工程材料学-二元相图与铁碳相图

第三章二元相图与铁碳相图几个名词概念（复习）：组元（元）：纯元素或稳定化合物合金及合金系：由两个或两个以上组元按一定比例配制而成的一系列不同成分的合金。相：合金中具有相同化学成分，相同晶体结构，彼此之间有界面分开的均匀部分。相变：温度改变时，合金由一种相状态转变为另一种相状态。二元合金相图:表示二元合金系中不同成分的合金，在温度极缓慢变化条件下，在各种不同温度下的相组成和相变化的图。3.1

二元合金相图3.1.1二元合金相图的建立

热分析法、金相法等。

相图的建立(铜镍合金为例):(1)配制不同成分的铜镍合金。(2)测出每种合金的冷却曲线，找出其相变温度。铜镍合金的冷却100011001200130014001500温度℃Cu20%Ni40%Ni80%Ni60%NiNi时间合金成分开始结晶温度终了结晶温度铜108380%铜1170

113860%铜1260

120040%铜1347

128520%铜1410

1382

镍1451铜镍合金的冷却曲线和状态图100011001200130014001500温度℃Cu20%Ni40%Ni80%Ni60%NiNi时间Ni%020406080100(3)

在温度—成分坐标系中标出各成分合金的相变点。(4)将意义相同的点连接起来，得到铜镍二元合金相图。

0100200300400500Pb20406080Sb温度Sb%(11.1)aL+ba+bL+aLFECADGBb奥氏体d

–铁液+d奥+d液体液+奥ABNJ三种基本相图020406080100温度CuNi

铜、镍熔点

液相线；

固相线。

液相区，用L表示；

固相区，用表示；

两相区，用(L+) 表示3.1.2匀晶相图

二元合金系中两组元在固态能够形成无限互溶的固溶体时，其合金相图为匀晶相图。 如Cu-Ni、Fe-Ni等合金系。铜镍合金状态图Ni%020406080100L1.相图结构分析点：线：区：L+3.结晶过程中固相的成分变化（不平衡结晶）

“枝晶偏析”。

高温扩散退火可消除枝晶偏析。2.合金的结晶过程温度Ni%含60%镍合金的冷却曲线及结晶过程示意图100011001200130014001500020406080100L1L2L3a3t1t2t3LLaa时间a2a14.杠杆定律

含镍x%的合金

当温度为t时处于两相区，

液相含镍y%，固相含镍z％。合金总重量为W：

W=W+WL。

合金的含镍总量：

WX=WLy+WZ

WL*ab=Wa*bc

杠杆定律只适用于两相区。100011001200130014001500020406080100温度abctxyzNi%杠杆定律的推导及应用WLW

具有共晶转变的相图叫共晶相图。如Pb-Sb合金相图。

L(+β)定义：

铅中溶锑形成固溶体；

锑中溶铅形成β固溶体。0100200300400500Pb20406080Sb温度Sb%共晶相图(11.1)aL+ba+bL+aLFECADGBb3.1.3共晶相图成分0100200300400500Pb20406080Sb温度Sb%共晶相图(11.1)aL+ba+bL+aLFECADGBb成分线：AEB：液相线

ACEDB：固相线

（CD被称作共晶线）

CF：固溶体的固溶线

DG：β固溶体的固溶线1.

共晶相图分析

点：A：铅的熔点B：锑的熔点

C：固溶体的最大溶解度点

D：β固溶体的最大溶解E：共晶点

F：固溶体的室温溶解度点

G：β固溶体的室温溶解度点

区：单相区：L、、β、

双相区：L+、L+β、+β2.典型合金结晶过程

(1)

合金Ⅰ(室温组织为+βⅡ)PbSbSb%11.1a+b50.575123122′’1

1′’122′123a+bIItIIVIVIII温度ab(3)

共晶合金III。

室温组织为(+β)。PbSbSb%11.1a+b50.575123122’1

1′’122′11′(a+b)tIIIIVIIIIII温度ab

共晶产物的组织形态abab(2)

CE之间的合金II(DE之间的合金类似)。

亚共晶合金，室温组织为

+βⅡ+(+β)。PbSbSb%11.1a+b50.575123122′1’

1′’122′122′a+bII+(a+b)tIIIVIVIII温度ab

L+αL(a+b)

3.相组成图PbSbSb%a+b温度abL+aL+bL4.组织组成相图PbSbSb%(a+b)温度aba+(a+b)+

bIIa+bIIL+aL+bb+aII

b+(a+b)+aIIL3.1.4共析相图和包晶相图

1.共析相图

具有共析转变的相图共析转变:(+β)ABB%(a+b)温度aba+(a+b)+

bIIa+bIIγ+aγ+bb+aII

b+(a+b)+aIIγC%FeCm(a+Cm)温度a

a+(a+Cm)+

Cm

IIa+CmIIγ+aγ+Cm

Cm+(a+Cm)γ2.包晶相图

含有包晶转变的相图。

包晶转变

L+

γ

奥氏体d

–铁液+d奥+d液体液+奥ABNJγLγ020406080温度aL+βa+βL+aLFECADGB020406080温度L+BA+BL+ALFECADGB思考：分析以下两图：(1)奥氏体A(γ)

碳溶于γ-Fe中形成的固溶体，面心

立方，强度低,塑性好。

(2)铁素体F()碳溶于

－Fe中形成的固溶体，体心

立方，强度、硬度低,塑性、韧性好。

(3)渗碳体Fe3C(Cm)

金属化合物。成分固定,为6.69%C。

性质硬而脆。是铁碳合金的强化相。3.2铁碳相图3.2.1铁碳合金的基本相渗碳体Fe3C(Cm)是铁碳合金中最重要的强化相，它的数量、分布、形态等都对材料的机械性能有很大影响。根据生成条件不同可分为：Fe3CⅠ：直接从液体中结晶出来的，条、块状；Fe3CⅡ：从奥氏体中析出的，易聚集在晶界上；Fe3CⅢ：从铁素体中析出的，粒状，量少；共晶Fe3C：共晶反应产物，作为基体；共析Fe3C：共析反应产物，呈片状；

3.2.1铁碳合金的基本组织（基本的机械混合物、基本相组成方式）莱氏体（Ld）：共晶产物，以Cm为基体,脆性大,1148℃进行，

L→(γ+Cm)

珠光体（P）:共析产物，片层状机械混合物,有一定综合机械性能,727℃进行，

γ→(+Cm)3.2.2Fe-Fe3C相图分析(点、线、区，组成相）0.026.695006007008009001000110012001300140015001600T℃1227℃0.772.114.3奥+铁铁素体+渗碳体液体+奥氏体液体+渗碳体液体奥氏体+渗碳体G(913℃)727℃1148℃C%铁素体A(1538℃)SPECKFD奥氏体d液+d奥+d液体液+奥ABNJ奥氏体A3A1Acm铁碳合金分类工业纯铁------------------<0.0218%C铸铁过共晶铸铁----4.3~6.69%C亚共晶铸铁-------2.11~4.3%C共晶铸铁----------4.3%C共析钢-------------0.77%C过共析钢----------0.77~2.11%C亚共析钢----------0.0218~0.77%C钢3.2.2Fe-Fe3C相图分析（共晶部分）0.026.695006007008009001000110012001300140015001600T℃1227℃0.772.114.3珠光体奥+铁铁+珠渗碳体II+珠光体奥氏体+

渗碳体II液体+奥氏体液体+渗碳体液体奥氏体+渗碳体II+莱氏体渗碳体+莱氏体渗碳体+低温莱氏体珠光体+渗碳体II+低温莱氏体莱氏体低温莱氏体G(913℃)727℃1148℃C%铁素体A(1538℃)ͼ3-7Fe-Fe3CºÏ½ðÏàͼSPECKFD奥氏体d液+d奥+d液体液+奥ABNJ奥氏体A3A1Acm

共晶:L(A+Fe3C) Ld4.31148℃3.2.2Fe-Fe3C相图分析（共析部分）0.026.695006007008009001000110012001300140015001600T℃1227℃0.772.114.3珠光体奥+铁铁+珠渗碳体II+珠光体奥氏体+

渗碳体II液体+奥氏体液体+渗碳体液体奥氏体+渗碳体II+莱氏体渗碳体+莱氏体渗碳体+低温莱氏体珠光体+渗碳体II+低温莱氏体莱氏体低温莱氏体G(913℃)727℃1148℃C%铁素体A(1538℃)Fe-Fe3CSPECKFD奥氏体d液+d奥+d液体液+奥ABNJ奥氏体A3A1Acm共析:A(F+Fe3C) PLdL’d3.2.2Fe-Fe3C相图分析（各组成相的组织形态）0.026.695006007008009001000110012001300140015001600T℃1227℃0.772.114.3珠光体奥+铁铁+珠渗碳体II+珠光体奥氏体+

渗碳体II液体+奥氏体液体+渗碳体液体奥氏体+渗碳体II+莱氏体渗碳体+莱氏体渗碳体+低温莱氏体珠光体+渗碳体II+低温莱氏体莱氏体低温莱氏体G(913℃)727℃1148℃C%铁素体A(1538℃)SPECKFD奥氏体A3A1Acm3.2.3典型合金结晶过程

1.共析钢的结晶过程(含碳0.77%珠光体)

珠光体：由铁素体和渗碳体组成的片层状共析体。其中铁素体约占80%，渗碳体约占12%。ͼ3-7Fe-Fe3CºÏ½ðÏàͼP0.026.695006007008009001000110012001300140015001600T℃1227℃0.772.114.3珠光体奥+铁铁+珠渗碳体II+珠光体奥氏体+

渗碳体II液体+奥氏体液体+渗碳体液体奥氏体+渗碳体II+莱氏体渗碳体+莱氏体渗碳体+低温莱氏体珠光体+渗碳体II+低温莱氏体莱氏体低温莱氏体G(913℃)727℃1148℃C%铁素体A(1538℃)SPECKFD奥氏体A3A1AcmA2-33ÒÔÏÂ1ÒÔÉÏLA1-2L12312332.亚共析钢的结晶过程

含碳量为0.02%～0.77%。铁素体+珠光体组织。FP4ÒÔÏÂ0.026.695006007008009001000110012001300140015001600T℃1227℃0.772.114.3珠光体奥+铁铁+珠渗碳体II+珠光体奥氏体+

渗碳体II液体+奥氏体液体+渗碳体液体奥氏体+渗碳体II+莱氏体渗碳体+莱氏体渗碳体+低温莱氏体珠光体+渗碳体II+低温莱氏体莱氏体低温莱氏体G(913℃)727℃1148℃C%铁素体A(1538℃)SPECKFD奥氏体A3A1AcmA2-3AF3-4A1-2LL123412343.过共析钢的结晶过程

含碳在0.77%～2.1%之间的铁碳合金。珠光体+渗碳体。0.026.695006007008009001000110012001300140015001600T℃1227℃0.772.114.3珠光体奥+铁铁+珠渗碳体II+珠光体奥氏体+

渗碳体II液体+奥氏体液体+渗碳体液体奥氏体+渗碳体II+莱氏体渗碳体+莱氏体渗碳体+低温莱氏体珠光体+渗碳体II+低温莱氏体莱氏体低温莱氏体G(913℃)727℃1148℃C%铁素体A(1538℃)SPECKFD奥氏体A3A1AcmA3-41ÒÔÉÏLA1-2LA2-3LP4ÒÔÏÂFe3CFe3C123412340.026.695006007008009001000110012001300140015001600T℃1227℃0.772.114.3珠光体奥+铁铁+珠渗碳体II+珠光体奥氏体+

渗碳体II液体+奥氏体液体+渗碳体液体奥氏体+渗碳体II+莱氏体渗碳体+莱氏体渗碳体+低温莱氏体珠光体+渗碳体II+低温莱氏体莱氏体低温莱氏体G(913℃)727℃1148℃C%铁素体A(1538℃)SPECKFD奥氏体A3A1AcmAA1-2L1ÒÔÉÏLPA0.026.695006007008009001000110012001300140015001600T℃1227℃0.772.114.3珠光体奥+铁铁+珠渗碳体II+珠光体奥氏体+

渗碳体II液体+奥氏体液体+渗碳体液体奥氏体+渗碳体II+莱氏体渗碳体+莱氏体渗碳体+低温莱氏体珠光体+渗碳体II+低温莱氏体莱氏体低温莱氏体G(913℃)727℃1148℃C%铁素体A(1538℃)SPECKFD奥氏体A3A1AcmAA1-2L1ÒÔÉÏLPA0.026.695006007008009001000110012001300140015001600T℃1227℃0.772.114.3珠光体奥+铁铁+珠渗碳体II+珠光体奥氏体+

渗碳体II液体+奥氏体液体+渗碳体液体奥氏体+渗碳体II+莱氏体渗碳体+莱氏体渗碳体+低温莱氏体珠光体+渗碳体II+低温莱氏体莱氏体低温莱氏体G(913℃)727℃1148℃C%铁素体A(1538℃)SPECKFD奥氏体A3A1AcmLLd’Ld12122’1’4.共晶白口铁的结晶过程5.亚共晶(白口)铸铁的结晶过程

含碳量为2.1%～4.3%之间的铁碳合金。

室温组织为P+Fe3CⅡ+Ld‘。0.026.695006007008009001000110012001300140015001600T℃1227℃0.772.114.3珠光体奥+铁铁+珠渗碳体II+珠光体奥氏体+

渗碳体II液体+奥氏体液体+渗碳体液体奥氏体+渗碳体II+莱氏体渗碳体+莱氏体渗碳体+低温莱氏体珠光体+渗碳体II+低温莱氏体莱氏体低温莱氏体G(913℃)727℃1148℃C%铁素体A(1538℃)SPECKFD奥氏体A3A1AcmA2-3Ld3ÒÔÏÂLd’PA1-2L1ÒÔÉÏL1231233.3.1判断合金的组织

根据相图可以判断在温度缓慢变化条件下，任一成分的合金在某个温度时的组织是由哪些相组成的，各相的化学成分以及各相所占的比例。3.3相图的应用铁碳合金室温组织比例图100%FFe3CFe3C¢òPLd’00.772.114.36.69C%0.026.695006007008009001000110012001300140015001600T℃1227℃0.772.114.3珠光体奥+铁铁+珠渗碳体II+珠光体奥