5-2二元相图及其类型.ppt

1、第二节 二元相图及其类型,一.相图基本知识,相图：在一定条件下，处于热力学平衡状态下。描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的一种图解。有温度-浓度图（T-x）、温度-压力-浓度图（T-p-x）、温度-压力图（T-p） 又名：平衡图、组成图、状态图 理解重点：热力学平衡状态、平衡相、组成相（相的多少、种类）、相的组成、相的含量等关系 意义：了解相图的分析和使用方法后，就可以了解合金的组织状态，进而预测合金的性能。另外，可以根据相图来制订合金的锻造和热处理工艺。,组元(Component),组元组成材料最基本的、独立的物质。决定各平衡相的成分， 可以独立变化的组分（元素与化合物）,描述体系中各

2、相组成所需最少的、能独立存 在的物质(讨论问题方便)。 组元（分）数： 体系中组元的个数，简称组元，记为C。 无化学反应体系：组元数 = 物种数（N） 有化学反应（R）体系：组元数 物种数 如 H2(g)， O2(g)， H2O(g) 常温、常压下， C = 3 2000、常压下，2H2(g)+ O2(g) = 2H2O(g),基本概念,相是一个物系中，结构相同，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分。系统中存在的相可以是稳定的、亚稳的或不稳定的。系统在某一热力学条件下，只有当能量具有最小值的相才是最稳定的。系统的热力学条件改变时，自由能会发生变化，相的结构也相应发生变化。注意点：平衡体系

3、中，气相只有一个，液相和固相有多个。相的种类、大小、形态和分布构成显微组织。 相与相之间存在有明显的界面 界面两端，物质性质有飞跃性的改变 一个体系中可以存在一个或多个相 相变相与相之间的转变称为相变。,显微组织,相数：体系中所含相的数目，记为P 。,自然界中物质有三种存在形态（s，l，g） 气态：一般能无限混合 单相 液态：完全互溶 单相 不完全互溶 多相 固态：一般不能互溶 多相,同素异构体 固溶体 单相,相律与相平衡,吉布斯相律处于热力学平衡状态的系统中，自由度与组元和相数之间的关系。 相平衡,相平衡：,多相体系中，所有相的强度性质（温度、压强、每相的化学势等）均相等，体系的性质不会自发

4、地随时间变化的状态 热力学第二定律：孤立体系的自发过程总是朝熵增方向进行； 因此，在封闭体系，恒温恒压过程总是朝吉布斯自由能降低方向进行，平衡状态自由能最低。,如果一个多相体系（即P1），宏观上没有任何物质从一相转移到另一相的现象，就称为相平衡体系。,自由度 （Degree of freedom， f）,在一定范围内任意改变而不引起任何相的产生与消失的最大变量数，独立变量数 独立 在一定条件范围内，可以任意变化， 强度性质 i =i = i = = i 外界条件：成分、温度和压强等。 自由度（数）只能是正整数,相律（F与P、C之间的关系）,注意： 相律推导已用过力平衡、热平衡和化学势平衡条件；

5、 相律是热力学推论，有普适性和局限性； 适于所有的相平衡体系，定性,相律 （F 与P、C之间的关系）,封闭体系：独立组分数C， 相数P ， 外界影响因素n;一共有P（C-1）个独立变量，另外有温度、压强两个外界条件，系统总变量数： P（C-1）+2 等温或等压时： F= C P+ 1 等温且等压时： F = C P 恒压：1元系：C=1，P=2 2元系：C=2，P=3 3元系：C=3，P=4,注意,相律只适合热力学平衡状态，温度、压力一定时的各相的化学位相同； 相律只能表示体系中的组元和相数，不能表示类型和含量； 相律不能预告反应的动力学； 自由度不能小于0.,例题,在标准压力下，能与碳酸钠溶

6、液和冰共存的盐最多有几种？ 在30时，能与水蒸气共存的盐最多有几种？,碳酸钠和水在不同条件下可以形成以下不同形式的水合物：,相图的基本知识,合金相图是应用图解的方法，表示合金的成分、平衡相状态及外界条件（温度、压力等）之间关系的图线，它是研究合金中的相变规律的基础,单元系相图,相图: 温度，压力，相,单元系相律： 组元为1 的体系为单元系相图，单元系相图无成分变法，只有压力和温度的变化，根据相律有： F=1+2-P=3-P F为自由度，P为相数,水的相图,纯铁的相图,SiO2的相图,陶瓷的多晶型转变与温度与压力有关，会引起体积的突变，产生应力，从而在加热与冷却过程中开裂,硅酸盐多晶型转变示意图

7、,单相平衡点的集合构成任意形状区域 两相平衡点的集合构成曲线 三相平衡点的集合为点,温度压力曲线的定量关系， 克拉帕农克劳休斯方程,单元系P-T相图上的规律,相律在相图中的应用,组元数（C） 相数（P） f=CP+1,二元系,2,三元系,3,单相合金，成分和温度都可变,两相平衡，成分、相对量和温度 等因素中只有一个独立变量,三相平衡，三相的成分、相对 量及温度都确定,单相合金其中两个组元的含量 及温度三个因素均可变,两相平衡，两相的成分、数量 及温度中有两个独立变量,三相平衡，所有变量中只有一 个是独立变量,四相平衡所有因素都确定不变,1,2,3,1,2,3,4,2,1,0,3,2,1,0,含

8、义,2、二元相图的成分表示方法和相图建立,成分表示方法：质量百分数（wt%）和原子百分数（at%）,相图的表示和测定方法,二元相图仅考虑体系在成分和温 度两个变量下的热力学平衡状态 横坐标表示成分，纵坐标表示温度,热分析法建立相图,实验和计算确定相图 二元相图是根据各种成分材料的临界点绘制的， 测定材料临界点有动态法和静态法两种方法 如前者有热分析、膨胀法、电阻法等； 后者有金相法、X射线结构分析等,相图的建立,二元相图 （binary phase diagram ）,相律,二元相图根据相律,F=C-P+1=3-P 1、单相平衡点的集合构成两根任意形状的区域,2、两相平衡点的集合构成两根曲线（

9、相律）,一根曲线上的每一点，可由一平行的直线（结线）和另一根曲线的共轭点相连，结线通过的区域为两相区，结线端点所代表的成分就是两相平衡共存相的成分,3、三相平衡点,温度相等、成分固定的三点 水平线为三相区，三相区的成分和温度都是固定不变的， 三点与三个单相区相连 三点两两相连的结线为三个两相区,杠杆定律,温 度,总结： 二元相图,根据相图可确定不同成分的材料在不同温度下组成相的种类、各相的相对量、成分及温度变化时可能发生的变化。 仅在热力学平衡条件下成立，不能确定结构、分布状态和具体形貌。 二元相图中的几何规律 相邻相区的相数差1（点接触除外）相区接触法则； 三相区的形状是一条水平线，其上三点

10、是平衡相的成分点； 若两个三相区中有2个相同的相，则两水平线之间必是由这两相组成的两相区； 单相区边界线的延长线应进入相邻的两相区。,二元相图的分类,匀晶相图 共晶相图 包晶相图 具有中间化合物的相图 偏晶相图等,二.二元系相图,1.匀晶相图:从液相中直接析出，两组元在固液态完全互溶。,tA,A,B,X,1,2,tB,L,0,L,1,2,冷却曲线,t,B%,形成：液态完全互溶，固态完全互溶 ，即形成 匀晶相图。,冷凝过程：,液相线:合金凝固的开始转变线 L=时液相 的平衡成分线 。,固相线:合金凝固终了线L=时固 相的平衡成分线。,组成,图5-15,具有最低点和最高点的匀晶相图及溶解度间隙,二

11、元匀晶相图,2 固溶体合金的平衡结晶 （1）平衡结晶：每个时刻都能达到平衡的结晶过程。 （2）平衡结晶过程分析 冷却曲线：温度时间曲线；,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,二元匀晶相图,2 固溶体合金的平衡结晶 相（组织）与相变（各温区相的类型、相变反应式，杠杆定律应用。）； 组织示意图； 成分均匀化：每时刻结晶出的固溶体的成分不同。,2003 Brooks/Cole, a division of Th

12、omson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,二元匀晶相图,2 固溶体合金的平衡结晶 （3）与纯金属结晶的比较 相同点：基本过程：形核长大； 热力学条件：T0； 能量条件：能量起伏； 结构条件：结构起伏。 不同点：合金在一个温度范围内结晶（可能性：相 律分析；必要性：成分均匀化。） 合金结晶是选分结晶：需成分起伏。,二元匀晶相图,3 固溶体的不平衡结晶 （1）原因:冷速快(假设液相成分均匀、固相成分不均 匀)。 （2）结晶过程特点：固相成分按平均成分线变化（但每 一时刻符合相图）；

13、 结晶的温度范围增大； 组织多为树枝状。,二元匀晶相图,2 固溶体合金的平衡结晶 （3）与纯金属结晶的比较 相同点：基本过程：形核长大； 热力学条件：T0； 能量条件：能量起伏； 结构条件：结构起伏。 不同点：合金在一个温度范围内结晶（可能性：相 律分析；必要性：成分均匀化。） 合金结晶是选分结晶：需成分起伏。,二元匀晶相图,3 固溶体的不平衡结晶 （3）成分偏析： 晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀现象。 枝晶偏析：树枝晶的枝干和枝间化学成分不均匀的现象。 （消除：扩散退火，在低于固相线温度长时间保温。）,具有匀晶相图的陶瓷系统,与纯金属组元不同，两组元均为化合物，如相图：,二元匀晶相图的

14、组织演变,重点：在平衡状态下，杠杆定律计算两相组织的相对含量及其成分，能够画出冷却曲线,练习：固溶体合金的相图如图所示，试根据相图确定：,(a) 成分为40%B的合金首先凝固出来的固体成分； (b) 若首先凝固出来的固体成分含60%B，合金的成分为多少？ (c) 成分为70%B的合金最后凝固的液体成分； (d ) 合金成分为50%B，凝固到某温度时液相含有40%B，固体含有80%B，此时液体和固体各占多少分数？,2.共晶相图,形成：液相完全互溶，固相有限互 溶，有共晶反应的相图。,二元共晶相图,共晶转变：由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相的转变。 Eutectic Reaction：

15、L（Xe）(X)+(X) 共晶相图：具有共晶转变特征的相图。 （液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶，且发生共晶反应。 共晶组织：共晶转变产物。（是两相混合物）,（1）相图分析,液相线：e 、be 固相线：m 、bn mf为Sn在Pb中的固溶度曲线 ng为Pb在Sn中的固溶度曲线 三个单相区：L、 三个两相区：L+、L+、+。 三个两相区的接触线men为共晶反应线，此线表示三相共存区,（2）共晶转变,在三相共存水平线men上，两条液相线汇交于e点。e点以上是液相区，e点下方是+两相共存区。这说明，相当于e点成分的液相，当冷至三相共存线men时会同时结晶出成分为m的相与成分为n的相。te为共晶温

16、度。,三个单相区：,三个两相区：,共晶反应：,（3）共晶合金的平衡结晶及组织,（1）Wsn2的合金 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。,(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,（2）2Wsn19的合金, 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。 二次相（次生相）的生成：脱溶转变（二次析出或二次再结晶）。 室温组织（）及其相对量计算。,(c)2003 Brooks/Cole, a division

17、of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,10%Sn平衡结晶过程,温度下降，相的固溶度逐渐减少，析出II相，因为在固态下发生，扩散能力有限，因此II相细小。,(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,二元共晶相图及合金凝固,2 合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例） （3

18、）共晶合金 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。 共晶线上两相的相对量计算。 室温组织（）及其相对量计算。,(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,共晶合金,共晶反应：,二元共晶相图及合金凝固,2 合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例） （3）共晶合金,(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Lear

19、ning is a trademark used herein under license.,(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,二元共晶相图及合金凝固,2 合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例） （4）亚共晶合金 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。 共晶线上两相的相对量计算。 室温组织（）及其相对量计算。,(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thom

20、son Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,各相含量的计算,亚共晶合金的结晶过程,二元共晶相图及合金凝固,2 合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例） （4）亚共晶合金,(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thom

21、son Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,4）过共晶合金,（4）不平衡结晶及组织,伪共晶：在不平衡结晶的条件下，不在共晶点处的合金，也能全部转变成共晶组织。,伪共晶区对分析合金的不平衡组织有帮助,不平衡共晶,m点以左，n点以右合金不平衡凝固时出现的共晶组织 。,离异共晶,当初相较多，当发生共晶反应时，与当初相相同的一相优先形核，将另一相推到最后处形成，失去了共晶形貌，即组织为离异组织。对合金的性能有不良影响。,重点：,共晶组织、亚共晶组织、亚共析组织、过共晶组织、伪共晶 二元共晶反

22、应式 任何成分的平衡冷却曲线 杠杆定律的应用与计算,练习：X1、X2、X3的冷却曲线,练习,Mg-Ni系的一个共晶反应为 507 L(23.5Wt.%Ni) (纯镁)+Mg2Ni(54.6Wt.%Ni) 设C1为亚共晶合金，C2为过共晶合金，这两种合金中的先共晶相的重量分数相等，但C1合金中的 总量为C2合金中的 总量的2.5倍，试计算C1和C2的成分。 C1=12.7wt%Ni C2=37.8wt%Ni,3.二元包晶相图及合金凝固,包晶转变：由一个特定成分的固相和液相生成另一个特点成分固相的转变。 Peritectic Reaction： 包晶相图：具有包晶转变特征的相图。 1 相图分析 点

23、、线、区。,二元包晶相图及合金凝固,2 平衡结晶过程及其组织 （1）包晶合金的结晶 结晶过程：包晶线以下，L, 对过饱和界面生成三相间存在浓度梯度扩散长大全部转变为。 室温组织：或。,包晶反应处的L相和相的相对量,二元包晶相图及合金凝固,2 平衡结晶过程及其组织 （1）包晶合金的结晶 结晶过程：包晶线以下，L, 对过饱和界面生成三相间存在浓度梯度扩散长大全部转变为。 室温组织：或。,二元包晶相图及合金凝固,2 平衡结晶过程及其组织 （2）成分在d-p之间合金的结晶(图5-34b) 结晶过程：剩余(量的计算)； 室温组织：。,3）p-b成分范围的结晶过程,二元包晶相图及合金凝固,2 平衡结晶过程

24、及其组织,二元包晶相图及合金凝固,3 不平衡结晶及其组织 异常相导致包晶偏析包晶转变要经扩散。包晶偏析：因包晶转变不能充分进行而导致的成分不均匀现象。 异常相由不平衡包晶转变引起。成分在靠近固相、包晶线以外端点附近。,Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E,二元包晶相图及合金凝固,4 包晶转变的应用 （1）组织设计。如轴承合金需要的软基体上分布硬质点 的组织。 （2）晶粒细化。如在铝合金中添加少量的钛（TiAl3),其他类型的二元系相图,（1）熔晶反应：一个固相在某一恒温下分解成一

25、个固相与一个液相的反应。 （2）合晶反应：由两个不同成分的液相在某一恒温下生成一个一定成分的固相的反。应。 （3）偏晶反应：在某一恒温下，由一定成分的液相分解出另一成分的液相，并同时结晶出一定成分的固相的反应。 （4）共析反应：在某一恒温下，一定成分的固相同时分解成两个成分与结构不同的固相反应。 （5）包析反应：两个不同成分的固相，在某一恒温下相互作用生成另一固相的反应,两组元形成中间相的相图,把中间相作为组元来分析,二元相图的几何规律,(1) 两个单相区只能交于一点，而不能交成线段； (2)两个单相区之间，必定是一个由这两个单相构成的两相区； (3)三相共存，必定是一条水平线，该水平线必须与

26、由这3个相组合而成的3个两相区相邻。 (4)如果两个恒温转变中有两个是相同的相，那么在这两条水平线之间一定是由这两个相组成的两相区,二元系统相图的分析,分析方法： (1)先看相固中是否存在稳定的化合物，如果有稳定化合物，则可将稳定化合物作为一个独立的组元把相图分为几个部分来分析研究； (2)根据相区的接触法则，弄清各个相区； (3)找出三相共存水平线及与其接触的3个单相区，由3个单相区与水平线的相互位置确定三相平衡转变的性质和反应式； (4)分析典型合金随温度改变而发生的转变和变化规律在单相区内，该相的成分与原合金相同在两相区内，不同温度下两相的成分均沿其相界线变化，两相的相对含量可由杠杆定律

27、求得三相平衡时，3个相的成分是固定的，反应前或反应后各组成相的相对含量也可以由杠杆定律进行计算,分析： 具有中间化合物的相图,中间化合物：相、相。 相液相直接同成分转变而来； 相包晶反应而来：L+ 两个共晶反应（同学回答）,四.相图与性能的关系,1、根据相图判断材料的力学性能和物理性能 图5-42所示。 1）对于匀晶系，固溶体的强度和硬度均随溶质组元含量的增加而提高。 2）固溶体的塑性、电导率随溶质含量的增加而降低。 3）电阻随溶质量的增加而增加。,对于共晶系和包晶系： 1）当两相混合物中两相的大小及分布都较均匀时，材料的性能是两组成相的平均值，即呈线性关系。 2）当共晶组织十分细密，且在不平

28、衡结晶出现伪共晶时，其强度和硬度在共晶成分俯近偏离直线关系而出现峰值。图5-42中虚线所示。,2、根据相图判断合金的工艺性能,合金的铸造性能主要表现为合金液体的流动性、缩空、热裂倾向及成分偏析等。 1）温度间隔和成分间隔越大的合金其流动性越差，分散缩空也越多，凝固后的枝晶偏析也越严重。 2）共晶成分合金流动性好，分散缩空少。（图5-43）。 3）单相固溶体塑性好，变形均匀。,附加 二元相图的应用：铁碳合金相图（实验）,一、 铁碳合金的组元及基本相 1.纯铁(pure iron)： （1）铁的同素异构转变,A3,A4,727，Fe由顺磁性转变为铁磁性,A2,（2）铁素体和奥氏体 铁素体（ferr

29、ite）bcc 奥氏体（austenite）翡翠城 （3）纯铁的性能与应用 强度低、硬度低、韧性、塑性好 2.渗碳体（cementite） 熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零 3.石墨（graphite）,二、 Fe-Fe3C相图分析,点：16个。 线：两条磁性转变线； 三条等温转变线； 其余三条线：GS,ES,PQ。 区：5个单相区， 7个两相区， 3个三相区。 相图标注：相组成物标注的相图。 组织组成物标注的相图。,点：,1）J为包晶点 合金在平衡结晶过程中冷却到1495时，点成分的L与H点成分的发生包晶反应，生成J点成分的A。,2）C点为共晶点 合金在平衡结晶过程中冷却到1148时，C点

30、成分的L发生共晶反应，生成E点成分的A和Fe3C。,共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混合物，称莱氏体，以符号Ld表示。在显微镜下莱氏体的形态是：块状或粒状A（室温时转变成珠光体）分布在渗碳体基体上。,3）S点为共析点 合金在平衡结晶过程中冷却到727时，S点成分的A发生共析反应，生成P点成分的F和Fe3C。,共析反应产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，称珠光体，以符号P表示。在显微镜下珠光体的形态呈片状。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）。 珠光体的强度很高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间，其力学性能如下： 抗拉强度（b） 770 伸长率 () 2

31、0%30% 冲击韧度 (k) 31054105 J/m2 硬度（HB） 180,3）两条磁性转变线： MO-铁素体的磁性转变线 过230 的虚线-渗碳体的磁性转变线,液相线ABCD，固相线AHJECF。,4）三条水平线 HJB-包晶转变线 ECF-共晶转变线 PSK-共析转变线,线：,（1）包晶转变线HJB：1495 ， LB+HAJ 即 L0.53+ 0.09 A0.17,（2）共晶转变线ECF L4.3 A2.11+Fe3C（共晶渗碳体） Le4.3 高温莱氏体,ASFP+Fe3C（共析渗碳体） A0.77 F0.0218+Fe3CP（珠光体） 珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3

32、C和F之间,（3）共析转变线PSKA1线,1）五个基本相区：ABCD以上-液相区 AHNA- NJESGN-A（） GPQG-F（） DFKL- Fe3C或Cm,2）七个两相区：ABJHA-L+ JBCEJ-L+ DCFD- L+ Fe3C HJNH- + GSPG- + ECFKSE- + Fe3C QPSKL以下- + Fe3C,区：,三、铁碳合金及平衡结晶,1.铁碳合金,2.铁碳合金的平衡结晶,（1）工业纯铁（C%0.0218%）,LL+AAA+FF F+Fe3CIII 相组成物： Fe3C C%=6.69% F C%0.0008% 相相对量： F%= Fe3C%= 组织组成物：F（等轴

33、晶） 和Fe3CIII（小片状）,2,3,4,5,1,（2）共析钢 C%=0.77%,L L+A A P 相组成物：F和Fe3C F%= Fe3C%= 组织组成物 ： P (层片状) 100%,1,2,3-3,片间距S0,S0,F,Fe3C,500,800,（3）亚共析钢 0.0218%C%0.77%,LL+A A A+F A+P+F P+F 相组成物：F，Fe3C 相相对量： F%= Fe3C%= 组织组成物：F、P P%= F%=,亚共析钢 0.0218%C%0.77%,45钢金相,F,P,（4）过共析钢（0.77%C%2.11%）,LL+AAA+Fe3CIIP+Fe3CII 相组成物：F

34、，Fe3C F%= Fe3C%= 组织组成物：P，Fe3CII 组织相对量： Fe3CII%= P%=,1,1,3,4-4,2,过共析钢,T12钢金相,Fe3CII,P,（5）共晶白口铸铁（C%=4.3%）,LL+LeLe (A+Fe3C共晶) Le (A+Fe3C共晶+Fe3CII) Le(P+Fe3C共晶+Fe3CII) 相组成物：F，Fe3C F%= Fe3C%= 组织组成物：Le,共晶白口铸铁（C%=4.3%）,共晶白口铁金相,（6）亚共晶白口铸铁 2.11%C%4.3%,相组成物：F，Fe3C 相相对量： F%= Fe3C%= 组织组成物：P，Le，Fe3CII,亚共晶白口铸铁金相,

35、亚共晶白口铸铁（2.11%C%4.3% ）,（7）过共晶白口铸铁（C%4.3% ）,过共晶白口铁结晶过程示意图,过共晶白口铸铁金相,过共晶白口铸铁,相组成物： F%= Fe3C%= 组织组成物：Le，Fe3C Fe3C%= Le%=Lc%=,四、碳对铁碳合金的组织与性能的影响,1.碳对铁碳合金平衡组织 的影响,组织：Fe3C LdFe3C； 相：减少，Fe3C增多； Fe3C形态： Fe3C（薄网状、点状） 共析Fe3C（层片状） Fe3C（网状） 共晶Fe3C（基体） Fe3C（粗大片状）。,铁碳合金碳含量增加，组织按下列顺序变化： F、F+P、P、P+Fe3C、P+ Fe3C+ Ld、Ld

36、、Ld+ Fe3C、Fe3C,2.碳对力学性能的影响,强度、硬度升高， 塑韧性下降。,3.碳对工艺性能的影响,（1）切削加工性 （2）可锻性：C%2.11%，适合锻造，可得到单相组织。 C%0.25%，适合冷塑变，变形阻力小。 （3）铸造性：C%4.3%，适合铸造，流动性好。 （4）适合热处理：0.0218 % C% 2.11 % ，有固态相变。,实验 金相显微镜的构造和使用,一、实验目的 二、实验仪器 三、实验原理 四、操作步骤 五、注意事项,（1）熟悉金相显微镜的光学原理和构造。 （2）初步掌握金相显微的使用方法。,一、实验目的,金相显微镜是进行金属显微分析的主要工具。将专门制备的金属试样

37、放在金相显微镜下进行放大和观察，可以研究金属组织与其成分和性能之间的关系；确定各种金属经不同加工及热处理后的显微组织；鉴别金属材料质量的优劣，如各种非金属夹杂物在组织中的数量及分布情况，以及金属晶粒度大小等。因此，利用金相显微镜来观察金属的内部组织与缺陷是金属材料研究中的一种基本实验技术。 简单地讲，金相显微镜是利用光线的反射将不透明物件放大后进行观察的。下面分别介绍金相显微镜的基本原理、构造和使用方法。,二、 实验仪器,单目与双目光学金相显微镜,3.1 金相显微镜的光学放大原理,金相显微镜是依靠光学系统实现放大作用的，其基本原理如图21所示。光学系统主要包括物镜、目镜及一些辅助光学零件。对着

38、被观察物体A B的一组透镜叫物镜O1；对着眼睛的一组透镜叫目镜O2。现代显微镜的物镜和目镜都是由复杂的透镜系统所组成。,图2 1 金相显微镜的光学放大原理示意图,光学显微镜的放大倍数可达到16002000倍。当被观察物体AB置于物镜前焦点略远处时，物体的反射光线穿过物镜经折射后，得到一个放大的倒立实像A1B1（称为中间象）。若A1B1处于目镜焦距之内，则通过目镜观察到的物象是经目镜再次放大了的虚象A1B1。由于正常人眼观察物体时最适宜的距离是250mm（称为明视距离），因此在显微镜设计上，应让虚象A1B1正好落在距人眼250mm处，以使观察到的物体影像最清晰。,3 金相显微镜的基本原理,32

39、金相显微镜的主要性能指标,321 放大倍数 显微镜的放大倍数为物镜放大倍数M物和目镜放大倍数子M目的乘积，即：,式中，f物 物镜的焦距，f目目镜的焦距；L显微镜的光学镜筒长度；D 明视距离（250mm）。 f物和f目越短或L越长，则显微镜的放大倍数越高。有的小型显微镜的放大倍数需再乘一个镜筒系数，因为它的镜筒长度比一般显微镜短些。,显微镜的主要放大倍数一般是通过物镜来保证，物镜的最高放大倍数可达100倍，目镜的放大倍数可达25倍。在物镜和目镜的镜筒上，均标注有放大倍数，放大倍数常用符号“”表示，如100，200等。,金相显微镜的鉴别率是指它能清晰地分辨试样上两点间最小距离d的能力。d值越小，鉴

40、别率越高。根据光学衍射原理，试样上的某一点通过物镜成象后，我们看到并不是一个真正的点象，而是具有一定尺寸的白色圆斑，四周围绕着许多衍射环。当试样上两个相邻点的距离极近时，成象后由于部分重迭而不能分清为两个点。只有当试样上两点距离达到某一d值时，才能将两点分辨清楚。 显微镜的鉴别率取决于使用光线的波长（）和物镜的数值孔径（A），而与目镜无关，其d值可由下式计算：,322 鉴别率,在一般显微镜中，光源的波长可通过加滤色片来改变，例如： 蓝光的波长（ ）比黄绿光（ ）短，所以鉴别率较黄绿光高25%。当光源的波长一定时，可通过改变物镜的数值孔径A来调节显微镜的鉴别率。,式中，n物镜与试样之间介质的折射

41、率；物镜孔径角的一半，即通过物镜边缘的光线与物镜轴线所成夹角。 n越大或 越大，则A越大，物镜的鉴别率就越高。由于 总是小于90度的。所以在空气介质 (n =1）中使用时，A一定小于1，这类物镜称干系物镜。若在物镜与试样之间充满松柏油介质（n=1.52），则A值最高可达1.4，这就是显微镜在高倍观察时用的油浸系物镜（简称油镜头）。每个物镜都有一个额定A值，与放大倍数一起标刻在物镜头上。,323 物镜的数值孔径,图2 2 物镜孔径角,物镜的数值孔径表示物镜的聚光能力，如图22所示。数值孔径大的物镜聚光能力强，能吸收更多的光线，使物象更清晰，数值孔径A可由下式计算：,所以，显微镜的放大倍数M与物镜的数值孔径之间存在一 定关系，其范围称有效放大倍数范围。在选用物镜时，