铁碳合金相图1-2

1、主要内容：主要内容：l固态合金的相结构l二元合金相图l铁碳合金的基本相与基本组织lFe-Fe3C相图分析l含碳量对铁碳合金组织与性能的影响l铁碳合金相图的应用 1. 1.合金的基本合金的基本概念：概念：l 合金合金（Alloy） 合金是一种金属元素与其他金属元素或非金属元素，结合在一起而形合金是一种金属元素与其他金属元素或非金属元素，结合在一起而形成具有金属特性的物质。成具有金属特性的物质。l 组元组元（Component） 组成合金最最基本的独立物质。组成合金最最基本的独立物质。相相（Phase ） 合金中成分、晶体结构相同，并以明显界面互相分开的均匀组成部分。合金中成分、晶体结构相同，并以

2、明显界面互相分开的均匀组成部分。l 组织组织（Structure）是相的综合体，是由不同数量、形状、大小和分布方式组合而成的。是相的综合体，是由不同数量、形状、大小和分布方式组合而成的。4.1 固态合金的相结构合金合金：合金是一种金属元素与其他金属元素或非：合金是一种金属元素与其他金属元素或非金属元素，结合在一起而形成具有金属特性的金属元素，结合在一起而形成具有金属特性的物质物质。金属与非金属组成的是不是一定就是合金？金属与非金属组成的是不是一定就是合金？Fe + CFe(C)合金（钢）Fe3C (化合物）4.1 固态合金的相结构组元：组元：组成合金最基本的独立物质。组元可以是元素元素或是稳定

3、化合物稳定化合物。Fe(C)合金Fe、C组元Fe、Fe3C组元类比鸡蛋鸡蛋水，蛋白质，脂肪，胆固醇水，蛋白质，脂肪，胆固醇4.1 固态合金的相结构相：相：具有相同结构，相同成分和性能（也可以是连续变化的）并以界面相互分开的均匀组成部分，如液相、固相是两个不同的相。 类比类比鸡蛋鸡蛋蛋白、蛋黄工业纯铁单相铁素体共析碳钢铁素体相、渗碳体相普通陶瓷晶相、玻璃相、气相4.1 固态合金的相结构组织：组织：用肉眼或显微镜观察到的材料内部形貌图像的统称（宏观组织、微观组织）。组织是影响材料性能的重要因素。相是组织的基本组成部分相同的相，但当组成相的数量、大小、形态和分布不同时，其组织也不同！不同的相构成不同

4、的组织！4.1 固态合金的相结构 2. 2.合金的相结构合金的相结构：l 固溶体固溶体（Alloy） 一种组元的原子溶入另一组元的晶格中所形成的均匀固相。与固溶体晶一种组元的原子溶入另一组元的晶格中所形成的均匀固相。与固溶体晶格相同的组元称溶剂，晶格消失的组元称溶质，格相同的组元称溶剂，晶格消失的组元称溶质， 置换固溶体置换固溶体:溶质原子占据部分溶剂晶格结点位置而形成的固溶体。溶质原子占据部分溶剂晶格结点位置而形成的固溶体。间隙固溶体间隙固溶体:溶质原子分布于溶剂晶格间隙处而形成的固溶体。溶质原子分布于溶剂晶格间隙处而形成的固溶体。 4.1 固态合金的相结构 按溶质原子所占据的位置按溶质原子

5、所占据的位置固溶体类型固溶体类型ZXY间隙原子间隙原子间隙固溶体间隙固溶体置换固溶体置换固溶体置换原子置换原子YXZ只有溶剂原子直径较大而溶只有溶剂原子直径较大而溶质原子直径很小时，才能形质原子直径很小时，才能形成间隙固溶体成间隙固溶体。溶质与溶剂原子直径之溶质与溶剂原子直径之比小于比小于0.59。 2. 2.合金的相结构合金的相结构：4.1 固态合金的相结构 按固态溶解度分：按固态溶解度分：有限固溶体：间隙固溶体只能是有限固溶体有限固溶体：间隙固溶体只能是有限固溶体无限固溶体：无限固溶体只能是置换固溶体无限固溶体：无限固溶体只能是置换固溶体如铜锌合金如铜锌合金如铜镍合金、间隙固溶体如铜镍合金

6、、间隙固溶体l影响溶解度的因素：影响溶解度的因素：l a 晶体结构晶体结构l b 原子尺寸原子尺寸l c 化学亲和力化学亲和力l d 原子价原子价 2. 2.合金的相结构合金的相结构：l 固溶体的性能固溶体的性能固溶强化固溶强化通过溶入溶质元素形成固溶体而使金属材料强度、硬度通过溶入溶质元素形成固溶体而使金属材料强度、硬度提高的现象。提高的现象。无论是间隙固溶体还是置换固溶体，在其形成过程中，都会使溶剂晶无论是间隙固溶体还是置换固溶体，在其形成过程中，都会使溶剂晶格发生畸变，从而使合金性能的改变。格发生畸变，从而使合金性能的改变。4.1 固态合金的相结构形成固溶体时晶格畸变示意图形成固溶体时晶

7、格畸变示意图 2. 2.合金的相结构合金的相结构：l 金属化合物金属化合物（Metallic Compound） 合金各组元相互化合而成的一种新的物质。合金各组元相互化合而成的一种新的物质。它具有与组元原来晶格不同的特殊晶格。熔点高、硬度高、脆性大，它具有与组元原来晶格不同的特殊晶格。熔点高、硬度高、脆性大，生产中很少使用单相金属化合物的合金。生产中很少使用单相金属化合物的合金。l 机械混合物机械混合物（Mechanical Mixture） 两种或两种以上的相按一定的质量百分数，以混合形式组合在一起的两种或两种以上的相按一定的质量百分数，以混合形式组合在一起的组成物。组成物。4.1 固态合金

8、的相结构相图是在热力学平衡的条件下建立起来的。相图是在热力学平衡的条件下建立起来的。平衡平衡是指在一定条件下合金系中参与相变的各相的成分和相对量不发是指在一定条件下合金系中参与相变的各相的成分和相对量不发生变化所达到的一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。生变化所达到的一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。测定相图最常用的方法是热分析法，它要求在合金冷却时，其冷却速测定相图最常用的方法是热分析法，它要求在合金冷却时，其冷却速度非常缓慢，从而能够满足热力学平衡的条件。因此相图又称为平衡相度非常缓慢，从而能够满足热力学平衡的条件。因此相图又称为平衡相 图，平衡图图，平衡图（Eq

9、uilibrium Diagram）。 相图的作用：相图的作用：利用相图，可以了解不同成分的材料在不同条件下：利用相图，可以了解不同成分的材料在不同条件下：存在哪些相；存在哪些相；各相的相对量；各相的相对量；成分、温度变化时材料中发生的相变。成分、温度变化时材料中发生的相变。4.2 二元合金相图4.2 二元合金相图1、二元相图的建立、二元相图的建立建立相图的方法有实验测定和理论计算两种，目前，最常用的方法是建立相图的方法有实验测定和理论计算两种，目前，最常用的方法是热分析法热分析法（Thermal Analysis）。热分析装置示意图热分析装置示意图冷却曲线冷却曲线 Cu-NiCu-Ni二元合

10、金相图的测定步骤：二元合金相图的测定步骤：配制一系列不同成分的配制一系列不同成分的Cu-NiCu-Ni合金；合金；例如：例如：100%Cu100%Cu、80%Cu-20%Ni80%Cu-20%Ni、60%Cu-40%Ni60%Cu-40%Ni、40%Cu-60%Ni40%Cu-60%Ni、 20%Cu-80%Ni20%Cu-80%Ni、100%Ni100%Ni等等6 6个合金。个合金。分别测定上述合金的冷却曲线；分别测定上述合金的冷却曲线；在冷却曲线上找出合金的各个临界点；在冷却曲线上找出合金的各个临界点；临界点指合金在冷却时凝固开始和凝固终了的温度点。临界点指合金在冷却时凝固开始和凝固终了的

11、温度点。将各临界点标在相图的坐标平面上；将各临界点标在相图的坐标平面上；二元相图的坐标平面，其纵坐标为温度，横坐标为成分。二元相图的坐标平面，其纵坐标为温度，横坐标为成分。在相图平面上将性质相同的临界点分别连接起来，即建立起相图。在相图平面上将性质相同的临界点分别连接起来，即建立起相图。4.2 二元合金相图CuNi20406080wNi（%）时间时间温度温度wNi=100%wNi=80%wNi=60%wNi=40%wNi=20%Cu-Ni二元合金相图的建立二元合金相图的建立wCu=100%4.2 二元合金相图2、基本相图、基本相图大多数二元相图都是由几类最基本的相图组合而成的，或者说，许多大多

12、数二元相图都是由几类最基本的相图组合而成的，或者说，许多二元相图都包含了几类基本相图。二元相图都包含了几类基本相图。二元相图的主要基本类型：二元相图的主要基本类型：l 匀晶相图匀晶相图l 共晶相图共晶相图l 包晶相图包晶相图l 形成稳定化合物的相图形成稳定化合物的相图l 共析相图共析相图4.2 二元合金相图u 匀晶相图匀晶相图 匀晶反应匀晶反应（Isomorphous Reaction）：从液相中直接结晶出固溶体的反应。又称匀晶转变从液相中直接结晶出固溶体的反应。又称匀晶转变。L L 匀晶相图：匀晶相图：两组元在液态和固态下均能无限互溶，冷却时发生匀晶反应的相图。两组元在液态和固态下均能无限互

13、溶，冷却时发生匀晶反应的相图。 具有匀晶相图的二元合金系：具有匀晶相图的二元合金系：Cu-NiCu-Ni、Au-AgAu-Ag、Fe-NiFe-Ni、Cu-AuCu-Au、Cr-MoCr-Mo等。等。1.1.相图分析相图分析l 相图的基本分析相图的基本分析对相图中各重要的点、各重要的线和各个面（区域）进行分析。对相图中各重要的点、各重要的线和各个面（区域）进行分析。l 典型合金的结晶过程分析典型合金的结晶过程分析选择若干典型合金，分析它们从高温冷却至室温的过程中所发生的选择若干典型合金，分析它们从高温冷却至室温的过程中所发生的各种变化。各种变化。4.2 二元合金相图合金结晶开始的温度连线合金结

14、晶开始的温度连线合金结晶终了的温度连线合金结晶终了的温度连线液相线液相线（Liquidus）固相线固相线（Solidus）ABLL Cu-Ni合金相图合金相图4.2 二元合金相图t1t4t2t3213相图分析和典型合金平衡结晶过程分析：相图分析和典型合金平衡结晶过程分析：T,CtL L 匀晶转变匀晶转变 L 冷却曲线冷却曲线固溶体合金的结晶特点：固溶体合金的结晶特点：固溶体的结晶过程与固溶体的结晶过程与纯金属一样由形核和长大完成。纯金属一样由形核和长大完成。实际结晶时也需要一定的过冷度。实际结晶时也需要一定的过冷度。结晶是结晶是在一温度范围内进行的。在一温度范围内进行的。只有在温度不断下降时，

15、固相只有在温度不断下降时，固相 的相对量才增加，温度不变，液相的相对量才增加，温度不变，液相L L和和固相固相 的相对量保持不变，即达到平衡状态。的相对量保持不变，即达到平衡状态。结晶时，结晶时，L L相和相和 相的成分分别沿着液相线和固相线变化。相的成分分别沿着液相线和固相线变化。结晶时，结晶时，L L相和相和 相的相对量不断变化。相的相对量不断变化。4.2 二元合金相图2.2.杠杆定律杠杆定律（Lever Rule）杠杆定律用于二元合金处于两相杠杆定律用于二元合金处于两相平衡时，两个相的相对量的计算。平衡时，两个相的相对量的计算。xx1x2x1xx2%100122LxxxxQ%100121

16、xxxxQt4.2 二元合金相图QLQ xx1x2杠杆定律的力学比喻杠杆定律的力学比喻3.3.固溶体合金的非平衡结晶固溶体合金的非平衡结晶实际生产时，合金的结晶过程往往是非平衡的。实际生产时，合金的结晶过程往往是非平衡的。平衡结晶的特点：平衡结晶的特点：合金平衡结晶时，晶体在长大过程中，组元的原子（例如合金平衡结晶时，晶体在长大过程中，组元的原子（例如CuCu原子和原子和NiNi原原子）在析出的固相中不断的发生迁移或扩散，如果冷却速度非常缓慢，则子）在析出的固相中不断的发生迁移或扩散，如果冷却速度非常缓慢，则原子可以通过扩散而达到浓度处处相等。原子可以通过扩散而达到浓度处处相等。非平衡结晶的特

17、点：非平衡结晶的特点：在实际生产中，冷却速度往往较快，且原子在固相中的扩散相对于在液在实际生产中，冷却速度往往较快，且原子在固相中的扩散相对于在液相中要缓慢得多，因此就出现了在先结晶出的固溶体与后结晶出的固溶体相中要缓慢得多，因此就出现了在先结晶出的固溶体与后结晶出的固溶体中，组元原子分布不均匀中，组元原子分布不均匀（先结晶出来的固相含有较多的高熔点组元）（先结晶出来的固相含有较多的高熔点组元），即浓度差异的现象。即浓度差异的现象。4.2 二元合金相图4.4.偏析偏析（Segregation）偏析，是指固溶体在结晶过程中先结晶的部分与后结晶的部分存在成分偏析，是指固溶体在结晶过程中先结晶的部分

18、与后结晶的部分存在成分差异的现象。差异的现象。晶内偏析晶内偏析（Intracrystalline Segregation）：发生在晶粒内部的偏析称为晶内偏析，即在一个晶粒内出现成分不均匀发生在晶粒内部的偏析称为晶内偏析，即在一个晶粒内出现成分不均匀的现象。的现象。4.2 二元合金相图枝晶偏析枝晶偏析（Dendrite Segregation）：合金在结晶时通常是树枝状长大，非平衡结合金在结晶时通常是树枝状长大，非平衡结晶时，将造成树干和树枝在成分上的差异，即晶时，将造成树干和树枝在成分上的差异，即产生枝晶偏析。枝晶偏析属于晶内偏析。产生枝晶偏析。枝晶偏析属于晶内偏析。枝晶偏析是一种冶金缺陷，一

19、般可以通过均枝晶偏析是一种冶金缺陷，一般可以通过均匀化退火（或称扩散退火）予以减轻或消除。匀化退火（或称扩散退火）予以减轻或消除。4.2 二元合金相图非平衡结晶引起的晶内偏析非平衡结晶引起的晶内偏析Cu-Ni合金铸态合金铸态（枝晶偏析，非平衡组织）（枝晶偏析，非平衡组织）Cu-Ni合金退火态合金退火态（平衡组织）（平衡组织）4.2 二元合金相图u 共晶相图共晶相图共晶反应共晶反应（Eutectic Reaction）：从液相中同时结晶出两种不同的固相的反应。又称共晶转变。从液相中同时结晶出两种不同的固相的反应。又称共晶转变。LL 共晶相图：共晶相图：两组元在液态无限互溶、固态有限互溶或完全不互

20、溶，冷却时发生两组元在液态无限互溶、固态有限互溶或完全不互溶，冷却时发生共晶反应的相图。共晶反应的相图。 具有共晶相图的二元合金系：具有共晶相图的二元合金系：PbPb-Sn-Sn、Al-AgAl-Ag、Al-SiAl-Si、PbPb-Bi-Bi等。等。 以下以下以以PbPb-Sn-Sn合金合金为例对相图进行分析。为例对相图进行分析。4.2 二元合金相图 L L L Pb-Sn合金相图合金相图4.2 二元合金相图4.2 二元合金相图 1. 1.相图分析相图分析3 3种单相种单相液相液相L L；固溶体固溶体 （以（以PbPb为溶剂、为溶剂、SnSn为溶质）；为溶质）；固溶体固溶体 （以以SnSn为

21、溶剂、为溶剂、PbPb为溶质）为溶质）。重要的点重要的点A A点点：PbPb的熔点；的熔点；B B点点：SnSn的熔点；的熔点；E E点点：共晶点：共晶点（Eutectic PointEutectic Point）。合金液相在合金液相在E E点将发生共晶反应：点将发生共晶反应：Pb-Sn合金相图合金相图L LE E M NtEPb-Sn合金相图合金相图4.2 二元合金相图 相图分析（续）相图分析（续）重要的线重要的线AEBAEB：液相线；：液相线； AMENBAMENB：固相线；：固相线；MENMEN：共晶线：共晶线（Eutectic LineEutectic Line）；MFMF： 相的固溶

22、度曲线；相的固溶度曲线；温度降至温度降至MFMF线时，从线时，从 中析出中析出 ：NGNG： 相的固溶度曲线。相的固溶度曲线。温度降至温度降至NGNG线时，从线时，从 中析出中析出 ：相区相区（Phase Field）3 3个单相区个单相区： L L、 、 ；3 3个两相区个两相区：L L 、L L 、 ；1 1三相区三相区：L L ，即共晶线，即共晶线MENMEN。 4.2 二元合金相图2.2.典型合金的平衡结晶过程分析：典型合金的平衡结晶过程分析：4.2 二元合金相图l 合金合金（2 wSn19）的结晶过程及室温组织的结晶过程及室温组织Pb-Sn合金相图合金相图1234合金结晶完成后在室温

23、下的组织：合金结晶完成后在室温下的组织： L L Pb-Sn合金相图合金相图4.2 二元合金相图l 合金合金（wSn= 61.9）的结晶过程及室温组织的结晶过程及室温组织 共晶合金共晶合金（Eutectic Alloy）12合金合金结晶完成后在室温下的组织：结晶完成后在室温下的组织：（ ）21 L L 4.2 二元合金相图Pb-Sn合金共晶组织，（合金共晶组织，（ ）4.2 二元合金相图各种形态的共晶组织各种形态的共晶组织4.2 二元合金相图一些合金中的共晶组织一些合金中的共晶组织Pb-Sn合金相图合金相图4.2 二元合金相图l 合金合金（19 wSn61.9 ）的结晶过程及室温组织的结晶过程

24、及室温组织 亚共晶合金亚共晶合金（Hypoeutectic Alloy）12合金结晶完成后在室温下的组织：合金结晶完成后在室温下的组织： （ ） L L L L 34.2 二元合金相图Pb-Sn合金亚共晶组织合金亚共晶组织 （ ） 3Pb-Sn合金相图合金相图4.2 二元合金相图l 合金合金（61.9 wSn 97.5）的结晶过程及室温组织的结晶过程及室温组织 过共晶合金过共晶合金（Hypereutectic Alloy）合金合金结晶完成后在室温下的组织：结晶完成后在室温下的组织： （ ） L L L L 1234.2 二元合金相图Pb-SnPb-Sn合金平衡结晶后的室温组织：合金平衡结晶后的

25、室温组织： 合金结晶完成后在室温下的组织：合金结晶完成后在室温下的组织： 合金结晶完成后在室温下的组织：合金结晶完成后在室温下的组织：（ ） 合金结晶完成后在室温下的组织：合金结晶完成后在室温下的组织： （ ） 合金结晶完成后在室温下的组织：合金结晶完成后在室温下的组织： （ ） 相组成物相组成物（Phase Constituent）：相组成物是指构成合金的基本的相，简称相。相组成物是指构成合金的基本的相，简称相。如如Pb-SnPb-Sn合金中的合金中的 、 。组织组成物组织组成物（Structural Constituent）：组织组成物是指构成合金的、在显微镜下具有一定形态特征的单元，简组

26、织组成物是指构成合金的、在显微镜下具有一定形态特征的单元，简称组织。称组织。如如Pb-SnPb-Sn合金中的合金中的 、 、 、 、共晶体、共晶体（ ）等。）等。按组织组成物填写的按组织组成物填写的Pb-Sn合金相图合金相图PbSn20406080wSn(%)AB L L L ( ) MNFGE( ) ( ) 4.2 二元合金相图u 包晶相图包晶相图 包晶反应包晶反应（Peritectic Reaction）：已从液相中结晶出的固相与液相作用，生成一种新的固相的反应。已从液相中结晶出的固相与液相作用，生成一种新的固相的反应。又称包晶转变。又称包晶转变。 L L 包晶相图：包晶相图：两组元在液态

27、无限互溶、固态有限互溶或完全不互溶，冷却时发生两组元在液态无限互溶、固态有限互溶或完全不互溶，冷却时发生包晶反应的相图。包晶反应的相图。 具有包晶反应的二元合金系：具有包晶反应的二元合金系：Pt-AgPt-Ag、Sn-SbSn-Sb、Cu-SnCu-Sn、Cu-ZnCu-Zn等。等。 以下以下以以Pt-AgPt-Ag合金合金为例对相图进行分析。为例对相图进行分析。4.2 二元合金相图PtAg20406080wAg(%)AB L L L EDPCFPt-Ag合金相图合金相图4.2 二元合金相图4.2 二元合金相图3 3种单相种单相液相液相L L；固溶体固溶体 （以（以PtPt为溶剂、为溶剂、Ag

28、Ag为溶质）；为溶质）；固溶体固溶体 （以以AgAg为溶剂、为溶剂、PtPt为溶质）为溶质）。重要的点重要的点A A点点：PtPt的熔点；的熔点；B B点点：AgAg的熔点；的熔点；D D点点：包晶点：包晶点（Peritectic PointPeritectic Point）。合金液相在合金液相在D D点将发生包晶反应：点将发生包晶反应：L LC C P DtD 1. 1.相图分析相图分析Pt-Ag合金相图合金相图4.2 二元合金相图 相图分析（续）相图分析（续）重要的线重要的线ACBACB：液相线；：液相线； APDCBAPDCB：固相线；：固相线；PDCPDC：包晶线：包晶线（Perite

29、ctic LinePeritectic Line）；PFPF： 相的固溶度曲线；相的固溶度曲线；温度降至温度降至PFPF线时，从线时，从 中析出中析出 ：DFDF： 相的固溶度曲线。相的固溶度曲线。温度降至温度降至DFDF线时，从线时，从 中析出中析出 ：相区相区3 3个单相区个单相区： L L、 、 ；3 3个两相区个两相区：L L 、L L 、 ；1 1三相区三相区：L L ，即包晶线，即包晶线PDC PDC 。 Pt-Ag合金相图合金相图Pt-Ag合金相图合金相图4.2 二元合金相图2.2.典型合金的平衡结晶过程分析：典型合金的平衡结晶过程分析： Pt-Ag合金相图合金相图4.2 二元合

30、金相图l 合金合金（wAg= 42.4）的结晶过程及室温组织的结晶过程及室温组织123 合金结晶完成后在室温下的组织：合金结晶完成后在室温下的组织： L L L L Pt-Ag合金相图合金相图4.2 二元合金相图l 合金合金（10.5 wAg 42.4）的结晶过程及室温组织的结晶过程及室温组织123合金合金结晶完成后在室温下的组织：结晶完成后在室温下的组织： L L L L 34Pt-Ag合金相图合金相图4.2 二元合金相图l 合金合金（42.4 wAg 66.3）的结晶过程及室温组织的结晶过程及室温组织123合金合金结晶完成后在室温下的组织：结晶完成后在室温下的组织： L L 45L L 四、形成稳定化合物的二元相图四、形成稳定化合物的二元相图稳定化合物：稳定化合物：具有一定熔点、在熔点以下保持其固有结构而不发生分解的化合物。具有一定熔点、在熔点以下保持其固有结构而不发生分解的化合物。 形成稳定化合物的二元合金系：形成稳定化合物的二元合金系：Mg-SiMg-Si、Mn-SiMn-Si、Fe-PFe-P、Cu-SbCu-Sb等。等。MgSi20406080wAg(%)A