第4章 二元合金相图

1、l 金的性能与合金中的相结构和显微组织有关金的性能与合金中的相结构和显微组织有关; ;l 合金中的相是由合金的化学成分、温度及压合金中的相是由合金的化学成分、温度及压力等因素决定的，在通常气压条件下，合金平衡力等因素决定的，在通常气压条件下，合金平衡态的相组成由合金的化学成分和温度决定。态的相组成由合金的化学成分和温度决定。l相图相图：描述平衡条件下合金的状态或相的变化：描述平衡条件下合金的状态或相的变化与成分、温度关系的图解。与成分、温度关系的图解。l本章重点是固态合金的相结构和二元合金相图。本章重点是固态合金的相结构和二元合金相图。l l 4.1 合金相图的建立合金相图的建立l一、相图的基

2、本知识一、相图的基本知识l 相图形式和种类很多，如温度相图形式和种类很多，如温度-含量图（含量图（T-X）、温度）、温度-压力图（压力图（T-P）、温度）、温度-压力压力-含量图含量图（T-P-X）以及立体模型图（如三元相图）等，）以及立体模型图（如三元相图）等，常用的是温度常用的是温度-含量图。含量图。l l (二二)相图的建立相图的建立l 相图的建立可以用实验方法，也可以用计算方法，相图的建立可以用实验方法，也可以用计算方法，l但到目前为止，所有的合金相图都是通过实验方法得到但到目前为止，所有的合金相图都是通过实验方法得到l的。实验的方法也很多，又都是以相变发生时其物理参的。实验的方法也很

3、多，又都是以相变发生时其物理参l数突变（体积、磁性、比热容等数突变（体积、磁性、比热容等)为依据的。热分析法为依据的。热分析法l是最常使用的实验方法是最常使用的实验方法l 以以CuNi合金为例介绍建立的过程。合金为例介绍建立的过程。l (1)配制不同成分的配制不同成分的CuNi合金。例如：合金。例如：l 100% Cu ， O Nil 80 Cu ， 20 Ni ；l 60 Cu ， 40 Ni ；l 40% Cu ， 60 Ni ；l 20 Cu ， 80 Ni ；l 0 Cu ， 100 Ni 。l l (2) 测出每个合金的冷却曲线测出每个合金的冷却曲线(冷却速度一般为冷却速度一般为0.

4、5C1.5Cmin)，并找出各冷却曲线上的临界，并找出各冷却曲线上的临界点点(即停歇点和转折点即停歇点和转折点 ）。）。l (3)(3)以温度为纵坐标以温度为纵坐标( (单位为单位为)，合金成分为横，合金成分为横坐标坐标( (单位为质量或摩尔分数单位为质量或摩尔分数) )作直角坐标系统，作直角坐标系统，自横坐标上各成分点作垂直线自横坐标上各成分点作垂直线成分垂线，然后成分垂线，然后把每个合金冷却曲线上的临界点分别标在各个合把每个合金冷却曲线上的临界点分别标在各个合金的成分垂线上。金的成分垂线上。l (4)(4)将各个成分将各个成分垂垂线上具有线上具有相同相同意义的意义的临界临界点连点连接成线接

5、成线，并根据已知条件和实际分析结果写上数并根据已知条件和实际分析结果写上数字、字、字母和字母和各区所各区所存存在的相或组织的名称在的相或组织的名称，就得就得到到个完整的二元合金相个完整的二元合金相图图。l la）冷却曲线 b）相图l 冷却曲线上的转折点及停歇点，表示冷却曲线上的转折点及停歇点，表示金属及合金在冷却到该温度时发生了冷却金属及合金在冷却到该温度时发生了冷却速度的突然改变，这是金属及合金在结晶速度的突然改变，这是金属及合金在结晶时有结晶潜热放出，抵消了部分或全部热时有结晶潜热放出，抵消了部分或全部热量散失。量散失。l 合金结晶的临界点及合金的实际结晶合金结晶的临界点及合金的实际结晶温

6、度与冷却速度有关，合金的冷却速度愈温度与冷却速度有关，合金的冷却速度愈大，临界点就愈低；合金的冷却速度愈小，大，临界点就愈低；合金的冷却速度愈小，临界点愈高。临界点愈高。l 由于相图是在无限缓慢条件下测得的，由于相图是在无限缓慢条件下测得的，属于平衡结晶，因此相图又称为平衡图。属于平衡结晶，因此相图又称为平衡图。l4.2 二元合金相图的类型二元合金相图的类型l一、一、 匀晶相图匀晶相图l（一）匀晶相图结构（一）匀晶相图结构l 两组元在液态和固态均能无限互溶所构成的两组元在液态和固态均能无限互溶所构成的相图为匀晶相图，如图。相图为匀晶相图，如图。l（二）合金的平衡结晶过程（以（二）合金的平衡结晶

7、过程（以Ni40%为例）为例）l 与纯金属的结晶过程不同，合金的结晶是在与纯金属的结晶过程不同，合金的结晶是在一定温度范围内进行的，已结晶合金的成分沿固一定温度范围内进行的，已结晶合金的成分沿固相线变化，剩余液相成分沿液相线变化。相线变化，剩余液相成分沿液相线变化。l l （三）杠杆定律（三）杠杆定律(平衡相成分平衡相成分, ,平衡相相对重量的平衡相相对重量的确定确定) )l杠杆定律杠杆定律l l 设合金总质量设合金总质量为为Q0，t 温度时液相的质量为温度时液相的质量为QL，固相的质量为，固相的质量为Qa，液、固两相的质量和应，液、固两相的质量和应等于合金的总质量等于合金的总质量Qo，即：，

8、即：l QoQL十十Qa。l 液相中镍的质量应为液相中镍的质量应为QL* wLNi，固相中镍的，固相中镍的质量为质量为QawNi；，金属中镍的质量为；，金属中镍的质量为QO wONi ：l由此而得：由此而得：l lQaQO(woNiwLNi)(wNi一一wLNi)100l QLQo(wNiwoNi)(wNi一一wLNi) l00l Qa(wNiwoNi)=QL(woNi一一wLNi)lQaQO=ao/ablQLQo= bo/ablQa/ QL = ao/ bol 这就是杠杆定律这就是杠杆定律(只适用于两相区只适用于两相区)l 二、二、 二元共晶相图二元共晶相图l（一）二元共晶相图概念（一）二元

9、共晶相图概念l 两组元在液态下完全互溶、在固态下两组元在液态下完全互溶、在固态下有限互溶，并且有共晶反应发生的合金相有限互溶，并且有共晶反应发生的合金相图，称为二元共晶相图。图，称为二元共晶相图。l 共晶反应共晶反应：某一成分的液相在恒温下同某一成分的液相在恒温下同时结晶出两个成分不同的固相的反应。时结晶出两个成分不同的固相的反应。l L + + Tl （二）（二） 共晶相图结构分析共晶相图结构分析共晶相图中有三个单共晶相图中有三个单相区：液相区相区：液相区L，固，固相相和和相区；相区；三个两相区：三个两相区：L+区，区，L+区，区，+区；区；一个三相共存点：一个三相共存点：C点点 l（三）平

10、衡结晶过程分析（以图（三）平衡结晶过程分析（以图2-8）l 1.共晶合金：共晶合金：l 2.Sn含量小于含量小于C点的合金点的合金l 3.亚共晶合金亚共晶合金l 4.过共晶合金过共晶合金l 三、三、 其他类型的二元合金相图其他类型的二元合金相图l 1、包晶相图：两组元在液态下无限互、包晶相图：两组元在液态下无限互溶，固态下有限互溶（或互不溶），并发溶，固态下有限互溶（或互不溶），并发生包晶反应的相图。生包晶反应的相图。l 包晶反应：在一定温度下，由一固定包晶反应：在一定温度下，由一固定成分的液相与一个固定成分的固相作用，成分的液相与一个固定成分的固相作用，生成另一个成分固定的固相的反应。生成另

11、一个成分固定的固相的反应。l 2. 熔晶反应：在一定温度下，一个固相分解熔晶反应：在一定温度下，一个固相分解成一个固相和一个液相的反应。成一个固相和一个液相的反应。l 3. 合晶反应：由两个不同成分的液相，在某一合晶反应：由两个不同成分的液相，在某一恒温下，生成一个成分一定的固相的反应。恒温下，生成一个成分一定的固相的反应。l 4. 偏晶反应：在一定温度下，由一定成分的液偏晶反应：在一定温度下，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。分的固相的反应。l 5.共析反应：一定成分的固相，在恒定温度下共析反应：一定成分的固相，

12、在恒定温度下同时分解成两个成分与结构均不同的固相的反应。同时分解成两个成分与结构均不同的固相的反应。 6. 包析反应：两个不同成分的固相，在恒定温度下包析反应：两个不同成分的固相，在恒定温度下相互作用生成一个固相的反应。相互作用生成一个固相的反应。l 4.3 相图与性能的关系相图与性能的关系l 一、判断材料的力学性能和物理性能一、判断材料的力学性能和物理性能l 由上图可见，当合金形成由上图可见，当合金形成单相固溶体单相固溶体时，时，随溶质溶入量的增加，合金的硬度、强度升高，随溶质溶入量的增加，合金的硬度、强度升高，而电导率降低，呈透镜形曲线变化，在合金性而电导率降低，呈透镜形曲线变化，在合金性

13、能与成分的关系曲线上有一极大值或极小值。能与成分的关系曲线上有一极大值或极小值。l 当合金形成当合金形成两相混合物两相混合物时，其性能是两时，其性能是两相性能值的算术平均值。随着成分的变化，合相性能值的算术平均值。随着成分的变化，合金的强度、硬度、导电率等性能在两组成相的金的强度、硬度、导电率等性能在两组成相的性能间呈线性变化，对于共晶成分或共析成分性能间呈线性变化，对于共晶成分或共析成分的合金，其性能还与两组成相的致密程度有关，的合金，其性能还与两组成相的致密程度有关，组织愈细，性能愈好。组织愈细，性能愈好。l 当合金形成当合金形成稳定化合物稳定化合物时，在化合物处性时，在化合物处性能出现极

14、大值或极小值。能出现极大值或极小值。l 二、二、 判断合金的工艺性能判断合金的工艺性能l 合金的工艺性能与相图也有密切的联系。如合金的工艺性能与相图也有密切的联系。如铸造性能（包括流动性、缩孔分布、偏析大小）铸造性能（包括流动性、缩孔分布、偏析大小）与相图中液相线和固相线之间的距离密切相关。与相图中液相线和固相线之间的距离密切相关。l 相图中液相线与固相线的距离愈宽，形成相图中液相线与固相线的距离愈宽，形成枝晶偏析的倾向越大，同时先结晶出的树枝晶阻枝晶偏析的倾向越大，同时先结晶出的树枝晶阻碍未结晶液体的流动，则流动性愈差，分散缩孔碍未结晶液体的流动，则流动性愈差，分散缩孔愈多。愈多。l 4.4

15、 铁碳合金相图铁碳合金相图l 钢铁材料是现代工业中应用最广泛的金属材钢铁材料是现代工业中应用最广泛的金属材料，其最基本的组成是铁和碳两个元素。根据含料，其最基本的组成是铁和碳两个元素。根据含碳量多少分为碳钢（碳含量碳量多少分为碳钢（碳含量0.02%0.02%2.11%2.11%）和铸）和铸铁（含碳量大于铁（含碳量大于2.11%2.11%）。因为当铁碳合金中碳）。因为当铁碳合金中碳的质量分数大于的质量分数大于6.69%6.69%时，性能很脆，无实用价时，性能很脆，无实用价值 。 所 以 ， 在 铁 碳 合 金 相 图 中 仅 研 究值 。 所 以 ， 在 铁 碳 合 金 相 图 中 仅 研 究

16、F e -F e -FeFe3 3C(6.69%C)C(6.69%C)的部分。下面所讨论的铁碳合金相的部分。下面所讨论的铁碳合金相图实际上是图实际上是FeFeFeFe3 3C C相图。相图。l l一、铁碳合金中的基本相一、铁碳合金中的基本相l 1. 固溶体（高温铁素体）：是高温下，碳溶固溶体（高温铁素体）：是高温下，碳溶于于 -Fe-Fe形成的间隙固溶体，形成的间隙固溶体， -Fe-Fe中碳的最大溶中碳的最大溶解度为解度为0.09%0.09%（14951495），室温下不存在。），室温下不存在。l2.2.奥氏体（奥氏体（A A或或 ）：是碳溶于）：是碳溶于 - Fe- Fe中形成的间中形成的间

17、隙固溶体。在隙固溶体。在727727以上存在。以上存在。l 碳的最大溶解度为碳的最大溶解度为2.11%2.11%（11481148）。强度）。强度低、塑性好。低、塑性好。l3.3.铁素体（铁素体（F F或或 ）：是碳溶于）：是碳溶于 FeFe中形成的间中形成的间隙固溶体。隙固溶体。l 室温下碳在室温下碳在 FeFe中溶解度为中溶解度为0.00080.0008），最），最大溶解度为大溶解度为0.02180.0218（727 727 ）。）。l. .渗碳体渗碳体(Fe(Fe3 3C)C)l Fe Fe3 3C C是是种具有复杂晶格的间隙化合物，其种具有复杂晶格的间隙化合物，其中铁原子与碳原子之比为

18、中铁原子与碳原子之比为3 3：1 1， FeFe3 3C C中的碳的中的碳的质量分数为质量分数为6 66969， FeFe3 3C C的熔点为的熔点为12271227，不，不发生同素异晶转变。发生同素异晶转变。 ，约为约为800HB800HB，其塑性几乎是零。在室温平衡状，其塑性几乎是零。在室温平衡状态下，铁碳合金中的碳大多以态下，铁碳合金中的碳大多以FeFe3 3C C形式存在。形式存在。l二、二、FeFe FeFe3 3C C相图结构分析相图结构分析Fe Fe3C TL+AAFA+FSELCD1148L+ Fe3C( A+Fe3C )727P( F+ Fe3C )QKF6.69%CAACD

19、EFGSPQ1148727LAL+AL+ Fe3C4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C T( A+Fe3C )LdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CFA+FA+ Fe3C( F+ Fe3C )PP+F0.77%CP+Fe3CLdLd+Fe3CP+Ld+Fe3CK共晶相图共晶相图共析相图共析相图匀晶相图匀晶相图( P+Fe3C )l三、典型合金的平衡结晶过程分析三、典型合金的平衡结晶过程分析l铁碳合金的分类：铁碳合金的分类：l工业纯铁：含碳量工业纯铁：含碳量0.02180.0218，显微组织为，显微组织为F F。l碳钢：含碳量碳钢：含碳量0.02180.02182.11

20、2.11。包括。包括l 共析钢（共析钢（0.770.77）组织为）组织为F+PF+P；l 亚共析钢（亚共析钢（ 0.770.77）组织为）组织为P P ；l 过共析钢（过共析钢（ 0.77 0.77 2.11 2.11）组织为）组织为P+FeP+Fe3 3C C。l白口铸铁：白口铸铁：(2.11(2.116.696.69C C），包括），包括l 共晶白口铸铁（共晶白口铸铁（4.34.3C C）组织为莱氏体；）组织为莱氏体；l 亚共晶白口铸铁（亚共晶白口铸铁（ 4.34.3C C）组织为莱氏体、）组织为莱氏体、P P、 FeFe3 3C C ；l 过共晶白口铸铁（过共晶白口铸铁（ 4.34.3C C）组织为莱氏体、）组织为莱氏体、FeFe3 3C C ；l l四四、以组织组成物标示的以组织组成物标示的FeFeFeFe3 3C C相图相图l 在在FeFeFeFe3 3C C相图中，随含碳量的不同，可获得七种相图中，随含碳量的不同，可获得七种类型的室温平衡组织，将这七种组织列于相图中，即得类型的室温平衡组织，将这七种组织列于相图中，即得到以组织组成物标示的到以组织组成物标示的FeFeFeFe3 3C C相图。相图。l五、铁碳合金的成分、组织和性能变化规律五、铁碳合金的成分、组织和性能变化规律l1.相的变化规律相的变化规