工程材料与机械制造基础4铁碳合金

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铁碳合金的应用
铁碳合金
合金的相结构 • 合金是指由两种或两种
以上元素组成的具有金 属特性的物质。 • 组成合金的元素可以是 全部是金属，也可是金 属与非金属。 • 组成合金的元素相互作 用可形成不同的相。
黄铜 Al-Cu两相合金
合金的相结构
单相
• 相 是指金属或合金中凡成分相 合金 同、结构相同，并与其它部分有 界面分开的均匀组成部分。
• 组织 一种或多种相按一定方式 相互结合所构成的整体。
• 显微组织 是指在显微镜下观察 到的金属中各相或各晶粒的形态 、数量、大小和分布的组合。
• 固态合金中的相分为固溶体和金 属化合物两类。
两相 合金
合金的相结构
• 固溶体 合金中其结构与组成元素之一的晶体结构
相同的固相。习惯以、、表示。 l 与合金晶体结构相同的元素称溶
元, 如Fe-C合金中的Fe3C。
Cu
成分（wt %Ni）
Ni
Cu-Ni合金相图
二元合金状态图的建立
• 相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温 度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处 理工艺的重要依据。
• 根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
Fe-C二元相图
三元相图
二元相图的建立
有序固溶体。
黄铜置换固溶体组织
固溶体
• ② 间隙固溶体 • 溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。 • 形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金
属元素，如C、N、B 等，而溶剂元素一般 是过渡族元素。 l 形成间隙固溶体的一 般规律为r质/r剂<0.59。 l 间隙固溶体都是无序 固溶体。
固溶体
工程材料与机械制造基础
第四章 铁碳合金
海洋科学与技术学院 贾 非
Dalian University of Technology
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主要内容
l 合金的相结构
来自百度文库
固溶体
金属化合物
l 二元合金状态图的建立
二元相图的建立
杠杆定律
共晶相图
共析相图
l 铁碳合金的结构和相图
铁碳合金的基本组织
铁碳合金相图
典型成分合金平衡结晶过程分析
温度、成分之间关系图解。又称状态图或平衡图。
二元合金状态图的建立
• 合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的
一系列不同成分的合金。
l 组元是指组成合金的最简
单、最基本、能够独立存
L
在的物质。
温度（℃）
l 多数情况下组元是指组成
合金的元素。但对于既不
发生分解、又不发生任何
反应的化合物也可看作组
② 电子化合物—符合电子 浓度规律。如Cu3Sn。 电子浓度为价电子数与 原子数的比值。
③ 间隙化合物—由过渡族 元素与C、N、B、H等小 原子半径的非金属元素 组成。
Al-Mg-Si合金中的Mg2Si Pb基轴承合金中的电子化合物
金属化合物
• a. 间隙相：r非/r金0.59时形 成的具有简单晶格结构的间 隙化合物。如
• ③ 固溶体的溶解度 • 溶质原子在固溶体中的极限浓度。 • 溶解度有一定限度的固溶体称有限
固溶体。 • 组成元素无限互溶的固溶体称无限
固溶体。 • 组成元素原子半径、电化学特性相
近，晶格类型相同的置换固溶体， 才有可能形成无限固溶体。 • 间隙固溶体都是有限固溶体。
化合物 固溶体
Cu-Ni无限固溶体 Cu-Zn有限固溶体
• 如FeB、Fe3C、Cr23C6等。 Fe3C称渗碳体，是钢中重要组 成相，具有复杂斜方晶格。
Fe3C的晶格
• 化合物也可溶入其它元素原子， 形成以化合物为基的固溶体。
高温合金中的Cr23C6
二元合金状态图的建立
• 合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析. • 常压下，合金存在的状态由成分和温度确定。 • 合金相图是表示在平衡条件下合金系中的合金状态与
固溶体
• ④ 固溶体的性能 • 随溶质含量增加, 固溶体的
强度、硬度增加, 塑性、韧 性下降—固溶强化。 • 产生固溶强化的原因是溶 质原子使晶格发生畸变及 对位错的钉扎作用。 l 与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧 性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性 和韧性则要高得多。
合金的相结构
• 相图被两条线分为 三个相区，液相线 以上为液相区L ， 固相线以下为 固 溶体区，两条线之 间为两相共存的两 相区（L+ ）。
L
液相线 L +
固相线
Cu
成分（wt%Ni）
• ⑵ 金属化合物 • 合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同
的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点 、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。
l 当合金中出现金属化合 物时，可提高其强度、 硬度和耐磨性，但降低 塑性。
l 金属化合物也是合金的 重要组成相。
铁碳合金中的Fe3C
金属化合物
① 正常价化合物—符合正 常原子价规律。如Mg2Si
• 几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是 热分析法。
• 二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为例] • 1. 配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，
找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。 • 2. 将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。 • 3. 将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的
数字和字母。 • 相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点
的连线叫固相线。
二元相图分析
二元相图的基本类型与分析 匀晶相图 l 两组元在液态和固
态下均无限互溶时 所构成的相图称二 元匀晶相图。 l 以Cu-Ni合金为例 进行分析。
Cu-Ni合金相图
匀晶相图
• 相图由两条线构成 ，上面是液相线， 下面是固相线。
• M4X (Fe4N)、 • M2X (Fe2N、 W2C)、 • MX (TiC、VC、TiN)等。 • 间隙相具有金属特征和极高
的硬度及熔点，非常稳定。 • 部分碳化物和所有氮化物属
于间隙相。
VC的结构
金属化合物
• b. 具有复杂结构的间隙化合物
• 当r非/r金>0.59时形成复杂结构间 隙化合物。
剂。其它元素称溶质。
l 固溶体是合金的重要组成相，实 际合金多是单相固溶体合金或以
Cu-Ni置换固溶体
固溶体为基的合金。
l 按溶质原子所处位置分为置换固 溶体和间隙固溶体。
Fe-C间隙固溶体
固溶体
• ① 置换固溶体 • 溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。 • 溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称