二元合金相图.ppt

1、1,二元合金相图,第4章,2,4.1二元合金相图的建立4.2二元合金相图的基本类型4.2.1匀晶相图4.2.2共晶相图4.2.3包晶相图及其它类型相图4.3相图与合金性能之间的关系4.4铁碳合金相图4.4.1铁碳合金的基本组织4.4.2铁碳合金相图4.4.3铁碳合金成分、组织与性能的关系4.4.4Fe-Fe3C相图的应用,教学内容,3,4.1二元合金相图的建立,组元：组成合金的独立的最基本的单元。一般是一种元素（如Pb-Sn合金中的Pb和Sn）或一种稳定的化合物（如Fe3C）。合金系：由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金（如Pb-Sn系，Fe-Fe3C系）。相图：用来表示

2、合金系中各个合金的结晶过程的简明图。,4.1.1名词涵义,4,相图上所表示的组织都是在非常缓慢冷却的条件下获得的，都是接近平衡状态的组织，也称为状态图或平衡图。相图是表示在平衡状态下合金的相或组织与温度、成分的关系图。,Cu-Ni相图,相图的意义：分析合金组织的重要参考资料；制定热加工工艺的重要依据。,Cu-Sn相图,5,相图用纵坐标表示温度变化，横坐标表示成分变化。一般采用热分析法。原理是凝固时释放凝固潜热。,4.1.2相图的建立,热分析法,6,7,8,以Cu-Ni合金为例，说明热分析法建立相图的步骤：1）配制不同成分的Cu-Ni合金。2）将合金熔化后，测定它们的冷却曲线，并找出曲线上临界点

3、（即转折点和停歇点）。3）将上述数据引入相应成分的温度-成分坐标图中。4）将物理意义相同的临界点连成曲线，即得Cu-Ni合金相图。,9,：纯铜：75%Cu+25%Ni：50%Cu+50%Ni：25%Cu+75%Ni：纯Ni,金属和合金在冷却到该温度时发生了冷却速度的突然改变。【原因】金属和合金在结晶（相变）时有结晶潜热释放，抵消了部分或全部热量的散失。,结晶开始,结晶终了,10,1.相图分析,Cu-Ni合金匀晶相图,点：A，B,线：液相线固相线,区：LL+,4.2二元合金相图的基本类型,4.2.1匀晶相图,定义：两组元在液、固两相下均能无限互溶，结晶时只结晶出单相固溶体组织的合金相图。,11,

4、2.合金的结晶过程以点成分的Cu-Ni合金（Ni的质量分数为40%）为例分析结晶过程。,在不同温度下刚刚结晶出来的固相的化学成分是不相同的，其变化规律是沿着固相线变化。与此同时剩余液相的化学成分也相应地沿着液相线变化。,匀晶转变的平衡结晶过程：LL+,12,匀晶结晶特点：固溶体结晶是在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶过程。在两相区内，温度一定时，两相的成分（即Ni含量）是确定的。先结晶出的固溶体和后结晶出的固溶体成分不同。平衡结晶条件下，可通过原子扩散使成分均匀化，最终获得与原合金成分相同的单相固溶体。与纯金属一样，固溶体从液相中结晶出来的过程中，包括有生核与长大两个过程，但固溶体更趋向于

5、树枝状长大。,13,3.杠杆定律,在两相区结晶过程中，两相的成分和相对量都在不断变化。杠杆定律就是确定两相区内平衡相的成分和相对重量的重要工具。杠杆定律可以计算匀晶相图中两相区中两平衡相的相对质量，也可以计算其它类型二元合金相图两相区中两平衡相的相对质量。,14,匀晶相图合金的结晶过程,QL,Qa,15,QLab=Qabc,杠杆定律,杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点，而支点为合金的成分点。,杠杆定律与力学比喻,QL,Qa,16,【证明】Q合金，其中Ni含量b%；T1温度时，L相中Ni质量分数a%，a相中Ni质量分数c%。,Q0b%=QLa%+Qac%,又因为Q0=QL+Qa所以（QL+Q

6、a）b%=QLa%+Qac%,Q0合金总质量，QL液相质量，Qa固相质量。,17,由杠杆定律可算出T1时液相和固相在合金中质量分数：运用杠杆定律时注意，它只适用于相图中的两相区，并且只能在平衡状态下使用。杠杆定律的应用：确定某一温度下两平衡相的成分；确定某一温度下两平衡相的相对量。,18,实际金属的结晶主要以树枝状长大：这是由于当冷却速度较大，特别是存在有杂质时，晶体与液体界面的温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴，树枝间最后被填充。,4.非平衡结晶与枝晶偏析,19,固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却较快，原子扩散不能充

7、分进行，则形成成分不均匀的固溶体。一个晶粒中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，结果造成在一个晶粒内化学成分的分布不均，这种现象称为枝晶偏析。消除枝晶偏析的方法采用扩散退火（或均匀化退火）。,性能不均匀,成分不均匀,组织不均匀,富Ni区,富Cu区,20,PbSn合金相图,一定成分的均匀液相，在一定温度下，从液相中同时结晶出两种不同固相的转变称为共晶转变。所生成的两相混合物叫共晶体。水平线ced为共晶反应线。,1.相图分析,4.2.2共晶相图,21,组元:Pb，Sn相:L，（是Sn在Pb中的有限固溶体；是Pb在Sn中的有限固溶体）点、线：a，b，c，d，e液相

8、线：aeb固相线：acedb共晶反应线：ced，在共晶温度发生共晶反应，转变过程中是三相（L，）共存。溶解度线：cf，Sn在Pb中的溶解度线，或称相的固溶线；固溶体中Sn的溶解度极限曲线；dg，Pb在Sn中溶解度线，或称相的固溶线；固溶体中Pb的溶解度极限曲线。,共晶相图：两组元液态时彼此无限互溶，固态下彼此部分固溶，并发生共晶转变的合金系形成的相图。,22,相区：三个单相区：L、（、是有限固溶体）三个双相区：L+、L+、+三相区：L+（共晶点）共晶体：共晶反应产生共晶体（+）,23,(1)合金IV的平衡结晶过程,温度降低，固溶体溶解度下降。从固态相中析出富Sn的相称为二次，常写作。这种二次结

9、晶可表示为。,由于固溶体中溶解度的减少而析出另一固相的反应叫二次析出反应或脱溶过程。,2.合金的结晶过程,01234,匀晶,不变,析出,富Sn的相在冷却过程中，当超过其固溶度时，会析出低Sn的相，。,24,室温组织：+II,合金IV冷却曲线及结晶过程,二次相通常沿初生相的晶界析出，也可在晶内沿缺陷处析出。,25,运用杠杆定律，两相的质量分数：,合金IV室温组织由和两相组成。,26,（共晶合金）Lec+d合金室温组织全部为共晶体，即只含一种组织组成物（即共晶体）；而其组成相仍为和两相。,(2)合金I的平衡结晶过程,27,共晶合金组织的形态(机械混合物，两相交替分布，黑色片层为富Pb的相，白色基体

10、为富Sn的相）,室温时：合金的室温组织为共晶体,即只含一种组织组成物;其组成相仍为和相。,共晶转变温度时：相组成物，,共晶转变温度以下：共晶体中和二次结晶,从中析出II,从中析出II。成分由cf,成分由dg。两种相的相对重量依杠杆定律变化。II和II同和相连在一起,共晶体形态和成分不发生变化。,28,（亚共晶合金）结晶过程分三个阶段，即相析出+共晶反应+二次结晶反应。L初+L初+（c+d)初+II+（+）【共晶组织中二次相的析出忽略】合金室温组织：初生+(+)，合金组成相：和。,(3)合金II的平衡结晶过程,29,PbSn亚共晶组织,黑色斑状组织（三维形态为粗大树枝晶）为初生相,共晶组织(+)

11、,二次相,30,室温下，组成相(，)质量分数：,31,组织组成物质量分数：在共晶温度时,32,室温下初生+(+)，,次生相与初生相成分和结构完全相同，是同一种相；但形貌特征、分布完全不同，属于两种组织。,33,位于共晶点e点右侧和d点以左的合金称为过共晶合金。,(4)合金III的平衡结晶过程（过共晶合金）,合金III结晶过程与合金II相似，只是匀晶产物为初晶，二次结晶产物为。,室温组织为+（+）+。,34,组织标注相图,填写组织组成物的PbSn相图,35,PtAg合金相图,包晶L+,1.包晶相图,4.2.3包晶相图及其它类型相图,包晶转变是指一定成分的固相与一定成分的液相相互作用，在一定温度下

12、转变为另一个新固相。,36,2.具有稳定化合物的二元相图,37,在二元合金中，若合金冷却到固态时，还能发生由一个固相同时分解形成两个新的固相，这种相图叫共析相图。此两相混合物称为共析体。与共晶反应不同点：1）共析反应是固态反应，原子的扩散困难，组织更细。2）因母相与子相的比容不同，反应后易引起较大的内应力。,3.共析相图,38,具有共析反应的二元合金相图,39,匀晶L共晶L+共析+包晶L+,40,二元合金两相平衡时，两相成分均随温度而变化。其具体数值可由恒温水平线与两相区相界线的交点来确定。温度变化时，两平衡相成分也分别沿两条相界线相应变化。二元相图的三相平衡区是一条水平线。它与三个单相区均以

13、点接触。从三个单相区的相互位置，可以判断三相平衡的性质。分析复杂相图时，首先要弄清单相区，然后找出三相区、三相点，再弄清三相平衡转变类型。牢记：两个单相区之间必有一个由这两相组成的两相区隔开，而不能以一条直线接界；两个两相区之间必须以一个单相区或三相区隔开。相区接触法则：相图中相邻相区相数之差均为1（点接触除外）。,二元合金相图小结,41,4.3相图与合金性能之间的关系,合金性能取决于其成分和组织，而相图表明不同成分合金在不同温度下的平衡组织，可见合金性能与相图之间存在联系。4.3.1相图与合金力学性能、物理性能的关系匀晶相图：溶质元素晶格畸变大强度、硬度，电阻率共晶相图：在单相区与匀晶相图相

14、同。复相组织区（如共晶转变范围），合金的强度、硬度和物理性能随成分的变化呈直线关系，大致是两相性能的算术平均值。HB=HB%+HB%对组织较敏感的性能（强度），与组成相或组织组成物的形态关系密切。组成相或组织组成物越细密，强度越高。共晶点处，共晶组织呈细小、均匀细密的复相组织，强度达最高值。,42,4.3.2相图与合金铸造性能的关系,铸造性能液态合金的流动性以及产生缩孔、缩松和偏析倾向等。液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小合金的流动性好有利于浇注。液固相线距离大枝晶偏析倾向愈大，合金流动性愈差，形成分散缩孔的倾向也愈大，使铸造性能恶化。因此铸造合金的成分常取共晶成分和接近共晶成分或选择结晶温度

15、间隙最小的成分。这种成分合金流动性好，易形成集中缩孔，铸件致密，铸造性能最好。,43,4.4.1铁碳合金的组元分析,(1)纯Fe组元-Fe(bcc)-Fe(fcc)-Fe(bcc)同素异构转变韧性、塑性好;强度低、硬度低。,912,1394,纯铁的冷却曲线及晶体结构变化,(体心立方),(体心立方),(面心立方),1583,4.4铁碳合金相图,44,(2)渗碳体(Fe3C)具有复杂结构的间隙化合物，Fe原子与C原子之比3：1。Fe3C熔点高（1227），不发生同素异构转变。Fe3C硬而脆，塑性、韧性几乎为零。室温平衡状态下，铁碳合金中的碳大多以Fe3C形式存在。,45,4.4.2Fe-Fe3C相

16、图分析1.五个基本相,S,P,N,J,H,G,E,C,B,A,+Fe3C,+,L+,+,L+,L,L+Fe3C,+Fe3C,K,F,D,Fe,Fe3C,C%,46,Fe-Fe3C五个基本相之一,(1)液相L液相L是铁与碳的液溶体。,47,(2)相碳在-Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格，在1394以上存在。称为固溶体，又称高温铁素体。碳在-Fe中的最大溶解度为1495时的0.09%（H点）。,Fe-Fe3C五个基本相之二,48,Fe-Fe3C五个基本相之三,(3)相碳在-Fe中的间隙固溶体，呈面心立方晶格。常称奥氏体，用符号A表示.奥氏体中碳的固溶度较大，在1148时碳溶量最大达2.11%（E

17、点）。奥氏体的强度较低，硬度不高，易于塑性变形。,49,(4)相碳在-Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格。也称铁素体，用符号F或表示。碳在-Fe中的最大溶解度为727时的0.0218%（P点）。强度、硬度低；塑性好。,Fe-Fe3C五个基本相之四,50,(5)Fe3C相是一个化合物相，渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态，是钢中主要的强化相，对铁碳合金的力学性能有很大影响。由于Fe3C是稳定化合物，Fe3C相区在碳的质量分数为6.69%的成分垂线上（DFK）。,Fe-Fe3C五个基本相之五,51,S,P,N,J,H,G,E,C,B,A,+Fe3C,+,L+,+,L+,L,L+F

18、e3C,+Fe3C,K,F,D,Fe,Fe3C,C%,2.特性点,【A点】,52,A点,温度：1538；碳质量分数：0%；意义：纯铁的熔点。,53,S,P,N,J,H,G,E,C,B,A,+Fe3C,+,L+,+,L+,L,L+Fe3C,+Fe3C,K,F,D,Fe,Fe3C,C%,【B点】,54,B点,温度：1495；碳质量分数：0.53%；意义：包晶转变时（LB+HAJ）液相合金的成分。,55,S,P,N,J,H,G,E,C,B,A,+Fe3C,+,L+,+,L+,L,L+Fe3C,+Fe3C,K,F,D,Fe,Fe3C,C%,【C点】,56,C点,温度：1148；碳质量分数：4.30%；

19、意义：共晶点，LCAE+Fe3C,57,S,P,N,J,H,G,E,C,B,A,+Fe3C,+,L+,+,L+,L,L+Fe3C,+Fe3C,K,F,D,Fe,Fe3C,C%,【D点】,58,D点,温度：1227；碳质量分数：6.69%；意义：Fe3C的熔点。,59,S,P,N,J,H,G,E,C,B,A,+Fe3C,+,L+,+,L+,L,L+Fe3C,+Fe3C,K,F,D,Fe,Fe3C,C%,【E点】,60,E点,温度：1148；碳质量分数：2.11%；意义：碳在-Fe中的最大溶解度。,61,S,P,N,J,H,G,E,C,B,A,+Fe3C,+,L+,+,L+,L,L+Fe3C,+F

20、e3C,K,F,D,Fe,Fe3C,C%,【G点】,62,G点,温度：912；碳质量分数：0%；意义：-Fe-Fe同素异构转变。,63,S,P,N,J,H,G,E,C,B,A,+Fe3C,+,L+,+,L+,L,L+Fe3C,+Fe3C,K,F,D,Fe,Fe3C,C%,【H点】,64,H点,温度：1495；碳质量分数：0.09%；意义：碳在-Fe中的最大溶解度。,65,S,P,N,J,H,G,E,C,B,A,+Fe3C,+,L+,+,L+,L,L+Fe3C,+Fe3C,K,F,D,Fe,Fe3C,C%,【J点】,66,J点,温度：1495；碳质量分数：0.17%；意义：包晶点，LB+HAJ,

21、67,S,P,N,J,H,G,E,C,B,A,+Fe3C,+,L+,+,L+,L,L+Fe3C,+Fe3C,K,F,D,Fe,Fe3C,C%,【N点】,68,N点,温度：1394；碳质量分数：0%；意义：-Fe-Fe同素异构转变点。,69,S,P,N,J,H,G,E,C,B,A,+Fe3C,+,L+,+,L+,L,L+Fe3C,+Fe3C,K,F,D,Fe,Fe3C,C%,【P点】,70,P点,温度：727；碳质量分数：0.0218%；意义：碳在-Fe中的最大溶解度。,71,S,P,N,J,H,G,E,C,B,A,+Fe3C,+,L+,+,L+,L,L+Fe3C,+Fe3C,K,F,D,Fe,

22、Fe3C,C%,【S点】,72,S点,温度：727；碳质量分数：0.77%；意义：共析点，ASFP+Fe3C,73,S,P,N,J,H,G,E,C,B,A,+Fe3C,+,L+,+,L+,L,L+Fe3C,+Fe3C,K,F,D,Fe,Fe3C,C%,Q,【Q点】,74,Q点,温度：600；碳质量分数：0.0057%；意义：600时碳在-Fe中的溶解度。（室温，0.0008%，室温时碳在-Fe中的溶解度）,75,(1)三条水平线(三个重要点),3.特性线,S,P,N,J,H,G,E,C,B,A,+Fe3C,+,L+,+,L+,L,L+Fe3C,+Fe3C,K,F,D,Fe,Fe3C,C%,Q,

23、【线1】,76,包晶点J与包晶转变线HJB1495，C%=0.17LB+HAJ即L0.53+0.09A0.17包晶反应生成碳在-Fe中的间隙固溶体，即奥氏体组织，用A表示。碳的质量分数0.09%0.53%的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生包晶反应。,77,S,P,N,J,H,G,E,C,B,A,+Fe3C,+,L+,+,L+,L,L+Fe3C,+Fe3C,K,F,D,Fe,Fe3C,C%,Q,【线2】,78,共晶点C与共晶转变线ECF1148，C%=4.3%，LCAE+Fe3CF（共晶渗碳体）L4.3A2.11+Fe3C6.69共晶反应产物是奥氏体(A)与渗碳体(Fe3C)的机械混合物，称为莱氏

24、体组织(Ld)。碳的质量分数在2.11%6.69%间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共晶反应。,79,S,P,N,J,H,G,E,C,B,A,+Fe3C,+,L+,+,L+,L,L+Fe3C,+Fe3C,K,F,D,Fe,Fe3C,C%,Q,【线3】,80,共析点S与共析转变线PSKA1线,727，C%=0.77%ASFP+Fe3C（共析渗碳体）A0.77F0.0218+Fe3C共析反应产物是铁素体与渗碳体的机械混合物，称珠光体，以P表示。在显微镜下珠光体形态呈片状。在放大倍数很高时，可清楚看到相间分布的渗碳体片（窄条）与铁素体（宽条）。珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C和F之间

25、。碳的质量分数0.0218%6.69%的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。PSK线亦称A1线。,81,(2)液固相线,固相线AHJECF,S,P,N,J,H,G,E,C,B,A,+Fe3C,+,L+,+,L+,L,L+Fe3C,+Fe3C,K,F,D,Fe,Fe3C,C%,Q,液相线ABCD,82,(3)溶解度线,S,P,N,J,H,G,E,C,B,A,+Fe3C,+,L+,+,L+,L,L+Fe3C,+Fe3C,K,F,D,Fe,Fe3C,C%,Q,【ES线】,83,ES线：碳在奥氏体A中的固溶线Acm1148，2.11%（E）；727，0.77%（S）碳的质量分数大于0.77%的铁

26、碳合金自1148冷至727的过程中，将从A中析出Fe3C，称为二次渗碳体（Fe3C）。,84,S,P,N,J,H,G,E,C,B,A,+Fe3C,+,L+,+,L+,L,L+Fe3C,+Fe3C,K,F,D,Fe,Fe3C,C%,Q,【PQ线】,85,PQ线：碳在铁素体F中的固溶线727，0.0218%室温，0.0008%。铁碳合金自727冷至室温的过程中，将从F中析出Fe3C，称为三次渗碳体（Fe3C）。Fe3C数量极少，往往予以忽略。,86,(4)GS线A3线,合金冷却时自奥氏体A中开始析出铁素体F的开始线；或者，加热时F溶入A的终了线。,S,P,N,J,H,G,E,C,B,A,+Fe3C

27、,+,L+,+,L+,L,L+Fe3C,+Fe3C,K,F,D,Fe,Fe3C,C%,Q,87,1.铁碳合金的分类根据Fe-Fe3C相图，铁碳合金可分为三类：(1)工业纯铁wc0.0218%(2)钢0.0218%wc2.11%(3)白口铸铁2.11%wc6.69%,4.4.3铁碳合金平衡结晶分析,88,工业纯铁室温平衡组织为铁素体（F），呈白色状。强度低、硬度低，不宜用作结构材料。,钢的共同特点：高温下都有塑性良好的奥氏体（A）组织，适合于压力加工。,白口铸铁因为在高温时都有脆性的共晶莱氏体，所以不能进行锻压；但共晶成分合金的流动性好，适合于铸造。,89,2.典型合金的结晶,(1)工业纯铁,工

28、业纯铁wc0.0218%,90,S,P,N,J,H,G,E,C,B,A,+Fe3C,+,L+,+,L+,L,L+Fe3C,K,F,D,Fe,Fe3C,Q,wc=0.01%,1,2,3,4,5,6,7,匀晶转变,同素异构转变,同素异构转变,三次渗碳体,91,相组成物：Fe3C；F相相对量：组织组成物：F（等轴晶）和Fe3CIII（小片状）,92,工业纯铁组织金相图,93,(2)共析钢,wc=0.77%,1,2,3,匀晶转变,共析转变,94,相组成物：F和Fe3C组织组成物：P(层片状)100%,共析钢金相组织图,95,(3)亚共析钢(0.0218%C%0.77%),wc=0.45%,【简化处理】

29、不考虑包晶反应，即忽略P40，图3-3中合金(3)中的12部分。,1以上,12,23,34,44,相中析出相,共析反应：铁素体Fe3C,先共析铁素体,先共析FP,96,亚共析钢组织金相图,先共析铁素体,珠光体,97,相组成物：F，Fe3C相相对量：组织组成物：F、P,98,(4)过共析钢(0.77%C%2.11%),沿A晶界析出Fe3CII,共析反应：铁素体Fe3C(P),99,Fe3CII,P,过共析钢组织金相图,100,相组成物：F，Fe3C组织组成物：P，Fe3CII组织相对量：,101,(5)共晶白口铸铁(C%=4.3%),1,2,LLd(A+Fe3C共晶)A+Fe3C共晶+Fe3CII变态莱氏体Ld(P+Fe3C共晶+Fe3CII),102,共晶白口铁组织金相图,103,相组成物：F，Fe3C组织组成物：Ld,104,(6)亚共晶白口铸铁(2.11%C%4.3%),wc=3.0%,1,2,3,105,亚共晶白