黄科院金属材料及热处理教案项目3 二元合金相图的建立

PAGE13-项目三二元合金相图的建立【内容简介】主要介绍二元匀晶相图、共晶相图的建立和结晶过程中组织变化，重点分析了铁碳二元合金相图及典型铁碳合金的结晶过程和组织的变化。【学习目标】(1)理解二元相图的建立过程；(2)能够根据匀晶相图、共晶相图分析合金结晶过程中的相和组织变化；(3)熟记Fe-Fe3C相图基本组织的结构与性能特点；(4)理解并熟记Fe-Fe3C相图及典型铁碳合金的结晶过程和组织变化；(5)掌握铁碳合金基本相和组织；(6)掌握杠杆定律计算合金的组织组成物和相组成的相对量的方法。§3.1二元合金相图合金的结晶过程较为复杂，通常运用合金相图来分析合金的结晶过程。相图是描述系统的状态、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；图中的每一点表示一定成分的合金在一定温度时的稳定相状态。测定二元相图最常用的方法是热分析法。①

配制一系列不同成分的Cu—Ni合金：取几个点：100%Cu、20%Ni+80%Cu、40%Ni+60%Cu、60%Ni+40%Cu、80%Ni+20%Cu、100%Ni②

用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线（温度-时间）。③

找出合金冷却曲线上的临界点。④

把各临界点画在温度—成分图上，连成光滑曲线，填上相区，即为二元合金相图。连接各相同意义的点，所得的线称为相界线。图3-1Cu-Ni合金相图的建立一、均晶相图的建立(L—α固溶体)均晶相图—两组元在液态和固态下以任何比例均可相互溶解，即在固态下能形成无限固溶体时，其相图属于均晶相图。如：Cu-Ni、Fe-Cr、Cu-Au等。1.相图分析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。(a)Cu-Ni合金相图(b)冷却时的结晶图3-2Cu-Ni合金相图及冷却时的结晶2.合金结晶过程分析平衡结晶是指合金在极缓慢的冷却条件下进行的结晶过程。和纯金属不同，合金是在一定温度范围内结晶的，随着温度降低，固相的量不断增多，液相的量不断减少。同时，液相的成分沿液相线变化、固相的成分沿固相线变化。3.枝晶偏析实际生产条件下，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，先结晶的树枝晶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。在一个晶粒内化学成分的分布不均称为枝晶偏析。可通过扩散退火消除。图3-3Cu-Ni合金铸件的枝晶偏析4.杠杆定律用来计算二元相图中两相平衡状态下平衡相的相对质量。杠杆的支点是两个相的平均质量分数(合金的成分点)，端点分别是两个相的成分点。图3-4杠杆定律的应用图例二、共晶相图的建立(L—A+B)共晶相图—凡是二元合金系中两组元在液态能完全互溶，而在固态有限溶解或不溶解，并发生共晶转变的相图。Ⅳ共晶转变—一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫做共晶转变。所生成的两相机械混合物叫共晶体。Ⅳ1、相图分析tAE—固相线L析出αtBE—固相线L析出βMF—Sn在α相中的溶解度线NG—Pb在β相中的溶解度线MEN—三相共存线图3-5Pb-Sn合金相图2.合金结晶过程分析合金Ⅰ（M点以左的合金）室温组织应为：α固溶体+βⅡ固溶体。室温时的α与βⅡ的相对量：1以上1~22~33以下图3-6WSn<19%Sn-Pb合金的平衡结晶过程示意图合金Ⅱ(E点的合金)称为共晶合金室温组织应为：α相与β相的机械化合物(共晶相)。αM与βN的相对量，可用杠杆定律计算如下：%1001MNWWENMNME%100×NW%,100×MMNW或图3-7WSn=61.9%Sn-Pb共晶合金组织合金Ⅲ（M，E点间的合金）亚共晶合金其显微组织为：初晶α+次生βⅡ+（α+β）共晶合金成分愈接近共晶成分，组织中共晶体(α+β)量越多，而初晶α量愈少。Pb-Sn亚共晶合金的显微组织合金IV（E，N点间的合金）过共晶合金其显微组织为：初晶β+次生αⅡ+(α+β)共晶合金成分愈接近共晶成分，组织中共晶体(α+β)量越多，而初晶β量愈少。过共晶合金结晶示意图Pb-Sn过共晶合金的显微组织3.密度偏析概念：亚共晶或过共晶合金结晶时，初晶的密度与剩余液相的密度相差很大，则初晶将上浮或下沉,使最后凝固的合金出现上、下部成分不同，这种现象称为密度偏析。影响：降低合金的使用与加工性能。处理方法：热处理不能消除或减轻密度偏析，只能控制成分或在凝固时采取措施。如：增加冷却速度、搅拌液体金属或加入某种物质形成骨架，以阻止初晶相上浮或下沉。§3.2铁碳二元合金相图一、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过程称为同素异构转变。所得的不同晶格的晶体称为同素异构体。如：Fe、Co、Ti、Mn等金属。1538℃1394℃912℃L→δ－Fe→γ－Fe→α－Fe体心立方面心立方体心立方——纯铁在冷却中经历两次同素异构转变同素异构转变是重结晶过程，遵循结晶的一般规律：有一定的转变温度；形核+长大；需要△T；有结晶潜热。纯铁(工业纯铁)的性能：强度低硬度低塑性好铁磁性很少作结构材料。2.铁碳合金中的相及其性能铁素体(α或F)—钢中基体相定义:C在体心立方α-Fe中的间隙固溶体称为铁素体；但C在α-Fe中的溶解度极小:0.0008%(20℃)~0.0218%(727℃)性能:强硬度低(50HBS~80HBS)，塑韧性好(ψ：70%~80%；αk=160J)770℃以下具有铁磁性，770℃以上则失去铁磁性。奥氏体(γ或A)定义：C在面心立方γ－Fe中的间隙固溶体称为奥氏体。溶碳量较大：0.77%(727℃)~2.11%(1148℃)性能:强硬度较低；塑性较好,变形抗力较低,易于锻压成形;非铁磁性相。渗碳体(Fe3C)定义：Fe与C形成的金属化合物，含碳量6.69%，性能：硬度高：800HB，无塑性：δ=0;ψ=0;αk=0弱的铁磁性(<230℃)——硬脆组织，强化相。渗碳体具有复杂的晶格，是铁碳合金的重要强化相；在铁碳合金中的形态可呈片状、粒状、网状、板条状。形态与分布对钢的性能有很大的影响。渗碳体是一种亚稳定化合物，在一定条件下会全部或部分地分解为铁和石墨(石墨化)。二、铁碳二元合金相图1.相图中的点符号温度/℃wc×100含义A15380纯铁的熔点B14950.53包晶转变时液态合金的成分C11484.30共晶点D12276.69Fe3C的熔点E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69Fe3C的成分G9120α-Fe→γ-Fe同素异构转变点H14950.09碳在δ-Fe中的最大溶解度J14950.17包晶点K7276.69Fe3C的成分N13940γ-Fe→δ-Fe同素异构转变点P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点Q600（室温）0.0057(0.0008)600℃（或室温）时碳在α-Fe中的溶解度2.相图中的线液相线(ABCD):其上体系为液相，(结晶时液相的成分变化线)固相线(AHJECF)：其下为固相，(结晶时固相的成分变化线)表示恒温转变的线：HJB线(包晶转变)，ECF线(共晶转变)，PSK线(共析转变)固溶度线：ES：碳在奥氏体中的溶解度随温度的变化线(温度­，溶解度­)；（0.77%--2.11%）PQ：碳在铁素体中的溶解度随温度的变化线(温度­，溶解度­)(0.0008%—0.0218%)3.典型合金的平衡结晶及组织按含碳量和组织的不同，铁碳合金分为三类，即工业纯铁、碳钢和白口铸铁。共析钢727℃时发生共析转变：AS→(αP＋Fe3C)=P珠光体的性能：硬度和强度较高：HBS180，σ750MPA，塑性也较好δ=20~25%共析钢平衡相变过程示意图相组成物F和Fe3C的相对含量可以由杠杆定律来计算：图T8钢退火组织P亚共析钢常温下的组织构成：F+P相构成：F+Fe3C两种组织的相对含量用杠杆定律计算：假设Wc=0.20%亚共析钢平衡相变过程示意图20钢退火组织P+F60钢退火组织P+F过共析钢常温下的组织构成：Fe3CII＋P相构成：F+Fe3C过共析钢平衡相变过程示意图过共析钢组织图两种组织的相对含量用杠杆定律计算：假设Wc=1.3%共晶白口铸铁工业上常用的铸铁是亚共晶白口铸铁，而共晶和过共晶白口铸铁很少使用，一般仅作为炼钢原料。共晶白口铸铁平衡相变过程示意图1148℃发生共晶转变LC→AE+Fe3C