第2章 二元合金相图与铁碳合金相图

1、机械工程学概论introducationtomechanicalenginering，张力菠萝南京航空宇宙大学经济与管理学院，2，二元合金相图铁碳相图的应用，第2章二元合金相图和铁碳相图，3，二元合金相图，基本概念，二元合金相图： 二元合金体系中不同成分的合金在温度极缓慢变化的条件下，分别在不同温度下显示相组成和相变化的图，二元合金体系：由两种元素组成的各种成分合金的总和，合金相图是制定铸造、锻造、热处理等技术的重要依据，是研究合金组织、组织转换和合金性能的有力工具是指极缓慢的冷却和加热，那时发生相变，原子充分扩散，得到的组织稳定或平衡，这种极缓慢的冷却和加热，原子能够充分扩散的状态称为平衡状

2、态。 4、二元合金相图、相图的制作，所有的合金相图都是用实验方法得到的，一般利用合金相变时发生的各种变化测定相变点，制作合金相图，确立方法：以铜镍合金为例，共包括以下四步：常用热分析法和金相法； 制作工序：5，Cu-Ni合金相图的制作工序：制作不同成分的Cu-Ni合金，参照表，制作各合金的冷却曲线，找到其相变温度，即各曲线上的结晶化开始和结束温度，即临界点，参照表，画出温度-成分坐标系，在各成分的垂线上二元合金相图、相图的制作、6、二元合金相图、相图的制作、7、Cu-Ni合金相图的解读：二元合金相图、相图的制作、第一点a、第二点b分别为Cu、Ni的熔点的各结晶的开始温度线为液相线，该线以上为液

3、相域、l； 各结晶终止温度线为固相线，该线以下为固相区域； 固液相线间区域固液相并存，即二相域、l； 两相区说明Cu-Ni合金的结晶在一个温度范围内进行，这一点与纯金属的结晶不同。8、Cu-Ni合金相图是最简单的二元合金相图，通常合金相图复杂，但组合了几个基本相图，二元均匀相图、二元合金相图、种类：9、二元合金相图、均匀相图、概念：二元合金系中二元元素在液状和固体两方面无限相溶而构成的相图以Cu-Ni合金为例，分析了具有二元均匀结晶相图的二元合金系的结晶过程和生成物。10、二元合金相图、同系物相图、11、二元合金相图中的二相域，不仅可以知道二相的成分，也可以知道二相的相对重量，杠杆法则：研究表

4、明，固液二相的相对量关系像力学中的杠杆法则，可以得到二元合金相平衡计算的杠杆法则！ 杠杆定律只适用于两相平衡区，适用于两相平衡相的相对含量的计算！ 二元合金相图、同质相图、12、二元合金相图、同质相图、13、二元合金相图、同质相图、14、二元合金相图、共晶相图、概念：两组元在液态时无限相溶，固体时有限溶解，结晶时产生共晶相变，二相机械混合物的相图，即共晶相在一定温度下，使成分不同的两个固相的转变，即共晶转变同时结晶化，例如Pb-Sn、Pb-Sb、Cu-Ag等合金系以具有二元共晶相图的Pb-Sn合金为例，分析了具有二元共晶相图的二元合金系的结晶过程和生成物。 15、Pb-Sn二元合金(共晶)相图

5、、二元合金相图、共晶相图、16、Pb-Sn相图分析：将e点称为共晶点ced线称为共晶线，将对应共晶点的合金称为共晶合金，将在ce间具有成分的合金称为亚共晶合金，将在ed间具有成分的合金称为过共晶合金。二元合金相图、共晶相图、17、二元合金相图、共析相图、概念：从一个固相到成分和结晶构造完全不同的两个新固相的转变过程(共析转相)的相图，即共析相图。 18、解读：图中a、b为两组元，合金结晶得到固溶体，c固溶体在恒温下共析相变： c点为共析点，dce为共析线，对应温度为共析温度； (d e )被称为共析体的c、d e、共析相变以固体进行，相变温度低，难以扩散原子，因此过冷却度大，与共晶相比，共析体

6、组织细致均匀。 特征：二元合金相图，共析相图，19，铁合金：铁合金相图，主要成员为碳钢和铸铁； 铁碳合金相图：在非常缓慢的冷却或加热条件下，研究铁碳合金的成分、组织和性能的关系及其变化规律的模式。 全部是以铁和碳为基本元素的合金，由于其机械、技术性能优异，所以应用广泛，改变化学成分和工艺条件(温度、冷却速度等)，可以得到各种各样的组织和性能，满足多种需求。 20、铁碳相图的研究范围： C5的铁碳合金脆，不具有实用价值，因此实际上是C5%！ 由于有实用价值的部分，即C6.69%的Fe-Fe3C相图，研究的铁合金的基本构成元素为Fe和Fe3C，为二元合金。 根据碳含量的不同，碳含量为6.69%、F

7、e3C、碳含量为6.69%，随着碳含量的增加，Fe2C FeC、铁碳形成的化合物：铁合金相图、21、铁合金相图、基本相和组织、铁素体和渗碳体的相对数及其分布状态的不同，铁碳合金中的两个根据铁和碳的相互作用的不同，铁碳合金的固体中的基本相分为固溶体和金属化合物：属于金属化合物的基本相：属于固溶体的基本相：铁素体，奥氏体，渗碳体，珠光体，石，固体相还有一种相，但对性能没有太大的影响，一般不要考虑22、铁碳合金相图，基本相和组织，铁素体：碳在-Fe中的间隙固溶体，f或； 铁氧体为体心立方结构，Fe溶解碳量小，在727时碳溶解度最大为0.02%，在室温下为0.008%； f强度、硬度低，塑性、韧性高，

8、接近工业纯铁，f很少单独用作工程材料，是碳钢的基体相。 23、铁素体显微组织，铁碳合金相图，基本相和组织，24，奥氏体：碳在-Fe中的间隙固溶体，a； 奥氏体为面心立方结构，-Fe的碳溶解能力强，1148时碳溶解度最大为2.11%； 奥氏体强度、硬度低、塑性高，适合冲压加工成形的奥氏体存在的温度高，727以上，是铁合金的重要高温相，铁合金相图、基本相及组织、25、奥氏体的显微组织、铁合金相图、基本相及组织、26、渗碳体： 具有复杂的结晶结构，成分固定，F3C的复杂晶格，Fe3C为亚稳定相，在一定条件下可分解为f和石墨g :性质硬而脆，是铁合金的重要强化相，F3C、F G、铁合金相图、基本相和组

9、织，27、珠光体：铁氧体和渗碳体该相变是在固体状态下，由单相固溶体a中不相互溶的固相(f和Fe3C )构成的混合物，即同时析出共析相变的珠光体被加热到共析温度，也成为奥氏体。 相应的温度和成分称为共析温度、共析成分，生成物被称为共析体的珠光体是含0.77%碳的奥氏体在727时分解而成的，a，P(F F3C )，727，铁合金相图，基本相组织，28，雷氏体：含4.3%碳的铁合金，1148时共晶莱氏体的性质又硬又脆，是生铁的基本组织。由于共析温度下降，Ld中的a共析分解变为p，在共析温度下，共晶Ld由p和Fe3C构成，即低温莱姆、Ld、铁合金相图、基本相图、组织、29、铁合金相图、相图分析、铁合金

10、相图的研究开始于1868年对加工技术的制定有重要的指导意义，铁碳合金相图(Fe-Fe3C相图)为以下图，图中没有带括号的部分为相组合物，带括号的部分为组织组合物； Fe-Fe3C相图显示了铁碳合金体系中不同碳含量的合金在冷却过程中发生的相变，各温度下合金的相组合物和组织组合物能够从合金的室温组织理解其力学性能，确定应用范围。 30、铁碳合金相图、相图分析、31、FeFe3C合金相图、铁碳合金相图、相图分析，32、Fe-Fe3C合金相图包括三个基本构成部分：包晶由l相和一个固相变为另一个固相，主要是合金中的高温相的变化，应用很少。 共晶部分、共析部分、包晶部分、l、铁碳合金相图、相图分析、33、

11、1148、铁碳合金相图、相图分析、共晶部分、34、ECF为共晶线、c点共晶点、共晶成分含碳4.3%、共晶温度1148、共晶相变：e点左侧的合金结晶得到的单相a； l、A Fe3C，即液相结晶珠光体，Ld、e点是奥氏体的最大熔点，铁合金相图、相图分析、共晶部分、e点也是钢和铸铁的边界点：钢的碳含量为2.11%； 2.11%铸铁的碳含量为6.69%。35、铁碳合金相图、相图分析、共析部、727、36、s点为共析点，共析成分为0.77%C，共析温度为727，共析位移：PSK为共析线，被称为A1线，a、F Fe3C，即析出奥氏体的珠光体，p、ES为碳的详细记载了Acm在低于该温度时，在奥氏体中析出渗碳

12、体，被称为二次渗碳体，Fe3CII，与从液体中用CD线结晶的一次渗碳体、Fe3CI区分。 铁-碳合金相图、相图分析、共析部、37、铁-碳合金相图、相图分析、38、铁-碳合金相图、典型成分合金平衡结晶过程、铁-碳合金根据碳含量，可从相图分为工业纯铁、碳钢和白口铸铁三种，然后进一步细分为两种分析了碳钢、白口铸铁、共析钢、亚共析钢、共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁、39、铁合金相图、典型成分合金的平衡结晶过程、40、铁合金的典型平衡结晶过程，发现某个成分合金温度下降的各阶段相的组成和相对量的变化，直到出现室温组织为止，即合金亚共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程共晶白口铸铁的

13、结晶过程共晶白口铸铁的结晶过程，铁合金相图，典型的成分合金平衡结晶过程，41，亚共析钢：碳含量0.020.77%，合金，点1温度后，l开始结晶a，2点后，l全部凝固，成为单相a，直到4点为止直到3点为止，a析出f，f在a晶界生长优生核，其成分沿GP和GS变化，亚共析钢的相变结束后，合金组织以f和p继续冷却，f析出极少量的Fe3C，如果可以忽略，最终达到室温，亚共析钢的组织呈颗粒状的铁氧体和层状、铁合金相图、典型成分合金平衡结晶过程、42、铁合金相图、典型成分合金平衡结晶过程、43、共析钢：碳0.77%，图中的合金； 点1的温度以上为液相，a、F Fe3C、点12温度之间缓慢冷却，直到a不断结晶

14、的2点为止都在a、冷点3(727 )、恒温下发生共析相变：冷却，f的溶解碳量沿着PQ线变化，Fe3C析出，与Fe3C混合因此，共析钢的室温组织仍为珠光体，是由铁氧体和渗碳体组成的层状共析体，其微观组织中明亮的白色基底为铁氧体，黑色线条为渗碳体。 铁碳合金相图，典型成分合金平衡结晶过程，44，铁碳合金相图，典型成分合金平衡结晶过程，45，过共析钢：碳含量0.772.1%，合金； 点13点的结晶化过程相似，最终在室温下过共析钢的组织为p和网格Fe3C。 直到4点727分，a的碳含量为0.77%，发生共析转变，形成p，3点以后，a开始析出Fe3C，Fe3C多沿a晶界呈网状分布，铁合金相图、典型的成分

15、合金平衡结晶过程、46、铁合金相图、典型的成分合金平衡结晶过程、47、47 点1温度后，l开始析出a，2点1148天后，a含有碳2.11%，l含有碳4.3%，l发生共晶转变，形成Ld，合金组织为初晶a和Ld，23点，初晶a和共晶a都析出Fe3C，到3点727分，a含有碳0.77%，共初晶和共晶a均为p，Ld为低温Ld(P Fe3C )的“白口”是指合金中的碳以渗碳体的形式存在，切口为白。 最终，亚共晶白口铸铁的室温组织由p、Ld和Fe3C组成。铁碳合金相图、典型成分合金平衡结晶过程、48、铁碳合金相图、典型成分合金平衡结晶过程、49、共晶白口铸铁：1点1148、l共晶相变发生，形成Ld (共晶

16、A Fe3C )，继续冷却，共晶a析出Fe3C，与共晶Fe3C混合，辨别不清， 到2点727分，含a碳下降到0.77%，发生共析相变，形成p，Ld成为低温Ld(P Fe3C )，最终共晶白口铸铁的室温组织为Ld和Fe3C。 直到铁-碳合金相图、典型成分合金平衡结晶过程、50、铁-碳合金相图、典型成分合金平衡结晶过程、51、过共晶白口铸铁：2点1148，剩馀液相碳含量达到4.3%，l发生共晶相变，形成高温Ld (共晶A Fe3C )。 冷却到1点，l中初晶(一次)渗碳体Fe3CI开始结晶化，呈粗大的板状，合金在持续冷却的过程中不变化，最终，过共晶白口铸铁的室温组织为Ld和Fe3C。铁-碳合金相图

17、、典型的成分合金平衡结晶过程、52、铁-碳合金相图、典型的成分合金平衡结晶过程、53、铁-碳合金相图、典型的成分合金平衡结晶过程、亚共析钢(20钢)共析钢过共析钢(T12钢)、亚共晶白口铸铁共晶白口铸铁过共晶白口铸铁、54、相图的应用， 根据相图分析性能判断合金组织应用于工艺，根据相图可以判断在温度缓慢变化的条件下，任一成分的合金在某一温度下组织的组成成分、各相的化学成分及各相所占的比例。 55、相图的应用、分析性能、合金的性能取决于其成分和组织，铸造性能等技术性能与合金的结晶特征有关的相图显示了合金的成分、组织和结晶特征，所以利用相图粗略地判断合金的性能，选定材料和工艺参考：合金形成单相固溶体合金形成二相混合物，56， 相图的应用：合金形成单相固溶体，合金的性能与元素的性质和溶质原子的