第3章-二元合金相图及应用

相图的建立相图：以温度为纵坐标，以成分为横坐标，表明合金系中的各种合金在不同温度下由哪些相构成，以及这些相之间平衡关系的图形。二元相图的建立（以热分析法为例）配制不同的Cu-Ni合金测定合金的冷却曲线找出合金的临界点将各临界点标在以温度为纵坐标，以成分为横坐标的图中，将同类临界点连接起来，得到Cu-Ni合金相图名称A金属B金属晶格类型bccbcc熔点高低合金1100%0%合金290%10%合金380%20%……..……..…….合金920%80%合金1010%90%合金110%100%热分析法第3章二元合金相图及应用3/9/20241工程材料时间温度90705030AB温度A温度B温度3/9/20242工程材料二元匀晶相图两组元在液态和固态均能无限互溶所构成的相图为二元匀晶相图。例：Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Fe-Cr等3/9/20243工程材料abab

:液相线ab:固相线LL+SSL:液相区S:固相区L+S:液固共存区AB温度相图分析3/9/20244工程材料匀晶相图结晶过程分析：冷却曲线＋结晶过程3/9/20245工程材料匀晶结晶特点α固溶体从液相中结晶出来的过程中,也包括有生核与长大两个过程。结晶在一个温度区间内进行,即为一个变温结晶过程。在两相区内,温度一定时,两相的成分(即Ni含量)是确定的。确定相成分的方法：过指定温度T1作水平线,分别交液相线和固相线于a1点c1点,则a1点c1点在成分轴上的投影点即相应为L相和α相的成分。随着温度的下降,液相成分沿液相线变化,固相成分沿固相线变化。两相区内,温度一定时,两相的重量比是一定的。（应用杠杆定律计算）固溶体结晶时成分是变化的,如果冷却较快,造成枝晶偏析

3/9/20246工程材料TLTSTnedc杠杆定理QS=(ce／de)100%

QL=(dc／de)100%

QS+QL=1dQS+eQL

=1×

cABabLS温度QLQs杠杆定律3/9/20247工程材料杠杆定律是计算合金平衡组织中的组成相或组织组成物的质量分数的重要工具。应当熟练掌握和运用。杠杆定律只适用于相图中的两相区,并且只能在平衡状态下使用。杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点,而支点为合金的成分点。

杠杆定律的证明和力学比喻

3/9/20248工程材料枝晶偏析Cu-Ni合金枝晶偏析示意图1）定义：由于冷却速度快，造成晶体中晶粒内化学成分不均匀的现象。2）枝晶偏析危害：影响合金力学性能、耐蚀性能和加工工艺性能3）消除办法：再结晶退火3/9/20249工程材料二元共晶相图定义：两个组元在液态无限互溶，但固态只能有限互溶或不能互溶，并发生共晶反应的合金系所构成的相图为二元共晶相图。如：Pb-Sb、Pb-Sn、Cu-Ag等3/9/202410工程材料β1）点2）线3）区4）特征反应式

Lα+β1234相图分析：点、线、区B温度Sn%SnLPbL+α

L+βαα+βACEDFG3/9/202411工程材料Pb-Sn合金相图

3/9/202412工程材料结晶过程分析合金I结晶过程其组成相是f点成分的α相和g点成分的β相。运用杠杆定律,两相的相对重量为：合金室温组织由α和β组成,α和βII即为组织组成物。3/9/202413工程材料合金II的结晶过程

3/9/202414工程材料由于析出的二次β和二次α

都相应地同β和α相连在一起，共晶体的形态和成分不发生变化。合金的室温组织全部为共晶体，即只含一种组织组成物；其组成相仍为α和β相。

共晶合金组织的形态

3/9/202415工程材料合金Ⅲ是亚共晶合金,

合金冷却到1点温度后,由匀晶反应生成α固溶体,叫初生α固溶体。

合金Ⅲ的结晶过程3/9/202416工程材料合金Ⅲ的结晶过程从1点到2点温度的冷却过程中，按照杠杆定律，初生α的成分沿ac线变化，液相成分沿ad线变化；初生α逐渐增多，液相逐渐减少。3/9/202417工程材料合金Ⅲ的结晶过程当刚冷却到2点温度时，合金由c点成分的初生α相和d点成分的液相组成。然后液相进行共晶反应,但初生α相不变化。经一定时间到2‘点共晶反应结束时，合金转变为α+(α+β)。

3/9/202418工程材料合金Ⅲ的结晶过程从共晶温度继续往下冷却,初生α中不断析出βII,成分由c点降至f点；共晶体形态、成分和总量保持不变。

3/9/202419工程材料合金Ⅲ的结晶过程合金的室温组织为初生α+βII+(α+β)合金的组成相为α和β,它们的相对重量为：成分在cd之间的所有亚共晶合金的结晶过程与合金Ⅲ相同，仅组织组成物和组成相的相对重量不同，成分越靠近共晶点，合金中共晶体的含量越多。3/9/202420工程材料亚共晶合金组织组成物的质量分数

组织组成物：初生α、βII和共晶体(α+β)

。先求合金在刚冷到2点温度而尚未发生共晶反应时α

和L相的质量分数相对重量。液相在共晶反应后全部转变为共晶体(α+β),这部分液相的质量分数就是室温组织中共晶体(α+β)的质量分数。初生αc冷却不断析出βII,到室温后转变为αf和βII。按照杠杆定律,可求出αf、βII占αf＋βII的质量分数(注意,杠杆支点在c'点),再乘以初生αc在合金中的质量分数,求得αf、βII占合金的质量分数。

得到合金III在室温下的三种组织组成物的质量分数为：3/9/202421工程材料合金Ⅳ的结晶过程3/9/202422工程材料组织和相的关系3/9/202423工程材料共析相图d点成分(共析成分)的合金从液相经过匀晶反应生成γ相后,继续冷却到d点温度(共析温度)时,在此恒温下发生共析反应:γ→

(α+β)

由一种固相转变成完全不同的两种相互关联的固相,此两相混合物称为共析体。共析相图中各种成分合金的结晶过程的分析与共晶相图相似,但因共析反应是在固态下进行的,所以共析产物比共晶产物要细密得多。

3/9/202424工程材料固态下组元间不溶解的共晶相图3/9/202425工程材料形成稳定化合物的相图3/9/202426工程材料包晶相图Pt-Ag合金相图

两组元在液体时无限互溶，在固态时形成有限固溶体，并发生包晶反应的合金系构成的相图。3/9/202427工程材料包晶相图相图分析Pt-Ag合金相图中存在三种相:

Pt与Ag形成的液溶体L相;

Ag溶于Pt中的有限固溶体α相;Pt溶于Ag中的有限固溶体β相。e点为包晶点,e点成分的合金冷却到e点所对应的温度(包晶温度)时发生包晶反应Le+

c

d

。

发生包晶反应时三相共存,它们的成分确定,反应在恒温下平衡地进行。水平线ced

为包晶反应线。

cf为Ag在Pt中的溶解度线,eg为Pt在Ag中的溶解度线。

3/9/202428工程材料合金I的结晶过程合金冷却到1点温度以下时结晶出α固溶体,α相成分沿ac线变化,L相成分沿ad线变化。

3/9/202429工程材料合金I的结晶过程合金刚冷到2点温度而尚未发生包晶反应前,由c点成分的α相与d点成分的L相组成。此两相在e点温度时发生包晶反应,L相包围α相而形成β。反应结束后,L相与α

相正好全部反应耗尽,形成e点成分的β固溶体。

3/9/202430工程材料合金I的结晶过程温度继续下降,从β中析出二次α。3/9/202431工程材料合金I的结晶过程室温组织为β+二次α

。

组成相和组织组成物的成分和相对重量可根据杠杆定律来确定。

3/9/202432工程材料相图与性能的关系具有匀晶相图、共晶相图的合金的机械性能和物理性能随成分而变化的一般规律见下图3/9/202433工程材料固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关,溶质的溶入量越多,晶格畸变越大,则合金的强度、硬度越高,电阻越大。当溶质原子含量大约为50%时,晶格畸变最大,而上述性能达到极大值,所以性能与成分的关系曲线具有透镜状。两相组织合金的机械性能和物理性能与成分呈直线关系变化。对组织较敏感的某些性能如强度等,与组成相或组织组成物的形态有很大关系。组成相或组织组成物越细密,强度越高(见图中虚线)。当形成化合物时，则在性能一成分曲线上于化合物成分处出现极大值或极小值。

3/9/202434工程材料合金铸造性能与相图的关系液相线与固相线间隔越大，流动性越差，越易形成分散的孔洞（称分散缩孔，也称缩松）。

共晶合金熔点低，流动性最好，易形成集中缩孔，不易形成分散缩孔。

铸造合金宜选择共晶或近共晶成分，有利于获得健全铸件。相图与性能的关系3/9/202435工程材料合金工艺性能与相图的关系（总结）单相固溶体的铸造性能和切削加工性能差：熔点高，结晶温度间隔大，流动性差；塑性好，切削时易粘刀，不易断屑；单相固溶体具有良好的可锻性和焊接性：塑性好，压力加工用单相固溶体合金，如钢锻造时要加热到奥氏体区；共晶和接近共晶成分的合金铸造性能好：熔点低，结晶温度低，结晶温度间隔小，铸造时常选用共晶合金；如铸铁碳当量在4％左右。两相混合物的可锻性和焊接性差，但切削加工性好。3/9/202436工程材料铁碳合金的基本相及组织铁素体(Ferrite)定义——C在α-Fe中的间隙固溶体。代表符号：用F或α表示。性能：F强度差、硬度低，塑性好。含较多F的铁碳合金易于进行冲压等变形加工。F溶C能力很差。最大溶碳量为727℃时的wc=0.0218%,铁素体组织金相图3/9/202437工程材料奥氏体(Austenite)定义——C在γ-Fe中的间隙固溶体。代表符号：用A或γ表示。性能：γ硬度较低，塑性较高。溶碳能力较大。奥氏体主要存在于727℃以上的高温范围内。在1148℃时溶碳能力最大，达到2.11%。钢通常加热到奥氏体状态锻造。奥氏体组织金相图3/9/202438工程材料渗碳体（Cementite）定义——C与Fe的化合物（Fe3C）。代表符号：

Cm性能：含碳6.69%，其硬度高，极脆，塑性几乎为0，熔点为1227℃。铁碳合金中渗碳体量多会导致材料力学性能变坏。适量渗碳体若弥散分布在基体上，可提高材料强度和硬度。渗碳体组织金相图3/9/202439工程材料珠光体(Pearlite)F＋Fe3C的一种机械混合物。代表符号：P碳质量分数为0.77%。组织为层片状结构，综合了铁素体和渗碳体优点，其综合力学性能好。片层越细密，材料强度越高。3/9/202440工程材料莱氏体(Ledeburite)由A＋Fe3C组成的一种机械混合物。代表符号：Ld碳质量分数4.3%组织结构为渗碳体基体上分布的奥氏体，主要体现了渗碳体特点，硬而脆。3/9/202441工程材料铁碳合金相图Fe-Fe3C相图3/9/202442工程材料简化的Fe-C相图3/9/202443工程材料铁碳合金相图分析Fe–C相图的组元铁(Ferrite)渗碳体(Cementite)铁的晶体结构<912℃，为体心立方，称为α-Fe912℃～1394℃，面心立方，称为γ-Fe1395℃～1538℃，体心立方，称为δ-Fe3/9/202444工程材料铁碳合金相图中的关键点3/9/202445工程材料相图中的特性点（共14个）（１）组元的熔点：A（0，1538）纯铁的熔点；D（6.69，1227）Fe3C的熔点（２）同素异构转变点：N（0，1394）δ-Fe

γ-Fe；G（0，912）γ-Fe

α-Fe（３）碳在铁中最大溶解度点：P（0.0218，727），碳在α-Fe中的最大溶解度E（2.11，1148），碳在γ-Fe中的最大溶解度H（0.09，1495），碳在δ-Fe中的最大溶解度Q（0.0008，RT），室温下碳在α-Fe中的溶解度3/9/202446工程材料相图中的特性点（共14个）（４）三相共存点：共析点S（0.77，727），（A＋F＋Fe3C三相共存）共晶点C（4.3，1148），（A＋L＋Fe3C三相共存）包晶点J（0.17，1495）（δ＋A＋L三相共存）（５）其它点B（0.53，1495），发生包晶反应时液相的成分F（6.69，1148），渗碳体K(6.69，727)，渗碳体3/9/202447工程材料五个重要的成份点:

P、S、E、C、K。3/9/202448工程材料Fe-Fe3C相图的特性线液相线ABCD和固相线AHJECF3/9/202449工程材料三条三相共存的水平线：HJB、ECF、PSK3/9/202450工程材料三条重要的线:

ES、GS、PQGS线是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线,通常称A3线。ES线是碳在A中的固溶线,通常叫做Acm线。由于在1148℃时A中溶碳量最大可达2.11%,而在727℃时仅为0.77%,因此碳含量大于0.77%的铁碳合金自1148℃冷至727℃的过程中,将从A中析出Fe3C。析出的渗碳体称为二次渗碳体(Fe3CII)。

Acm线亦为从A中开始析出Fe3CII的临界温度线。

PQ线是碳在F中固溶线。在727℃时F中溶碳量最大可达0.0218%,室温时仅为0.0008%,因此碳含量大于0.0008%的铁碳合金自727℃冷至室温的过程中,将从F中析出Fe3C。析出的渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CIII)。PQ线亦为从F中开始析出Fe3CIII的临界温度线。Fe3CIII数量极少,往往予以忽略。3/9/202451工程材料相区（单相区、两相区、三相区）3/9/202452工程材料铁碳合金中的相

——Fe-Fe3C相图中存在五种相

①液相L

液相L是铁与碳的液溶体。

②

δ相

δ相又称高温铁素体,是碳在δ-Fe中的间隙固溶体,呈体心立方晶格,在1394℃以上存在,在1495℃时溶碳量最大,为0.09%。

③

α相

α相也称铁素体,用符号

F或α表示,是碳在

α-Fe中的间隙固溶体,呈体心立方晶格。铁素体中碳的固溶度极小,室温时约为0.0008%,600℃时为0.0057%,在727℃时溶碳量最大,为0.0218%。铁素体的性能特点是强度低、硬度低、塑性好。其机械性能与工业纯铁大致相同。

④

γ相

常称奥氏体,用符号A或γ表示,是碳在γ-Fe中的间隙固溶体,呈面心立方晶格。奥氏体中碳的固溶度较大,在1148℃时溶碳量最大达2.11%。奥氏体的强度较低,硬度不高,易于塑性变形。

⑤Fe3C相

Fe3C相是一个化合物相,其晶体结构和性能已于前述,渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态,对铁碳合金的机械性能有很大影响。

3/9/202453工程材料两个重要的相转变1、共晶转变（ECF线上)：LC

(

AE

+Fe3C)

Ld

1148℃2、共析转变(PSK线上)：AS

(

FP

+Fe3C)

P

727℃3/9/202454工程材料典型铁碳合金的平衡结晶过程铁碳合金的分类（按成分不同分类）工业纯铁(ingotiron)

（C%<0.0218%）钢（0.0218%<C%<2.11%）（分三类）亚共析钢(hypoeutectoidsteel)

（0.0218%<C%<0.77%）共析钢(eutectoidsteel)

（C%=0.77%）过共析钢(hypereutectoidsteel)

（0.77%<C%<2.11%）白口铁（2.11%<C%<6.69%）（分三类）亚共晶白口铁(hypoeutectoidwhiteiron)

（2.11%<C%<4.3%）共晶白口铁(eutectoidwhiteiron)

（C%=4.3%）过共晶白口铁(hypereutectoidwhiteiron)

（4.3%<C%<6.69%）3/9/202455工程材料典型铁碳合金在Fe-Fe3C相图中的位置3/9/202456工程材料合金结晶过程分析方法步骤分析方法和步骤：在相图的横坐标上找出给定的成分点，过该点作成分线；在成分线与相图的各条线的交点作标记（一般用1、2、3、4…….）写出每两个点之间或者重要点上发生的转变（由液相分析至室温）。室温下该成分线在何相区，合金就具有哪个相；组织组成物则取决于冷却过程中发生的转变。3/9/202457工程材料工业纯铁(Wc<0.0218%)结晶过程分析3/9/202458工程材料工业纯铁组织金相图3/9/202459工程材料共析钢（0.77%）的结晶过程（重点）3/9/202460工程材料共析钢组织金相图共析钢的室温组织3/9/202461工程材料碳质量分数为0.77%的钢为共析钢共析钢的室温组织组成物全部是P,而组成相为F和Fe3C,它们的质量分数为：

3/9/202462工程材料亚共析钢(0.0218%<C<0.77%)的结晶过程3/9/202463工程材料亚共析钢组织金相图3/9/202464工程材料亚共析钢(0.0218%<C<0.77%)

的结晶过程含0.4%C的亚共析钢的组织组成物为F和P,它们的质量分数为：含0.4%C的亚共析钢的组成相为F和Fe3C,它们的质量分数为：亚共析钢的碳质量分数可由其室温平衡组织来估算。若将F中的碳含量忽略不计,则钢中的碳含量全部在P中,因此由钢中P的质量分数可求出钢的碳质量分数：C%=P%×0.77%。式中,C%表示钢的碳质量分数,P%表示钢中P的质量分数。

3/9/202465工程材料过共析钢(0.77%<C≤2.11%)的结晶过程3/9/202466工程材料过共析钢组织金相图3/9/202467工程材料过共析钢(0.77%<C≤2.11%)

的结晶过程含1.2%C的过共析钢的组成相为F和Fe3C；含1.2%C的过共析钢的组织组成物为Fe3CII和P,它们的质量分数为:3/9/202468工程材料共晶白口铁(C=4.3%)的结晶过程3/9/202469工程材料共晶白口铁组织金相图3/9/202470工程材料亚共晶白口铁(2.11%<C<4.3%)的结晶过程3/9/202471工程材料亚共晶白口铸铁的组成相为F和Fe3C;组织组成物为P、Fe3CII和Ld’。

亚共晶白口铁组织金相图

3/9/202472工程材料过共晶白口铸铁(4.3%<C<6.69%)的结晶过程3/9/202473工程材料过共晶白口铁组织金相图3/9/202474工程材料标注组织的Fe-Fe3C相图简图3/9/202475工程材料铁碳合金相图的应用在选材方面的应用要求有良好的焊接性和冲压性，易选组织中铁素体较多、塑性好的低碳钢（Wc<0.25%）。如冲压件、桥梁、船舶、各种建筑结构等要求综合力学性能较好的构件，易选中碳钢（0.25%<Wc<0.6%）。如齿轮、传动轴高碳钢（Wc>0.6%）适宜制造弹性零件及要求高硬度、高耐磨性的工具、模具、量具等。复杂箱体、机座等可用铸造性能好的铸铁制造。3/9/202476工程材料在制定热加工工艺方面的应用在铸造方面，可据铁碳相图确定铸钢和铸铁的浇注温度。浇注温度一般在液相线之上150℃左右。在锻造方面，钢处于单相奥氏体区时，塑性好、变形抗力小，便于锻造变形。所以锻造时要将钢加热到单相奥氏体区。始轧和始锻温度一般在固相线之下100～200℃。可利用铁碳相图分析钢的焊接组织，并用适当的热处理方法来减轻或消除组织不均匀性和焊接应力。热处理的加热温度都以相图上的A1、A3、Acm线为依据。铁碳合金相图的应用3/9/202477工程材料碳素钢常存杂质对碳钢性能的影响Mn的影响因脱O加入锰铁而残留在钢中的，在钢中是有益元素清除钢中的FeO，降低钢的脆性与S化合成MnS，消除S的有害作用，改善钢的热加工性能。碳钢中含Mn量通常有0.25~0.80%Mn大部分存在于铁素体中，从而强化铁素体。部分Mn溶于Fe3C中，形成合金渗碳体3/9/202478工程材料常存杂质对碳钢性能的影响Si的影响作为脱氧剂加入钢中，在钢中也属有益元素碳钢中含Si量通常<0.40%大部分Si溶于铁素体，使其强化，提高钢的强度、硬度，但使钢的塑性、韧性降低。Si含量不大对钢的性能无大的影响3/9/202479工程材料常存杂质对碳钢性能的影响S的影响炼钢时由矿石、燃料带入钢中，在钢中属有害元素在钢中以FeS形式存在FeS与Fe会形成低熔点共晶，使钢出现热脆性问题：什么是热脆性？（P47）为避免钢的热脆性，必须严格控制钢中S的含量加入Mn可降低S的危害3/9/202480工程材料常存杂质对碳钢性能的影响P的影响由矿石带入钢中的，在钢中也属有害元素P全部溶于铁素体，使钢具有冷脆性问题：什么是冷脆性？（P56）因P是一种有害元素，要严格限制钢的含P量。3/9/202481工程材料碳钢的分类按钢的含C量分低C钢（C%≤0.25%）中C钢（0.25%﹤C%≤0.6%）高C钢（C%>0.6%）按钢的质量分类普通碳素钢（S%≤0.055%，P%≤0.045%）优质碳素钢（S、P%≤0.040%）高级优质碳素钢（S%≤0.030%，P%≤0.035%）按用途分类碳素结构钢（主要为低碳钢和中碳钢）碳素工具钢（属高碳钢）3/9/202482工程材料碳钢的牌号、性能和用途碳素结构钢常见碳素结构钢的牌号用Q+数字+质量等级符号+脱氧方法符号表示，其中“Q”为屈服点“屈”字的汉语拼音字首，数字表示屈服强度的数值。

例如，Q275表示屈服强度为275MPa。牌号后面标注的字母A、B、C、D为质量等级符号，表示钢材质量等级不同，即硫、磷含量不同。其中A级钢含硫、磷量最高，D级钢含硫、磷量最低，即A、B、C、D表示钢材质量依次提高