工程材料-第四章_二元相图及应用

1、主要内容：主要内容：l二元相图的建立l二元相图的基本类型与分析l铁碳合金相图 重要概念：重要概念：l 相图相图（Phase Diagram） 描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的一种图解。又称为描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的一种图解。又称为状态图。状态图。l 状态状态（State） 指系统中的各相的凝聚状态、相的类型等。指系统中的各相的凝聚状态、相的类型等。l 相变相变（Phase Transformation） 合金中的相从一种类型转变为另一种类型的过程。合金中的相从一种类型转变为另一种类型的过程。l 相平衡相平衡（Phase Equilibrium）如果体系中的各相在较长

2、时间内而不互相转化，则称该体系处于相如果体系中的各相在较长时间内而不互相转化，则称该体系处于相平衡状态。平衡状态。 第四章 二元相图及应用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

3、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（Equilibrium 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。第四章 二元相图及应用第四章 二元相图及应用4.1 4.1 二元相图的建立二元相图的建立第一节二元相图的建立第一节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

4、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；

5、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，其纵座标为温度，横座标为成分。二元相图的坐标平面，其纵座标为温度，横座标为成分。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。第四章 二元相图及应用4.1 4.1 二元相图的建立二元相图的建立CuNi20406080wNi（%）时间时间温度温度wNi=1

6、00%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%第四章 二元相图及应用4.1 4.1 二元相图的建立二元相图的建立第二节二元相图的基本类型与分析第二节二元相图的基本类型与分析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

7、图第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析一、二元匀晶相图一、二元匀晶相图 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.

8、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。第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析合金结晶开始的温度连线合金结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

9、合金相图合金相图第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析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：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，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，

10、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。第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析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%100121xxxxQt第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本

11、类型与分析二元相图的基本类型与分析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

12、特点：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。第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析4.4.偏析偏析（Segregation）偏析，是指固溶体在结晶过程中先结晶

13、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。第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析枝晶偏析枝晶偏析（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

14、，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。第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析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）第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基

15、本类型与分析二、二元共晶相图二、二元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：Pb-SnPb-Sn、Al-AgAl-Ag、Al-SiAl-Si、PbPb-Bi-Bi等。等。 以下以下以以Pb-SnPb-Sn合金合金为例对相图进行分析。为例对相

16、图进行分析。第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析 L L L Pb-Sn合金相图合金相图第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析 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

17、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合金相图合金相图第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析 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

18、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。 第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析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：第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析l 合金合金（2 wSn19）的结晶过程及室温组织的结晶过程

19、及室温组织Pb-Sn合金相图合金相图1234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 Pb-Sn合金相图合金相图第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析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 第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析Pb-Sn合金共晶组织，（合金共晶组织，（ ）第四章 二元相图及应用4.2 4.

20、2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析各种形态的共晶组织各种形态的共晶组织第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析一些合金中的共晶组织一些合金中的共晶组织Pb-Sn合金相图合金相图第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析l 合金合金（19 wSn61.9 ）的结晶过程及室温组织的结晶过程及室温组织 亚共晶合金亚共晶合金（Hypoeutectic 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： （ ） L L L L 3第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元

21、相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析Pb-Sn合金亚共晶组织合金亚共晶组织 （ ） 3Pb-Sn合金相图合金相图第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析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 123第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析Pb-SnPb-Sn合金平衡结晶后的室温组织：合金平衡结晶后的室温组织

22、： 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： 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：（ ） 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： （ ） 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： （ ） 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，简组织组成物

23、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( ) ( ) 第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析三、二元包晶相图三、二元包晶相图 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。

24、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。第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析PtAg20406080wAg(%)AB L L L EDPCFPt-Ag合金

25、相图合金相图第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析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、AgAg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（PeritecticPeritectic Point 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

26、晶反应：L LC C P DtD 1. 1.相图分析相图分析Pt-Ag合金相图合金相图第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析 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（PeritecticPeritectic Line 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

27、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合金相图合金相图第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析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合金相图合金相图第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析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

28、织： L L L L Pt-Ag合金相图合金相图第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析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合金相图合金相图第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析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

29、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(%)ABL + MgLEDCFPMNQMg2Si L + Mg2Si L + SiMg + Mg2Si Mg2Si + SiL + Mg2Si Mg-Si合金相图合金相图第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二

30、元相图的基本类型与分析五、具有共析反应的二元相图五、具有共析反应的二元相图wB(%)AL 1 2DCEL 1 2B1B2A1A2B 1 2具有共析反应的二元合金相图具有共析反应的二元合金相图第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析共析反应共析反应（Eutectoid Reaction）：一定成分的固相，在一定温度下，同时析出两种化学成分和结构完全一定成分的固相，在一定温度下，同时析出两种化学成分和结构完全不同的新的固相的反应，又称共析转变。不同的新的固相的反应，又称共析转变。 1 2共析反应的产物是一种机械混合物，通常称为共析体共析反应的产物是一种

31、机械混合物，通常称为共析体（Eutectoid）,是许多合金系中的一种重要组织。是许多合金系中的一种重要组织。 共析相图与共晶相图在形状上很相似，但发生的反应完全不同。共析相图与共晶相图在形状上很相似，但发生的反应完全不同。共析相图的分析方法与共晶相图类似。共析相图的分析方法与共晶相图类似。第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析 小结：小结：l 各类相图的特征各类相图的特征匀晶匀晶L L L L 共晶共晶包晶包晶共析共析 1 2AmBn形成化合物形成化合物形形式

32、式名名称称反反应应L L L 1 2第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析 小结（续）：小结（续）：l 二元相图中的几何规律二元相图中的几何规律两个组元在两边线处，如果两组元有限互溶，则附近有以组元为两个组元在两边线处，如果两组元有限互溶，则附近有以组元为溶剂的固溶体（称为边际固溶体），如果相互不溶，则固溶体区域缩溶剂的固溶体（称为边际固溶体），如果相互不溶，则固溶体区域缩成为直线。成为直线。 稳定化合物在相图中是一条垂直线，可将其看作一个独立组元，稳定化合物在相图中是一条垂直线，可将其看作一个独立组元，它把相图分成几个部分。它把相图分成几个部分

33、。两个单相区之间一定是一个由这两个相组成的两相区。两个单相区之间一定是一个由这两个相组成的两相区。三相区的形状是一条水平线，其上三点是平衡相的成分点。三相区的形状是一条水平线，其上三点是平衡相的成分点。 相区接触法则：相邻相区的相数相差相区接触法则：相邻相区的相数相差1 1（点接触除外）。（点接触除外）。第四章 二元相图及应用4.2 4.2 二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与分析 L L L Pb-Sn合金相图合金相图第三节铁碳合金相图第三节铁碳合金相图l 铁碳合金铁碳合金（Iron-carbon Alloy）以铁和碳为基本组元的合金。以铁和碳为基本组元的合金。l 铁碳合金类别铁碳合

34、金类别l 碳在铁碳合金中的存在形式碳在铁碳合金中的存在形式 C C溶入溶入FeFe的晶格间隙中形成间隙固溶体（铁素体、奥氏体）。的晶格间隙中形成间隙固溶体（铁素体、奥氏体）。 C C与与FeFe作用形成化合物（作用形成化合物（FeFe3 3C C）。）。 以游离态（石墨）存在。以游离态（石墨）存在。当当C C主要以主要以FeFe3 3C C形式存在时，铁碳合金的组成相就是形式存在时，铁碳合金的组成相就是FeFe和和FeFe3 3C C。本节讨论的铁碳相图即为本节讨论的铁碳相图即为Fe-FeFe-Fe3 3C C相图。相图。碳钢碳钢（Carbon Steel）（wC%2.11%）铸铁铸铁（Cas

35、t Iron）（wC%2.11%）铁碳合金铁碳合金第四章 二元相图及应用4.3 4.3 铁碳合金相图铁碳合金相图一、铁碳合金中的基本相一、铁碳合金中的基本相1.1.铁素体铁素体（Ferrite） 定义：定义：碳溶解在体心立方晶格的碳溶解在体心立方晶格的 -Fe中形成的间隙固溶体。中形成的间隙固溶体。铁素体的最大溶碳量（铁素体的最大溶碳量（727727 C C时时）为）为0.0218%0.0218%，室温溶碳量为，室温溶碳量为0.0008%0.0008%。碳溶解在体心立方晶格的碳溶解在体心立方晶格的 -Fe-Fe中形成的间隙固溶体也是铁素体，中形成的间隙固溶体也是铁素体，为了区别起见，称为为了区

36、别起见，称为 铁素体或高温铁素体。铁素体或高温铁素体。 符号：符号： 或或 F F。 性能：性能：强度和硬度低，塑性和韧性高。强度和硬度低，塑性和韧性高。 HBHB50508080， 303050%50%。第四章 二元相图及应用4.3 4.3 铁碳合金相图铁碳合金相图2.2.奥氏体奥氏体（Austenite） 定义：定义：碳溶解在面心立方晶格的碳溶解在面心立方晶格的 -FeFe中形成的间隙固溶体。中形成的间隙固溶体。 奥氏体的最大溶碳量为奥氏体的最大溶碳量为2.11%2.11%，727727 C C时时溶碳量为溶碳量为0.77%0.77%。 符号：符号： 或或 A A。 性能：性能：强度和硬度

37、较低，塑性和韧性高。强度和硬度较低，塑性和韧性高。 HBHB170170220220， 303050%50%。 相比铁素体，奥氏体可溶入更多的碳，强度和硬度更高。相比铁素体，奥氏体可溶入更多的碳，强度和硬度更高。3.3.渗碳体渗碳体（Cementite） 定义：定义：碳和铁相互作用形成的间隙化合物。碳和铁相互作用形成的间隙化合物。 符号：符号：C Cm m 或或 FeFe3 3C C。 性能：性能：熔点高，硬度高，脆性大，塑性几乎为零。熔点高，硬度高，脆性大，塑性几乎为零。HBHB800800， 0% 0%。第四章 二元相图及应用4.3 4.3 铁碳合金相图铁碳合金相图二、铁碳合金相图分析二、

38、铁碳合金相图分析1.Fe-Fe1.Fe-Fe3 3C C相图中的特性点相图中的特性点 符号符号温度温度 / / C CwC / / % %说说明明A A153815380 0纯铁的熔点纯铁的熔点B B149514950.530.53包晶转变时液态合金的成分（包晶转变时液态合金的成分（wC % %）C C114811484.34.3共晶点共晶点D D122712276.696.69渗碳体的熔点渗碳体的熔点E E114811482.112.11碳在碳在 - - FeFe中的最大溶解度中的最大溶解度F F114811486.696.69渗碳体的成分渗碳体的成分G G9129120 0 - - FeF

39、e - - FeFe的转变温度（的转变温度（A A3 3）H H149514950.090.09碳在碳在 FeFe中的最大溶解度中的最大溶解度J J149514950.170.17包晶点包晶点K K7277276.696.69渗碳体的成分渗碳体的成分N N139413940 0 - - FeFe - - FeFe的转变温度（的转变温度（A A4 4）P P7277270.02180.0218碳在碳在 - - FeFe中的最大溶解度中的最大溶解度S S7277270.770.77共析点（共析点（A A1 1）Q Q室温室温0.00080.0008室温时碳在室温时碳在 - - FeFe中的溶解度中

40、的溶解度第四章 二元相图及应用4.3 4.3 铁碳合金相图铁碳合金相图LL+ L+Fe3C +Fe3C +Fe3C + L+ + Fe3C (0.09)(0.53)(0.17)(0.77)(0.0218)(2.11)(4.3)1495 C1148 C727 C1538 C1227 C1394 C912 C Fe-Fe3C相图相图第四章 二元相图及应用4.3 4.3 铁碳合金相图铁碳合金相图2.Fe-Fe2.Fe-Fe3 3C C相图中的特性线相图中的特性线l 液、固相线液、固相线液相线：液相线：ABCDABCD；固相线：；固相线：AHJECFAHJECFl 三条水平线三条水平线HJBHJB线：

41、包晶线（线：包晶线（14951495 C C） 包晶反应：包晶反应：ECFECF线：共晶线（线：共晶线（11481148 C C） 共晶反应：共晶反应：PSKPSK线：共析线（线：共析线（727727 C C），又标记为），又标记为A A1 1线线 共析反应：共析反应：莱氏体莱氏体（Ledeburite），符号：，符号：L Ld d珠光体珠光体（Pearlite），符号：，符号：P P第四章 二元相图及应用4.3 4.3 铁碳合金相图铁碳合金相图L L4.34.3 2.112.11 FeFe3 3C C11481148 C C 0.770.77 0.02180.0218 FeFe3 3C C7

42、27727 C CL L0.530.53 0.090.09 0.170.1714951495 C Cl 三条固态转变线三条固态转变线GSGS线：冷却时线：冷却时奥氏体转变为铁素体的临界温度线，或加热时铁素体奥氏体转变为铁素体的临界温度线，或加热时铁素体全部转变为奥氏体的临界温度线，又标记为全部转变为奥氏体的临界温度线，又标记为A A3 3线。线。ESES线：碳在奥氏体（线：碳在奥氏体（ ）中的固溶度曲线，）中的固溶度曲线，又标记为又标记为A Acmcm线。线。PQPQ线：碳在铁素体（线：碳在铁素体（ ）中的固溶度曲线。）中的固溶度曲线。3.Fe-Fe3.Fe-Fe3 3C C相图中的相区相图中

43、的相区5 5个单相区：个单相区： L L、 、 、 、FeFe3 3C C；7 7个两相区：个两相区：L L 、L L 、 、L LFeFe3 3C C、 、 FeFe3 3C C、 FeFe3 3C C；3 3三相区：三相区：L L 、L L FeFe3 3C C、 FeFe3 3C C，即三条水平线。即三条水平线。第四章 二元相图及应用4.3 4.3 铁碳合金相图铁碳合金相图 F Fe e3 3C C F Fe e3 3C C4.4.五种形态不同的渗碳体五种形态不同的渗碳体l 一次渗碳体一次渗碳体（F Fe e3 3C C）从液相中析出的渗碳体，呈粗大片条状。从液相中析出的渗碳体，呈粗大片

44、条状。l 共晶渗碳体共晶渗碳体共晶反应中生成的渗碳体，为合金基体。共晶反应中生成的渗碳体，为合金基体。l 二次渗碳体二次渗碳体（F Fe e3 3C C）从奥氏体中析出的渗碳体，呈网状。从奥氏体中析出的渗碳体，呈网状。l 共析渗碳体共析渗碳体共析反应中生成的渗碳体，呈层片状。共析反应中生成的渗碳体，呈层片状。l 三次渗碳体三次渗碳体（F Fe e3 3C C）从铁素体中析出的渗碳体，呈短条状。从铁素体中析出的渗碳体，呈短条状。第四章 二元相图及应用4.3 4.3 铁碳合金相图铁碳合金相图特别说明：特别说明：5 5种种F Fe e3 3C C除对铁碳合金性除对铁碳合金性能有不同影响外，本质能有不

45、同影响外，本质上并无不同，都是同一上并无不同，都是同一种相，只是显微组织特种相，只是显微组织特征不同而已。征不同而已。第四章 二元相图及应用4.3 4.3 铁碳合金相图铁碳合金相图LL+ L+Fe3C +Fe3C +Fe3C + L+ + Fe3C (0.09)(0.53)(0.17)(0.77)(0.0218)(2.11)(4.3)1495 C1148 C727 C1538 C1227 C1394 C912 C 三、典型铁碳合金的平衡结晶过程分析三、典型铁碳合金的平衡结晶过程分析亚共晶白口铸铁（亚共晶白口铸铁（wC% %2.11%2.11%4.3%4.3%）过共晶白口铸铁（过共晶白口铸铁（w

46、C% %4.3%4.3%6.69 % %）工业纯铁（工业纯铁（wC% %0.0218%0.0218%）共析钢（共析钢（wC% %0.77%0.77%）亚共析钢铁（亚共析钢铁（wC% %0.0218%0.0218%0.77%0.77%）过共析钢（过共析钢（wC% %0.77%0.77%2.11%2.11%）共晶白口铸铁（共晶白口铸铁（wC% %4.3%4.3%）第四章 二元相图及应用4.3 4.3 铁碳合金相图铁碳合金相图1.1.合金合金：工业纯铁：工业纯铁（Commercially Pure Iron） （wC% %0.0218%0.0218%）12工业纯铁结晶过程示意图工业纯铁结晶过程示意图

47、34567FFe3C工业纯铁（工业纯铁（wC 0.0218%）的室温组织）的室温组织FFe3C第四章 二元相图及应用4.3 4.3 铁碳合金相图铁碳合金相图第四章 二元相图及应用4.3 4.3 铁碳合金相图铁碳合金相图2.2.合金合金：共析钢：共析钢（Eutectoid Steel） （wC% %0.77%0.77%）1234共析钢结晶过程示意图共析钢结晶过程示意图3423共析钢（共析钢（wC= 0.77%）的室温组织）的室温组织PFFe3CP第四章 二元相图及应用4.3 4.3 铁碳合金相图铁碳合金相图FFe3CP第四章 二元相图及应用4.3 4.3 铁碳合金相图铁碳合金相图共析钢（共析钢（

48、wC= 0.77%）的室温组织）的室温组织P第四章 二元相图及应用4.3 4.3 铁碳合金相图铁碳合金相图3.3.合金合金：亚共析钢：亚共析钢（Hypoeutectoid Steel） （wC% %0.0218%0.0218%0.77%0.77%）1234亚共析钢结晶过程示意图亚共析钢结晶过程示意图5456634亚共析钢（亚共析钢（wC= 0.0218% 0.77%）的室温组织）的室温组织FPFP第四章 二元相图及应用4.3 4.3 铁碳合金相图铁碳合金相图亚共析钢的室温组织亚共析钢的室温组织第四章 二元相图及应用4.3 4.3 铁碳合金相图铁碳合金相图wC% %0.2%0.2%的亚共析钢的亚

49、共析钢wC% %0.4%0.4%的亚共析钢的亚共析钢wC% %0.6%0.6%的亚共析钢的亚共析钢过共析钢结晶过程示意图过共析钢结晶过程示意图第四章 二元相图及应用4.3 4.3 铁碳合金相图铁碳合金相图4.4.合金合金：过共析钢：过共析钢（Hypereutectoid Steel） （wC% %0.77%0.77%2.11%2.11%）1234545233过共析钢（过共析钢（wC= 0.77 2.11%）的室温组织）的室温组织P Fe3CFe3CP第四章 二元相图及应用4.3 4.3 铁碳合金相图铁碳合金相图第四章 二元相图及应用4.3 4.3 铁碳合金相图铁碳合金相图5.5.合金合金：共晶

50、白口铸铁：共晶白口铸铁（Eutectic White Cast Iron） （wC% %4.34.3）123共晶白口铸铁结晶过程示意图共晶白口铸铁结晶过程示意图1223dLd这里的这里的L Ld d是由是由 和和FeFe3 3C C组成的机械混合物组成的机械混合物保留了高温下保留了高温下L Ld d的形态特征但已的形态特征但已发生组织转变的机械混合物，由发生组织转变的机械混合物，由P P 和和FeFe3 3C C组成，称为组成，称为变态莱氏体变态莱氏体或或低温莱氏体，低温莱氏体，记为记为L Ld d共晶白口铸铁（共晶白口铸铁（wC= 4.3%）的室温组织）的室温组织Ld Fe3CPLd第四章

51、二元相图及应用4.3 4.3 铁碳合金相图铁碳合金相图第四章 二元相图及应用4.3 4.3 铁碳合金相图铁碳合金相图6.6.合金合金：亚共晶白口铸铁：亚共晶白口铸铁（Hypoeutectic White Cast Iron） （wC% %2.11%2.11%4.3%4.3%）1234过共晶白口铸铁结晶过程示意图过共晶白口铸铁结晶过程示意图亚共晶白口铸铁（亚共晶白口铸铁（wC= 2.11% 4.3%）的室温组织）的室温组织P Fe3CII Ld Fe3CPLd第四章 二元相图及应用4.3 4.3 铁碳合金相图铁碳合金相图第四章 二元相图及应用4.3 4.3 铁碳合金相图铁碳合金相图7.7.合金合

52、金：过共晶白口铸铁：过共晶白口铸铁（Hypereutectic White Cast Iron） （wC% %2.11%2.11%4.3%4.3%）1234过共晶白口铸铁的结晶过程过共晶白口铸铁的结晶过程与亚共晶白口铸铁类似，只是与亚共晶白口铸铁类似，只是先共晶相为一次渗碳体。先共晶相为一次渗碳体。过共晶白口铸铁（过共晶白口铸铁（wC= 4.3% 6.69%）的室温组织）的室温组织Fe3C Ld Fe3CLd第四章 二元相图及应用4.3 4.3 铁碳合金相图铁碳合金相图第四章 二元相图及应用4.3 4.3 铁碳合金相图铁碳合金相图 铁碳合金平衡结晶后的室温组织：铁碳合金平衡结晶后的室温组织： 合金合金（工业纯铁）（工业纯铁）结晶完成后的室温组织：结晶完成后的室温组织： Fe3C 合金合金（共析钢）（共析钢）结晶完成后的室温组织：结晶完成后的室温组织：P 合金合金（亚共析钢）（亚共析钢）结晶完成后的室温组织：结晶完成后