工程材料與機(jī)械制造基礎(chǔ)

第3章二元合金相圖本章重點(diǎn)：1、勻晶、共晶與鐵碳相圖分析。2、相圖與性能的關(guān)系。幾個(gè)重要概念：1、組元：組成合金的獨(dú)立的最基本的單元（一般是一種元素或一種穩(wěn)定的化合物）。2、相：金屬或合金中，具有相同化學(xué)成分，相同結(jié)晶構(gòu)造，并有明顯界面分開的獨(dú)立組成部分。3、組織：用肉眼或顯微鏡觀察到的材料的微觀形貌。4、合金系：由兩個(gè)或兩個(gè)以上組元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，稱為合金系。5、相圖：狀態(tài)圖，平衡圖或平衡狀態(tài)圖。表示合金系在平衡條件下，相、溫度及成分之間關(guān)系的圖形1、研究合金在緩慢冷卻條件下相的變化。2、判斷合金在快速冷卻條件下組織的變化。3、指導(dǎo)制定熱加工工藝。二、相圖的表示方法一、研究相圖的意義三、相圖的建立熱分析法測(cè)定簡(jiǎn)單相圖的步驟（以Cu-Ni合金為例）：1、配制一系列不同成分的Cu-Ni合金。2、用熱分析法測(cè)出每一合金的冷卻曲線。3、找出各冷卻曲線上的臨界轉(zhuǎn)變點(diǎn)。4、將各合金的轉(zhuǎn)變點(diǎn)分別標(biāo)注在溫度-成分坐標(biāo)圖中相應(yīng)的合金線上。5、將意義相同的點(diǎn)連接起來，即獲得相圖。四、二元?jiǎng)蚓鄨D當(dāng)兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均可以任何比例相互溶解時(shí)所構(gòu)成的相圖叫勻晶相圖。如Cu-Ni

Fe-CrAu-Ag等。1、相圖分析2、典型合金的結(jié)晶過程及顯微組織3、枝晶偏析一個(gè)晶粒內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象叫枝晶偏析。消除枝晶偏析的方法：擴(kuò)散退火。4、杠桿定律的應(yīng)用在合金的結(jié)晶過程中，隨著結(jié)晶的進(jìn)行，合金中各個(gè)相的成分及相對(duì)量都在不斷地變化。研究這些變化的工具—杠桿定律。1）確定某一溫度下兩平衡相的成分2）確定某一溫度下兩平衡相的相對(duì)量如圖，確定t2溫度下，x合金兩平衡相L、

各占合金總量的百分之幾，及兩相的相對(duì)量。設(shè)合金的總重量=1kg液相的重量=QLkg固相的重量=Q

kg合金中的含Ni量=液相中的含Ni量+

相中的含Ni量

QL+Q

=1解得：Q

=X-X1/X2-X1X.1=QLX1+Q

X2QL=X2-X/X2-X1注：在二元合金中，杠桿定律只用于兩相區(qū)，確定相的相對(duì)量或組織的相對(duì)量上節(jié)課的主要內(nèi)容1、重要的概念加工硬化（變形強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、冷作硬化）、回復(fù)、再結(jié)晶、熱變形與冷變形、相、組織、枝晶偏析2、加工硬化的優(yōu)缺點(diǎn)（在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用）。3、變形金屬重新加熱后三個(gè)階段組織與性能的變化。4、勻晶相圖中典型合金的結(jié)晶過程與杠桿定律的應(yīng)用。五、二元共晶相圖兩組元在液態(tài)時(shí)彼此無限互溶，固態(tài)下彼此部分固溶并有共晶轉(zhuǎn)變的相圖。如Pb-SnPb-SbAl-SiAg-CuFe-C等都可形成共晶相圖。以Pb-Sn相圖為例：1、相圖分析點(diǎn)：a,b,c,d,e線：adb-液相線。

acdeb-固相線。

Cf-Sn在Pb中的溶解度線，Sn在Pb中固溶體為

。

eg-Pb在Sn中的溶解度線，Pb在Sn中固溶體為

。

Ced-共晶線。在共晶線溫度發(fā)生共晶反應(yīng)，轉(zhuǎn)變過程中是三相（L，，）共存。相區(qū)：?jiǎn)蜗鄥^(qū)（L，，）。兩相區(qū)（L+，L+，+）。三相區(qū)（L++）-水平線。2、典型合金的結(jié)晶過程及顯微組織共5個(gè)典型合金，實(shí)際上3與4，1與5的結(jié)晶過程相似，所以只分析前3個(gè)合金。1合金：勻晶反應(yīng)+二次結(jié)晶反應(yīng)（脫溶反應(yīng)）+

由于固溶體中溶解度的減少而析出另一固相的反應(yīng)叫二次結(jié)晶反應(yīng)或脫溶反應(yīng)。次生相

與初生相

雖然成分和結(jié)構(gòu)完全相同是同一種相，但形貌特征、分布完全不同，屬于兩種組織。當(dāng)次生相以細(xì)小粒狀形式分布在較軟的固溶體基體上時(shí)，由于次生相對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，使材料的強(qiáng)度提高的現(xiàn)象稱時(shí)效強(qiáng)化。合金4的結(jié)晶過程與1相似，只是從液相中先結(jié)晶的固溶體為，二次反應(yīng)的產(chǎn)物為

，最后室溫組織+。2合金：恰好是共晶成分。室溫組織為

F+G

共晶體。

共晶反應(yīng)的條件：1）溫度是確定的，即水平線的溫度。2）成分是確定的，即共晶點(diǎn)的成分。共晶體的特點(diǎn)：1）組成共晶體的兩個(gè)固相的相對(duì)量是一定的。2）在顯微鏡下具有獨(dú)特的形貌，多樣形態(tài)（視為一種組織）。3）組織較細(xì)密。3合金：結(jié)晶過程分三個(gè)階段，即勻晶反應(yīng)+共晶反應(yīng)+二次結(jié)晶反應(yīng)。室溫組織：+（+）+

這種位于共晶點(diǎn)左側(cè)的合金稱為亞共晶合金。4合金的結(jié)晶過程與3合金相似。這種位于共晶點(diǎn)右側(cè)的合金稱為過共晶合金。其結(jié)晶過程與3合金相似，只是勻晶產(chǎn)物為初晶，二次結(jié)晶產(chǎn)物為

。室溫組織為+（+）+

。3、組織組成物與相組成物六、二元共析相圖在二元合金中，若合金冷卻到固態(tài)時(shí)，還能發(fā)生由一個(gè)固相同時(shí)分解形成兩個(gè)新的固相，這種相圖叫共析相圖。與共晶反應(yīng)不同點(diǎn)：1）共析反應(yīng)是固態(tài)反應(yīng)，原子的擴(kuò)散困難，組織更細(xì)。2）因母相與子相的比容不同，反應(yīng)后易引起較大的內(nèi)應(yīng)力。七、鐵碳合金相圖（一）學(xué)習(xí)Fe-Fe3C相圖的意義（二）對(duì)Fe-Fe3C相圖的幾點(diǎn)說明（三）鐵碳合金的基本相1、Fe在固態(tài)下有兩次晶格類型的轉(zhuǎn)變，-Fe-Fe-Fe。C在Fe中形成間隙固溶體，在-Fe中的固溶體叫鐵素體（F），C在-Fe中的溶解度極小，最大為0.0218%.在-Fe中的固溶體叫奧氏體（A）,C在-Fe中的溶解度較大，為2.11%~0.77%。F與A的強(qiáng)度、硬度都較低，而塑性和韌性好。2、Fe3C：是晶格復(fù)雜的間隙化合物，強(qiáng)度很低（40MPa)，塑性幾乎為零，但硬度很高HB800，所以Fe3C硬而脆。在鋼和白口鐵中以片狀、球狀、網(wǎng)狀等形式存在。它的形狀和分布對(duì)鋼的性能影響很大，是鐵碳合金的強(qiáng)化相。鐵碳合金中的相1）液相L2）

相-高溫鐵素體。3）相-鐵素體（用F表示）4）相-奧氏體（用A表示）5）Fe3C（四）Fe-Fe3C相圖分析

1、重要點(diǎn)與線的分析1）重要的點(diǎn)A：純鐵的熔點(diǎn)，t=1538C，C=0D：Fe3C的熔點(diǎn)，t=1227C，C=6.69%G：純鐵同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)，-Fe-Fet=912C，C=0E：C在-Fe中的最大溶解度點(diǎn)，t=1148C，C=2.11%，也是鋼與白口鐵的成分分界點(diǎn)。P：C在-Fe中最大溶解度點(diǎn)，t=727C，C=0.0218%。也是純鐵與鋼的成分分界點(diǎn)。C：共晶點(diǎn)，t=1148C，C=4.3%S：共析點(diǎn)，t=727C，C=0.77%2）重要的線ACD：液相線。AECF：固相線。ES：碳在奧氏體中的溶解度曲線。以Acm表示。在1148C

時(shí)奧氏體中的最高溶碳量2.11%,到727C

時(shí)溶C量為0.77%。所以，凡含C量高于0.77%的鐵碳合金自1148C

冷到727C

時(shí)，均會(huì)從奧氏體中沿晶界析出網(wǎng)狀

Fe3C。PQ：碳在鐵素體中的溶解度曲線。在727C

時(shí)鐵素體中的最高溶碳量0.0218%,到室溫

時(shí)溶C量幾乎為0。所以，凡含C量大于0的鐵碳合金自727C

冷到室溫時(shí)均會(huì)從鐵素體中析出Fe3C

，但是因量很少一般不予考慮。GS：從不同含碳量的奧氏體中析出鐵素體的開始線。以A3表示。EFC：共晶線。共晶反應(yīng)發(fā)生在含碳為2.11~6.69%的鐵碳合金中。PSK：共析線，以A1表示。共析反應(yīng)發(fā)生在含碳為0.0218~6.69%的鐵碳合金中。2、典型合金的結(jié)晶過程及組織按含碳量和組織不同，鐵碳合金分三類：工業(yè)純鐵（C<0.0218%）鋼（C0.0218~2.11%）。根據(jù)室溫組織不同，又分三種：共析鋼（C=0.77%），亞共析鋼（C<0.77%），過共析鋼（C>0.77%）。

白口鐵（C2.11~6.69%）。根據(jù)室溫組織不同，又分三種：共晶白口鐵（C=4.3%），亞共析白口鐵（C<4.3%），過共晶白口鐵（C>4.3%）。

1）鋼的結(jié)晶過程及組織含碳小于2.11%能夠進(jìn)行壓力加工的鐵碳合金叫鋼。A、共析鋼的結(jié)晶過程及顯微組織LL+AAP（F+Fe3C)B、亞共析鋼LL+AAA+FP+FC、過共析鋼LL+AAA+Fe3C

P+Fe3C

鋼的共同特點(diǎn)是高溫下都有塑性很好的A體組織，適合于壓力加工。2）白口鐵的結(jié)晶過程與顯微組織

A、共晶白口鐵LLd(A+Fe3C)Ld(A+Fe3C

+Fe3C)L'd(P+Fe3C

+Fe3C)B、亞共晶白口鐵LL+AA+LdA+Fe3C

+LdP+Fe3C+L‘dC、過共晶白口鐵LL+Fe3C

Fe3C

+LdFe3C

+L‘d因?yàn)榘卓阼F在高溫時(shí)都有脆性的共晶萊氏體，所以不能進(jìn)行鍛壓，而共晶成分合金的流動(dòng)性好，適合于鑄造。八、相圖的應(yīng)用1、判斷合金的組織據(jù)相圖可判斷在平衡冷卻條件下，任一成分合金在某個(gè)溫度時(shí)的組織是由那些相組成，各相的化學(xué)成分及相對(duì)量。2、根據(jù)相圖分析機(jī)械性能隨著溶質(zhì)的加入，合金的強(qiáng)度、硬度提高。但固溶體的塑性和韌性仍然較高。在兩相區(qū)內(nèi)，合金的性能介入兩組成相之間，與成分成直線關(guān)系，是兩相性能的算數(shù)平均值。=1·V1+

2·

V2HB=HB1·V1+HB2·

V2當(dāng)形成細(xì)小的共晶組織時(shí)，機(jī)械性能將偏離直線而出現(xiàn)高峰。3