定于实际温度分布，这样的过冷叫做热学过冷或简称热过冷。在液态合金的凝固过程中，即使溶液的实际温度分布一定，由于溶液中溶质分布的变化（4-8），改变了熔点，此时过冷是由成分变化和实际温度分布两个因素来决定的。这种过冷，称为成分过冷。第四章：二元相图4.2.1匀晶相图5.成分过冷如图,有一个K0＜1的合金，其相图为（a），液相的溶质分布如（c），分布曲线由4-8表示。利用相图可知液相的熔点为TL=TA－mCL（m为液相线的斜率）。图a图c第四章：二元相图4.2.1匀晶相图5.成分过冷液相中熔点的分布可通过将4-8式代人TL=TA－mCL中求出(4-9)

式中TA为纯熔剂的熔点。(4-9)式的曲线见图4-10(d)。图4-10(d)第四章：二元相图4.2.1匀晶相图5.成分过冷

将实际温度分布曲线(b)与液相熔点分布曲线(d)叠加在一起可以得到固一液界面前的成分过冷区[图(e)中阴影部分]。图b图d图e第四章：二元相图4.2.1匀晶相图5.成分过冷的条件:设液相中实际温度梯度为G，由4-9式，界面处液相熔点温度的梯度应为由图4-10(e)可知出现成分过冷的条件应为

或(4-10)(4-10)左边是外界条件，右边是合金本身的参数。

4-9第四章：二元相图4.2.1匀晶相图5.影响成分过冷的因素：（1）合金的液相线越陡(m)，合金含溶质浓度越大(C0)，液体的扩散系数越小(D)，K0＜1时，K0越小，K0＞1时K0越大则成分过冷倾向越大。

(2)液相中实际温度分布（G/）越平缓，凝固速度（R）越快，成分过冷倾向越大。第四章：二元相图4．2．1匀晶相图5．成分过冷（总结）

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。

第四章：二元相图4.2.1匀晶相图5.成分过冷（总结）

（2）产生成分过冷原因：

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6.固溶体合金凝固时的生长形态成分过冷是合金凝固的普遍现象,它对晶体的生长形态,铸锭的宏观组织和凝固方式都有影响。

纯物质在正温度梯度下,只能以平面方式生长。

在合金凝固过程中由于成分过冷，界面前沿存在一个从界面到液相内部过冷度增大的区域。因此，在正温度梯度下，根据成分过冷区大小不同，合金也可以生成胞状组织，胞状树枝晶、柱状树枝晶，在界面前液相中某些区域，成分过冷度大到形核所要求的过冷度时，在液相中甚至可生成等轴状树枝晶。第四章：二元相图4.2.1匀晶相图6.固溶体合金凝固时的生长形态有人通过实验总结出与固溶体生长形态之间的关系图（图4-11）。第四章：二元相图4.2.1匀晶相图6.固溶体合金凝固时的生长形态

典型的胞状组织见图4-12，树枝状组织见书P56图3-11。

研究晶体生长形态及其影响因素在生产中有实际意义。铸件及焊缝组织都常出现胞状晶和树枝晶。控制，可以控制其组织，改善铸件和焊缝的性能。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。第四章：二元相图4.2.2共晶相图③相图特征：④具有共晶转变的二元合金：Pb-Sn,Pb-Sb,Fe-C(C>2.11%)；Al-SiAl-Cu,Ag-Cu第四章：二元相图1.共晶相图分析以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：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。

第四章：二元相图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%的合金为例第四章：二元相图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

M点以左(α),N点以右（β）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βII最大量为: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（2）共晶合金结晶过程(61.9%Sn)室温组织为：（α+β）共晶体第四章：二元相图（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?第四章：二元相图（3）亚共晶合金结晶过程

含50%Sn的亚共晶合金转变后，组织由先共晶相α与共晶体（α+β）组成。第四章：二元相图（3）亚共晶合金及过共晶合金的结晶过程

以含50%Sn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。第四章：二元相图（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：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βII看不见。

室温组织：α+(α+β)+βII第四章：二元相图（3）亚共晶合金及过共晶合金的结晶过程

以含50%Sn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（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室温组织：β+(α+β)+αII第四章：二元相图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。共晶组织分类:按组成相长大时的固---液界面分为三大类。(1)金属---金属型（粗糙一粗糙界面）；(2)金属---非金属型（粗糙一光滑界面）；(3)非金属---非金属型（光滑一光滑界面）。

所有金属--金属共晶及许多金属--金属间化合物共晶为第一类共晶。它们的显微组织形态大多呈层片状、棒状或纤维状。形成层片状还是棒状共晶，在某些条件下会受生长速率、结晶前沿温度梯度的影响，但主要受界面能控制。第四章：二元相图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。形态有:层片状、棒状、球状、针状、螺旋状第四章：二元相图3.共晶组织的形态

共晶两相交替形核、长大机理近代研究表明，在大多数粗糙---粗糙界面共晶合金的过冷液体中，总是有一相首先形核，它被称为领先相。第二相往往以领先相为基底析出。

在共晶增殖期间，两个组成相不是独立地重新形核，而是通过所谓横向的“搭桥”使各片层连在一起。每一层片不是一个单独的晶粒，而是高度分叉的单个长大单元的一部分。第四章：二元相图3.共晶组织的形态

共晶形核、长大机理下图示意地表示了在共晶合金中层片相邻形核和增殖的情况。这种形核和增殖机构称为“搭桥机构”、X射线和电子衍射证明一个共晶团中相同相各片层基本上具有相同的位向。第四章：二元相图3.共晶组织的形态

共晶交替形核、长大。粗糙---粗糙界面共晶团的长大。

由于金属---金属型共晶的固---液界面是粗糙界面，所以其界面向前生长不取决于结晶的性质，而取决于热流的方向。

两相并排长大方向垂直于固---液界面。由于两相之间的片层间距很小，在长大过程中横向扩散是主要的。

层片状共晶前沿液相中原子扩散示意图

第四章：二元相图3.共晶组织的形态粗糙--粗糙界面共晶团的长大

界面生长取决于热流的方向，两相长大方向垂直于固---液界面。长大过程中主要是横向扩散。

α相前沿是富B组元的，β相前沿是富A组元的。长大过程中，B原子从α相前沿横向扩散到β相前沿，A原子从β相前沿横向扩散到α相前沿。

层片状共晶前沿液相中原子扩散示意图

第四章：二元相图3.共晶组织的形态粗糙--粗糙界面共晶团的长大

界面生长取决于热流的方向，两相长大方向垂直于固---液界面。长大过程中主要是横向扩散。

横向扩散，保证了同时结晶出两个不同成分的相，而液相仍维持原来的成分CE，结晶出来的两相的平均成分也是原来的共晶合金成分CE。

层片状共晶前沿液相中原子扩散示意图

第四章：二元相图3.共晶组织的形态粗糙--粗糙界面共晶团的长大

层片间距越小，组元的横向扩散越有利，但层片间距减小意味着层片数增多，使界面积增大，增加了界面能。

因此，在一定的条件下具有一定的层片间距。

共晶形成时，结晶前沿的过冷度越大，则凝固速度R越快。层片间距λ与R的关系为K为常数，对一般合金来说n=0.4~0.5。

过冷度越大，凝固速度越快，共晶的层片间距越小。减小层片间距，可以提高共晶合金强度。第四章：二元相图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。

由热力学考虑，合金液体过冷到平衡相图的两条液相线的延长线所包围的区域时，合金液体对于α相和β相都是过饱和的，这时，液相中可同时析出α相和β相形成伪共晶。第四章：二元相图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。

考夫莱证明，至少对于有机物来说可以存在四种伪共晶区。第四章：二元相图4．不平衡结晶及组织：

（1）伪共晶：

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-Cu

第四章：二元相图4．不平衡结晶(1)伪共晶

b.伪共晶区偏向一侧

熔点相差悬殊两组元，偏向高熔点一侧。

因为在这种情况下，共晶成分CE往往与低熔点相（A）更接近，而与B相差很大，当共晶合金过冷到共晶温度以下时，由于，液相成分CE与B相差很大，很难通过扩散达到形成B的要求，而CE与A却较接近，这样往往先形成初晶A。

这样共晶合金的组织却类似亚共晶组织。第四章：二元相图4．不平衡结晶(1)伪共晶

b.伪共晶区偏向一侧

熔点相差悬殊两组元，偏向高熔点一侧。

对于过共晶合金则因其液相浓度与A，B的差别较为接近，反而易形成完全是共晶的组织。第四章：二元相图4．不平衡结晶(1)伪共晶b.伪共晶区偏向一侧

金属-非（亚）金属，偏向金属一侧。

金属或其固溶体为粗糙界面以垂直方式长大，生长速度快，非金属或亚金属为光滑界面依靠缺陷生长，生长速度慢。要实现两相配合长大，合金成分必须含有更多的非金属组元，即伪共晶区偏向非金属一侧。

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5．不平衡共晶体

由图4-25可以看出，合金B在不平衡凝固时，由于固相线偏离平衡位置，不但冷到固相线上凝固不能结束，甚至冷到共晶温度以下，还有少量液相残留，最后这些液相转变为共晶体，形成所谓不平衡共晶组织。第四章：二元相图6.离异共晶合金成分偏离共晶成分很远时，如图合金Ⅱ，在不平衡凝固时其形成的共晶组织所占的体积分数很小，而先共晶相所占体积分数很大。

这时与先共晶相相同的组成相就会依附于先共晶相长大，把另一相弧立出来，结果形成了以先共晶相为基体，另一组成相连续地或断续地分布在先共晶相晶粒的边界上。这种两相分离的共晶组织叫离异共晶。第四章：二元相图6.离异共晶离异共晶：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4.2.3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：

④具有包晶转变的二元合金：Pt-Ag，Sn-Sb，Cu-Sn，Cu-ZnFe-C(C<0.53%)C10.51186ºCD42.4P66.34.4.1相图分析(以Pt-Ag相图为例)两组元液态无限互熔，固态部分互熔，有三相平衡包晶转变。Pt102030405060708090Ag18001600140012001000800600400t/ºCⅡⅠⅢαβB961.93ºCFE12t11234L+βL第四章：二元相图4.2.3包晶相图1.相图分析

以Pt-Ag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+L66.3β42.4

β“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。

包晶线与共晶线的区别：

共晶线为固相线，线上的合金在此温度全部凝固，其组织为两相混合物；而包晶线的PD段为固相线，DC段为非固相线。

成分位于PD线内的合金包晶转变后的组织为两相混合物；而成分位于DC段的合金包晶转变后还有液相存在，它将在继续冷却时凝固成单相β。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)D点以下:从β中析出αⅡ,可计算两相相对重量室温组织：β+αⅡLαββ+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室温组织为β+αⅡ。Lαβ第四章：二元相图2.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室温组织α+β+αⅡ+βⅡ。Lαβ第四章：二元相图4.2.3包晶相图3不平衡结晶及组织如图，包晶转变产物β相包在α相外面（这也是包晶转变名称的由来）,这样，两个反应相L，α的原子必须通过β相来传递以维持反应的进行。原子在固相中的扩散速度比在液相中慢得多，所以包晶转变速度往往很慢。形成不平衡结晶及组织第四章：二元相图4.2.3包晶相图3不平衡结晶及组织

如Pt--Ag合金中的合金Ⅰ、合金Ⅱ，平衡凝固组织中没有α相，在不平衡凝固时则在β相中心保留残余的α相；合金Ⅲ不平衡凝固组织中的α相也比平衡凝固组织中的多。实际生产中，由于冷速较快，包晶转变不能充分进行。第四章：二元相图4.2.3包晶相图3不平衡结晶及组织

在不平衡凝固条件下，一些原来不应发生包晶转变的合金。如Pt--Ag合金系中Ag＜10.5%的合金，由于枝晶偏析使得在包晶转变温度下仍有少量液相并与初生α相发生包晶转变，这样本应为全部α相的合金，组织中出现了少量β相。包晶转变产生的不平衡组织，可采用长时间的扩散退火来减少或消除。第四章：二元相图4.2.3包晶相图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4．3二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4.3.1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)+βA)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4．3．1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。γ(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4．3．1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4.3.1其它具有三相水平线的二元相图第四章：二元相图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。Mg-Si相图第四章：二元相图4.3.1其它类型的二元相图2.组元间形成化合物的相图

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4.3.1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:铁碳合金中:A→F(异晶转变)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.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4.3.2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4.3.2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4.3.2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。

第四章：二元相图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4.3.2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4.3.2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4.3.2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3.根据相图判断合金性能

(2)合金形成两相机械混合物(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。

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4．4铁碳相图和铁碳合金金属材料：a.黑色合金:钢、铸铁Fe和C为基本组元。b.有色合金: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）

第四章：二元相图4.4铁碳相图和铁碳合金1、纯铁

*纯铁在高温冷却时，发生两次同素异晶转变1538℃→1394℃，δ—Fe(bcc)；1394℃→912℃,γ—Fe(fcc);912℃以下，α—Fe(bcc)。

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”第四章：二元相图4．4铁碳相图和铁碳合金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。

σs=98~166MN/m2σb=176~274MN/m2

δ=30~50%Ψ=70~80%

HB=50~80αΑ=160~200J/cm2

第四章：二元相图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℃)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℃)

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4.4.1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4.4.2.Fe-Fe3C相图分析1、相图中各点、线、区及其意义。

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第四章：二元相图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：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1、Fe-Fe3C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L0.53%+δ0.09%γ0.17%

②共晶转变：含C=2.11~6.69%合金在1148℃发生共晶转变第四章：二元相图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：

③共析转变：含C=0.0218%～6.69%合金在727℃发生共析转变。珠光体用P表示第四章：二元相图4.4.2-1Fe-Fe3C相图中各点、线、区及其意义。另三条重要特征曲线①GS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。

第四章：二元相图4.4.2-1Fe-Fe3C相图中各点、线、区及其意义。

另三条重要特征曲线②ES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4.4.2-2.Fe-Fe3C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+Fe3CIII

②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+Fe3CII

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、工业纯铁熔点：1538℃，过渡族元素密度：7.87g/cm3原子量：55.85第四章：二元相图4.4.2-2．Fe-Fe3C相图中铁碳合金分类③铸铁（C=2.11~6.69%）a.共晶白口铁：C=4.3%室温平衡组织:Ldb.亚共晶白口铁：C=2.11～4.3%室温平衡组织:Ld+Fe3CII+Pc.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4.4.2.Fe-Fe3C相图分析3.7种典型合金的平衡结晶及组织。

第四章：二元相图4.4.2.Fe-Fe3C相图分析3．7种典型合金的平衡结晶及组织。

（1）工业纯铁①以C=0.01%合金为例从液态到室温，与相图交7点室温组织：F+Fe3CIII第四章：二元相图4.4.2-3．典型Fe-Fe3C合金的平衡结晶及组织。

（1）工业纯铁①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4.4.2-3.典型Fe-Fe3C合金的平衡结晶及组织。（2）共析钢（C=0.77%）②

从液态到室温，与相图交3点室温平衡组织：珠光体P

第四章：二元相图4.4.2-3.典型Fe-Fe3C合金的平衡结晶及组织。（2）共析钢（C=0.77%）②

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4.4.2-3.典型Fe-Fe3C合金的平衡结晶及组织。（2）共析钢（C=0.77%）②

室温平衡组织：珠光体P

第四章：二元相图4.4.2-3.典型Fe-Fe3C合金的平衡结晶及组织。（3）亚共析钢(C=0.0218—0.77%)

③室温平衡组织：F+P

20号钢(C=0.2%)第四章：二元相图4.4.2-3.典型Fe-Fe3C合金的平衡结晶及组织。（3）亚共析钢(C=0.0218—0.77%)

③室温平衡组织：F+P

第四章：二元相图4.4.2-3.典型Fe-Fe3C合金的平衡结晶及组织。（3）亚共析钢(C=0.0218—0.77%)

③室温平衡组织：F+P

计算室温下两个平衡相的相对量：60号钢(C=0.6%)第四章：二元相图4.4.2-3.典型Fe-Fe3C合金的平衡结晶及组织。（3）亚共析钢(C=0.0218—0.77%)

③室温平衡组织：F+P

以C=0.4%C为例：计算室温平衡组织相对量：解：

C%=26%×0.77%=0.2%为号20钢第四章：二元相图4.4.2-3．典型合金的平衡结晶及组织。

(3)亚共析钢(C=0.0218—0.77%)③平衡组织:F+P

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。

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。

20号钢(C=0.2%)第四章：二元相图（4）过共析钢(C=0.77—2.11%)④室温平衡组织：P+Fe3CII以含C=1.2%钢为例。第四章：二元相图4.4.2-3．典型合金的平衡结晶及组织。

（4）过共析钢(C=0.77—2.11%)④

室温平衡组织：P+Fe3CII以含C=1.2%钢为例。第四章：二元相图4.4.2-3．典型合金的平衡结晶及组织。

（4）过共析钢(C=0.77—2.11%)④

室温平衡组织：P+Fe3CII以含C=1.2%钢为例。第四章：二元相图4.4.2-3．典型合金的平衡结晶及组织。

(4)过共析钢(C=0.77—2.11%)④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4.4.2-3．典型合金的平衡结晶及组织。

(4)过共析钢④平衡组织:P+Fe3CII

经金相观察，可根据P和P+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%第四章：二元相图4.4.2-3．典型合金的平衡结晶及组织。(4)过共析钢④平衡组织:P+Fe3CII

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：钢中含碳量：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4.4.2-3．典型合金的平衡结晶及组织。

（5）共晶白口铸铁（C=4.3%）⑤

1点(1148℃)：共晶反应：L4.3%C→(A2.11%C+Fe3C)→Ld

第四章：二元相图4.4.2-3．典型合金的平衡结晶及组织。

（5）共晶白口铸铁（C=4.3%）⑤1点共晶反应：

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)

第四章：二元相图4.4.2-3典型合金的平衡结晶及组织（5）共晶白口铸铁（C=4.3%）⑤

冷至727℃，莱氏体（Ld）中的A成分变为0.77%C→发生共析转变。

在727℃：A→P第四章：二元相图（5）共晶白口铸铁（C=4.3%）⑤

第四章：二元相图4.4.2-3典型合金的平衡结晶及组织。（5）共晶白口铸铁（C=4.3%）⑤

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、硬共晶白口铸铁组织Ldˊ第四章：二元相图4.4.2-3典型合金的平衡结晶及组织（6）亚共晶白口铁(2.11-4.3%C)⑥

以C=3.0%合金为例：

室温平衡组织：Ld’+P+Fe3CII第四章：二元相图（6）亚共晶白口铁(2.11-4.3%C)

⑥

室温平衡组织：Ld’+P+Fe3CII第四章：二元相图4.4.2-3．典型合金的平衡结晶及组织(6)亚共晶白口铁(2.11-4.3%C)⑥平衡组织：Ld’+P+Fe3CII在1148℃组织相对重量计算：以C=3.0%合金为例第四章：二元相图4.4.2-3．典型合金的平衡结晶及组织

(6)亚共晶白口铁(2.11-4.3%C)

⑥以C=3.0%合金为例：平衡组织：Ld’+P+Fe3CII室温下：QFe3CII=22.6%×59.45=13.4%QP=59.4%-13.4%=46%∴室温组织相对量：QLd’=40.6%QP=46%QFe3CII=13.4%第四章：二元相图4.4.2-3．典型合金的平衡结晶及组织（6）亚共晶白口铁(2.11-4.3%C)⑥以C=3.0%合金为例：室温平衡组织：Ld’+P+Fe3CII

第四章：二元相图4.4.2-3．典型合金的平衡结晶及组织。

（7）过共晶白口铸铁⑦以C=5%合金为例室温平衡组织：Ld’+Fe3CI

Fe3CI最大含量100%→C=6.69%的合金第四章：二元相图(7)过共晶白口铸铁⑦室温平衡组织:Ld’+Fe3CI第四章：二元相图4.4.2-3．典型合金的平衡结晶及组织（7）过共晶白口铸铁⑦以C=5%合金为例室温平衡组织：Ld’+Fe3CI

Fe3CI最大含量100%→C=6.69%的合金过共晶白口铸铁的室温显微组织：白色条片是一次渗碳体，其余为莱氏体第四章：二元相图4.4.2-3．典型Fe-Fe3C合金的平衡结晶及组织第四章：二元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4.4.2．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）含碳量对力学性能的影响第四章：二元相图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，韧塑性好渗碳体：硬度高，强度低，塑性极低δ=0珠光体：强度、硬度高，韧塑性介于F和Fe3C之间退火：随炉缓冷，室温组织接近平衡组织。

第四章：二元相图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

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Ld’,极脆，很少用。

常将Fe3C处理分解成石墨→灰口铸铁第四章：二元相图4．4．3杂质元素对钢性能的影响

钢中除Fe、C外，还不可避免存在杂质元素，Mn、Si、S、P、N、H、O……。

杂质元素：不是有意加入，在冶炼时残余在钢中的元素。

1．Si的影响

冶炼时，用硅铁脱氧残留Si<0.5%。

有益作用：强化铁素体当含量高时，使δ↓,aK↓。第四章：二元相图4．4．3杂质元素对钢性能的影响

杂质元素：不是有意加入，在冶炼时残余在钢中的元素。

2．锰的影响

冶炼时，用锰铁脱氧，残留于钢中，Mn=0.25~0.8%。Mn-----有益元素①强化F固溶强化,使σb↑②细化P片,增加P量,细晶强化、第二相强化,σb↑

③与S结合MnS，取代FeS,减轻S的有害作用→降低“热脆性”第四章：二元相图4．4铁碳相图和铁碳合金4．4．3杂质元素对钢性能的影响

3．硫的影响

有害元素：矿石中带来