材料科学基础：第七章 二元系相图及其合金的凝固2

1、7.3.8 二元合金相图分析实例重点：铁碳相图7.3.8 二元合金相图分析实例 FeC合金的组织和性能 Al2O3SiO2系的组织和性能 CuZn合金相图 CuSn合金 其他例子一. FeC合金的组织和性能 钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是应用最广的金属材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们的基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素，故统称为铁碳合金（alloys of the ironcarbon system）。因此，学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。 铁碳相图(如图7.50)是一个较复杂的二元合金相图，它概括了钢铁材料的成分、温度与组织

2、之间的关系。在铁碳合金中，Fe与C可以形成一系列化合物：Fe3C、Fe2C、FeC。所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。由于化合物是硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过5），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。 Fe-Fe3C相图1.FeC合金中的组元 铁碳合金中组元：纯铁(Fe) 渗碳体（Fe3C） (1) 纯铁（Fe） 纯铁（pure iron） WFe 99.8%，原子序数26，原子相对质量55.85，纯铁的熔点1538，汽化点2738，密度7.87g/。 纯铁固态下具

3、有同素异构转变（allotropic transformation）：912C以下为体心立方(bcc)晶体结构，912C到1394C之间为面心立方(fcc)结构, 1394C到熔点之间为体心立方(bcc)结构。 纯铁具有磁性转变（768磁性转变、magnetic transformation）。纯铁的强度低，塑性好(软)，很少用于结构材料。主要利用铁磁性（ferromagnetism）。 纯铁的同素异构转变纯铁的冷却曲线及晶体结构变化纯铁的显微组织(2) 渗碳体(Fe3C)A渗碳体（cementite）是FeC合金中碳以化合物(Fe3C)形式出现的。它具有复杂的晶格(正交晶系)，其晶体结构如图

4、4.49（P138）。Fe3C是由C原子构成的一个斜方晶格， 原子周围有六个Fe原子，构成一个八面体，而每个Fe原子属于两个八面体共有，Fe:C=3:1。 Fe3C熔点为1227，Fe3c是一种亚稳化合物，在一定条件下，渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳：Fe3C3Fe + C(石墨)。这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。所以FeFe3C相图又叫介稳定系相图，FeC相图又叫稳定系相图，若把FeFe3C相图与FeC相图画在同一图上，称为FeC合金双重相图，如图7.50。两相图各有不同适用范围。渗碳体的晶格Fe-Fe3C双重相图1Fe-Fe3C双重相图2(2) 渗碳体(Fe3C)-B Fe3C在

5、230以下具有铁磁性，常用A0表示这个临界点。 Fe3C在钢和铸铁中呈现片状，粒状，网状和板条状。渗碳体硬而脆(HB800)，塑性极低，延伸率接近于0。它是钢铁材料中的主要强化相。Fe3C中碳和Fe可以被其它元素替代形成以Fe3C为基的固溶体。Fe被Cr、Mn等原子金属置换，形成以Fe3C为基的固溶体，称为合金渗碳体。 2. FeC合金中的基本相 A 在FeFe3C相图中，FeC合金在不同条件(成分，温度)下，可有六个基本相： L相、相、相、相、Fe3C相、石墨（C） （1）液相(L) Fe与C在高温下形成的液体溶液。(ABCD线以上) （3）渗碳体（cementite） 前面已讨论过 （2）

6、相高温铁素体（high temperature ferrite） C在Fe的间隙固溶体。在14 9 5时最大溶解量可达0.09%，为bcc结构，也称高温铁素体（high temperature ferrite）。 FeC合金中的基本相 B （4） 奥氏体（austenite） 奥氏体(或A)是C溶解于Fe形成的间隙固溶体称为奥氏体（austenite）。具有fcc结构。具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳，1148C时最多可以溶解2.11%的碳，到727C时含碳量降到0.8%。碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心，单相区存在于NJBESGN区域内（727-1495）。奥氏体的硬度(

7、HB170220)较低，塑性(延伸率为40%50%)高。奥氏体的显微组织见下图。是顺磁性（paramagnetism），具有fcc结构。晶粒呈平直多边形。 碳在Fe晶格中的位置奥氏体的显微组织FeC合金中的基本相 C （5）铁素体（ferrite） 铁素体（或F）是C溶于Fe形成的间隙固溶体称为铁素体（ferrite）。C原子溶于八面体间隙。单相相在GPQ以左部分。铁素体的含碳量非常低，在727时C在Fe中最大溶解量为0.0218%，室温下含碳仅为0.005%，所以其性能与纯铁相似：硬度(HB50-80)低，塑性(延伸率为30%50%)高。铁素体的显微组织与工业纯铁相同。晶粒常呈多边形。是铁磁

8、性，具有bcc结构。 （6） 石墨（C） 在一些条件下，碳可以以游离态石墨（graphite）(hcp)稳定相存在。所以石墨对于FeC合金中铸铁也是一个基本相。3. FeFe3C相图分析 如图7.50为FeFe3C相图全貌。根据分析围绕三条水平线可把FeFe3C相图分解为三个部分考虑：左上角的包晶部分，右边的共晶部分，左下角的共析部分。 分析点、线、区特别是重要的点、三条水平恒温转变线 、重要的相界线 （1）FeFe3C相图的点 FeFe3C相图相图中的各特性点所对应的温度、成分和意义如下表： A、B、C、D、E、F、G、H、J、K、N、P、S、Q各点（2）FeFe3C相图的线 FeFe3C相

9、图有一些特性线，它们是由不同成分合金具有相同意义的点连接起来的。有三条水平恒温转变线，二条磁性转变线(水平)和三条重要的相界线。A.三条水平恒温转变线 包晶线：HJB线（1459），J为包晶点，wc=0.090.53%的Fe、C合金缓冷到HJB线均发生包晶反应，即： L0.53+0.090.17 （LB+HJ） 共晶线：ECF水平线（1148），C点为共晶点，wc=2.116.69%的Fe、C合金缓冷到EFC线均发生共晶反应，即： L4.302.11+ Fe3C （LCE+ Fe3C） 转变产物为和Fe3C组成的共晶混合物称为莱氏体（ledeburite），用Ld表示。 共析线：PSK水平线（

10、727），S点为共析点。凡wc0.0218%的Fe、C合金冷却到PSK线均发生共析反应，即： 0.770.0218 + Fe3C （SP+ Fe3C） 转变产物为和Fe3C组成的机械混合物称为珠光体（pearlite），用P表示。共析转变温度常用A1表示。 B. 两条磁性转变线 230为水平线为Fe3C的磁性转变线，230以上Fe3C无磁性，230以下为铁磁性。常用A0表示 770为的铁磁性转变线。770以上无铁磁性，770以下为铁磁体。常用A2表示，又称居里点。 C. 几条重要的相界线(固态转变线) GS线：A中开始析出或全部溶入(升温时) 的转变线。常用A3表示。因这条线在共析转变线以上，

11、故又称为先共析相开始析出线。常称为A3线或A3温度。 ES线：C在中溶解度曲线。常用Acm表示，称为Acm温度。低于此温度，溶解度降低，将析出Fe3C。为了区别自液(CD线)态合金中直接析出的一次Fe3C，将中析出的Fe3C称为二次Fe3C。 PQ线：C在中溶解度曲线。在727时，C在中的最大溶解度0.0218%，但温度下降，C在中溶解度下降，会析出少量的渗碳体，称为三次Fe3C。以区别于沿CD线和ES线析出的Fe3C。（3）FeFe3C相图中的区 FeFe3C相图中的区： 4个单相区：L、 7个两相区：L+、L+、L+ Fe3C、+、+ Fe3C、+、+ Fe3C 3个三相共存区：L+ Fe

12、3C（ECF线）、L+（HJB线）、+ Fe3C（PSK线） 4. FeC合金分类 Fe、C合金通常按其含碳量(Wc)及其室温平衡组织分为三大类：工业纯铁（pure iron）、碳钢（carbon steel）、铸铁（cast iron）。根据碳钢和铸铁的相变、组织特征可把二者细分。即： （1）工业纯铁：(Wc0.0218%)显微组织为固溶体。 （2）钢钢（steel）是含碳量在(Wc=0.02182.11%)之间的Fe、C合金。其特点是： 高温组织为单相的，具有很好的塑性。因而可以进行锻造、轧制等压力加工。根据其室温组织的不同，碳钢（carbon steel）又可分为： 共析钢（eutect

13、oid steel）：Wc=0.77% 亚共析钢（hypoeutectoid steel）：Wc=0.02180.77% 过共析钢（hypereutectoid steel）：Wc=0.772.11% （3）白口铸铁 白口铸铁（white cast iron）是含碳量在Wc=2.116.69%之间的Fe、C合金。其特点液态合金结晶时都发生共晶反应，液态时有良好的流动性，因而铸铁都具有良好的铸造性能。但因共晶产物是以Fe3C为基的莱氏体组织，所以性能很脆，不能锻造。它们的断口呈银白色，故称为白口铸铁。根据白口铸铁室温组织不同，可分为三种： 共晶白口铸铁（eutectoid cast iron）：

14、Wc=4.30% 亚共晶白口铸铁（hypoeutectoid cast iron）：Wc=2.114.30% 过共晶白口铸铁（hypereutectoid cast iron）：Wc=4.306.69% 上述Wc=2.11%具有重要的意义，它是钢和铸铁(生铁)的理论分界线。5.碳素结构钢的分类和编号 关于钢和铸铁的命名法则，国内和国际上都有强制性标准。下面给大家介绍一下碳素结构钢的分类和牌号。 一.分类 1.根据钢的含碳量分类 （1）低碳钢 Wc0.25% （2）中碳钢 Wc=0.250.60% （3）低碳钢 Wc0.60% 2.根据钢的质量（钢中含杂质S、P的量）分类 （1） 普通碳素钢 W

15、s0.055% Wp0.045% （2） 优质碳素钢 Ws0.040% Wp0.040% （3） 高级优质碳素钢 Ws0.030% Wp0.030% 3.根据钢的用途分类 （1）碳素结构钢 （2）碳素工具钢二.碳钢的编号 1.普通碳素结构钢 我国的钢材编号是采用国际化学符号，数字及汉语拼音字母并用的原则，碳钢的具体编号方法如下： 该类钢牌号表示方法是用“Q+数字+符号”表示 ，其中Q代表屈服点的字母，数字表示屈服点数值（MPa），质量等级符号（A，B，C，D）及脱氧方法符号（F，b，Z，TZ）等四部分按顺序组成。如Q235-A.F，表示屈服强度数值为235MPa的A级沸腾钢。质量等级符号表示普

16、碳钢中杂质硫磷含量的高低，C，D级的含量最低，质量好。脱氧方法符号从F起依次分别表示沸腾钢，半镇静钢， 镇静钢及特殊镇静钢，后两种钢牌号中的脱氧方法符号可省略。主要有：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275 2.优质碳素结构钢 沸腾钢，半镇静钢以及专门用途的优质碳素结构钢，应在钢号后特别标出，如15g，即平均含碳量为0.15%的锅炉钢；08F表示含碳量为0.08%的沸腾钢。 该类钢的钢号用“两位数字或两位数字Mn”表示，其中两位数字表示钢中碳的平均含量，单位为万分之一； Mn表示对含锰量较高的钢，须将锰元素标出，一般锰的含量为0.701.0%，如：20、20 Mn 、45、40 Mn

17、 。钢号45，表示平均含碳量为0.45%的钢，这是正常含锰量（按杂质含量）的优质碳素结构钢；钢号20 Mn表示碳的平均含量为0.20%、Mn表示锰的含量为0.701.0%的钢；钢号25Mn，表示平均含碳量为0.25%而含锰量为(0.71.0)%的钢。 3.碳素工具钢 碳素工具钢是用“T+数字”表示，其中T为碳的拼音，其后数字表示钢中平均含碳量的千分之几。如平均含碳量为0.8%的工具钢，其钢号记为“T8” ；T12表示碳的平均含量为1.2%的碳素工具钢。含锰量较高者须在钢号后标以“Mn”。若为高级优质碳素工具钢则在钢号末端加“A”，如T10A。 6. FeC合金的平衡结晶过程及组织 （1）工业纯

18、铁 以Wc=0.01%的合金为例 室温组织为：+ Fe3C Fe3C最多为0.33% 如下图 转变过程：LL+ + Fe3C 匀晶转变多晶型转变脱溶沉淀 工业纯铁室温组织图（200）（2） 共析钢共析钢（Wc=0.77%） 冷却曲线如图： 室温组织为P（+ Fe3C），P呈层片状，是和Fe3C的层片交替重叠的机械混合物。如图7.53图中的白色片状为，黑色片状为Fe3C。 过程如下：LL+P+P（+ Fe3C） 匀晶转变共析转变脱溶沉淀 共析钢的室温组织（500）（3）亚共析钢 亚共析钢（Wc=0.02180.77%） 冷却曲线如图： 室温组织为：+ P 如图7.56中的白色为，黑色片状为P。

19、过程如下： LL+L+L+ +P+P （析出Fe3C） 匀晶转变包晶转变共析转变脱溶沉淀 特别需注意：室温组织为+ P，由于是发生在共析转变之前，我们称为先共析铁素体。共析转变之前+和组织的相对量(即共析转变后和P的相对量)可通过杠杆法则来计算。 亚共析钢的室温组织（200）（4） 过共析钢 过共析钢（Wc=0.772.11%） 冷却曲线如图： 室温组织为：P+ Fe3C，如图7.57中的白色为网状Fe3C，暗黑色为P。 过程如下：LL+Fe3C P + Fe3C 匀晶转变共析转变脱溶沉淀 过共析钢的室温组织（500）（5）共晶白口铸铁共晶白口铸铁（Wc=4.30%） 冷却曲线如图 液相冷至1

20、点，发生共晶转变： L4.302.11+ Fe3C 此共晶体成为莱氏体(Ld：+Fe3C)，温度降至PSK线发生共析转变形成P，共析转变结束后组织为Fe3C+ P + Fe3C，称为低温莱氏体(变态莱氏体)，用Ld表示。 室温组织为：Ld（P + Fe3C+Fe3C） 过程如下：LL+ Ld（+Fe3C）LdLd（+Fe3C+Fe3C）Ld（P + Fe3C+Fe3C） 共晶转变共析转变脱溶沉淀 共晶白口铸铁组织图（200）（6）亚共晶白口铸铁 亚共晶白口铸铁（Wc=2.114.30%） 冷却曲线如图： 室温组织为：Fe3C+ Ld +P ，其组织如图7.59 过程如下：LL+L+ Ld+ L

21、d +Fe3C+Ld+Fe3C+Ld+P Fe3C+ Ld +P 匀晶反应共晶转变脱溶转变共析反应 亚共晶白口铸铁组织图（200）（7）过共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁（Wc=0.772.11%） 冷却曲线如图： 室温组织为：Fe3C+ Ld ，其组织如图7.60 过程如下：LL+Fe3CFe3C+ Ld Fe3C+ Ld 匀晶反应共晶转变脱溶转变共析反应 过共晶白口铸铁组织图（200）注意区别组织中的渗碳体一次渗碳体 Fe3C： 共晶渗碳体 Fe3C：二次渗碳体 Fe3C： 共析渗碳体 Fe3C： 二次渗碳体 Fe3C：7.Wc对铁碳合金的组织和性能的影响-A 随着含碳量的增加, Fe、C合金的组织发生下列变化：+Fe3C +P P P+Fe3C Fe3C+Ld +P Ld Fe3C+ Ld 称为组织组成物 所有Fe-Fe3C合金的室温组织都是由铁素体和渗碳体Fe3C两相组成，因此，把铁素体和渗碳体称为Fe-Fe3C合金的相组成物。 注：随着Wc的增加，Fe、C合金中的量逐渐减少，Fe3C的量逐渐增多，其变化呈线性关系。所有Fe、C合金都是由和Fe3C组成，两个相的相对量可由杠杆法则来求得。随碳含量的增加，WFe3C增加，Fe3C形态也发生变化，由片状及球状形式分布在基本内(P)，Fe3C进一步成网状