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第4章 二元合金相图


南京航空航天大学 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics

第4章
二元合金相图

1

4.1 二元合金相图的建立

教学内容

4.2 二元合金相图的基本类型
4.2.1 匀晶相图 4.2.2 共晶相图 4.2.3 包晶相图及其它类型相图

4.3 相图与合金性能之间的关系 4.4 铁碳合金相图
4.4.1 铁碳合金的基本组织

4.4.2 铁碳合金相图
4.4.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系 4.4.4 Fe-Fe3C相图的应用
2

§4.1 二元合金相图的建立
§4.1.1 名词涵义
组元:组成合金的独立的最基本的单元。一般是 一种元素(如Pb-Sn合金中的Pb和Sn) 或一种稳 定的化合物(如Fe3C) 。

合金系: 由两个或两个以上组元按不同比例配制 成的一系列不同成分的合金(如Pb-Sn系,FeFe3C 系) 。
相图:用来表示合金系中各个合金的结晶过程的 简明图。
3

? 相图上所表示的组织都 是在非常缓慢冷却的条 件下获得的,都是接近 平衡状态的组织,也称 为状态图或平衡图。 ? 相图是表示在平衡状态 下合金的相或组织与温 度、成分的关系图。 相图的意义:分析合金组 织的重要参考资料;制定 热加工工艺的重要依据。
Cu-Sn相图
4

Cu-Ni相图

§4.1.2 相图的建立
? 相图用纵坐标表示温度变化,横坐标表示成分变化。

一般采用热分析法。原理是凝固时释放凝固潜热。








5

名称 晶格类型 熔点 合金1 合金2 合金3 …….. 合金9 合金10 合金11

A金属 bcc 高 100% 90% 80% …….. 20% 10% 0%

B金属 bcc 低 0% 10% 20% ……. 80% 90% 100%
6

温 度

温 度

温 度

时间

A 90 70 50

30
7

B B

? 以Cu-Ni合金为例,说明热分析法建立相图的步骤:

?1)配制不同成分的Cu-Ni合金。 ?2)将合金熔化后,测定它们的冷却曲线,并找出

曲线上临界点(即转折点和停歇点)。
?3)将上述数据引入相应成分的温度-成分坐标图中。
?4)将物理意义相同的临界点连成曲线,即得Cu-Ni

合金相图。
8

结晶开始

结晶终了

金属和合金在冷却到该温度时发生了 Ⅱ:75%Cu+25%Ni 冷却速度的突然改变。【原因】金属 Ⅲ:50%Cu+50%Ni 和合金在结晶(相变)时有结晶潜热 Ⅳ:25%Cu+75%Ni 释放,抵消了部分或全部热量的散失。

Ⅰ:纯铜

Ⅴ:纯Ni

9

§4.2 二元合金相图的基本类型
§4.2.1 匀晶相图
定义:两组元在液、固两相下均能无限互溶,结晶时只结 晶出单相固溶体组织的合金相图。

1. 相图分析
点:A,B
线: 液相线 固相线 区:L
α

L+α
Cu-Ni合金匀晶相图
10

2. 合金的结晶过程
以Ⅰ点成分的Cu-Ni合金(Ni的质量分数为40%) 为例分析结晶过程。 匀晶转变的平衡结 晶过程:

L→L+ α → α
☆在不同温度下刚刚结晶出来的固相的化学成分是不相同的,
其变化规律是沿着固相线变化。与此同时剩余液相的化学成分也相 应地沿着液相线变化。
11

匀晶结晶特点:
①固溶体结晶是在一个温度区间内进行,即为一个变 温结晶过程。 ②在两相区内,温度一定时,两相的成分(即Ni含量) 是确定的。 ③先结晶出的固溶体和后结晶出的固溶体成分不同。 平衡结晶条件下,可通过原子扩散使成分均匀化, 最终获得与原合金成分相同的单相α固溶体。 ④与纯金属一样,α固溶体从液相中结晶出来的过程 中,包括有生核与长大两个过程,但固溶体更趋向 于树枝状长大。
12

3. 杠杆定律
在两相区结晶过程中,两相的成分和相对 量都在不断变化。杠杆定律就是确定两相区内 平衡相的成分和相对重量的重要工具。 杠杆定律可以计算匀晶相图中两相区中两 平衡相的相对质量,也可以计算其它类型二元 合金相图两相区中两平衡相的相对质量。

13

QL

Qa

匀晶相图合金的结晶过程
14

杠杆定律

Qa QL

?

a% L%

?

ab bc

QL×ab= Qa × bc

QL

Qa

杠杆定律与力学比喻

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。
15

【证明】
Q合金,其中Ni含量b%;T1温度时,L相中Ni质量分数a%, a相中Ni质量分数c%。 Q0 × b%=QL × a% + Qa × c% Q0合金总质量,QL液相质量,Qa固相质量。 又因为 所以 Q0=QL+Qa (QL+Qa )× b% = QL × a% + Qa × c%

Qa QL

?

b?a c?b

?

ab bc
16

? 由杠杆定律可算出T1时液相和固相在合金中质量分数:
QL Q0 ? L% ? bc ac , Qa Q0 ? a% ? ab ac

? 运用杠杆定律时注意,它只适用于相图中的两相 区,并且只能在平衡状态下使用。

? 杠杆定律的应用: ①确定某一温度下两平衡相的成分; ②确定某一温度下两平衡相的相对量。
17

4. 非平衡结晶与枝晶偏析
实际金属的结晶主要以树枝状长大:这是由于当冷却 速度较大,特别是存在有杂质时,晶体与液体界面的 温度会高于近处液体的温度,形成负温度梯度,且晶 核棱角处的散热条件好,生长快,先形成一次轴,一 次轴又会产生二次轴……,树枝间最后被填充。

18

? 固溶体结晶时成分是变化的,如果冷却较快,原子扩散不 能充分进行,则形成成分不均匀的固溶体。 ? 一个晶粒中先结晶的树枝晶晶枝含高熔点组元较多,后结 晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多,结果造成在一个晶粒 内化学成分的分布不均,这种现象称为枝晶偏析。 ? 消除枝晶偏析的方法采用扩散退火(或均匀化退火)。
成分不均匀 富Ni区 组织不均匀 富Cu区

性能不均匀
19

§4.2.2 共晶相图 1. 相图分析
Pb-Sn合金相图
一定成分的均匀液相, 在一定温度下,从液相 中同时结晶出两种不同 固相的转变称为共晶转 变。所生成的两相混合 物叫共晶体。水平线ced 为共晶反应线。

L?? ??
20

共晶相图:两组元液态时彼此无限 互溶,固态下彼此部分固溶,并发 生共晶转变的合金系形成的相图。 ①组元: Pb,Sn ②相: L,α,β (α是Sn在Pb中的有限固溶体; β是Pb在Sn中的有限固溶体) ③点、线:a,b,c,d,e 液相线 : aeb 固相线 : acedb 共晶反应线:ced,在共晶温度发生共晶反应,转变过程中 是三相(L,?, ?)共存。 溶解度线:cf , Sn在Pb中的溶解度线,或称α相的固溶线; α固溶体中Sn 的溶解度极限曲线; dg , Pb在Sn中溶解度线,或称β相的固溶线; β固溶体中Pb的溶解度极限曲线。
21

④相区: 三个单相区: L、α、β(α、β是有限固溶体) 三个双相区: L+α、 L +β、 α+β 三相区: L+α+β (共晶点) ⑤共晶体: 共晶反应产生共晶体(α+β)

22

2. 合金的结晶过程
(1)合金IV的平衡结晶过程
0 匀晶 不变 析出 1 2 3 4

温度降低,固溶体溶解度下 降。从固态α相中析出富Sn 的β相称为二次β,常写作βⅡ。 这种二次结晶可表示为 α→βⅡ 。 富Sn的β相在冷却过程中, 当超过其固溶度时,会析出 低Sn的αⅡ相,β→αⅡ。 由于固溶体中溶解度的减少而析出另一固相的反应叫 二次析出反应或脱溶过程。
23

室温组织:α+βII

二次相通常沿初生相 的晶界析出,也可在 晶内沿缺陷处析出。
合金IV冷却曲线及结晶过程
24

合金IV室温组织由α和βⅡ两相组成。
运用杠杆定律,两相的质量分数:
?% ? ? II % ?
x4 g fg fx 4 fg ? 100 % ? 100 %

( 或 ? II % ? 1 ? ? % )

25

(2)合金I的平衡结晶过程

( 共晶合金) Le → αc + βd 合金室温组织全部为共晶体,即只含一种组织组成物 (即共晶体);而其组成相仍为α和β两相。

26

共晶转变温度时: 相组成物α,β

?? ?

ed cd

,?? ?

ce cd
共晶合金组织的形态 ( 机械混合物,两相 交替分布,黑色片层 为富Pb的α相,白色 基体为富Sn的β相)

共晶转变温度以下:
共晶体中α和β二次结晶, 从 α中析出βII, 从 β中析出αII。α成分由 c→f, β成分由 d →g。两种相的相对重量依杠杆定律变化 。βII和αII 同β和α相连在一起, 共晶体形 态和成分不发生变化。

室温时: 合金的室温组织为共晶体, 即只含 一种组织组成物; 其组成相仍为 α 和 β 相。

27

(3)合金II的平衡结晶过程 (亚共晶合金)
结晶过程分三个阶段,即α相析出 +共晶反应+二次结晶反应。

L→α初+L→ α初+(αc+βd)→ α初+βII+(α+β) 【共晶组织中二次相的析出忽略】
合金室温组织:初生α+βⅡ+(α+β),合金组成相:α和β。

28

黑色斑状组织(三维形态 为粗大树枝晶)为初生相α

共晶组织 (α+β)

二次相 Pb-Sn亚共晶组织
βⅡ

29

室温下,组成相(α,β)质量分数:
?% ?
x3 g fg ? 100 %

?% ?

fx 3 fg

? 100 %
30

组织组成物质量分数:
①在共晶温度时

?初? ?
L% ?

2e ce

? 100 %

c2 ce

? 100 % ? ?? ? ? ?%

31

②室温下 初生α+βⅡ+(α+β),

次生相??与初生相?成分和 结构完全相同,是同一种 相;但形貌特征、分布完 全不同,属于两种组织。

??

? ? ?% ?
fc fg
cg fg
'

c2 ce

? 100 %
fc fg
cg fg
'

'

'

? II % ?

? ? 初=

?

2e ce

? 100 %

?初% ?
'

? ? 初=

?

2e ce

? 100 %

32

(4) 合金III的平衡结晶过程
(过共晶合金) 位于共晶点e点右侧和d 点以左的合金称为过共 晶合金。 合金III结晶过程与合金 II相似,只是匀晶产物 为初晶?,二次结晶产 物为??。 室温组织为? +(?+ ?) + ?? 。
33

组织标注相图

填写组织组成物的Pb-Sn相图
34

§4.2.3 包晶相图及其它类型相图 1. 包晶相图
Pt-Ag合金相图 包晶转变是指 一定成分的固相与 一定成分的液相相 互作用,在一定温 度下转变为另一个 新固相。 包晶 L+???

35

2. 具有稳定化合物的二元相图

36

3. 共析相图
在二元合金中,若合金冷却到固态时,还能发生由一 个固相同时分解形成两个新的固相,这种相图叫共析 相图。此两相混合物称为共析体。

与共晶反应不同点:
1)共析反应是固态反应,原子的扩散困难,组织更 细。 2)因母相与子相的比容不同,反应后易引起较大的 内应力。
37

具有共析反应的二元合金相图
38

匀晶L?? 共晶L??+? 共析 ???+?

包晶L+???

39

二元合金相图小结
二元合金两相平衡时,两相成分均随温度而变化。其具体 数值可由恒温水平线与两相区相界线的交点来确定。温度 变化时,两平衡相成分也分别沿两条相界线相应变化。 二元相图的三相平衡区是一条水平线。它与三个单相区均 以点接触。从三个单相区的相互位置,可以判断三相平衡 的性质。 分析复杂相图时,首先要弄清单相区,然后找出三相区、 三相点,再弄清三相平衡转变类型。

牢记:两个单相区之间必有一个由这两相组成的两相区隔
开,而不能以一条直线接界;两个两相区之间必须以一个 单相区或三相区隔开。相区接触法则:相图中相邻相区相 数之差均为1(点接触除外)。
40

§4.3 相图与合金性能之间的关系
合金性能取决于其成分和组织,而相图表明不同成分合金在 不同温度下的平衡组织,可见合金性能与相图之间存在联系。

§4.3.1 相图与合金力学性能、物理性能的关系
匀晶相图: ? 溶质元素→晶格畸变大→强度、硬度↑,电阻率↑ 共晶相图: ? 在单相区与匀晶相图相同。复相组织区(如共晶转变范围), 合金的强度、硬度和物理性能随成分的变化呈直线关系,大致 是两相性能的算术平均值。HB=HBα× α% + HBβ ×β% ? 对组织较敏感的性能(强度),与组成相或组织组成物的形态 关系密切。组成相或组织组成物越细密,强度越高。 ? 共晶点处,共晶组织呈细小、均匀细密的复相组织,强度达最 高值。
41

§4.4 铁碳合金相图
§4.4.1 铁碳合金的组元分析
(1) 纯Fe组元
1583℃
δ-Fe (bcc) 1394℃ γ-Fe (fcc) α-Fe (bcc) 912℃
(面心立方)
(体心立方)

同素异构转变

(体心立方)

韧性、塑性好; 强度低、硬度低。
纯铁的冷却曲线及晶体结构变化
42

§4.3.2 相图与合金铸造性能的关系
铸造性能 液态合金的流动性以及产生缩孔、缩松和偏析倾向等。

◆液固相线距离愈小,结晶温度范围愈小→合金的流动性好→有
利于浇注。

◆液固相线距离大→枝晶偏析倾向愈大,合金流动性愈差,形成
分散缩孔的倾向也愈大,使铸造性能恶化。

◆因此铸造合金的成分常取共晶成分和接近共晶成分或选择结晶
温度间隙最小的成分。这种成分合金流动性好,易形成集中缩

孔 ,铸件致密,铸造性能最好。
43

(2) 渗碳体( Fe3C)

具有复杂结构的间隙化合物,Fe原子与C原子 之比3:1。 ? Fe3C熔点高(1227℃),不发生同素异构转变。 ? Fe3C硬而脆,塑性、韧性几乎为零。 ? 室温平衡状态下,铁碳合金中的碳大多以Fe3C 形式存在。
?

44

§4.4.2 Fe-Fe3C相图分析
1. 五个基本相

?

A
H

L+ ?
B J

L
D

N

γ+ ?

L+γ
E

C

γ
G

L+ Fe3C

F

γ+ Fe3C
α+γ P S K

α

α+ Fe3C
Fe
C%
45 Fe3C

Fe-Fe3C五个基本相之一

(1) 液相L
液相L是铁与碳的液溶体。

46

Fe-Fe3C五个基本相之二

(2) δ相
碳在δ-Fe中的间隙固溶体,呈体心立方 晶格,在1394℃以上存在。 ? 称为δ固溶体,又称高温铁素体。 ? 碳在δ-Fe中的最大溶解度为1495℃时的 0.09%(H点)。
?

47

Fe-Fe3C五个基本相之三

(3) γ相
碳在γ-Fe中的间隙固溶体,呈面心立方 晶格。 ? 常称奥氏体,用符号A表示. ? 奥氏体中碳的固溶度较大,在1148℃时 碳溶量最大达2.11%(E点)。 ? 奥氏体的强度较低,硬度不高,易于塑 性变形。
?
48

Fe-Fe3C五个基本相之四

(4) α相
碳在α-Fe中的间隙固溶体,呈体心立方 晶格。 ? 也称铁素体,用符号F 或α表示。 ? 碳在α-Fe中的最大溶解度为727℃时的 0.0218%(P点)。 ? 强度、硬度低;塑性好。
?
49

Fe-Fe3C五个基本相之五

(5) Fe3C相
是一个化合物相,渗碳体根据生成条件 不同有条状、网状、片状、粒状等形态, 是钢中主要的强化相,对铁碳合金的力 学性能有很大影响。 ? 由于Fe3C是稳定化合物, Fe3C相区在碳 的质量分数为6.69%的成分垂线上 (DFK)。
?
50

2. 特性点

?

A
H

L+ ?
B J

【A点】
L
D

N

γ+ ? γ
E

L+γ

C

L+ Fe3C

F

G

γ+ Fe3C
α+γ P S K

α

α+ Fe3C
Fe
C%

Fe351 C

A点
? 温度:1538℃; ? 碳质量分数:0%;

? 意义:纯铁的熔点。

52

A

L+ ?
H

【B点】
L
D

?
N

B

J

γ+ ?
G

L+γ γ
α+γ P S

C

E

L+ Fe3C

F

γ+ Fe3C
K

α

α+ Fe3C
Fe
C%

Fe3C 53

B点
? 温度:1495℃; ? 碳质量分数:0.53%;

? 意义:包晶转变时(LB + ?H →AJ)液

相合金的成分。

54

A

L+ ?
H

【C点】
L
D

?
N

B
J

γ+ ?

L+γ
E

γ
G
α+γ P

C
γ+ Fe3C

L+ Fe3C

F

S

α

K

α+ Fe3C
Fe
C%

Fe3C
55

C点
? 温度:1148℃; ? 碳质量分数:4.30%;

? 意义:共晶点,

LC → AE+Fe3C

56

A

L+ ?
H

【D点】
L

?
N

B
J

γ+ ?

D
L+γ
E C

γ
G
α+γ P

L+ Fe3C

F

γ+ Fe3C
S
K

α

α+ Fe3C
Fe
C%

Fe3C
57

D点
? 温度:1227℃; ? 碳质量分数:6.69%;

? 意义:Fe3C的熔点。

58

A

L+ ?
H

【E点】
L
D

?
N

B J

γ+ ?
γ

L+γ

C

E
γ+ Fe3C
S

L+ Fe3C

F

G

α

α+γ P

K

α+ Fe3C
Fe
C%

Fe3C
59

E点
? 温度:1148℃; ? 碳质量分数:2.11%;

? 意义:碳在γ-Fe中的最大溶解度。

60

?

A
H

L+ ?
B J

【G点】
L
D

N

γ+ ? γ
E

L+γ

C

L+ Fe3C

F

G
α
α+γ P S

γ+ Fe3C
K

α+ Fe3C
Fe
C%

Fe3C
61

G点
? 温度:912℃; ? 碳质量分数:0%;

? 意义:γ-Fe →α-Fe同素异构转变。

62

?

A H N J

L+ ?
B

【H点】
L
L+γ
E C
L+ Fe3C D F

γ+ ? γ

G

γ+ Fe3C
α+γ P S K

α

α+ Fe3C
Fe
C%

Fe3C
63

H点
? 温度:1495℃; ? 碳质量分数:0.09%;

? 意义:碳在? -Fe中的最大溶解度。

64

?

A
H

L+ ?
B

【J点】
L
D

N

γ+ ?

J

L+γ
E

C

γ
G

L+ Fe3C

F

γ+ Fe3C
α+γ P S K

α

α+ Fe3C
Fe
C%

Fe3C
65

J点
? 温度:1495℃; ? 碳质量分数:0.17%;

? 意义:包晶点,

LB + ?H→AJ

66

?

A
H

L+ ?
B
J

【N点】
L
D

N
G

γ+ ?

L+γ
E

C

γ
α
α+γ P

L+ Fe3C

F

γ+ Fe3C
S
K

α+ Fe3C
Fe
C%

Fe3C
67

N点
? 温度:1394℃; ? 碳质量分数:0%;

? 意义: ?-Fe →γ-Fe同素异构转变点。

68

?

A
H

L+ ?
B

【P点】
L
D

N

J

γ+ ? γ
E

L+γ

C

L+ Fe3C

F

G

γ+ Fe3C
α+γ S

α

P
Fe

K

α+ Fe3C
C%

Fe3C
69

P点
? 温度:727℃; ? 碳质量分数:0.0218%;

? 意义: 碳在α-Fe中的最大溶解度。

70

A

L+ ?
H

【S点】
L
D

?
N

B
J

γ+ ?

L+γ
E

C

γ
G
α+γ P

L+ Fe3C

F

α

S

γ+ Fe3C
K

α+ Fe3C
Fe
C%

Fe3C
71

S点
? 温度:727℃; ? 碳质量分数:0.77%;

? 意义:

共析点, AS→FP+Fe3C

72

?

A
H

L+ ?
B J

【Q点】
L
D

N

γ+ ?
γ
E

L+γ

C

L+ Fe3C

F

G

γ+ Fe3C
α+γ P
S K

α

α+ Fe3C

Q
Fe
C%

Fe3C
73

Q点
? 温度:600℃; ? 碳质量分数:0.0057%;

? 意义:600℃时碳在α-Fe中的溶解度。
?

(室温, 0.0008%,室温时碳在 α-Fe中的溶解度)

74

3. 特性线

(1) 三条水平线(三个重要点)
? γ+ ?
G A
H

L+ ?
B J

【线1】
L
D

N

γ
α+γ P S

L+γ
E

C

L+ Fe3C F

γ+ Fe3C
K

α

α+ Fe3C
Q
Fe
C%

Fe3C

75

① 包晶点J与包晶转变线HJB
? ? ?

1495 ℃ ,C%=0.17% 即 L0.53+ δ0.09 → A0.17

LB+δH→AJ

包晶反应生成碳在γ-Fe中的间隙固溶体,即 奥氏体组织,用A表示。 碳的质量分数0.09%~0.53%的铁碳合金在平 衡结晶过程中均发生包晶反应。

?

76

?

A
H

L+ ?
B J

【线2】
L
D

N

γ+ ? γ
E

L+γ

C

L+ Fe3C F

G

γ+ Fe3C
α+γ P Q Fe
C%

α

S

K

α+ Fe3C
Fe3C
77

② 共晶点C与共晶转变线ECF
?

1148 ℃ ,C%=4.3%,
LC → AE + Fe3CF (共晶渗碳体)

?
?

L4.3 → A2.11+Fe3C6.69
共晶反应产物是奥氏体(A)与渗碳体(Fe3C)的 机械混合物,称为莱氏体组织(Ld)。 碳的质量分数在2.11%~6.69%间的铁碳合 金,在平衡结晶过程中均发生共晶反应。
78

?

?

A
H

L+ ?
B J

【线3】
L
D

N

γ+ ? γ
E

L+γ

C

L+ Fe3C F

G

γ+ Fe3C
α+γ P S K

α

α+ Fe3C
Q
Fe
C%

Fe3C
79

③ 共析点S与共析转变线PSK——A1线
?727 ℃ ,C%=0.77% ?AS → FP+Fe3C(共析渗碳体) ?A0.77 → F0.0218+Fe3C ?共析反应产物是铁素体与渗碳体的机械混合物,称珠光 体,以P表示。 ?在显微镜下珠光体形态呈片状。在放大倍数很高时,可 清楚看到相间分布的渗碳体片(窄条)与铁素体(宽 条)。珠光体的强度较高,塑性、韧性和硬度介于Fe3C 和F之间。 ?碳的质量分数0.0218%~6.69%的铁碳合金,在平衡结 晶过程中均发生共析反应。 ?PSK线亦称A1线。
80

(2) 液固相线
?
A
H

L+ ?
B J

液相线ABCD 固相线AHJECF
L
D

N

γ+ ? γ
E

L+γ

C

L+ Fe3C F

G

γ+ Fe3C
α+γ P S K

α

α+ Fe3C
Q
Fe
C%

Fe3C
81

(3) 溶解度线
?
A
H

L+ ?
B J

【ES线】
L
D

N

γ+ ? γ
E

L+γ

C

L+ Fe3C F

G

γ+ Fe3C
α+γ P S K

α

α+ Fe3C
Q
Fe
C%

Fe3C
82

?

ES线:碳在奥氏体A中的固溶线——Acm

1148 ℃ ,2.11%(E); ? 727 ℃,0.77% (S)
? ?

碳的质量分数大于0.77%的铁碳合金自 1148℃冷至727℃的过程中,将从A中析出 Fe3C,称为二次渗碳体(Fe3CⅡ)。
83

?

A
H

L+ ?
B J

【PQ线】
L
D

N

γ+ ? γ
E

L+γ

C

L+ Fe3C F

G

γ+ Fe3C
α+γ P S K

α

α+ Fe3C
Q
Fe
C%

Fe3C
84

? ? ? ?

PQ线:碳在铁素体F中的固溶线 727 ℃,0.0218% 室温,0.0008%。

铁碳合金自727℃冷至室温的过程中,将从F 中析出Fe3C,称为三次渗碳体(Fe3CⅢ)。 Fe3CⅢ数量极少,往往予以忽略。

85

(4) GS线——A3线
L+ ?
H

合金冷却时自奥氏体A中开始析出铁 素体F的开始线;或者,加热时F溶 入A的终了线。

?

A N J

B

L
D

γ+ ? γ
E

L+γ

C

L+ Fe3C F

G

γ+ Fe3C
α+γ P Q Fe
C%

α

S

K

α+ Fe3C
Fe3C
86

§4.4.3 铁碳合金平衡结晶分析
1. 铁碳合金的分类
根据Fe-Fe3C相图,铁碳合金可分为三类: (1) 工业纯铁[wc ≤0.0218%] (2) 钢[0.0218%< wc ≤2.11%

(3) 白口铸铁[2.11%< wc <6.69%]

87

工业纯铁室温平衡组织为铁素体(F),呈白色 状。强度低、硬度低,不宜用作结构材料。

钢的共同特点:高温下都有塑性良好的奥氏体 (A)组织,适合于压力加工。

白口铸铁因为在高温时都有脆性的共晶莱氏体, 所以不能进行锻压;但共晶成分合金的流动性好, 适合于铸造。
88

2. 典型合金的结晶

(1) 工业纯铁


工业纯铁 wc ≤0.0218%

89

① wc=0.01%

匀晶转变

?

A
H

L+ ?
B
J

同素异构转变
1 2 3 4

L
C

N

γ+ ? γ
E

同素异构转变 D L+ Fe3C F

L+γ
5 6

G

γ+ Fe3C
K
Fe3CII

α

α+γ P

S

Q
Fe

7

Fe3CIII

三次渗碳体 Fe3C 90

相组成物: Fe3C ;F 相相对量:
F% ? 6 . 69 ? x 6 . 69 ? 0 . 0008
x ? 0 . 0008 6 . 69 ? 0 . 0008

? 100 %
? 100 %

Fe 3 C % ?

组织组成物:F(等轴晶)和Fe3CIII(小片状)
91

工业纯铁组织金相图
92

(2) 共析钢
② wc=0.77%
1 2

匀晶转变

3

共析转变

93

相组成物:F和Fe3C
F% ? 6 . 69 ? 0 . 77 6 . 69 ? 100 % ? 88 %

Fe 3 C % ? 100 % ? 88 % ? 12 %

组织组成物 : P (层片状) 100%

共析钢金相组织图

94

(3)亚共析钢(0.0218%<C%<0.77%)
③ wc=0.45%
【简化处理】不考虑包晶反应, 即忽略P40,图3-3中合金(3) 中的1-2部分。
γ相中析 出α相

1以上 共析反应: 铁素体+ Fe3C 3-4

1-2

2-3

4-4’

先共析铁素体

先共析F+P 95

先共析铁素体

珠光体

亚共析钢组织金相图
96

相组成物:F,Fe3C 相相对量:
F% ? 6 . 69 ? x1 ? 100 % 6 . 69 x1 ? 0 Fe 3 C % ? ? 100 % 6 . 69

组织组成物:F、P
P% ? x1 ? 0 . 0218 0 . 77 ? 0 . 0218 ? 100 %

F% ? 1 ? P %
97

(4) 过共析钢(0.77%<C%<2.11%)
④ wc=1.2%

沿A晶界析 出Fe3CII

共析反应: 铁素体+ Fe3C (P)
98

Fe3CII P

过共析钢组织金相图

99

相组成物:F,Fe3C
F% ? 6 . 69 ? x 2 ? 100 % 6 . 69 x2 ? 0 Fe 3 C % ? ? 100 % 6 . 69

组织组成物:P,Fe3CII 组织相对量:
P% ? 6 . 69 ? x 2 6 . 69 ? 0 . 77 ? 100 % ? 100 %
100

Fe 3 C II % ?

x 2 ? 0 . 77 6 . 69 ? 0 . 77

(5) 共晶白口铸铁(C%=4.3%)


1 2

L→Ld(A+Fe3C共晶) →A+Fe3C共晶+Fe3CII →变态莱氏体Ld’ (P+Fe3C共晶+Fe3CII)
101

共晶白口铁组织金相图
102

相组成物:F,Fe3C
F% ? 6 . 69 ? x 6 . 69 ? 100 %

Fe 3 C % ?

x
6 . 69

? 100 %

组织组成物:Ld'

103

(6) 亚共晶白口铸铁 (2.11%<C%<4.3%)
1 2 3 ⑥ wc=3.0%

104

P

Ld’

亚共晶白口铁组织金相图

沿边界分布 的Fe3CII
105

室温相组成物: F,Fe3C 相相对量:
F% ? 6 . 69 ? x 6 . 69 Fe 3 C % ? x 6 . 69 ? 100 % ? 100 %

106

室温组织组成物:

P,Ld’,Fe3CII

第1步:
初晶γ:
?% ?
4 .3 ? x 4 . 3 ? 2 . 11
x ? 2 . 11 4 . 3 ? 2 . 11

? 100 %

Ld:

Ld % ?

? 100 %

107

第2步:
从初晶γ相中析出 的Fe3CII和P:
Fe 3 C II % ? 2 . 11 ( E ) ? 0 . 77 ( S ) 6 . 69 ( K ) ? 0 . 77 ( S )
?? %

?? %

第3步:
室温下, Ld’%=Ld% Fe3CII和P不变
108

P% ?

6 . 69 ( K ) ? 2 . 11 ( E ) 6 . 69 ( K ) ? 0 . 77 ( S )

(7) 过共晶白口铸铁 (4.3%<C%<6.69%)
⑦ wc=5.0% 1 2 3

109

Fe3CI

Ld’

过共晶白口铁组织金相图
110

相组成物:
F% ? 6 . 69 ? x 6 . 69 Fe 3 C % ? x 6 . 69 ? 100 % ? 100 %

组织组成物:Ld’,Fe3C
Fe 3 C % ?
'

x ? 4 .3 6 . 69 ? 4 . 3

? 100 % ? 100 %

Ld % ? Ld% ?

6 . 69 ? x 6 . 69 ? 4 . 3

111

【总结铁碳合金相图】
A

点:成分、温度 线:液固相线、水

? N

H

L+ ? B

A D N G

1538℃ HJB 1495℃ 1227℃ ECF 1148℃ 1394℃ PSK 727℃ 912℃ L D

J A+ ? L+A
A E C A+ Fe3C Ld
Ld+ Fe3CⅠ

平线、固溶线、固
溶体转变线 相区标注 组织组成物标注
G F

L+ Fe3C F

A+F

S
P

A+ Fe3CⅡ A+ Fe3CⅡ+Ld

P Q Fe
P+F

K

P+ Fe3CⅡ P+ Fe3CⅡ+Ld’ Ld’+ Fe3CⅠ

F+ Fe3C Ld’
C%

F+ Fe3CⅢ

112

Fe3C

§4.1.4 铁碳相图的应用
(1) 在钢铁材料选用方面的应用
● 建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料,因此选用碳 含量较低的钢材。

● 各种机械零件需用强度、塑性及韧性都较好的材料。应选用 碳含量适中的中碳钢。各种工具需用硬度高和耐磨性好的材料, 则选碳含量高的钢种。 ● 纯铁磁导率高,矫顽力低,可作软磁材料使用,例如做电磁 铁的铁心等。
● 白口铸铁硬度高、脆性大,不能切削加工,也不能锻造,但 其耐磨性好,铸造性能优良,适用于作要求耐磨、不受冲击、形 状复杂的铸件,例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的 磨球等。
113

(2) 在铸造工艺方面的应用
根据Fe-Fe3C相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液 相线以上50~100℃。

(3) 在热缎、热轧工艺方面的应用
(4) 在热处理工艺方面的应用
Fe-Fe3C相图对制定热处理工艺具有重要意义。一些热处理工艺 如退火、正火、淬火的加热温度都是依据Fe-Fe3C相图确定的。在 运用Fe-Fe3C相图时应注意以下两点: ①Fe-Fe3C相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态,如含有其 它元素,相图将发生变化。②Fe-Fe3C相图反映的是平衡条件下铁 碳合金中相的状态,若冷却或加热速度较快时,其组织转变就不能 只用相图来分析。 114

锻造或轧制要求好的塑性、变形抗力,选在单相奥氏体区内进行。


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