工程材料与机械制造基础-4-铁碳合金

工程材料与机械制造基础海洋科学与技术学院贾非DalianUniversityofTechnology第四章铁碳合金06:46主要内容合金的相结构固溶体金属化合物二元合金状态图的建立二元相图的建立杠杆定律共晶相图共析相图铁碳合金的结构和相图铁碳合金的基本组织铁碳合金相图典型成分合金平衡结晶过程分析铁碳合金的应用06:46合金的相结构•合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。•组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。•组成合金的元素相互作用可形成不同的相。Al-Cu两相合金黄铜铁碳合金•相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。•组织一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体。•显微组织是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。•固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。单相合金两相合金合金的相结构•固溶体合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相。习惯以、、表示。与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。Cu-Ni置换固溶体Fe-C间隙固溶体合金的相结构•①置换固溶体•溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。•溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称有序固溶体。黄铜置换固溶体组织固溶体•②间隙固溶体•溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。•形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族元素。形成间隙固溶体的一般规律为r质/r剂0.59。间隙固溶体都是无序固溶体。固溶体•③固溶体的溶解度•溶质原子在固溶体中的极限浓度。•溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体。•组成元素无限互溶的固溶体称无限固溶体。•组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。•间隙固溶体都是有限固溶体。Cu-Ni无限固溶体Cu-Zn有限固溶体固溶体化合物固溶体•④固溶体的性能•随溶质含量增加,固溶体的强度、硬度增加,塑性、韧性下降—固溶强化。•产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用。与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。固溶体•⑵金属化合物•合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。铁碳合金中的Fe3C当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金属化合物也是合金的重要组成相。合金的相结构①正常价化合物—符合正常原子价规律。如Mg2Si②电子化合物—符合电子浓度规律。如Cu3Sn。电子浓度为价电子数与原子数的比值。③间隙化合物—由过渡族元素与C、N、B、H等小原子半径的非金属元素组成。Al-Mg-Si合金中的Mg2SiPb基轴承合金中的电子化合物金属化合物•a.间隙相：r非/r金0.59时形成的具有简单晶格结构的间隙化合物。如•M4X(Fe4N)、•M2X(Fe2N、W2C)、•MX(TiC、VC、TiN)等。•间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定。•部分碳化物和所有氮化物属于间隙相。VC的结构金属化合物•b.具有复杂结构的间隙化合物•当r非/r金0.59时形成复杂结构间隙化合物。•如FeB、Fe3C、Cr23C6等。Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。•化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物为基的固溶体。Fe3C的晶格高温合金中的Cr23C6金属化合物•合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析.•常压下，合金存在的状态由成分和温度确定。•合金相图是表示在平衡条件下合金系中的合金状态与温度、成分之间关系图解。又称状态图或平衡图。二元合金状态图的建立•合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。多数情况下组元是指组成合金的元素。但对于既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组元,如Fe-C合金中的Fe3C。Cu-Ni合金相图L成分（wt%Ni）温度（℃）CuNi二元合金状态图的建立•相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。•根据组元数,分为二元相图、三元相图和多元相图。Fe-C二元相图三元相图二元合金状态图的建立•几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。•二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为例]•1.配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。•2.将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。•3.将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。•相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线叫固相线。二元相图的建立二元相图的基本类型与分析两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相图。以Cu-Ni合金为例进行分析。Cu-Ni合金相图匀晶相图二元相图分析•相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。•相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L，固相线以下为固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+）。LL+成分（wt%Ni）CuNi液相线固相线匀晶相图•合金的结晶过程•除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以Ⅰ合金为例说明。当液态金属自高温冷却到t1温度时，开始结晶出成分为1的固溶体，其Ni含量高于合金平均成分L匀晶相图•随温度下降，固溶体重量增加，液相重量减少。•液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶反应。匀晶相图•成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3时，最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时固溶体的成分又变回到合金成分3上来。液固相线不仅是相区分界线,也是结晶时两相的成分变化线；匀晶转变是变温转变。匀晶相图•杠杆定律•处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。•现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：•①确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成分垂线。在成分垂线相当于温度t的o点作水平线，其与液固相线交点a、b所对应的成分x1、x2即分别为液相和固相的成分。12t二元相图分析•则QL+Q=1QLx1+Qx2=x解方程组得121122xxxxQxxxxQαL②确定两平衡相的相对重量设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q。杠杆定律•因此两相的相对重量百分比为：abaoxxxxQabobxxxxQL211212两相的重量比为：2112或)(xxQxxQaoobxxxxQQLL杠杆定律•上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。•在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。•杠杆定律只适用于两相区。•例（如图）%5.61%10045.058.045.053.0Q%5.38%10045.058.053.058.0LQ杠杆定律•合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素（如Cu-Ni合金中的Ni）,后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。枝晶偏析匀晶相图•在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析。•不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。•冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。•枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。生产上常将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火。枝晶偏析Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织平衡组织枝晶偏析组织枝晶偏析共晶相图•当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。•以Pb-Sn相图为例进行分析。Pb-Sn合金相图成分（wt%Sn）PbSn二元相图分析•相图分析•①相：相图中有L、、三种相,是溶质Sn在Pb中的固溶体，是溶质Pb在Sn中的固溶体。•②相区：相图中有三个单相区：L、、；三个两相区：L+、L+、+；一个三相区：即水平线CED。AB共晶相图•④固溶线:溶解度点的连线称固溶线。相图中的CF、DG线分别为Sn在Pb中和Pb在Sn中的固溶线。•固溶体的溶解度随温度降低而下降。③液固相线：液相线AEB，固相线ACEDB。A、B分别为Pb、Sn的熔点。AB共晶相图在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作共晶转变或共晶反应。。•⑤共晶线：水平线CED叫做共晶线。•在共晶线对应的温度下（183℃），E点成分的合金同时结晶出C点成分的固溶体和D点成分的固溶体，形成这两个相的机械混合物：LE⇄(C+D)AB共晶相图•共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体或共晶组织。发生共晶反应的温度称共晶温度。代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。Pb-Sn共晶组织共晶体长大示意图Sn原子扩散Pb原子扩散共晶相图•具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共晶点以右的合金称过共晶合金。凡具有共晶线成分的合金液体冷却到共晶温度时都将发生共晶反应。L+CDAB共晶相图•合金的结晶过程•①含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程•在3点以前为匀晶转变，结晶出单相固溶体，这种直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。.2共晶相图•温度降到3点以下，固溶体被Sn过饱和，由于晶格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相—相。由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。•形成二次相的过程称二次析出,是固态相变的一种。H共晶相图•由于二次相析出温度较低，一般十分细小。%1004FGFQⅡ室温下Ⅱ的相对重量百分比为：由析出的二次用Ⅱ表示。随温度下降，和相的成分分别沿CF线和DG线变化，Ⅱ的重量增加。ⅡQQ共晶相图•Ⅰ合金室温组织为+Ⅱ。成分大于D点合金结晶过程与Ⅰ合金相似，室温组织为+Ⅱ。ABCDEFG共晶相图•②共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程•液态合金冷却到E点时同时被Pb和Sn饱和,发生共晶反应：LE⇄(C+D)。19.2wt%Sn1’共晶相图•析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长大，因而共晶组织较细，呈片、棒、点球等形状。共晶相图共晶组织形态层片状(Al-CuAl2定向凝固)条棒状(Sb-MnSb横截面)螺旋状（Zn-Mg）Pb-Sn共晶组织共晶相图共晶组织形态针状共晶树枝状共晶放射状共晶螺旋状共晶共晶相图•在共晶转变过程中，L、、三相共存,三个相的量在不断变化，但它们各自成分是固定的。•共晶组织中的相称共晶相.共晶转变结束时，和相的相对重量百分比为：%6.54%100%4.45%1002.195.979.615.97%100QQCDEDQE(61.9)D(97.5)C(19.2)共晶相图•共晶结束后，随温度下降，和的成分分别沿CF线和DG线变化，并从共晶中析出Ⅱ，从共晶中析出Ⅱ，由于共晶组织细，Ⅱ与共晶结合，Ⅱ与共晶结合，共晶合金的室温组织仍为(+)共晶体。室温下两相的相对重量百分比是多少？FGFEQFGGEQ','共晶相图•③亚共晶合金(Ⅲ合金)的结晶过程•合金液体在2点以前为匀晶