第2章 二元合金相图与铁碳合金相图

机械工程概论Introductiontomechanicalengineering张力菠[e-mail]南京航空航天大学经济与管理学院第2章2二元合金相图铁碳合金相图相图的应用第2章二元合金相图与铁碳相图第2章3二元合金相图——基本概念二元合金相图：表示二元合金系中不同成分的合金在温度极缓慢变化条件下，各不同温度下相组成和相变化的图；二元合金系：由某两种元素组成的各种不同成分合金的总和；合金相图是制定铸造、锻造、热处理等工艺的重要依据，也是研究合金组织、组织转变及合金性能的有力工具。指极缓慢的冷却或加热，此时发生相变，原子可进行充分的扩散，得到的组织是稳定或平衡的，这种极缓慢冷却或加热，使原子能够进行充分扩散的状态叫平衡状态。第2章4二元合金相图——相图的建立所有的合金相图都是通过实验方法得到的，一般是利用合金相变时产生的各种变化测定相变点，绘制合金相图；建立方法：以铜镍合金为例，总共包括以下四步：常用热分析法和金相法；建立步骤：第2章5Cu-Ni合金相图的建立步骤：配制不同成分的Cu-Ni合金，见表；作出每种合金的冷却曲线，并找出其相变温度，即各曲线上开始和终止结晶温度即临界点，见表；画出温度-成分坐标系，在各成分垂线上标出临界点温度；连接临界点中物理意义相同的点，即得Cu-Ni合金相图。合金编号成分（％）结晶温度（℃）CuNi开始结束ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ100806040200020406080100108311701260134714101452108311381200128513821452二元合金相图——相图的建立第2章6二元合金相图——相图的建立第2章7Cu-Ni合金相图的解读：二元合金相图——相图的建立第一个点A、第二个点B分别为Cu、Ni的熔点；各结晶开始温度连线为液相线，该线以上为液相区，L；各结晶终止温度连线为固相线，该线以下为固相区，α；固、液相线之间的区域固液相并存，即双相区，L+α；双相区说明Cu-Ni合金的结晶是在一个温度范围内进行的，这一点与纯金属的结晶有所区别。第2章8Cu-Ni合金相图是最简单的二元合金相图，通常合金的相图都很复杂，但都是由几种基本相图组合而成：二元匀晶相图二元共晶相图二元共析相图二元合金相图种类：第2章9二元合金相图——匀晶相图概念：二元合金系中二组元在液态和固态均能无限互溶所构成的相图，即二元匀晶相图；例具有二元匀晶相图的合金系主要有：Cu-Ni、Cu-Au、Fe-Ni、W-Mo等；以Cu-Ni合金为例，来分析具有二元匀晶相图的二元合金系的结晶过程与产物。第2章10二元合金相图——匀晶相图第2章11从二元合金相图中的双相区，不仅可知道两相的成分，还可得知两相的相对重量；杠杆定律：研究表明，固液二相的相对量关系，如同力学中的杠杆定律，因此可得二元合金相平衡计算的杠杆定律；注！杠杆定律只适用于两相平衡区中，两平衡相的相对含量计算！二元合金相图——匀晶相图第2章12二元合金相图——匀晶相图第2章13二元合金相图——匀晶相图第2章14二元合金相图——共晶相图概念：两组元在液态时无限互溶，固态时有限溶解，结晶时发生共晶转变，形成两相机械混合物的相图，即共晶相图；一定成分的液相，在一定温度下，同时结晶出成分不同的两种固相的转变，即共晶转变；例Pb-Sn、Pb-Sb、Cu-Ag等合金系具有二元共晶相图；以Pb-Sn合金为例，来分析具有二元共晶相图的二元合金系的结晶过程与产物。第2章15Pb-Sn二元合金（共晶）相图二元合金相图——共晶相图第2章16Pb-Sn相图分析：e点称为共晶点；ced线称为共晶线；对应于共晶点的合金称为共晶合金；成分位于ce之间的合金称为亚共晶合金；成分位于ed之间的合金称为过共晶合金。二元合金相图——共晶相图第2章17二元合金相图——共析相图概念：从一个固相中同时析出成分和晶体结构完全不同的两种新固相的转变过程（共析转变）的相图，即共析相图。第2章18解读：图中A、B为两组元，合金结晶后得到γ固溶体，γc固溶体在恒温下进行共析转变：c点为共析点，dce为共析线，对应的温度为共析温度；(αd+βe)称为共析体；γc→αd+βe共析转变在固态下进行，转变温度较低，原子扩散困难，故过冷度较大，与共晶体相比，共析体组织较细小且均匀。特点：二元合金相图——共析相图第2章19铁碳合金：铁碳合金相图主要成员是碳钢与铸铁；铁碳合金相图：研究极缓慢冷却或加热条件下，铁碳合金的成分、组织与性能之间关系及其变化规律的图形。都是以铁和碳为基本元素的合金，其机械、工艺性能优良，故应用广泛；改变化学成分和工艺条件（温度、冷却速度等），可获得不同的组织和性能，以满足多种需要。第2章20铁碳相图的研究范围：C＞5％的铁碳合金太脆，无实用价值，故实际使用C≤5%！有实用价值部分，即C＜6.69%的Fe-Fe3C相图，故所研究的铁碳合金基本组元是Fe与Fe3C，属二元合金。按含碳量不同，可形成三种：含碳量＝6.69%，形成Fe3C含碳量＞6.69%，随含碳量增加形成Fe2C+FeC铁碳形成的化合物：铁碳合金相图第2章21铁碳合金相图——基本相及组织因铁素体与渗碳体相对数量及其分布状态的不同又可形成铁碳合金中两个基本组织：由于铁与碳相互作用的不同，铁碳合金在固态下的基本相分为固溶体与金属化合物两类：属金属化合物的基本相：属于固溶体的基本相，包括两种：铁素体奥氏体渗碳体珠光体莱氏体固态相中还有一种δ相，但其对性能影响不大，故一般不做考虑。第2章22铁碳合金相图——基本相及组织铁素体：碳在α-Fe中的间隙固溶体，F或α；铁素体为体心立方结构；α-Fe的溶碳量很小，727℃时碳溶解度最大为0.02%，室温时只有0.008%；F强度、硬度很低，塑性、韧性很高，与工业纯铁相近；F很少单独用作工程材料，是碳钢的基体相。第2章23铁素体的显微组织铁碳合金相图——基本相及组织第2章24奥氏体：碳在γ-Fe中的间隙固溶体，A；奥氏体为面心立方结构；γ-Fe溶碳能力较强，1148℃时碳溶解度最大2.11%；奥氏体强度、硬度低，而塑性高，适合压力加工成型；奥氏体存在的温度较高，727℃以上，是铁碳合金一个重要的高温相；铁碳合金相图——基本相及组织第2章25奥氏体的显微组织铁碳合金相图——基本相及组织第2章26渗碳体：铁和6.69%碳组成的金属化合物Fe3C，有时用cm表示；渗碳体熔点为1227℃；具有复杂的晶体结构，成分固定；F3C复杂晶格Fe3C是亚稳定相，一定条件下可分解成F和石墨G：性质硬而脆，是铁碳合金的重要强化相；F3C→F+G铁碳合金相图——基本相及组织第2章27珠光体：铁素体和渗碳体的混合物，P；此转变在固态下，从单相固溶体A中同时析出两个互不相溶的固相（F和Fe3C）组成的混台物，即共析转变；珠光体加热至共析温度，它也会转变成奥氏体。相应温度和成分称共析温度、共析成分，产物称共析体；珠光体是含碳为0.77%的奥氏体在727℃时分解的产物：AP（F+F3C）727℃铁碳合金相图——基本相及组织第2章28莱氏体：含碳4.3%的铁碳合金，1148℃时发生共晶反应，液态合金中直接结晶出A和Fe3C的混合物，即莱氏体，Ld；共晶莱氏体性质硬而脆，是生铁的基本组织。降至共析温度，Ld中的A共析分解，转变成P，故在共析温度下，共晶Ld由P和Fe3C组成，即低温莱氏体，Ld’铁碳合金相图——基本相及组织第2章29铁碳合金相图——相图分析铁碳合金相图的研究始于1868年，已一百多年，对零件的选材、加工工艺的制定具有重要的指导意义；铁碳合金相图（Fe-Fe3C相图）如下图，图中不加括号部分为相组成物，加括号部分为组织组成物；Fe-Fe3C相图表示铁碳合金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成物和组织组成物，可由合金的室温组织了解其力学性能，确定应用范围。第2章30铁碳合金相图——相图分析第2章31Fe–Fe3C合金相图铁碳合金相图——相图分析第2章32Fe-Fe3C合金相图包含三个基本组成部分：包晶是由L相和一种固相转变为另一种固相，主要是合金中高温相的变化，应用很少。共晶部分共析部分包晶部分液体奥氏体δ-铁奥+δL+δγγ→L+δ铁碳合金相图——相图分析第2章331148℃铁碳合金相图——相图分析——共晶部分第2章34ECF为共晶线，C点共晶点，共晶成分含碳4.3%，共晶温度1148℃，共晶转变为：E点以左的合金结晶后得到单相A；L→A+Fe3C即液相结晶出莱氏体LdE点是奥氏体的最大溶解点；铁碳合金相图——相图分析——共晶部分E点也是钢和铸铁的分界点：钢含碳量＜2.11%；2.11%≤铸铁含碳量≤6.69%。第2章35铁碳合金相图——相图分析——共析部分727℃第2章36S点为共析点，共析成分为0.77%C，共析温度为727℃，共析转变为：PSK为共析线，称为A1线；A→F+Fe3C即奥氏体析出珠光体PES是碳在奥氏体中的溶解度曲线，记Acm；GS是合金冷却时A转变为F的开始线，加热时F转变为A的终止温度线，记A3；常记Acm，低于此温，奥氏体中将析出渗碳体，称二次渗碳体，Fe3CII，以区别于从液体中经CD线结晶出的一次渗碳体，Fe3CI。铁碳合金相图——相图分析——共析部分第2章37铁碳合金相图——相图分析第2章38铁碳合金相图——典型成分合金平衡结晶过程铁碳合金按含碳量的不同，从相图上可以分为工业纯铁、碳钢及白口铸铁三类，而后两种中又有更细的划分：铁碳合金：工业纯铁碳钢白口铸铁共析钢亚共析钢过共析钢共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁第2章39类别含碳量(％)组织工业纯铁≤0.0218F碳钢亚共析钢0.0218～0.77F+P共析钢0.77P过共析钢0.77～2.11P+Fe3CⅡ白口铸铁亚共晶自口铁2.11～4.3P+Fe3CⅡ＋L’d共晶白口铁4.3L’d过共晶白口铁4.3～6.69L’d＋Fe3CⅠ铁碳合金相图——典型成分合金平衡结晶过程第2章40分析铁碳合金的典型平衡结晶过程，可了解某成分合金在温度下降的每个阶段相的组成和相对量的变化，直至推出室温组织：即合金由液态缓慢冷却到室温所发生的组织转变的过程。亚共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程亚共晶白口铸铁的结晶过程共晶白口铸铁的结晶过程过共晶白口铸铁的结晶过程铁碳合金相图——典型成分合金平衡结晶过程第2章41亚共析钢：含碳量0.02~0.77%，合金Ⅰ点1温度后，L开始结晶出A；2点后，L全部凝固，变为单相A；到4点，A碳含量为0.77%，发生共析转变，形成P，原先析出的F保持不变。至3点，A析出F，F在A晶界处优先生核长大，其成分分别沿GP和GS变化；Ⅰ亚共析钢转变结束后，合金组织为F和P，继续冷却，F会析出极少量Fe3CⅢ，可忽略；最终到室温时，亚共析钢的组织由呈颗粒状的铁素体和呈层片状的珠光体组成。铁碳合金相图——典型成分合金平衡结晶过程第2章42铁碳合金相图——典型成分合金平衡结晶过程第2章43共析钢：含碳0.77%，图中合金Ⅱ；点1温度以上为液相；A→F+Fe3C点1~2温度之间缓冷，不断结晶出A；到2时全为A；冷到点3（727℃），在恒温下发生共析转变：Ⅱ继续冷却，F的溶碳量沿PQ线变化，析出Fe3CⅢ，与Fe3CⅡ相混，不易分辨。因此，共析钢室温组织仍为珠光体，是铁素体与渗碳体组成的片层状共析体，其显微组织中亮白色基底为铁素体，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第2章44铁碳合金相图——典型成分合金平衡结晶过程第2章45ⅢL+A过共析钢：含碳量0.77~2.1%，合金Ⅲ；点1到3点以前的结晶过程与Ⅱ相似；最终，室温下过共析钢的组织为P与网状Fe3CⅡ。至4点727℃时，A含碳量0.77%，发生共析转变，形成P；到3点以后，A开始析出Fe3CⅡ，Fe3CⅡ多沿A晶界呈网状分布；铁碳合金相图——典型成分合金平衡结晶过程第2章46铁碳合金相图——典型成分合金平衡结晶过程第2章47Ⅳ亚共晶白口铸铁：含碳2.1~4.3%，Ⅳ；点1温度后，L开始析出A；2点1148