第三章二元合金相图及其应用

第三章二元合金相图及其应用§6.1相图的建立§6.2匀晶相图§6.3共晶相图§6.4其它相图§6.5相图与性能的关系§6.6铁碳合金相图§3.1相图的建立1、概念相图：表示合金系中合金的状态与温度、成分之间关系的图解。我们经常见到的相图是平衡相图。2、两元相图的建立建立相图最常用方法是热分析法。它是通过测量相变时的热效应（即相变时放出热量或吸收热量）来确定相变时的临界温度。

●二元相图的建立：1配制不同成分的二元合金；2作出每个合金的冷却曲线-临界点；3建立T-x坐标系，把每个合金冷却曲线上的临界点分别标在各个合金的成分垂线上。4将各个成分垂线上具有相同意义的点连接成线，再加上标注。Cu-Nidiagram图3-1铜-镍合金的冷却曲线和相图(a)不同成分合金冷却曲线(b)铜镍合金相图§3.2匀晶相图1.相图分析匀晶相图－两组元在液态和固态均能无限互溶时形成的相图2.合金平衡结晶过程图3-2含60%Ni合金的冷却曲线及结晶过程示意图3.杠杆定律

LeverLaw4、非平衡结晶与固溶强化合金内部尤其是固相内部的原子扩散来不及充分进行

。。晶内偏析枝晶偏析图4-11固溶体在不平衡凝固时液、固两相的成分变化及组织变化示意图晶内偏析：晶粒内部出现的成分不均匀现象（浓度差别）。枝晶偏析：枝干和分枝间的成分不一致。消除方法：扩散退火（均匀化退火）－－通过扩散消除热轧、锻造等使枝晶偏析程度减轻。5、匀晶相图与性能的关系－固溶强化匀晶相图与合金硬度间关系§3.3共晶相图两组元在液态下完全互溶、在固体下有限互溶，并且有共晶反应发生的合金相图。1、相图分析2、典型合金平衡结晶过程3、伪共晶与比重偏析1.相图分析●特征点：E:共晶点，tA:Pb的熔点，tB:Sn的熔点。●特征线：液相线，固相线，Sn在Pb中的溶解度曲线（也称饱和溶解度曲线或固溶线），Pb在Sn中的溶解度曲线。共晶反应线共晶反应共晶点（亚共晶、过共晶）共晶温度共晶组织。●相区：三个单相区：L、α、β三个两相区：L＋α、L+β、α＋β

2典型合金的平衡结晶过程2.1.共晶合金的结晶过程Amountofb

AmountofαPb-Sn共晶合金平衡凝固过程示意图这一过程在恒温一直进行凝固完毕，此温度时的共晶体由αM和βN两个固溶体组成。相对量用杠杆法则计算：

*光镜下：αⅡ、βⅡ与α、β不易区分*最终组织：（α＋β）共晶体相组成物：指合金由几个相组成组织组成物：指合金在显微镜下有哪几种可以清楚区分的相发布形态图3-6亚共晶合金的结晶过程示意图(a)结晶过程(b)冷却曲线及组织变化示意图2.2亚共晶合金的结晶过程2.3过共晶合金的结晶过程

2.4小于共晶成分合金的结晶过程3、共晶相图与性能的关系－时效强化第二相的数量、形状、大小、分布状况对合金的性能影响连续网状分布层片状弥散颗粒状Pb-Sn共晶合金平衡凝固过程示意图§3.4其他相图1、共析相图2、具有稳定化合物的两元相图1、共析相图2、形成稳定化合物的相图§3.5相图与性能的关系1、合金的力学性能与相图的关系形成机械混合物的合金中，各相的分散度对组织敏感的性能有较大的影响组成物细小、分散，强硬度提高第二相分布：沿晶界――脆、σb↓层片状――细小、σb↑、δ％↑颗粒状――σb↑↑、δ％↑↑弥散强化：由过饱和固溶体中弥散强化相强化合金的方法2、合金工艺性能与相图的关系工艺性：共晶体――熔点低、流动性好、易铸造、切削加工固溶体――韧性好，冲压流动性好§3.6铁碳合金相图铁碳相图Fe－C相图Fe－Fe3C相图（Fe3C亚稳定相）1、铁碳合金的基本相铁素体：碳原子溶于α铁形成的固溶体碳在铁素中的最大溶解度――0.0218%。奥氏体：碳原子溶于γ铁形成的固溶体碳在奥氏体的最大溶解度为2.11%渗碳体Fe3C：硬脆相、复杂的斜方结构、强化相分解Fe3C→3Fe+C(石墨)Fe3C在钢和铸铁中可呈片状、球状、网状、板状等不同的形态。2．相图分析ABCD――液相线，AHJECF――固相线相图组成――共晶、共析等恒温转变（1）ECF线（1148℃）发生共晶转变：LC→γE+Fe3C。转变产物是奥氏体与渗碳体的机械混合物，称为莱氏体。（2）PSK线（727℃）发生共析转变：γS→αP+Fe3C。转变产物是铁素体与渗碳体的机械混合物，称为珠光体。

A1温度固态转变线：（1）GS线—A开始析出F或F全部溶入A转变线，A3温度。（2）ES线—碳在A中的溶解限度线。Acm温度。低于此温度时，A中将析出二次渗碳体，

Fe3CⅡ，区别L中析出的一次渗碳体Fe-Fe3CⅠ。（3）PQ线—碳在F中的溶解度线。在727℃时，碳在铁素中的最大溶解度为0.0218%，F中析出的渗碳体，称为三次渗碳体Fe3CⅢ。典型铁碳合金冷却时的组织转变过程分析

3．典型铁碳合金的平衡凝固碳钢：含碳量小于2.11%Fe-Fe3C合金铸铁：含碳量大于2.11%Fe-Fe3C系结晶的铸铁，称为白口铸铁。

根据组织特征，参照Fe-Fe3C相图，铁碳合金按含碳量划分为七种类型：（1）工业纯铁，<0.0218%C；（2）共析钢，0.77%C；（3）亚共析钢，0.0218~0.77%C；（4）过共析钢，0.77~2.11%；（5）共晶白口铸铁，4.30%C；（6）亚共晶白口铸铁，2.11~4.30%C；（7）过共晶白口铸铁，4.30~6.69%C。（1）含碳0.01%的合金（工业纯铁）合金全部呈单相A。冷到5~6点间又发生同素异构转变γ→α，变为F。在A晶界上优先形核长大。6点以下全部是F。冷到7点时，碳在F中的溶解量达到饱和。在7点以下，将从F中析出三次渗碳体Fe3CⅢ。含碳0.01%的工业纯铁结晶过程示意（2）含碳0.77%的合金（共析钢）在1~2点间合金按匀晶转变结晶出A。在2点凝固完成，全部为A。冷到3点（727℃），在恒温下发生共析转变：γ0.77→α0.0218+Fe3C，转变产物为珠光体.珠光体：F与Fe3C的层片混合物。含碳0.77%的碳钢结晶过程示意

P中的Fe3C称为共析渗碳体。经退火处理后也可呈球粒状分布在F的基体上，称为球状（或粒状）P。P中F与Fe3C的相对量可用杠杆法则求得：Fe3Cp=100%-88%=12%（3）含碳0.4%的合金（亚共析钢）冷到3点，合金全部由含碳量0.40%的A所组成。单相的A冷却到4点时，开始析出F。随着温度下降，F不断增多，其含碳量沿GP线变化，而剩余A的含碳量则沿GS线变化。当温度达到5点（727℃）时，剩余A的含碳量达到0.77%，发生共析转变形成P。在5点以下，先共析铁素体中将析出三次Fe3C，数量很少，可勿略。亚共析钢冷却到室温后组织组成物：F＋P。钢的含碳量越高，室温组织中的P含量也越多。含碳0.40%的碳钢结晶过程示意亚共析钢的室温组织（白色晶粒为铁素体，暗黑色组成体是珠光体，有些珠光体团的片层组织可以分辨）200×a)0.40%C；b)0.60%C

（4）含碳1.2%的合金（过共析钢）冷到3点开始从A中析出二次Fe3C，直到4点为止。这种先共析的Fe3C多沿奥氏体呈网状分布，量较多时还在晶内呈针状分布。随着Fe3C的析出，A的含碳量沿ES线不断下降，当温度到达4点时（727℃）A的含碳量降为0.77%。在恒温下发生共析转变，最后得到的组织是网状的二次渗碳体和珠光体。过共析钢冷却到室温后

组织组成物：Fe3C＋P。钢的含碳量越高，室温组织中的Fe3C含量也越多。含碳1.2%的碳钢结晶过程示意含碳1.2%的过共析钢缓冷后的组织500a)硝酸酒精浸蚀，白色网状相为二次渗碳体，暗黑色为珠光体；b)苦味酸钠浸蚀，黑色为二次渗碳体，浅白色为珠光体a)b)（5）含碳4.3%的合金（共晶白口铸铁）合金熔液冷到1点（1148℃）时，在恒温下发生共晶转变L4.30→γ2.11+Fe3C，此共晶体通常莱氏体（Ld）。冷到1点以下，共晶奥氏体中不断析出二次Fe3C，温度降至2点（727℃）时，共晶A的含碳量降至0.77%，在恒温下转变为P。最后得到的组织由P分布在共晶Fe3C上所组成。室温Ld保留了高温下共晶转变产物的形态特征，但组成相A已发生了转变。1以上1~22以下含碳4.3%的白口铁结晶过程示意共晶白口铸铁的室温组织250×（白色基体是共晶渗碳体，黑色颗粒是由共晶奥氏体转变而来的珠光体）含碳3.0%的白口铁结晶过程示意（6）含碳3.0%的合金（亚共晶白口铸铁）合金熔液在1~2点结晶出奥氏体，此时液相成分按BC线变化，而奥氏体成分沿JE线变化。温度降到2点（1148℃）时，剩余液相的成分达到共晶，发生共晶转变，生成Ld。在2点以下，先共晶A和共晶A中都析出二次渗碳体。随着二次渗碳体的析出，奥氏体的含碳量沿ES线降低。当温度到达3点（727℃）时，所有A都发生共析转变成为珠光体。

合金的室温组织组成物：P＋Ld’亚共晶白口铸铁在室温下的组织（黑色的树枝组成体是珠光体，其余为莱氏体）

80×

枝状的大块黑色组成体是由先共晶奥氏体转变来的P其余Ld。由先共晶A出的二次渗碳体也依附在共晶渗碳体上而难以分辨。含碳5.0%的过共晶白口铸铁结晶过程示意过共晶白口铸铁冷却到室温后的组织(白色条片是一次渗碳体，其余为莱氏体)250×（7）含碳5.0%的合金（过共晶白口铸铁）先共晶相是渗碳体，