第7章二元相圖-2.ppt

Ch 7二元系相圖及二元合金的凝固 回顧 相律 f c p 2或f c p 1 單元系相圖 結(jié)晶條件 過(guò)冷度結(jié)構(gòu)起伏能量起伏 形核 長(zhǎng)大 形核 均勻形核非均勻形核 長(zhǎng)大 連續(xù)二維晶核螺旋位錯(cuò) 晶體形態(tài) 正T梯度 光滑界面 規(guī)則幾何外形 粗糙界面 平面長(zhǎng)大 負(fù)T梯度 光滑界面 不太大 樹(shù)枝狀 很大 規(guī)則形狀 粗糙界面 樹(shù)枝狀 7二元系相圖及二元合金的凝固 7 1相圖的表示和測(cè)定方法7 2相圖熱力學(xué)基本要點(diǎn)7 3二元相圖分析7 4二元合金的凝固理論 7 1相圖的表示和測(cè)定方法 一 二元相圖的表示方法 二 二元合金相圖的測(cè)定方法 一 二元相圖的表示方法 1 坐標(biāo)系的確定 合金的存在狀態(tài) 表象點(diǎn) 在成分和溫度坐標(biāo)平面上的任意一點(diǎn) 2 成分的表示方法 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 摩爾分?jǐn)?shù) x A B 1 或100 xA xB 1 或100 二 二元合金相圖的測(cè)定方法 臨界點(diǎn) 表示物質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生本質(zhì)變化的相變點(diǎn) 液相向固相轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn) 固態(tài)相變臨界點(diǎn) 測(cè)定方法 熱分析法 冷卻曲線(xiàn) 熱分析法 建立步驟 1 建立成分 溫度坐標(biāo)系 2 配制一系列成分合金 3 分別熔化并以極緩慢的冷速冷卻 用實(shí)驗(yàn)方法 常用熱分析法 測(cè)出冷卻曲線(xiàn) 4 確定相變溫度5 將冷卻曲線(xiàn)中特征點(diǎn)標(biāo)在坐標(biāo)圖中 把性質(zhì)相同的特征點(diǎn)聯(lián)結(jié)起來(lái) 6 測(cè)出各相區(qū)所含相 將名字填入相應(yīng)的相區(qū) 液相線(xiàn) 由凝固開(kāi)始溫度連接起來(lái)的相界線(xiàn)固相線(xiàn) 由凝固結(jié)束溫度連接起來(lái)的相界線(xiàn)相區(qū) 由相界線(xiàn)劃分出來(lái)的區(qū)域 關(guān)于相圖的幾個(gè)概念 液相區(qū) 固相區(qū) 液固兩相共存區(qū) 7 2相圖熱力學(xué)的基本要點(diǎn) 一 固溶體的自由能 成分曲線(xiàn) 二 多相平衡的公切線(xiàn)原理 三 混合物的自由能和杠桿法則 四 從自由能 成分曲線(xiàn)推測(cè)相圖 五 二元相圖的幾何規(guī)律 一 固溶體的自由能 成分曲線(xiàn) 固溶體的自由能 NA為阿伏伽德羅常數(shù) z配位數(shù) eAA eBB和eAB分別為A A B B A B對(duì)組元的結(jié)合能 0 A B對(duì)能量高于A(yíng) A B B對(duì)平均能量 偏聚狀態(tài) Hm 0 a EAB EAA EBB 2 b EAB EAA EBB 2 c EAB EAA EBB 2三種自由能 成分曲線(xiàn) 二 多相平衡的公切線(xiàn)原理 兩相平衡的熱力學(xué)條件 兩組元分別在兩相中的化學(xué)勢(shì)相等 切點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值為恒壓下兩個(gè)相在給定溫度的平衡成分 公切線(xiàn)法則 A B G x G A B xB E a G 三 混合物的自由能和杠桿法則 1 混合物的自由能 混合物中B組元的摩爾分?jǐn)?shù)為 混合物的摩爾吉布斯自由能 當(dāng) 時(shí) 固溶體的摩爾吉布斯自由能低于 固溶體 相為穩(wěn)定相 當(dāng) 時(shí) 固溶體的摩爾吉布斯自由能低于 固溶體 相為穩(wěn)定相 當(dāng) 時(shí) 體系能量最低 三 混合物的自由能和杠桿法則 2 杠桿法則 杠桿法則 適用于兩相平衡 連結(jié)線(xiàn)tieline 四 從自由能 成分曲線(xiàn)推測(cè)相圖 五 二元相圖的幾何規(guī)律 1 相界線(xiàn)是相平衡的體現(xiàn) 平衡相成分沿相界線(xiàn)隨溫度而變 2 二元相圖中 相鄰相區(qū)的相數(shù)差為1 點(diǎn)接觸除外 相區(qū)接觸法則 3 二元相圖中的三相平衡必為一條水平線(xiàn) 表示恒溫反應(yīng) 4 當(dāng)兩相區(qū)與單相區(qū)的分界線(xiàn)與三相等溫線(xiàn)相交 則分界線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)進(jìn)入另一兩相區(qū)內(nèi) 而不會(huì)進(jìn)入單相區(qū) 5 如果兩個(gè)恒溫轉(zhuǎn)變中有兩個(gè)是相同的相 那么在這兩條水平線(xiàn)之間一定是由這兩個(gè)相組成的兩相區(qū) 5 3二元相圖分析 一 勻晶相圖和固溶體凝固 二 共晶相圖及其合金凝固 三 包晶相圖及其合金凝固 四 溶混間隙相圖與調(diào)幅分解 五 其它類(lèi)型的二元相圖 六 復(fù)雜二元相圖的分析方法 七 根據(jù)相圖推測(cè)合金的性能 八 鐵碳合金的組織及其性能 一 勻晶相圖和固溶體凝固 1 勻晶相圖 兩組元不但在液態(tài)無(wú)限互溶 而且在固態(tài)也無(wú)限互溶的二元合金系所形成的相圖 兩組元無(wú)限互溶的條件 勻晶轉(zhuǎn)變 由液相結(jié)晶出單相固溶體的過(guò)程 1 相圖分析 兩點(diǎn) 純組元的熔點(diǎn)兩條曲線(xiàn) 液相線(xiàn) 固相線(xiàn)三個(gè)區(qū)域 液相區(qū) 固相區(qū)液 固兩相并存區(qū) Cu Ni相圖 2 勻晶相圖的其它類(lèi)型 圖7 5具有極小點(diǎn)與極大點(diǎn)的相圖 a 具有極小點(diǎn) b 具有極大點(diǎn) 極值點(diǎn)合金自由度 f c p 1 1 2 1 0 恒溫轉(zhuǎn)變 Cu Ni相圖 1 2 冷卻曲線(xiàn) 2 固溶體的平衡凝固 凝固過(guò)程分析 二元相圖的表示方法二元合金相圖的測(cè)定方法多相平衡的公切線(xiàn)原理杠桿法則二元?jiǎng)蚓鄨D 回顧 相 一個(gè)體系中 物理化學(xué)性質(zhì)相同的均勻部分 相與相之間有明顯的界面分開(kāi) 組織 對(duì)組成材料的相的類(lèi)型 形狀 數(shù)量 大小 分布等特征的描述 特征相同的部分為一種組織組成物 一 勻晶相圖和固溶體凝固 固溶體凝固 形核 長(zhǎng)大 均勻形核 非均勻形核 需要條件 能量起伏 結(jié)構(gòu)起伏 成分起伏 成分起伏 材料內(nèi)微區(qū)中因原子的熱運(yùn)動(dòng)引起瞬間偏離溶液的平均成分 出現(xiàn)時(shí)起時(shí)伏 此起彼伏狀態(tài) 成分不均勻 的現(xiàn)象 勻晶轉(zhuǎn)變過(guò)程中原子擴(kuò)散示意圖 固溶體合金結(jié)晶的特點(diǎn) 異分結(jié)晶 選擇結(jié)晶 結(jié)晶出來(lái)的晶體與母相成分不同的結(jié)晶 溶質(zhì)原子的重新分配 純金屬 同分結(jié)晶 平衡分配系數(shù) 0 在一定的溫度下 固液兩平衡相中的溶質(zhì)濃度之比值 反映了溶質(zhì)組元重新分配的強(qiáng)弱程度 固溶體合金結(jié)晶的特點(diǎn) 固溶體合金的結(jié)晶需要一定的溫度范圍 液相內(nèi)的擴(kuò)散過(guò)程 固相的繼續(xù)長(zhǎng)大 固相內(nèi)的擴(kuò)散過(guò)程 固溶體結(jié)晶過(guò)程概述 固溶體晶核的形成 或原晶體的長(zhǎng)大 造成相內(nèi) 液或固 的濃度梯度 引起相內(nèi)的擴(kuò)散過(guò)程 破壞相界面處的平衡 晶體必須長(zhǎng)大以恢復(fù)平衡 b c e d f g a 形核 相界平衡 擴(kuò)散破壞平衡 長(zhǎng)大 相界平衡 固溶體的平衡凝固 3 固溶體的非平衡凝固 偏離平衡結(jié)晶條件的結(jié)晶 First a tosolidfy 46wt Ni Last a tosolidfy 35wt Ni 非平衡凝固過(guò)程特點(diǎn) 固 液相平均成分線(xiàn)與固 液相線(xiàn)不同 它們和冷卻速度有關(guān) 冷卻速度越快 偏離固 液相線(xiàn)越嚴(yán)重 先結(jié)晶部分總是富高熔點(diǎn)組元 后結(jié)晶的部分是富低熔點(diǎn)組元 非平衡凝固導(dǎo)致凝固終結(jié)溫度低于平衡凝固時(shí)的終結(jié)溫度 固溶體以樹(shù)枝狀生長(zhǎng)方式結(jié)晶 枝晶軸 干 含有高熔點(diǎn)組元多 而枝晶間含有低熔點(diǎn)的組元多 枝晶偏析 枝晶偏析 非平衡凝固導(dǎo)致先結(jié)晶的枝干和后結(jié)晶的枝間的成分不同 內(nèi)因 合金液 固相線(xiàn)之間的水平距離和垂直距離 水平距離越大 合金凝固時(shí)的成分間隔越大 先后凝固出的固溶體成分差別越大 偏析越嚴(yán)重 垂直距離越大 合金凝固的溫度間隔越大 高溫時(shí)和低溫時(shí)凝固出的固溶體成分差別越大 而且低溫時(shí)原子的擴(kuò)散速度也慢 組元的擴(kuò)散能力 一般擴(kuò)散能力越小偏析程度越大 擴(kuò)散能力越大 偏析程度越小 外因合金的澆鑄條件 冷卻速度越大 偏析越嚴(yán)重 冷卻速度越小偏析越小 影響偏析因素 晶內(nèi)偏析 一個(gè)晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象 枝晶偏析 樹(shù)枝晶的枝干和枝間化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象 區(qū)域偏析 由于不平衡冷卻造成宏觀(guān)區(qū)域成分不一致 偏析的消除 擴(kuò)散退火或均勻化退火 將鑄件加熱到低于固相線(xiàn)100 200 的溫度 進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的保溫 使偏析元素充分進(jìn)行擴(kuò)散 以達(dá)到成分均勻化的目的 偏析的危害 降低了合金的機(jī)械性能 主要是塑性和韌性 耐蝕性能和加工工藝性能等 銅鎳合金擴(kuò)散退火后的組織 a 顯微組織 b 電子探針測(cè)量結(jié)果 銅鎳合金的鑄造組織 a 顯微組織 b 電子探針測(cè)量結(jié)果 二 共晶相圖及其合金凝固 2 共晶合金的平衡凝固及其組織 1 共晶相圖 3 共晶合金的非平衡凝固 1 共晶相圖 1 相圖分析 純組元的熔點(diǎn) A B 共晶點(diǎn) E 最大溶解度點(diǎn) C D 共晶線(xiàn) C E D 液相線(xiàn) A E B 固相線(xiàn) A C E D B 固溶度曲線(xiàn) CF DG 1 相圖分析 相區(qū) 3個(gè)單相區(qū) L 3個(gè)兩相區(qū) L L 1個(gè)三相區(qū) L 有關(guān)共晶的幾個(gè)概念 共晶反應(yīng) 在一定的溫度下 由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出成分一定的兩個(gè)固相的轉(zhuǎn)變過(guò)程 共晶組織 共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物為兩個(gè)固相的混合物 共晶線(xiàn) MEN水平線(xiàn)共晶點(diǎn) E點(diǎn)共晶溫度 E點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度共晶合金 成分對(duì)應(yīng)于共晶點(diǎn)的合金亞共晶合金 成分位于共晶點(diǎn)以左 M點(diǎn)以右的合金過(guò)共晶合金 成分位于共晶點(diǎn)以右 N點(diǎn)以左的合金 2 共晶合金的特殊性質(zhì) 比純組元的熔點(diǎn)低 簡(jiǎn)化了熔化和鑄造的操作 共晶合金比純金屬有更好的流動(dòng)性 在凝固之中防止了阻礙液體流動(dòng)的枝晶形成 改善鑄造性能 恒溫轉(zhuǎn)變減少了鑄造缺陷 共晶凝固可獲得多種形態(tài)的顯微組織 1 Sn 19 的合金 Sn 10 的合金 凝固過(guò)程分析 1 2 3 L L 4 合金 的冷卻曲線(xiàn)及結(jié)晶過(guò)程 2 共晶合金的平衡凝固及其組織 思考 兩相的相對(duì)含量 脫溶過(guò)程 由固溶體中析出另一個(gè)固相的過(guò)程 即過(guò)飽和固溶體的分解過(guò)程 二次結(jié)晶 室溫組織 次生相或二次相 區(qū)別于從液體直接結(jié)晶出來(lái)的 固溶體 優(yōu)先在晶界析出 其次從晶粒內(nèi)的缺陷部位析出 10 Sn Pb合金顯微組織500 1 1 2 L 合金 的冷卻曲線(xiàn)及結(jié)晶過(guò)程 L Pb Sn相圖 183 共晶反應(yīng) LE M N 2 共晶合金 Sn 61 9 2 共晶合金的平衡凝固及其組織 繼續(xù)冷卻 共晶體中 和 相將各自沿MF和NG溶解度曲線(xiàn)變化析出 室溫組織 思考 層片狀組織如何形成 兩相的相對(duì)含量 層片狀組織的形成 1 2 2 3 L L Pb Sn相圖 合金 的冷卻曲線(xiàn)及結(jié)晶過(guò)程 3 亞共晶合金 Sn 50 2 共晶合金的平衡凝固及其組織 室溫組織 初 思考 兩相的相對(duì)含量 兩組織相對(duì)含量 50 Sn Pb合金顯微組織200 Pb Sn相圖 4 過(guò)共晶合金 Sn 70 2 共晶合金的平衡凝固及其組織 5 小結(jié) 2 共晶合金的平衡凝固及其組織 先共晶 相和共晶組織 的含量 相組成物 和 的含量 答案 計(jì)算 含錫量為 Sn 30 的亞共晶合金在183 共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束后 先共晶相和共晶組織的含量是多少 相組成物的含量是多少 3 共晶合金的非平衡凝固 1 偽共晶 在非平衡凝固條件下由非共晶成分的合金所得到的完全共晶組織 偽共晶區(qū)在相圖中的配置 對(duì)稱(chēng)分布 偏向高熔點(diǎn)組元一側(cè) 2 非平衡共晶組織 離異共晶 由于非平衡共晶體數(shù)量較少 通常共晶體中的 相依附于初生 相生長(zhǎng) 將共晶體中另一相 推到最后凝固的晶界上 從而使共晶體兩組成相相間的組織特征消失 這種兩相分離的共晶體稱(chēng)之為離異共晶 消除方法 擴(kuò)散退火 4 Cu Al鑄造合金中的離異共晶晶界上的相為Al2Cu200 可能產(chǎn)生離異共晶示意圖 3 共晶合金的非平衡凝固 回顧 勻晶轉(zhuǎn)變凝固過(guò)程分析勻晶反應(yīng)的非平衡凝固共晶合金相圖分析合金凝固過(guò)程分析 三 包晶相圖及其合金凝固 1 包晶相圖 2 包晶合金的凝固及其平衡組織 3 包晶合金的非平衡凝固 1 包晶相圖 1 相圖分析 熔點(diǎn) A B包晶點(diǎn) D 液相線(xiàn) ACB固相線(xiàn) APDBPE DF 溶解度曲線(xiàn) 單相區(qū) L 兩相區(qū) L L 三相共存區(qū) PDC 2 包晶轉(zhuǎn)變 在一定的溫度下 由一定成分的固相與一定成分的液相作用 形成另一個(gè)一定成分的固相的轉(zhuǎn)變過(guò)程 包晶轉(zhuǎn)變區(qū)的特征 反應(yīng)相是液相和一個(gè)固相 其成分點(diǎn)位于水平線(xiàn)的兩端 所形成的固相位于水平線(xiàn)中間的下方 包晶點(diǎn) D點(diǎn)包晶溫度 D點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度 1 包晶相圖 2 包晶合金的凝固及其平衡組織 1 包晶合金 Ag 42 4 的Pt Ag 凝固過(guò)程分析 Ag 42 4 的Pt Ag合金平衡凝固示意圖 室溫組織 包晶轉(zhuǎn)變過(guò)程 Ag和Pt原子的擴(kuò)散 包晶反應(yīng)時(shí)原子遷移示意圖 1 Ag 42 4 的Pt Ag合金 1186 時(shí) 相和液相的相對(duì)含量 2 包晶合金的凝固及其平衡組織 2 亞包晶合金10 5 Ag 42 4 的Pt Ag合金 合金凝固過(guò)程分析 思考 1186 時(shí) 和液相的含量 室溫組織 2 包晶合金的凝固及其平衡組織 3 過(guò)包晶合金42 4 Ag 66 3 的Pt Ag合金 凝固過(guò)程分析 室溫組織 包晶系合金 平衡凝固示意圖 2 包晶合金的凝固及其平衡組織 3 包晶合金的非平衡凝固 1 包晶偏析 由于包晶轉(zhuǎn)變不能充分進(jìn)行而產(chǎn)生的化學(xué)成分的不均勻現(xiàn)象 包晶轉(zhuǎn)變能否進(jìn)行完全取決于固相內(nèi)的擴(kuò)散速率 2 因快冷發(fā)生包晶反應(yīng)3 非平衡組織的消除 擴(kuò)散退火 4 小結(jié) 特點(diǎn) 包晶轉(zhuǎn)變的形成相依附在初晶相上形成 包晶轉(zhuǎn)變的不完全性 5 包晶轉(zhuǎn)變的實(shí)際應(yīng)用 1 在軸承合金中的應(yīng)用 軸承材料的組織 具有足夠塑性和韌性的基體及均勻分布的硬質(zhì)點(diǎn) 2 細(xì)化晶粒的作用 適宜做軸承合金的成分范圍 在鋁及鋁合金中加入鈦 四 溶混間隙相圖與調(diào)幅分解 溶混間隙 是兩種液相或兩種固溶體不相混溶的現(xiàn)象 溶混間隙轉(zhuǎn)變 液相 兩種液相的不相混溶性L(fǎng) L1 L2單相固溶體 在溶混間隙內(nèi)將分解為成分不同而結(jié)構(gòu)相同的兩相 1 2轉(zhuǎn)變方式 形核 長(zhǎng)大 無(wú)形核階段的不穩(wěn)定分解 調(diào)幅分解 五 其它類(lèi)型的二元相圖 1 具有化合物的二元相圖2 具有偏晶轉(zhuǎn)變的相圖3 具有合晶轉(zhuǎn)變的相圖4 具有熔晶轉(zhuǎn)變的相圖5 具有固態(tài)轉(zhuǎn)變的二元相圖 1 具有化合物的二元相圖 穩(wěn)定化合物 指有確定的熔點(diǎn) 可熔化成與固態(tài)相同成分液體的化合物 不穩(wěn)定化合物 不能熔化成與固態(tài)相同成分的液體 當(dāng)加熱到一定溫度時(shí)會(huì)發(fā)生分解 轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)相 1 形成穩(wěn)定化合物的二元相圖 沒(méi)有溶解度的化合物 一條垂線(xiàn) 可視為一個(gè)獨(dú)立組元把相圖分成兩個(gè)獨(dú)立的部分 所形成的化合物有一定的溶解度 形成以化合物為基的固溶體 化合物在相圖中有一定的成分范圍 也可把相圖分成兩個(gè)獨(dú)立的相圖 Mg Si相圖 形成沒(méi)有溶解度的化合物 Cd Sb相圖和Mg Cu相圖 形成以化合物為基的固溶體 1 具有化合物的二元相圖 2 形成不穩(wěn)定化合物的相圖加熱到某一溫度化合物會(huì)分解成為兩個(gè)相特點(diǎn) 不能作為組元而將整個(gè)相圖劃分為兩部分 K Na相圖 Na K相圖 1 具有化合物的二元相圖 2 具有偏晶轉(zhuǎn)變的相圖 1 定義 由一個(gè)液相L1分解成為一個(gè)固相和另一成分的液相L2的恒溫轉(zhuǎn)變 2 Cu Pb相圖分析 L36 L87 Cu Cu Pb相圖 3 具有合晶轉(zhuǎn)變的相圖 1 定義 由兩個(gè)成分不同的液相L1和L2相互作用形成一個(gè)固相 2 合晶轉(zhuǎn)變 4 具有熔晶轉(zhuǎn)變的相圖 1 定義 由一個(gè)固相恒溫分解為一個(gè)液相和另一個(gè)固相的過(guò)程 2 熔晶轉(zhuǎn)變 5 具有固態(tài)轉(zhuǎn)變的二元相圖 1 具有固溶體多晶型轉(zhuǎn)變的相圖Fe Ti相圖 近鈦一邊 相 bcc 相 hcp 近鐵一邊 2 具有共析轉(zhuǎn)變的相圖 共析轉(zhuǎn)變 一個(gè)固相在恒溫下轉(zhuǎn)變?yōu)榱韮蓚€(gè)固相的過(guò)程 3 具有包析轉(zhuǎn)變的相圖包析轉(zhuǎn)變 一個(gè)固相與另一個(gè)固相反應(yīng)形成第三個(gè)固相的恒溫轉(zhuǎn)變 4 具有脫溶過(guò)程的相圖脫溶 固溶體因溫度降低而溶解度減小而析出第二相的過(guò)程 5 具有固態(tài)轉(zhuǎn)變的二元相圖 5 具有有序 無(wú)序轉(zhuǎn)變的相圖有序固溶體 兩種原子在晶體中呈規(guī)則排列 各占據(jù)自己一定的位置 超結(jié)構(gòu)6 具有固溶體形成中間相轉(zhuǎn)變的相圖7 具有磁性轉(zhuǎn)變的相圖順磁性 鐵磁性居里溫度 5 具有固態(tài)轉(zhuǎn)變的二元相圖 六 復(fù)雜二元相圖的分析方法 1 分析方法 1 先看相圖中是否存在穩(wěn)定化合物 如有 則以化合物為界 把相圖分成幾個(gè)區(qū)域 2 根據(jù)相區(qū)接觸法則 區(qū)別各相區(qū) 3 找出三相共存水平線(xiàn) 分析這些恒溫轉(zhuǎn)變的類(lèi)型 4 應(yīng)用相圖分析具體合金隨著溫度改變而發(fā)生的相變和組織變化的規(guī)律 二元相圖各類(lèi)恒溫轉(zhuǎn)變圖型 六 復(fù)雜二元相圖的分析方法 包晶轉(zhuǎn)變 L 包晶轉(zhuǎn)變 L 包晶轉(zhuǎn)變 L 共析轉(zhuǎn)變 共析轉(zhuǎn)變 共析轉(zhuǎn)變 共析轉(zhuǎn)變 包析轉(zhuǎn)變 包析轉(zhuǎn)變 熔晶轉(zhuǎn)變 L 共晶轉(zhuǎn)變 L 六 復(fù)雜二元相圖的分析方法 六 復(fù)雜二元相圖的分析方法 2 應(yīng)用相圖時(shí)要注意的問(wèn)題 1 相圖反映的是在平衡條件下相的平衡 而不是組織的平衡 2 相圖給出的是平衡狀態(tài)的情況 3 二元相圖只反映二元系合金相的平衡關(guān)系 七 根據(jù)相圖推測(cè)合金的性能 1 根據(jù)相圖判斷合金的使用性能 相圖與合金硬度 強(qiáng)度及導(dǎo)電性之間的關(guān)系 2 根據(jù)相圖判別合金的工藝性能 相圖與合金鑄造性能之間的關(guān)系 七 根據(jù)相圖推測(cè)合金的性能 回顧 共晶合金的非平衡凝固包晶相圖及合金凝固熔混間隙相圖與調(diào)幅分解其它類(lèi)型二元相圖復(fù)雜相圖分析方法相圖推測(cè)合金性能 八 二元相圖實(shí)例分析 鐵碳相圖1 鐵碳合金的組元及基本相2 Fe Fe3C相圖分析3 Fe C合金分類(lèi)4 典型鐵碳合金的平衡組織5 含碳量對(duì)鐵碳合金平衡組織和性能的影響 7 3二元相圖分析 1 鐵碳合金的組元及基本相 1 純鐵 第26個(gè)元素 原子量55 85 過(guò)渡族 1538 熔化 2738 氣化 20 時(shí)密度為7 87g cm3 1538 L Fe bcc 1394 Fe bcc Fe fcc A4轉(zhuǎn)變912 Fe fcc Fe bcc A3轉(zhuǎn)變 770 磁性轉(zhuǎn)變高溫順磁性 低溫鐵磁性A2轉(zhuǎn)變 1 鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 八 鐵碳合金的組織及其性能 1 鐵碳合金的組元及基本相 2 鐵素體與奧氏體 鐵素體 碳溶于 鐵中的間隙固溶體 bcc F或 最大溶碳量0 0218 727 奧氏體 碳溶于 鐵中的間隙固溶體 fcc A或 最大溶碳量2 11 1148 鐵素體 碳溶于體心立方晶格的 Fe中的間隙固溶體 bcc 最大溶碳量0 09 1495 3 純鐵的性能與應(yīng)用塑性 韌性很好 強(qiáng)度很低 應(yīng)用其鐵磁性 1 鐵碳合金的組元及基本相 2 滲碳體 概念 鐵與碳形成的間隙化合物Fe3C含碳量 c 6 69 Cm正交晶系 性能 高硬度 塑性很差230 以下具有鐵磁性A0轉(zhuǎn)變 1 鐵碳合金的組元及基本相 2 Fe Fe3C相圖分析 1 相圖中點(diǎn) 線(xiàn) 區(qū)及其意義 點(diǎn) 2 Fe Fe3C相圖分析 鐵碳合金相圖中的特性點(diǎn) 液相線(xiàn) ABCD固相線(xiàn) AHJECF ABCD以上 液相區(qū)AHNA 固溶體區(qū)NJESGN 奧氏體區(qū)GPQG 鐵素體區(qū)DFKL 滲碳體區(qū) L L L Fe3C Fe3C Fe3C HJB 包晶轉(zhuǎn)變線(xiàn)ECF 共晶轉(zhuǎn)變線(xiàn)PSK 共析轉(zhuǎn)變線(xiàn) 兩條磁性轉(zhuǎn)變線(xiàn) MO 230 虛線(xiàn) 2 Fe Fe3C相圖分析 2 包晶轉(zhuǎn)變 水平線(xiàn)HJB L0 53 0 09 0 17 LB H J c 0 09 0 17 的合金 c 0 17 0 53 的合金 c 0 09 的合金 包晶偏析不嚴(yán)重 反應(yīng)溫度高高合金鋼 包析嚴(yán)重 合金元素?cái)U(kuò)散慢 3 共晶轉(zhuǎn)變 水平線(xiàn)ECF L4 30 2 11 Fe3C LC E Fe3C 奧氏體和滲碳體的混合物 萊氏體 Ld 2 Fe Fe3C相圖分析 4 共析轉(zhuǎn)變 水平線(xiàn)ECF A1線(xiàn) 0 77 0 0218 Fe3C S P Fe3C 共析產(chǎn)物稱(chēng)為珠光體 P P中F和Fe3C的相對(duì)含量 金相電鏡下 較厚的片為F 較薄的片是Fe3C珠光體團(tuán) 珠光體領(lǐng)域 2 Fe Fe3C相圖分析 5 三條重要的特性曲線(xiàn) GS線(xiàn) A3線(xiàn)奧氏體析出鐵素體的開(kāi)始線(xiàn) ES線(xiàn) Acm線(xiàn)碳在奧氏體中的溶解度曲線(xiàn)Fe3C 二次滲碳體的開(kāi)始析出線(xiàn) PQ線(xiàn)碳在鐵素體中的溶解度曲線(xiàn)Fe3C 2 Fe Fe3C相圖分析 3 鐵碳合金分類(lèi) 1 低碳鋼Wc 0 25 2 中碳鋼Wc 0 25 0 60 3 高碳鋼Wc 0 60 1 普通碳素鋼Ws 0 055 Wp 0 045 2 優(yōu)質(zhì)碳素鋼Ws 0 040 Wp 0 040 3 高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼Ws 0 030 Wp 0 030 1 碳素結(jié)構(gòu)鋼 2 碳素工具鋼 4 鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程及組織 分類(lèi) 碳鋼 c2 11 工業(yè)純鐵 c 0 0218 按組織特征 1 c 0 01 的合金 工業(yè)純鐵 思考 求三次滲碳體的最大含量 4 鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程及組織 室溫組織為 Fe3C 2 c 0 77 的合金 共析鋼 室溫組織 P Fe3C 4 鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程及組織 3 c 0 4 的合金 亞共析鋼 室溫組織 先共析鐵素體 P 4 鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程及組織 思考 共析轉(zhuǎn)變后先共析鐵素體與珠光體的相對(duì)含量及相的相對(duì)含量 室溫下 從 先中析出的Fe3C 的含量 4 c 1 2 的合金 過(guò)共析鋼 室溫組織 網(wǎng)狀Fe3C P 4 鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程及組織 思考 二次滲碳體的最大含量 5 c 4 3 的合金 共晶白口鐵 室溫組織 變態(tài)萊氏體L d Fe3C P 4 鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程及組織 計(jì)算 共析轉(zhuǎn)變后組織組成物及相組成物的相對(duì)含量 二次滲碳體的相對(duì)含量 5 c 4 3 的合金 共晶白口鐵 6 c 3 0 的合金 亞共晶白口鑄鐵 室溫組織 P Fe3C L d 4 鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程及組織 思考 初晶奧氏體的含量及從初晶奧氏體中析出的Fe3C 含量 7 c 5 0 的合金 過(guò)共晶白口鑄鐵 室溫組織 Fe3C L d 計(jì)算 室溫時(shí)組織組成物 相組成物的相對(duì)含量 4 鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程及組織 5 含碳量對(duì)鐵碳合金平衡組織和性能的影響 1 對(duì)平衡組織的影響 隨含碳量的增加 鐵碳合金的組織發(fā)生以下變化 Fe3C P P P Fe3C Fe3C L d P L d Fe3C L d 5 含碳量對(duì)鐵碳合金平衡組織和性能的影響 2 對(duì)機(jī)械性能的影響 3 對(duì)工藝性能的影響 1 切削加工性能 2 可鍛性 3 鑄造性 流動(dòng)性 收縮性 5 含碳量對(duì)鐵碳合金平衡組織和性能的影響 5 雜質(zhì)元素的影響 Si的影響 脫氧能力強(qiáng) Si 0 4 固溶強(qiáng)化 Mn的影響 脫氧 去S Mn 0 25 0 80 S的影響 有害元素 沿晶界開(kāi)裂 S 0 08 0 25 Mn 0 5 1 2 5 含碳量對(duì)鐵碳合金平衡組織和性能的影響 5 雜質(zhì)元素的影響 P的影響 固溶強(qiáng)化 使脆性轉(zhuǎn)折溫度升高 冷脆 偏析 N的影響 應(yīng)變時(shí)效 加入Al V Nb Ti等元素 H的影響 氫脆 白點(diǎn) 的影響 鋼的強(qiáng)度 塑性 韌性降低 5 含碳量對(duì)鐵碳合金平衡組織和性能的影響 回顧 鐵碳合金相圖分析合金的凝固過(guò)程分析 作業(yè) 1 1 已知液態(tài)純鎳在1 103 105 1個(gè)大氣壓 過(guò)冷度為319 時(shí)發(fā)生均勻形核 設(shè)臨界晶核半徑為1nm 純鎳的熔點(diǎn)為1726K 溶化熱 Hm 18075J mol 摩爾體積Vs 6 6cm3 mol 計(jì)算純鎳的液 固界面能和臨界形核功 2 若要在2045K發(fā)生均勻形核 需將大氣壓增加到多少 已知凝固時(shí)體積變化 V 0 26cm3 mol 1J 9 8 105cm3 Pa 2 已知銅的熔點(diǎn)Tm 1083 熔化潛熱Lm 1 88 103J cm3 比表面能 1 44 105J cm2 1 試計(jì)算銅在583 均勻形核時(shí)的臨界晶核半徑 2 已知銅相對(duì)原子質(zhì)量63 5 密度為8 9g cm3 求臨界晶核中的原子數(shù) 3 分析純金屬生長(zhǎng)形態(tài)與溫度梯度的關(guān)系 4 根據(jù)凝固理論 試述細(xì)化晶粒的基本途徑 5 4二元合金的凝固理論 一 固溶體的凝固理論 二 共晶凝固理論 三 合金鑄錠 件 的組織與缺陷 平衡分配系數(shù) 0 平衡凝固時(shí)固相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和液相質(zhì)量分?jǐn)?shù) 一 固溶體的凝固理論 1 正常凝固 k01 隨溶質(zhì)增加 合金凝固的開(kāi)始溫度和終結(jié)溫度升高 1 定向凝固 平衡狀態(tài) 2 非平衡凝固 隨凝固距離x而變化 假設(shè)條件 液相成分任何時(shí)候都是均勻的 液 固界面平直 液 固界面維持局部平衡 滿(mǎn)足界面處k0為常數(shù) 忽略固相內(nèi)的擴(kuò)散 固相和液相密度相同 正常凝固方程 固相質(zhì)量濃度隨凝固距離的變化規(guī)律 固相內(nèi)無(wú)擴(kuò)散 液相內(nèi)能達(dá)到完全均勻化 b線(xiàn) 區(qū)域偏析 溶質(zhì)濃度由錠表面向中心逐漸增加的不均勻分布 正偏析 溶質(zhì)濃度由錠表面向中心逐漸增加的不均勻分布 固相內(nèi)無(wú)擴(kuò)散 液相內(nèi)部分混合 只有擴(kuò)散而無(wú)對(duì)流 c線(xiàn) 2 區(qū)域熔煉 區(qū)域提純 區(qū)域熔煉方程 3 表征液體混合程度的有效分配系數(shù)ke R 凝固速度 邊界層厚度D 擴(kuò)散系數(shù) R D 0 ke k0 正常凝固 R D ke 1液相完全不混合k0 ke 1液相部分混合 4 合金凝固中的成分過(guò)冷 1 成分過(guò)冷的概念 純金屬的過(guò)冷 熱過(guò)冷成分過(guò)冷 界面前沿液體中的實(shí)際溫度低于由溶質(zhì)分布所決定的凝固溫度時(shí)產(chǎn)生的過(guò)冷 2 產(chǎn)生成分過(guò)冷的臨界條件 液體的實(shí)際溫度梯度與界面處的平衡結(jié)晶曲線(xiàn)恰好相切 不同成分過(guò)冷下的晶體生長(zhǎng)方式 3 成分過(guò)冷對(duì)晶體生長(zhǎng)形態(tài)的影響 平直晶 G1 胞狀晶 G2 樹(shù)枝晶 G3 成分過(guò)冷是合金凝固有別于純金屬凝固的主要特征 影響晶體生長(zhǎng)方式的主要因素 成分過(guò)冷 鎳鋼的胞狀晶 胞狀枝晶及樹(shù)枝晶 二 共晶凝固理論 1 共晶組織分類(lèi)及其形成機(jī)