材料科学基础-第五章 铁碳相图

1、第三节 复杂二元相图的分析,步骤和方法： (1) 首先看是否存在稳定化合物，如有则把相图分成 几个区域(基本相图)进行分析。 (2) 根据相区接触法则，弄清各相区的组成相。 (3) 找出所有的三相共存水平线及与其接触的三个单相区，根据3个单相区与水平线的相互位置确定三相平衡转变的类型及反应式。分析相图的关键步骤。,第三节 复杂二元相图的分析,(4) 应用相图分析典型合金的组晶过程和组织变化规律。 单相区：相成分与原合金相同。 双相区：在不同温度下，两相成分分别沿相界线变化，各相的相对量可由杠杆法则求得。 三相共存(平衡)时：三个相的成分固定不变，可用杠杆法则求出恒温转变前、后相组成的相对量。,

2、第三节 复杂二元相图的分析,(5) 在应用相图分析实际情况时，切记相图只给出体系在平衡条件下存在的相和相对量，并不能表达出相的形状、大小和分布（这些只取决于相的本性及形成条件）；相图只表示平衡状态的情况，而实际生产条件下很难达到平衡状态，因此要特别重视它们的非平衡条件下可能出现的相和组织。 (6) 相图的正确与否可用相律来判断。 在分析和认识相图中的相、相区及相变线的特点之后，就可分析具体合金随温度改变而发生的相变及组织变化。,铁碳相图 （重点掌握）,1.铁碳相图 2.铁碳合金的结晶过程和组织变化 3.铁碳合金的成分、组织与性能间的关系 4.钢中的杂质元素及其对性能的影响 5.铁石墨相图 6.

3、石墨与基体对铸铁机械性能的影响,Fe-C合金概述,钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是现代机械制造工业中应用最广的金属材料，虽然种类很多，成分不一，其基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素，故统称为铁碳合金（alloys of the iron-carbon system）。合金钢和合金铸铁实际上是有意加入合金元素的铁碳合金。 铁碳相图描述了钢铁材料的成分、温度与组织（相）之间的关系，是了解钢铁材料的基础。因此，学习铁碳相图、掌握、应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。,Fe-C合金概述,Fe与C形成系列化合物：Fe3C、Fe2C、FeC。 Fe-C相图分成Fe-Fe3C

4、, Fe3CFe2C, Fe2C-FeC，FeC-C 四部分由于化合物是硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过5），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。,Fe-C合金的各种化合物,铁碳（Fe-Fe3C）相图,铁碳（Fe-Fe3C）相图,1.铁碳合金中的组元,铁碳合金中组元： 纯铁(Fe) 渗碳体（Fe3C）,(1) 纯铁（Fe）,纯铁（pure iron） WFe99.8%，原子序数26，原子相对质量55.85，纯铁的熔点1538，汽化点2738，密度7.87g/。,纯铁固态下具有同素异构转变： 912以下为体心立方(bcc) 结构，912到13

5、94之间为面心立方(fcc)结构, 1394到熔点之间为体心立方(bcc)结构。另外，纯铁770发生磁性转变。,(1) 纯铁（Fe）,纯铁的冷却曲线及晶体结构变化,(1) 纯铁（Fe）,纯铁的显微组织,(2) 渗碳体(Fe3C),渗碳体是Fe3C，属于正交晶系，结构复杂。 Fe3C熔点为1227，Fe3C是一种亚稳化合物，在一定条件下，分解而形成石墨状的自由碳： Fe3C3Fe + C,渗碳体的结构,Fe3C在230以下具有铁磁性，常用A0表示。 Fe3C在钢和铸铁中呈片状，粒状，网状和板条状。 渗碳体硬而脆(800HBW)，塑性极低，延伸率接近于0。 钢铁材料中的主要强化相。其中Fe可以被其

6、它元素 Cr、Mn替代，形成 (Fe,Mn)3C，(Fe,Cr)3C，称为合金渗碳体。,(2) 渗碳体(Fe3C),Fe-Fe3C相图： 介稳定系相图。 Fe-C相图： 稳定系相图。,若把两相图画在同一图上，称为Fe-C合金双重相图，两相图各有不同的适用范围。,2.Fe-C合金中的基本相,Fe-C合金在不同条件下， 有5（6）个基本相： L相、相、相、相、 Fe3C相、（石墨(G)相）,2.Fe-C合金中的基本相,（1）液相(L) Fe与C在高温下形成的液体溶液。(ABCD线以上) （2）相高温铁素体 C 溶解于-Fe形成的间隙固溶体。在1459时最大溶解度可达0.09%，为bcc结构，也称高

7、温铁素体。,2.Fe-C合金中的基本相,C溶解于-Fe形成的间隙固溶体。具有fcc结构。可以溶解较多的碳，1148时最多可以溶解2.11%C，到727时含碳量降到0.77%。碳原子处于fcc晶格中正八面体的中心。,（3）奥氏体(或A),2.Fe-C合金中的基本相,C溶解于-Fe形成的间隙固溶体。具有fcc结构。可以溶解较多的碳，碳原子处于fcc晶格中正八面体的中心。,（3）奥氏体(或A),碳在-Fe晶格中的位置,2.Fe-C合金中的基本相,奥氏体的晶粒呈平直多边形。,（3）奥氏体(或A),奥氏体的显微组织,2.Fe-C合金中的基本相,C溶于-Fe形成的间隙固溶体。C原子处于八面体间隙。在727

8、时C在-Fe中最大溶解量为0.0218%，室温下含碳仅为0.005%，所以其性能与纯铁相似。,（4）铁素体（或F）,2.Fe-C合金中的基本相,（4）铁素体（或F）,2.Fe-C合金中的基本相,（5）渗碳体（Fe3C）,属于正交晶系，结构复杂。 Fe3C熔点为1227，Fe3C是一种亚稳化合物，在一定条件下，分解而形成石墨状的自由碳： Fe3C3Fe + C,2.Fe-C合金中的基本相,（6）石墨（C）,在一些条件下，碳以游离态石墨(hcp)稳定相存在。所以石墨在Fe-C合金铸铁中也是一个基本相。,思考题： 为什么C在中的溶解能力高于？,什么是、？,影响间隙固溶体溶解度的因素？,：FCC，八面

9、体间隙大小0.414 ：BCC，八面体间隙大小0.155,3. Fe-Fe3C相图分析,相图分解为三个部分,包晶转变部分 共晶转变部分 共析转变部分,Fe-Fe3C相图,3. Fe-Fe3C相图分析,（1）相图中的点,相图中各特性点的温度、成分和意义： A、B、C、D、E、F、G、H、J、K、N、P、S、Q,Fe-Fe3C相图,3. Fe-Fe3C相图分析,（1）相图中的点,3. Fe-Fe3C相图分析,（2）相图中的相区,Fe-Fe3C相图,单相区（5个）： L、 、Fe3C,双相区（7个）： L+、L+、L+Fe3C、 +、+Fe3C +、+ Fe3C,三相区（3个） ： L+（HJB线）

10、、 L+ Fe3C（ECF线）、 + Fe3C（PSK线）,3. Fe-Fe3C相图分析,特性线： 由不同成分合金具有相同意义的点连接起来的,A. 三条水平恒温转变线 B. 二条磁性转变线 C. 三条重要的相界线,Fe-Fe3C相图,（3）相图中的线,A. 三条水平恒温转变线,Fe-Fe3C相图,（3）相图中的线,HJB-包晶转变线：,转变产物： 奥氏体（用A 或) 强度低，塑性好,A. 三条水平恒温转变线,Fe-Fe3C相图,（3）相图中的线,ECF-共晶转变线：,转变产物： 和Fe3C组成的机械混合物称为莱氏体，用Ld表示。 硬、脆、无法加工,A. 三条水平恒温转变线,Fe-Fe3C相图,

11、（3）相图中的线,PSK-共析转变线：,转变产物： 和Fe3C组成的机械混合物称为珠光体，用P表示。 室温下，、P、Fe3C 是钢中的基本组织。,珠光体P的硬度、塑性、韧性介于和Fe3C之间； 强度最高。,铁素体、渗碳体、珠光体的性能比较,B. 两条磁性转变线,Fe-Fe3C相图,（3）相图中的线,A0线: 渗碳体Fe3C的磁性转变线，230以上无磁性，230以下铁磁性。, A2线: 铁素体的磁性转变线。770以上无磁性，770以下铁磁性。,磁性转变是否属于相变？,C. 三条重要的相界线,（3）相图中的线, GS线(A3 线)：, ES线(Acm线)： 碳在中的溶解度曲线, PQ线： 碳在中的

12、溶解度曲线,A0、A1、A2、A3、Acm的区别,Fe-Fe3C相图,A0线：230 Fe3C的磁性转变线 A1线：共析转变线 A2线：的磁性转变线 A3线： Acm 线: Fe3C,A0、A1、A2、A3、Acm线温度依次升高。,开始析出,全部溶入,开始析出,全部溶入,A0线,A1线,Acm 线,4. FeC合金分类,按有无共晶转变分为碳钢和铸铁两大类: Wc2.11%铸铁；Wc2.11%碳钢；Wc0.0218%工业纯铁,2.11,0.0218,4. FeC合金分类,根据组织特征分为七种类型： 1)工业纯铁:Wc0， 所以dp/dT =（H/TV） 0，可见增加压强可使 金属的熔点升高,三.

13、相平衡条件,1化学位：化学位也称偏摩尔吉布斯自由能，它 是温度、压力、成分的函数 对于一个多组元多相系统，组元i在相j中的化学位可用下式表示,xi为组元i的摩尔浓度； Gj为j相的吉布斯自由能,化学位可视作某组元从某相中逸出的能力； 组元在某相中化学位越高，它向化学位较低的一相转移倾向越大； 当组元在各相的化学位相等时，即处于平衡状态。因此化学位可作为系统状态变化是否平衡或不可逆过程的一个判据,二元系组元的化学位-切线法 如溶体的成分为x，可过曲线上与x对应点作切线，切 线与纵轴的交点a、b的吉布斯自由能值便是组元A、 B在成分为x的溶体中的化学位，,即对于一个多组元多相系统，组元i在相j中的

14、化学位可用下式表示,根据自由能-成分曲线判断合金相的组成？,若合金C由纯组元A，B组成，其自由能为G1； 若合金C由成分为X1，X2的两个固溶体组成，其自由能为G2；,当合金C的成分为单相固溶体x时，自由能为G3，达到最低点，合金处于稳定状态。,在这种U型曲线中，曲线上任何两点连线高于两点之间的曲线，因此，单相状态是稳定状态。,2相图中的相平衡,（1）多相平衡： 多组元系统中多相平衡的条件是任一组元在各相中的化学位相等：,式中，上标为系统中相的编号,如果组元在各相中的化学位不相等，这个组元就会从化学位高的相中向化学位低的相发生迁移，使系统的吉布斯自由能降低，直到在各相中的化学位相等为止。,（2

15、）一元系统的相平衡： 根据相律f=C-P+2，一元系统两相平衡时，自由度f=1，即温度和压力只能有一个可以独立变动。 一元系的两相平衡在p-T图上表现为一曲线，曲线的斜率 dp/dT由克劳修斯-克莱普隆方程描述,纯物质的两相平衡包括: 液-固平衡、 固-气平衡、 液-气 平衡。,如纯金属的铸造(LS)、 气相沉积(G S)、 液体的蒸发(LG)等,一元系统三相平衡共存 时，自由度f=0，只能 存在于某一温度及压力 下，温度或压力稍有偏 离，就会迫使一个相甚 至二个相消失，因此一 元系统的三相平衡共存， 在p-T图上仅表现为一 个点，即三相点，如图 O点。,求一元系的三相点的温度等参量,利用式l

16、gp=A/T+BlgT+C (5-40)可以求出三相点的温度或方程中的其他参量,解： 设压力为p0，温度为T0时锌的液、固、气三相平衡共存， 液-气及固-气两相平衡线交于一点O（p0、T0）， 由于 lgp0 (SG) =lgp0(L G) ， 故-6850/T-0.755lgT+11.24-6620/T-1.255lgT+12.34 ， 即 230/T01.10.5lgT0 解得 T0 =708K 将T0 代入锌的蒸气压方程 lgp0=-6620/T0-1.255lgT0+12.34-0.587 解得 p0 -0.2588/760 3.4106MPa,例：已知固态锌的蒸气压随温度变化可以用下

17、式表示： lgp=6850/T-0.755lgT+11.24,液态锌的蒸气压随温度变化为lgp=-6620/T1.255lgT+12.34，求液-固-气三相共存点的温度及压力,（3）二元系统的相平衡,1）公切线法则 二元系统在等温恒压条件下处于两相(、)平衡共存状态，对两个相的吉布斯自由能曲线作公切线，切点所对应的坐标值是恒压定温时两个相的平衡成分。,2）二元系两相平衡,若体系处于两相平衡状态，两平衡相的吉布斯自由能曲线的公切线上必有两个切点，在两切点成分范围内，系统处于两相平衡状态，组成两相混合物，此混合物的吉布斯自由能处于切线上,当成分在两切点间变动时，两平衡相的成分不变，只是其相对量作相

18、应改变，并可由杠杆定律求得。,当二元系的成分xx1时，固溶体的摩尔吉布斯自由能低于固溶体， 故相为稳定相，体系处于单相状态； 当xx2时，固溶体的摩尔吉布斯自由能低于固溶体，体系处于单 相状态； 当x1xx2时，公切线上表示混合物的摩尔吉布斯自由能低于或 相的摩尔吉布斯自由能，故两相混合共存时体系能量最低。其成分即是切点所对应的成分X1和X2，可推导出：,3）二元系统的三相平衡 三相平衡共存的条件是公切线同时切于三个相的吉布斯自由能曲线 公切线上的三个切点 分别对应三个平衡相 的成分,吉布斯自由能,如果存在有中间相,对这些吉布斯自由能成分曲线分别引公切线把系统分为几个区域，表明此温度时，随成分变化，