教学材料《材料》-项目三

3.1二元合金相图合金的结晶过程及所得的组织比纯金属复杂得多。合金中组元种类及数量的变化，将引起合金组织与性能的变化。为了掌握合金组织与性能之间的关系，必须了解合金的结晶过程，了解合金中各组织的形成及变化规律。相图是研究这些问题的一种工具，它是描述合金结晶过程的状态、温度及成分之间关系的一种图解，又称为状态图。利用相图可以知道不同成分的材料在不同温度下存在哪些相、各相的相对量、成分及温度变化时所可能发生的变化。相图在生产中，可以作为制定金属材料熔炼、铸造、锻造和热处理等工艺规程的重要依据。下一页返回3.1二元合金相图二元合金的合金状态与温度、成分间的关系可用二元合金相图表示。测定二元合金相图最常用的方法是热分析法。下面介绍用热分析法测定Cu-Ni二元合金相图的方法。(1)配制图3-1所列的不同成分的Cu-Ni合金。(2)用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线[图3-1(a)]。(3)找出合金冷却曲线上的临界点。(4)把各临界点画在温度一成分图上，连成光滑曲线，填上相区，即为二元合金相图[图3一1(b)]。由图3-1(a)可见，wcux100%和、wNix100%的纯金属发生恒温结晶，冷却曲线上出现平台。而其他的合金冷却曲线没有出现水平线，这是因为这些合金的固相是固溶体，它在一个温度范围内结晶。上一页下一页返回3.1二元合金相图3.1.1匀晶相图的建立两组元不但在液态无限互溶，而且在固态也无限互溶的二元合金所组成的相图称为匀晶相图。具有这类相图的二元合金主要有:Cu-Ni,Ag-Au,Fe-Ni,Fe-C:等。

图3-2(a)为工业用Cu一Ni合金相图。图中A点为纯铜的熔点，B点为纯镍的熔点。A1B为液相线，液相线以上为液相区，用L表示;A3B为固相线，固相线以下为固相区，用α表示;液相线与固相线之间为两相区，用L+α表示。2.合金结晶过程分析上一页下一页返回3.1二元合金相图图3-2(b)示意图说明wNi=40%的铜镍合金的结晶过程。当合金从高温缓慢冷却到与液相线相交的T1，温度时，开始从液相结晶出成分为1’’的固溶体。温度继续降低到T2:温度时，由于在结晶过程中缓慢冷却原子扩散的结果，使结晶出的固相成分为2’’的均匀固溶体。随着温度的降低，结晶不断进行，液相的成分沿着液相线变化，固相的成分沿着固相线变化。在温度T3结晶结束，得到与原合金成分相同的固溶体。温度继续降低到室温，组织与成分不会再发生变化。3.枝晶偏析在实际生产条件下，合金的冷却速度一般比较快，扩散过程远远赶不上结晶过程，合金成分来不及均匀化。上一页下一页返回3.1二元合金相图因此，先结晶的晶体总是含有较多的高熔点组元，后结晶的晶体含有较多的低熔点组元。这种晶体中化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析。如图3-3所示的是Cu-Ni合金铸件的枝晶偏析。枝晶偏析是一种不平衡组织，可以把这种组织加热到高温并保持相当长时间，可使成分均匀，消除枝晶偏析，这种方法称为扩散退火。4.杠杆定律在二元合金相图的两相区内，利用杠杆定律可以确定某一成分的合金在一定温度时两平衡相的成分和相对量。如图3-4(a)所示，wb成分的合金在T1温度时L+α亮相平衡共存，过b点作水平线分别与液相线和固相线交于a点和c点，上一页下一页返回3.1二元合金相图a点和c点对应的成分点wc

和wa分别代表该合金在T1温度时液相L和固相α

的成分。根据杠杆定律，液相所占百分比为:固相所占百分比为:由图3-4(b)可以看出，如果把abc看做一根杠杆QL和Q

α与它们的杠杆臂成反比。此关系符合力学中的杠杆定律，故也称为杠杆定律。上一页下一页返回3.1二元合金相图3.1.2共晶相图的建立两组元在液态无限互溶，在固态相互有限溶解或不溶解且发生共晶转变的相图，称为共晶相图。所谓共晶转变是指一定成分的液态合金，在一定的温度下，同时结晶出两种成分一定的固相的转变。所生成的两相机械混合物称为共晶体。如Pb-Sn,Pb-Sb,Al-Si,Ag-Cu等都属于共晶相图。1.相图分析图3-5是Pb-Sn合金相图，在图中，AEB为液相线，AMENB为固相线。MF为Sn溶于Pb的溶解度线,NG为Pb溶于Sn的溶解度线，这两条线又称固溶线。合金系中有L,α,

β三个相，上一页下一页返回3.1二元合金相图α相是Sn溶于Pb中的固溶体，β相是Pb溶于Sn中的固溶体。LIEN为L,α,

β三相共存线。2.合金结晶过程分析(1)I成分合金(wsn<19%。合金结晶过程示意图如图3-6所示。合金由液态缓慢冷却到1点时，液相中开始析出α固溶体。随着温度的降低，α相的数量不断增加，液相不断减少;相的成分沿着AM线变化，液相成分沿着AE线变化。冷却到2点时，合金全部结晶成。固溶体。温度继续降低，在2-3点，合金组织不发生变化，为α单相固溶体。当冷却到点3温度以下时，由于Sn在Pb中的溶解度随温度的降低而逐渐减小，因此将从

α固溶体中析出富Sn的β固溶体。上一页下一页返回3.1二元合金相图通常将这种由初生α

相中析出的β相称为次生相，用βⅡ表示。(2)成分合金(wsn=61.9%)。该成分合金为共晶合金。从液态缓慢冷却到温度TE(183℃)时发生共晶反应:因为同时析出α

和β两种晶体即为共晶反应。合金的结晶过程示意图如图3-7所示。温度在E点以上时，合金为单相液体;温度继续降低到TE

时，发生共晶反应，结晶出共晶体（α

M+βN）;共晶温度以下，随着温度的降低，将分别从α和β

相中析出αⅡ和βⅡ

，它们与共晶体混合在一起，上一页下一页返回3.1二元合金相图在显微镜中分辨不出来，通常看成没有组织变化。图3-8为Pb-Sn共晶合金的显微组织，黑色的为

α相，白色的为β相。(3)III成分合金(wsn=19%-61.9%)。该成分段的合金称为亚共晶合金。Pb-Sn亚共晶合金平衡结晶过程如图3-9所示。当合金缓冷到1点时，开始从液体中析出α相，随着温度的降低，α相的数量逐渐增加，液相逐渐减少，液相成分沿着AE线变化;当温度降到2点时，α相和液相分别到达M和E点成分，于是剩余液相发生共晶反应，形成共晶体（α

M+βN）

。在2点以下冷却过程中，将从α相中析出βⅡ相。图3-10为Pb-Sn亚共晶合金的显微组织，黑色枝晶为初生α晶体，上一页下一页返回3.1二元合金相图黑灰相间的为（α+β）共晶体，α

枝晶内的白色颗粒为βⅡ相。(4)IV成分合金（wsn=61.9%-97.5%）。该成分段的合金称为过共晶合金。过共晶合金的结晶过程与亚共晶类似，所不同的仅是初生相为β固溶体，从TE温度继续冷却时，将

从β相中析出αⅡ相。图3-11为Pb-Sn过共晶合金的显微组织，灰色的为刀固溶体，黑白相间的为（α+β）共晶体，β晶体内的黑色小点为αⅡ相。3.密度偏析(比重偏析)在合金结晶过程中，如果结晶的晶体密度与其余的液体密度相差较大，则这些晶体会上浮或下沉，使最后凝固的合金出现上、下部分成分不同，这种现象称为密度偏析，也称比重偏析。上一页下一页返回3.1二元合金相图密度偏析不能用热处理来消除或减轻，只能控制成分或凝固时采取措施，如增加结晶冷却速度或搅拌等。上一页返回3.2铁碳二元合金相图钢铁是工业上应用最广泛、最重要的金属材料，其基本组元是铁和碳，故统称为铁碳合金。铁碳合金相图是研究铁碳合金在平衡条件下的成分一温度一组织性能之间关系和变化规律的重要工具，对于钢铁材料的研究、合金的选用、正确制定各种热加工工艺等都有重要的指导意义。下一页返回3.2铁碳二元合金相图3.2.1铁碳合金的基本相1.纯铁及其同素异构转变金属在固态下随着温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的变化称为同素异构转变。如Fe,Co,Ti,Mn,Sn等都具有同素异构转变。由同素异构转变所得的不同晶格的晶体称为同素异构体。

图3-12为纯铁的冷却曲线及晶体结构变化示意图。纯铁在结晶后继续冷却至室温的过程中，先后发生两次晶格转变，转变过程可表示如下:上一页下一页返回3.2铁碳二元合金相图另外，770℃为纯铁的磁性转变点(又称居里点)。在770℃以下纯铁具有铁磁性，在770℃以上则失去铁磁性。因为纯铁具有同素异构转变现象，所以生产上可对钢和铸铁进行相变热处理，达到改变钢铁的内部组织来提高性能的目的。2.铁碳合金中的相及其性能上一页下一页返回3.2铁碳二元合金相图铁碳合金是钢和铸铁的统称，是工业上应用最广泛的金属材料。铁碳合金中的相结构有以下几种。(1)铁素体(F).碳溶于α-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，用符号F或

α表示。由于

α-Fe是体心立方晶格，其晶格间隙的直径很小，所以碳在α

-Fe中的溶解度很低，在727℃时溶解度最大，为0.0218%，在室温时几乎为零(0.0008%)。铁素体的力学性能几乎与纯铁相同，强度和硬度很低，但具有良好的塑性和韧性;各力学性能指标大约为σb=180~280MPa,δ=30%~50%,αk=160~200J/cm2，硬度为50~80HBS.上一页下一页返回3.2铁碳二元合金相图(2)奥氏体(A)。碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，以符号A表示。由于γ-Fe是面心立方晶格，其晶格间隙直径要比α-Fe大，所以其溶碳的能力较铁素体大。在1148℃时，碳在

γ-Fe中的溶解度最大，可达2.11%,随着温度的降低，碳的溶解度也逐渐下降，在727℃时的溶碳量为0.77%。

奥氏体的力学性能与溶碳量及晶粒大小有关，一般奥氏体的硬度为170~

220HBS,δ=40%-50%，所以奥氏体的硬度不高，易于塑性成形。

(3)渗碳体。渗碳体是一种具有复杂晶体结构的间隙化合物，它的分子式为Fe3C。渗碳体的含碳量为6.69%，熔点为上一页下一页返回3.2铁碳二元合金相图1227℃，不发生同素异构转变。渗碳体的硬度很高(950-1050HV)，而塑性和韧性几乎为零，是一个硬而脆的相。渗碳体中碳原子可被氮等小尺寸原子置换，而铁原子则可被其他金属原子(如Cr,Mn等)置换。这种以渗碳体为溶剂的固溶体称为合金渗碳体，如(Fe,Mn)3C，(Fe，Cr)3C等。渗碳体是铁碳合金中主要的强化相，它的形状、大小与分布对钢的性能有很大影响。上一页下一页返回3.2铁碳二元合金相图3.2.2铁碳二元合金相图铁和碳可以形成Fe3C,Fe2C,FeC等一系列稳定的化合物，而稳定的化合物可以作为一个独立的组元，因此整个铁碳合金相图可视为由Fe-Fe3C,Fe3C-Fe2C,Fe2C-FeC等一系列二元相图组成。生产实践中证明，含碳量超过5%的铁碳合金很脆，无实用价值，所以通常所讲的铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，即含碳量wc<6.69%的部分，如图3-13所示。上一页下一页返回3.2铁碳二元合金相图3.2.3铁碳二元合金相图的分析1.相图(图3-13)中主要的特性点及其意义(表3-1)2.相图中主要的特性线及其意义液相线(ABCD):是结晶时液相的成分变化线，该线以上全部为液相。固相线(AHJECF):是结晶时固相的成分变化线，该线以下全部为固相。

HJB线(包晶转变线):由一定成分的液相和一定成分的固相生成另一个一定成分新固相的反应称为包晶转变。相图中，含碳量在0.09%-0.53%的合金从液态凝固时均要发生包晶转变

，形成单相奥氏体。上一页下一页返回3.2铁碳二元合金相图

ECF线(共晶转变线):由一定成分的液相在恒温下同时转变成两个一定成分的固相的转变称为共晶转变。相图中，含碳量在2.11%-6.69%的合金从液态凝固时均要发生共晶转变

，形成奥氏体和渗碳体所组成的共晶体A+Fe3C，这是一种组织较致密的机械混合物，称为高温莱氏体，用符号Ld表示。

PSK线(共析转变线):在恒温下由一个固定成分的固相同时生成两个固定成分的新固相的转变称为共析转变。相图中，含碳量在0.0218%-6.69%的合金凝固时温度降到727℃均要发生共析转变，同时析出铁素体和渗碳体，这两种产物的机械混合物称为上一页下一页返回3.2铁碳二元合金相图珠光体，用字符P表示。727℃时，高温莱氏体中的奥氏体发生共析转变形成珠光体，珠光体和渗碳体的机械混合物称为低温莱氏体，用Ld’表示。

ES:碳在奥氏体中的溶解度随温度的变化线。随着温度从E点(1148℃)下降到S点(727℃，奥氏体含碳量从2.11%减少到0.77%，在这个过程中，奥氏体中过剩的碳以渗碳体形式析出。通常把从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体，用Fe3CII表示，从液态中直接析出的渗碳体称为一次渗碳体，用Fe3CI表示。PQ:碳在铁素体中的溶解度随温度的变化线。从727℃冷却到室温的过程中，碳在铁素体中的溶解度由0.0218%减少到上一页下一页返回3.2铁碳二元合金相图0.0008，铁素体中过剩的碳将以渗碳体形式析出，称为三次渗碳体，用Fe3CIII表示。3.典型合金的平衡结晶过程及组织根据含碳量和组织的不同，通常把铁碳合金分为三类:工业纯铁(

wc<0.0218%),碳钢(wc=0.0218%~2.11%)和白口铸铁(wc=2.11%~6.69%。根据室温组织不同，碳钢又可以分为共析钢(wc=0.77%)、亚共析钢(wc=0.0218%~0.77%)和过共析钢(wc=0.77%~2.11%)三种;白口铸铁又可以分为共晶白口铁(wc=4.3%)、亚共晶白口铁(wc=2.11%~4.3%)和过共晶白口铁(wc=4.3%~6.69%)。工业上常用的铸铁是上一页下一页返回3.2铁碳二元合金相图亚共晶白口铸铁，而共晶和过共晶白口铸铁很少使用，一般仅作为炼钢原料。铁碳相图中左上角(δ-Fe)转变部分由于实用意义不大，为便于研究和分析，可以省略简化，如图3-14所示。现用简化铁碳相图来分析上述几种典型铁碳合金结晶过程和在室温下的平衡组织。(1)共析钢。共析钢的冷却曲线和平衡相变过程如图3-15所示。温度在1点以上时，合金为液相状态。温度降低到1点时，液态合金中开始结晶出奥氏体;随着温度的下降，奥氏体数量不断增加;到2点时，结晶结束，合金为单相奥氏体组织。温度在2~3点，合金组织不发生变化。当温度降至3点时，上一页下一页返回3.2铁碳二元合金相图合金发生共析转变，形成片层状的铁素体与渗碳体组成的机械混合物—珠光体。在3~4点，组织不变，全部为珠光体。图3-16是共析钢显微组织，白色为铁素体基体，黑色线条为渗碳体。珠光体具有较好的综合力学性能:硬度为180HBS,σb=750MPa，δ=20%~25%。珠光体中铁素体和渗碳体两相的相对量可用杠杆定律计算:上一页下一页返回3.2铁碳二元合金相图(2)亚共析钢。亚共析钢的冷却曲线和平衡相变过程如图3-17所示。从图中可知，亚共析钢从1点冷却到3点的过程与共析钢相似，为奥氏体的结晶形成和冷却。当温度降至3点时，奥氏体中开始析出铁素体，随着温度的下降，奥氏体的相对量逐渐减少，铁素体的相对量逐渐增加，奥氏体的成分沿GS线变化，铁素体的成分沿GP线变化。当温度降至4点时，剩余奥氏体的成分为S点(wc=0.77%，发生共析转变，形成珠光体组织。从4点冷却到室温，将从铁素体中析出三次渗碳体，但因数量很少，通常忽略不计。因而，亚共析钢缓冷至室温的平衡组织为F+P，组织组成物的相对量可用杠杆定律求出，假设合金的成分wc

=0.20%，则:上一页下一页返回3.2铁碳二元合金相图图3-18为亚共析钢的显微组织，其中白色基体为铁素体，黑色部分为珠光体。

(3)过共析钢。过共析钢的冷却曲线和平衡相变过程如图3-19所示。过共析钢从1点冷却到3点的过程与共析钢和亚共析钢相似，为奥氏体的结晶形成和冷却。当温度降至3点时，奥氏体中开始析出Fe3CII，随着温度下降，Fe3CII含量不断增加，而且沿奥氏体晶界呈网状分布，剩余奥氏体的成分沿ES线变化。上一页下一页返回3.2铁碳二元合金相图当温度降至4点时，剩余奥氏体的成分为S点(wc=0.77%)，发生共析转变，形成珠光体组织。从4点冷却到室温，合金的组织基本不变。因而，过共析钢缓冷至室温的平衡组织为P+Fe3CII。图3-20为过共析钢(wc=1.3%)的显微组织，基体为层片状珠光体组织，白色网状条纹为二次渗碳体，其相对量可用杠杆定律计算上一页下一页返回3.2铁碳二元合金相图为了保证碳钢有足够强度和韧性，过共析钢含碳量一般控制

在wc=1.3%-1.4%。(4)共晶白口铸铁。共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡相变过程如图3-21所示。在1点之上合金为液相状态，温度降到1点时，发生共晶反应，形成奥氏体和渗碳体的机械混合物—高温莱氏体。在1~2点缓冷时，奥氏体的成分沿ES线变化，将不断析出Fe3CII，由于Fe3CII依附于共晶渗碳体上，在显微照片上很难分辨。温度继续降低到2点，Ld中奥氏体成分达到共析点S，奥氏体便发生共析转变形成珠光体。温度继续降低，共晶组织不再变化，因此，共晶白口铸铁的室温组织是渗碳体和珠光体组成的机械混合物(P+Fe3C+Fe3CII)，称为低温莱氏体(Ld’)。上一页下一页返回3.2铁碳二元合金相图图3-22为共晶白口铸铁室温时的显微组织，其中白色基体为共晶渗碳体Fe3C，二次渗碳体Fe3CII一般依附在共晶渗碳体上而且数量较少，难以分辨，黑色点条状为珠光体组织。(5)亚共晶白口铸铁。亚共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡相变过程如图3-23所示。1点以上为液相，温度降到1点，液相中开始析出奥氏体，随着温度的降低，奥氏体数量逐渐增多，液相的成分沿AC线变化。当温度降到2点时，液相成分为C点，发生共晶反应，形成Ld。温度从2点降到3点，将从奥氏体中析出Fe3CII，奥氏体成分沿ES线变化，当温度降到3点时，奥氏体达到共析成分点S，奥氏体发生共析转变，形成珠光体，高温莱氏体Ld转变成低温莱氏体Ld’。3点之下，合金组织不再变化。因此，亚共晶白口铸铁室温组织为P+Fe3C+Ld’。上一页下一页返回3.2铁碳二元合金相图图3-24为亚共晶白口铸铁的显微组织，其中黑色枝状晶体为珠光体，基体中黑白相间的为低温莱氏体。(6)过共晶白口铸铁。过共晶白口铸铁组织变化过程和亚共析钢过程相似，所不同的是从液相中首先析出的是Fe3C。室温组织是Fe3C+Ld’的混合物。图3-25为过共晶白口铸铁的显微组织，其中白色板条状的是Fe3C，其余黑白相间的组织为Ld‘。上一页返回图3-1图3-1Cu-Ni合金相图的建立(a)Cn-Vi合金的冷却曲线;(b)C