工程材料与机械制造基础第四章铁碳合金

1、第第4 4章章 铁铁 碳碳 合合 金金 4-1 合金的相结构合金的相结构4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立一、合金概述一、合金概述二、固溶体二、固溶体一、二元相图的建立一、二元相图的建立二、杠杆定律二、杠杆定律三、金属间化合物三、金属间化合物4-3 铁碳合金的结铁碳合金的结 构和相图构和相图一、铁碳合金的基本相和组织一、铁碳合金的基本相和组织二、铁碳合金相图二、铁碳合金相图三、典型成分合金平衡结晶过程分析三、典型成分合金平衡结晶过程分析三、共晶相图三、共晶相图四、共析相图四、共析相图四、铁碳合金的应用四、铁碳合金的应用1、合金：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

2、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。Al-Cu两相合金两相合金黄铜黄铜4-1 合金的相结构合金的相结构一、一、 合金概述合金概述2、组元：组元： 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。 液态合金在结晶时，组成合金的元素相互作用可形成具有一定晶体结构和一定成分的相。Al-Cu两相合金两相合金黄铜黄铜4-1 合金的相结构合金的相结构一、一、 合金概述合金概述3 3、相：、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

3、匀组成部分。4 4、显微组织：、显微组织：实质上是指在显微镜下观察到的金属和合金中，由单相或多相组成的具有一定形态的聚合体。5 5、固态合金中的相分为两类：、固态合金中的相分为两类： 固溶体和金属化合物。单相单相合金合金单相单相合金合金两相两相合金合金4-1 合金的相结构合金的相结构一、一、 合金概述合金概述 与合金晶体结构相同的组元称溶剂，溶剂，其含量较多。其它组元称溶质溶质。 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。 2、固溶体的分类：固溶体的分类： 按溶质原子所处位置分为置换固溶体置换固溶体和间隙固溶体间隙固溶体。4-1 合金的相结构合金的相结构二、二、

4、 固溶体固溶体 1、固溶体：固溶体：合金组元间通过相互溶解形成一种成分和性能均匀且结构与组元之一相同的固相称固溶体固溶体。习惯以、表示。Cu-Ni置换固溶体置换固溶体Fe-C间隙固溶体间隙固溶体 置换固溶体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。溶质原子在溶剂晶格中的溶解度有一定限度，形成有限置换固溶体；如果合金组元可以以任何比例相互溶解，形成无限置换固溶体。黄铜置换固溶体组织黄铜置换固溶体组织4-1 合金的相结构合金的相结构二、二、 固溶体固溶体 间隙固溶体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

5、，而溶剂元素一般是过渡族元素。会引起溶剂晶格畸变。l形成间隙固溶体的一般规律为r质/r剂0.59。l间隙固溶体只能是有限固溶体。4-1 合金的相结构合金的相结构二、二、 固溶体固溶体 3 3、固溶体的性能、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。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。4-1 合金的相结构合金的相结构二、二、 固溶体固溶体 合金中其晶体结构与各组元的晶体结构均不相同的固相称金属化合物金属化合物。金

6、属化合物具有较高的熔点熔点、硬度硬度和脆性脆性，并可用分子式表示其组成。铁碳合金中的铁碳合金中的Fe3C4-1 合金的相结构合金的相结构三、三、 金属间化合物金属间化合物Al-Mg-Si合金中的合金中的Mg2SiFe3C的晶格的晶格4-1 合金的相结构合金的相结构三、三、 金属间化合物金属间化合物 Fe3C称渗碳体渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。 Fe3C中Fe原子可以部分地被其他金属原子置换，形成以渗碳体为基的固溶体，如(Fe、Mn)3C 、(Fe、Cr)3C 等，称为合金渗碳体合金渗碳体。Fe3C的晶格的晶格4-1 合金的相结构合金的相结构三、三、 金属间化合物金属间化合物4-

7、1 合金的相结构合金的相结构三、三、 金属间化合物金属间化合物金属化合物一般具有复杂晶体结构，其熔点、硬度极高，脆性极大，塑性几乎为零，如Fe3C的熔点为1227硬度为860HV。当合金中出现金属化合物时，金属化合物呈细小颗粒状均匀分布在固溶体基体上，可提高其强度、硬度和耐磨性弥散强化弥散强化，但降低合金塑性。 金属化合物也是合金的重要组成相。 合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图相图进行分析。 相图相图: :是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明图解。又称状又称状态图或平衡图态图或平衡图。 相图通常以温度温度和成分成分为独立变量。1 1、相图的相关概念、相图的相关概念4-2 二元

8、合金状态图的建立二元合金状态图的建立一、一、 二元相图的建立二元相图的建立合金系合金系: :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。组元组元: :是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。Cu-Ni合金相图合金相图L 成分（成分（wt %Ni）温度（温度（）CuNi一、一、 二元相图的建立二元相图的建立1 1、相图的相关概念、相图的相关概念4-2 二元合金状态图的建立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。 几乎所有的相图都是通过

9、实验得到的，最常用的是热分热分析法。析法。1 1、相图的相关概念、相图的相关概念一、一、 二元相图的建立二元相图的建立4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立 二元相图的建立步骤为：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。 （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液相线。结晶终了点的连线叫固相线固相线。一、一、 二元相图的建立二元相图的建立2 2、二元相图的建立、二元相图的建立4-2 二元合金状态图的建

10、立二元合金状态图的建立一、一、 二元相图的建立二元相图的建立2 2、二元相图的建立、二元相图的建立4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立25% %Ni0% %Ni50% %Ni75% %Ni100% %Nil两组元在液态和固态下两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的均无限互溶时所构成的相图称相图称二元匀晶相图二元匀晶相图, ,如如Cu-NiCu-Ni、 Cu-AuCu-Au、Au-Au-AgAg、Fe-CrFe-Cr等等 。l以以Cu-NiCu-Ni合金为例进行合金为例进行分析。分析。3、发生匀晶反应的合金的结晶发生匀晶反应的合金的结晶 一、一、 二元相图的建立二元相图的建立4-2

11、 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立相图由两条线构成，上面是液相线液相线，下面是固相固相线线。相图被两条线分为三个相三个相区区，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+ 成分成分（wt%Ni）温度温度（）CuNi液相线固相线3、发生匀晶反应的合金发生匀晶反应的合金的结晶的结晶 一、一、 二元相图的建立二元相图的建立4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立 除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以合金为例说明。 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 L+ 3、发生匀晶反应的

12、合金的结晶发生匀晶反应的合金的结晶 一、一、 二元相图的建立二元相图的建立4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立随温度下降，固溶体重量增加，液相重量减少。同时，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。l这种从液相中结晶出单一固相的转变称为这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变匀晶转变或或匀晶反应匀晶反应。3、发生匀晶反应的合金的结晶发生匀晶反应的合金的结晶 一、一、 二元相图的建立二元相图的建立4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立 成分变化是通过原子扩散成分变化是通过原子扩散完成的完成的。 当合金冷却到当合金冷却到t3t3时，最后时，最后一滴一滴L3L3成分的液

13、体也转变为成分的液体也转变为固溶体，此时固溶体的成分固溶体，此时固溶体的成分又变回到合金成分又变回到合金成分 3 3上来。上来。 液、固相线不仅是相区液、固相线不仅是相区分界线分界线, , 也是结晶时两相的也是结晶时两相的成分变化线；匀晶转变是成分变化线；匀晶转变是变变温转变温转变。3、发生匀晶反应的合金的结晶发生匀晶反应的合金的结晶 一、一、 二元相图的建立二元相图的建立4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立 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两平衡相的相对重量。现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律： 确定两平衡相的成分：确定两平衡

14、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、二、 杠杆定律杠杆定律4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立则 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x解方程组得 式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。 确定两平衡相的相对重量确定两平衡相的相对重量设合金的重量为设合金的重量为1 1，液相重量为，液相重量为Q QL L，固相重量为，固相重量为Q Q 。二、二、 杠杆定律杠杆定律4-2 二元

15、合金状态图的建立二元合金状态图的建立 因此两相的因此两相的相对重量百分比为：相对重量百分比为：两相的重量比为：两相的重量比为：二、二、 杠杆定律杠杆定律4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立 上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。 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平衡区中，两平衡相的相对含量。二、二、 杠杆定律杠杆定律4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立【例例】求出1300，53%Ni的Cu-Ni合金两平衡相的相对重量。 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

16、时所构成的相图称作共晶相图。共晶相图。 以 Pb-Sn 相图为例进行分析。Pb-Sn合金相图合金相图（wt%Sn）温度（温度（）PbSn三、三、 共晶相图共晶相图4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立1 1、 相图分析相图分析 相：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。 相区：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三、三、 共晶相图共晶相图4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立 固溶线固溶线: : 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

17、Pb在 Sn中的固溶线。 固溶体的溶解度随温度降低而下降。 液、固相线：液、固相线：液相线AEB，固相线ACEDB。A、B分别为Pb、Sn的熔点。AB三、三、 共晶相图共晶相图4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立在一定温度下，由一定在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作同的新固相的转变称作共晶转变共晶转变或或共晶反应共晶反应。 共晶线：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

18、+ D)AB三、三、 共晶相图共晶相图4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立 共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体共晶体或共晶组织共晶组织。发生共晶反应的温度称共晶温度共晶温度。代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点共晶点。Pb-Sn共晶组织共晶组织共晶体长大示意图共晶体长大示意图 Sn原子原子扩散扩散Pb原子原子扩散扩散三、三、 共晶相图共晶相图4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立 具有共晶成分的合金称共晶合金共晶合金。在共晶线上在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金亚共晶合金，位于共 晶点以右的合金称过过共晶合金共晶合金。 凡具有共晶线成分的合金液体冷却

19、到共晶温度时都将发生共晶反应。L+ CDAB三、三、 共晶相图共晶相图4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立2 2、合金的结晶过程、合金的结晶过程 含含SnSn量小于量小于C C点合金点合金(合金合金) )的结晶过程的结晶过程 在在3 3点以前为匀晶转变，结晶出单相点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种直接固溶体，这种直接从液相中结晶出的固相称从液相中结晶出的固相称一次相一次相或或初生相。初生相。.2三、三、 共晶相图共晶相图4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立 温度降到温度降到3 3点以下，点以下， 固溶体被固溶体被SnSn过饱和，由于过饱和，由于晶格不稳，开始析出

20、（晶格不稳，开始析出（相变过程也称相变过程也称析出）新相析出）新相 相。相。由由已有固相析出的新固相称已有固相析出的新固相称二次相二次相或或次生相。次生相。 形成二次相的过程称形成二次相的过程称二次析出二次析出, , 是固态相变的一种。是固态相变的一种。H三、三、 共晶相图共晶相图4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立 由于二次相析出温度较低，一般十分细小。 由 析出的二次 用 表示。 随温度下降， 和 相的成分分别沿CF线和DG线变化， 的重量增加。Q Q%1004 FGFQ 室温下的相对重量百分比为：三、三、 共晶相图共晶相图4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立 合金

21、室温组织为合金室温组织为 + + 。 成分大于成分大于 D D点点的合金的室温组织的合金的室温组织为为 + + 。ABCDEFG三、三、 共晶相图共晶相图4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立 共晶合金共晶合金(合金合金) )的结晶过程的结晶过程 液态合金冷却到液态合金冷却到E 点时同时被点时同时被Pb和和Sn饱和饱和, 发生共晶反应：发生共晶反应：LE ( C+ D) 。19.2wt%Sn温度, 1三、三、 共晶相图共晶相图4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立层片状层片状(Al-CuAl2定向凝固定向凝固)条棒状条棒状(Sb-MnSb横截面横截面)螺旋状（螺旋状（Zn-

22、Mg）Pb-Sn共晶组织共晶组织 析出过程中两析出过程中两相相间形核、互相促相相间形核、互相促进、共同长大，因而进、共同长大，因而共晶组织较细，呈片、共晶组织较细，呈片、棒、点球等形状。棒、点球等形状。三、三、 共晶相图共晶相图4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立在共晶转变过程中，在共晶转变过程中，L L、 、 三相共存三相共存, , 三个相的量在不三个相的量在不断变化，但它们各自成分是固断变化，但它们各自成分是固定的。定的。共晶组织中的相称共晶组织中的相称共晶相共晶相. .共共晶转变结束时，晶转变结束时， 和和 相的相的相对重量百分比为：相对重量百分比为：E(61.9)D(97.

23、5)C(19.2)三、三、 共晶相图共晶相图4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立 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 ，从共晶 中析出 ，由于共晶组织细， 与共晶结合， 与共晶 结合，共晶合金的室温组织仍为 ( + ) 共晶体。Pb-Sn共晶合金组织共晶合金组织试问：室温下试问：室温下两相两相的的相对重量百分比是多相对重量百分比是多少？少？三、三、 共晶相图共晶相图4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立 亚共晶合金亚共晶合金(合金合金) )的结晶过程的结晶过程 合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成分变化到C点，液相成

24、分变化到E点, 此时两相的相对重量为：三、三、 共晶相图共晶相图4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立 在在2 2点，具有点，具有E E点成分的剩余液体发生共晶反应：点成分的剩余液体发生共晶反应： L L ( ( + + ) ) ，转变为共晶组织，共晶体的重量与转变前，转变为共晶组织，共晶体的重量与转变前的液相重量相等的液相重量相等, , 即即Q QE E =Q =QL L 反应结束后，在共晶温度下反应结束后，在共晶温度下 、 两相的相对重量百分比两相的相对重量百分比为：为：三、三、 共晶相图共晶相图4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立 温度继续下降，将从一次 和共晶 中析出，从共晶 中析出。 室温组织为室温组织为 + (+ ( + + ) ) + + 亚共晶合金亚共晶合金的结晶过程的结晶过程三、三、 共晶相图共晶相图4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立 过共晶合金结晶过程过共晶合金结晶过程 与亚共晶合金相似，不同的是一次相为 , 二次相为。 室温组织为室温组织为 +(+( + + )+)+ 。三、三、 共晶相图共晶相图4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立 组织组成物之间的差别主要在形态上，相与相之间的差别主要在结构组织组成物之间的差别主要在形态上，相与相之间的差别主要在结构和成分上。如和成分上。如 、 和共晶和共晶 的结构成分相