工程材料与机械制造基础(CH3)

第3章二元合金相图•本章重点：•1、匀晶、共晶与铁碳相图分析。•2、相图与性能的关系。•几个重要概念：•1、组元：组成合金的独立的最基本的单元（一般是一种元素或一种稳定的化合物）。•2、相：金属或合金中，具有相同化学成分，相同结晶构造，并有明显界面分开的独立组成部分。•3、组织：用肉眼或显微镜观察到的材料的微观形貌。4、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，称为合金系。5、相图：状态图，平衡图或平衡状态图。表示合金系在平衡条件下，相、温度及成分之间关系的图形•1、研究合金在缓慢冷却条件下相的变化。•2、判断合金在快速冷却条件下组织的变化。•3、指导制定热加工工艺。•二、相图的表示方法一、研究相图的意义三、相图的建立•热分析法测定简单相图的步骤（以Cu-Ni合金为例）：•1、配制一系列不同成分的Cu-Ni合金。•2、用热分析法测出每一合金的冷却曲线。•3、找出各冷却曲线上的临界转变点。•4、将各合金的转变点分别标注在温度-成分坐标图中相应的合金线上。•5、将意义相同的点连接起来，即获得相图。四、二元匀晶相图•当两组元在液态和固态下均可以任何比例相互溶解时所构成的相图叫匀晶相图。如Cu-NiFe-CrAu-Ag等。•1、相图分析•2、典型合金的结晶过程及显微组织•3、枝晶偏析•一个晶粒内化学成分不均匀的现象叫枝晶偏析。•消除枝晶偏析的方法：扩散退火。4、杠杆定律的应用在合金的结晶过程中，随着结晶的进行，合金中各个相的成分及相对量都在不断地变化。研究这些变化的工具—杠杆定律。1）确定某一温度下两平衡相的成分2）确定某一温度下两平衡相的相对量如图，确定t2温度下，x合金两平衡相L、各占合金总量的百分之几，及两相的相对量。设合金的总重量=1kg液相的重量=QLkg固相的重量=Qkg合金中的含Ni量=液相中的含Ni量+相中的含Ni量QL+Q=1解得：Q=X-X1/X2-X1X.1=QLX1+QX2QL=X2-X/X2-X1注：在二元合金中，杠杆定律只用于两相区，确定相的相对量或组织的相对量上节课的主要内容1、重要的概念加工硬化（变形强化、位错强化、冷作硬化）、回复、再结晶、热变形与冷变形、相、组织、枝晶偏析2、加工硬化的优缺点（在实际生产中的应用）。3、变形金属重新加热后三个阶段组织与性能的变化。4、匀晶相图中典型合金的结晶过程与杠杆定律的应用。五、二元共晶相图•两组元在液态时彼此无限互溶，固态下彼此部分固溶并有共晶转变的相图。如Pb-SnPb-SbAl-SiAg-CuFe-C等都可形成共晶相图。以Pb-Sn相图为例：•1、相图分析•点：a,b,c,d,e•线：adb-液相线。•acdeb-固相线。•Cf-Sn在Pb中的溶解度线，Sn在Pb中固溶体为。•eg-Pb在Sn中的溶解度线，Pb在Sn中固溶体为。•Ced-共晶线。在共晶线温度发生共晶反应，转变过程中是三相（L，，）共存。•相区：单相区（L，，）。两相区（L+，L+，+）。三相区（L++）-水平线。2、典型合金的结晶过程及显微组织•共5个典型合金，实际上3与4，1与5的结晶过程相似，所以只分析前3个合金。•1合金：匀晶反应+二次结晶反应（脱溶反应）+•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结晶反应或脱溶反应。•次生相与初生相虽然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。•当次生相以细小粒状形式分布在较软的固溶体基体上时，由于次生相对位错运动的阻碍作用，使材料的强度提高的现象称时效强化。•合金4的结晶过程与1相似，只是从液相中先结晶的固溶体为，二次反应的产物为，最后室温组织+。2合金：恰好是共晶成分。室温组织为F+G共晶体。•共晶反应的条件：•1）温度是确定的，即水平线的温度。•2）成分是确定的，即共晶点的成分。•共晶体的特点：•1）组成共晶体的两个固相的相对量是一定的。•2）在显微镜下具有独特的形貌，多样形态（视为一种组织）。•3）组织较细密。3合金：结晶过程分三个阶段，即匀晶反应+共晶反应+二次结晶反应。室温组织：+（+）+•这种位于共晶点左侧的合金称为亚共晶合金。•4合金的结晶过程与3合金相似。这种位于共晶点右侧的合金称为过共晶合金。其结晶过程与3合金相似，只是匀晶产物为初晶，二次结晶产物为。室温组织为+（+）+。•3、组织组成物与相组成物六、二元共析相图•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。•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。七、铁碳合金相图•（一）学习Fe-Fe3C相图的意义•（二）对Fe-Fe3C相图的几点说明•（三）铁碳合金的基本相•1、Fe在固态下有两次晶格类型的转变，-Fe-Fe-Fe。•C在Fe中形成间隙固溶体，在-Fe中的固溶体叫铁素体（F），C在-Fe中的溶解度极小，最大为0.0218%.在-Fe中的固溶体叫奥氏体（A）,C在-Fe中的溶解度较大，为2.11%~0.77%。•F与A的强度、硬度都较低，而塑性和韧性好。2、Fe3C：是晶格复杂的间隙化合物，强度很低（40MPa)，塑性几乎为零，但硬度很高HB800，所以Fe3C硬而脆。在钢和白口铁中以片状、球状、网状等形式存在。它的形状和分布对钢的性能影响很大，是铁碳合金的强化相。•铁碳合金中的相•1）液相L•2）相-高温铁素体。•3）相-铁素体（用F表示）•4）相-奥氏体（用A表示）•5）Fe3C（四）Fe-Fe3C相图分析•1、重要点与线的分析•1）重要的点•A：纯铁的熔点，t=1538C，C=0•D：Fe3C的熔点，t=1227C，C=6.69%•G：纯铁同素异构转变点，-Fe-Fet=912C，C=0•E：C在-Fe中的最大溶解度点，t=1148C，C=2.11%，也是钢与白口铁的成分分界点。•P：C在-Fe中最大溶解度点，t=727C，C=0.0218%。也是纯铁与钢的成分分界点。•C：共晶点，t=1148C，C=4.3%•S：共析点，t=727C，C=0.77%2）重要的线•ACD：液相线。•AECF：固相线。•ES：碳在奥氏体中的溶解度曲线。以Acm表示。•在1148C时奥氏体中的最高溶碳量2.11%,到727C时溶C量为0.77%。所以，凡含C量高于0.77%的铁碳合金自1148C冷到727C时，均会从奥氏体中沿晶界析出网状Fe3C。•PQ：碳在铁素体中的溶解度曲线。•在727C时铁素体中的最高溶碳量0.0218%,到室温时溶C量几乎为0。所以，凡含C量大于0的铁碳合金自727C冷到室温时均会从铁素体中析出Fe3C，但是因量很少一般不予考虑。•GS：从不同含碳量的奥氏体中析出铁素体的开始线。以A3表示。•EFC：共晶线。共晶反应发生在含碳为2.11~6.69%的铁碳合金中。•PSK：共析线，以A1表示。共析反应发生在含碳为0.0218~6.69%的铁碳合金中。2、典型合金的结晶过程及组织•按含碳量和组织不同，铁碳合金分三类：•工业纯铁（C0.0218%）•钢（C0.0218~2.11%）。根据室温组织不同，又分三种：共析钢（C=0.77%），亚共析钢（C0.77%），过共析钢（C0.77%）。•白口铁（C2.11~6.69%）。根据室温组织不同，又分三种：共晶白口铁（C=4.3%），亚共析白口铁（C4.3%），过共晶白口铁（C4.3%）。1）钢的结晶过程及组织•含碳小于2.11%能够进行压力加工的铁碳合金叫钢。•A、共析钢的结晶过程及显微组织LL+AAP（F+Fe3C)•B、亚共析钢LL+AAA+FP+F•C、过共析钢LL+AAA+Fe3CP+Fe3C•钢的共同特点是高温下都有塑性很好的A体组织，适合于压力加工。2）白口铁的结晶过程与显微组织•A、共晶白口铁LLd(A+Fe3C)Ld(A+Fe3C+Fe3C)L'd(P+Fe3C+Fe3C)•B、亚共晶白口铁LL+AA+LdA+Fe3C+LdP+Fe3C+L‘d•C、过共晶白口铁LL+Fe3CFe3C+LdFe3C+L‘d因为白口铁在高温时都有脆性的共晶莱氏体，所以不能进行锻压，而共晶成分合金的流动性好，适合于铸造。八、相图的应用•1、判断合金的组织•据相图可判断在平衡冷却条件下，任一成分合金在某个温度时的组织是由那些相组成，各相的化学成分及相对量。2、根据相图分析机械性能•随着溶质的加入，合金的强度、硬度提高。但固溶体的塑性和韧性仍然较高。•在两相区内，合金的性能介入两组成相之间，与成分成直线关系，是两相性能的算数平均值。•=1·V1+2·V2HB=HB1·V1+HB2·V2•当形成细小的共晶组织时，机械性能将偏离直线而出现高峰。3、碳钢的机械性能4、相图与加工工艺性能的关系1）与铸造性能（流动性、缩孔缩松、偏析）•因为共晶成分的合金在恒温下结晶，无温度间隔，且熔点最低，所以流动性最好，而且热裂、偏析倾向最小，最易形成集中缩孔，铸件致密，铸造性能最好。•2）与压力加工性能3）与切削加工性能•单相固溶体的塑性、韧性好，所以，共晶线两侧的合金适合于锻压，但切削加工性较差。共晶线上的合金反之。•注：相图反应的是平衡条件下合金的相，而实际生产中常发生不平衡转变，其相的变化在热处理中讲。