二元合金相图及其应用
合集下载
二元相图的分析和使用
第五节 二元相图的分析和使用
二、 相图分析步骤 ① 以稳定的化合物分割相图； ② 确定各点、线、区的意义； ③ 分析具体合金的结晶过程及其组织变化。 注：虚线、点划线的意义－尚未准确确定的数据、磁学转 变线、有序－无序转变线。
*
第五节 二元相图的分析和使用
*
第八节 铸锭组织及其控制
1 铸锭组织 （2）组织控制 受浇铸温度、冷却速度、 化学成分、变质处理、 机械振动与搅拌等因素 影响。
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
*
第七节 相图的热力学基础
3 二元系自由能曲线与相图的关系
*
第八节 铸锭组织及其控制
1 铸锭组织 （1）铸锭三区 表层细晶区(强过冷,非均匀形核) 柱状晶区(纯金属:过冷度减小,形核困难,沿散热方向生长; 合金:成分过冷,一次轴发达,沿散热方向生长. ) 中心等轴晶区(均匀散热、液相区成 分过冷、熔体对流导 致细晶漂移或枝晶破 碎。）
*
第六节 铁碳合金相图
4 平衡结晶过程及其组织 亚共析钢结晶过程 （+P）(Fe3C?)
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
*
第六节 铁碳合金相图
*
*
本章小结与习题讨论课
1 分析下列说法是否正确及其原因。 (1) 铁素体与奥氏体的主要区别是含碳量不同。 (2) 正温度梯度下，纯金属与固溶体合金凝固时都以平面状生长。 (3) 在二元相图中，杠杆定律不仅适用于两相区，而且也能用于计算三 相平衡时相的含量。 (4) 绑扎物件一般用高碳钢丝，而起重机吊重物用铁丝。 (5) 1050℃时含碳0.4%的钢可进行锻造，而含碳4％的白口铸铁难以锻造。 2 已知某铁碳合金的组成物为铁素体和渗碳体，铁素体占82％，求合金的含碳量和组织组成物的相对量。
二、 相图分析步骤 ① 以稳定的化合物分割相图； ② 确定各点、线、区的意义； ③ 分析具体合金的结晶过程及其组织变化。 注：虚线、点划线的意义－尚未准确确定的数据、磁学转 变线、有序－无序转变线。
*
第五节 二元相图的分析和使用
*
第八节 铸锭组织及其控制
1 铸锭组织 （2）组织控制 受浇铸温度、冷却速度、 化学成分、变质处理、 机械振动与搅拌等因素 影响。
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
*
第七节 相图的热力学基础
3 二元系自由能曲线与相图的关系
*
第八节 铸锭组织及其控制
1 铸锭组织 （1）铸锭三区 表层细晶区(强过冷,非均匀形核) 柱状晶区(纯金属:过冷度减小,形核困难,沿散热方向生长; 合金:成分过冷,一次轴发达,沿散热方向生长. ) 中心等轴晶区(均匀散热、液相区成 分过冷、熔体对流导 致细晶漂移或枝晶破 碎。）
*
第六节 铁碳合金相图
4 平衡结晶过程及其组织 亚共析钢结晶过程 （+P）(Fe3C?)
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
*
第六节 铁碳合金相图
*
*
本章小结与习题讨论课
1 分析下列说法是否正确及其原因。 (1) 铁素体与奥氏体的主要区别是含碳量不同。 (2) 正温度梯度下，纯金属与固溶体合金凝固时都以平面状生长。 (3) 在二元相图中，杠杆定律不仅适用于两相区，而且也能用于计算三 相平衡时相的含量。 (4) 绑扎物件一般用高碳钢丝，而起重机吊重物用铁丝。 (5) 1050℃时含碳0.4%的钢可进行锻造，而含碳4％的白口铸铁难以锻造。 2 已知某铁碳合金的组成物为铁素体和渗碳体，铁素体占82％，求合金的含碳量和组织组成物的相对量。
二元相图的典型应用铁碳合金相图概论
共晶反应下： 相组成：γ+Fe3C 组织组成：γ+Ld
发生共析反应前： 相组成：γ+Fe3C
组织组成：γ+ Fe3CⅡ+Ld 共析反应下：
相组成：α+Fe3C 组织组成：P+ Fe3CⅡ+L’d
室温下 相组成： α +Fe3C
组织组成： P+ Fe3CⅡ+L′d
6. 过共晶白口铸铁(4.3%＜w(C)＜6.69%)
2.3.1 铁碳相图中的组元与基本相
以相组分表示的铁碳相图
2.3.1 铁碳相图中的组元与基本相（Components
and fundamental phases of the iron-carbon phase diagram）
1. 纯铁
（1）纯铁 铁的一个重要特性是具有同素异构转变， 如图1.16所示。含有少量杂质的纯铁称为工业纯铁， 室温下为α-Fe，具有BCC结构，一般情况下，工业 纯铁在室温下的力学性能为：塑、韧性虽然很好，但 强度、硬度很低，所以很少用它制造机械零件。
（2）铁素体(F或α)与奥氏体(A或γ)
①晶体结构 碳原子溶入γ-Fe中所形成间隙固溶体称 为A。而碳原子溶入α-Fe中所形成间隙固溶体，则称 为F。F为BCC晶格，A为FCC晶格。
②溶碳能力 从铁碳相图可知，F的溶碳能力比A要 小得多。A最大溶碳量为2.11%(于1148℃时)，A是 一种高温组织。而F的最大溶碳量仅为0.0218%(于 727℃时)。室温下F的溶碳量就更低了，一般在 0.0008% 以下。
phase diagram )
1. 三相平衡转变（三个基本反应）
①包晶反应
包晶反应的产物为奥氏体。凡W(C)=0.09％～0.53％范围内的合金都要进行此反应，反应后 获得奥氏体组织。由于工业生产中，包晶反应往往进行不完全，故常将其简化。
发生共析反应前： 相组成：γ+Fe3C
组织组成：γ+ Fe3CⅡ+Ld 共析反应下：
相组成：α+Fe3C 组织组成：P+ Fe3CⅡ+L’d
室温下 相组成： α +Fe3C
组织组成： P+ Fe3CⅡ+L′d
6. 过共晶白口铸铁(4.3%＜w(C)＜6.69%)
2.3.1 铁碳相图中的组元与基本相
以相组分表示的铁碳相图
2.3.1 铁碳相图中的组元与基本相（Components
and fundamental phases of the iron-carbon phase diagram）
1. 纯铁
（1）纯铁 铁的一个重要特性是具有同素异构转变， 如图1.16所示。含有少量杂质的纯铁称为工业纯铁， 室温下为α-Fe，具有BCC结构，一般情况下，工业 纯铁在室温下的力学性能为：塑、韧性虽然很好，但 强度、硬度很低，所以很少用它制造机械零件。
（2）铁素体(F或α)与奥氏体(A或γ)
①晶体结构 碳原子溶入γ-Fe中所形成间隙固溶体称 为A。而碳原子溶入α-Fe中所形成间隙固溶体，则称 为F。F为BCC晶格，A为FCC晶格。
②溶碳能力 从铁碳相图可知，F的溶碳能力比A要 小得多。A最大溶碳量为2.11%(于1148℃时)，A是 一种高温组织。而F的最大溶碳量仅为0.0218%(于 727℃时)。室温下F的溶碳量就更低了，一般在 0.0008% 以下。
phase diagram )
1. 三相平衡转变（三个基本反应）
①包晶反应
包晶反应的产物为奥氏体。凡W(C)=0.09％～0.53％范围内的合金都要进行此反应，反应后 获得奥氏体组织。由于工业生产中，包晶反应往往进行不完全，故常将其简化。
二元合金相图及其应用
作枝晶偏析。 • 不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。 • 冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。 • 枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。 • 生产上常将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间保温，
以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处
理工艺称作扩散退火。
Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
➢ 随温度下降， 和 相的成分分别沿CF线和DG线变化， Ⅱ
的重量增加。
➢ 室温下α、Ⅱ的相对重量百分比为：
w
4G FG
➢
由于二次相析出温度较低，一般十分细小。w
F4 FG
Ⅰ合金室温组织为
➢ + Ⅱ 。
A C
F
B ➢ 成分大于 D点合金结晶过程
E
D
与Ⅰ合金相似，室温组织为
+ Ⅱ。
G
② 共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程 ➢ 液态合金冷却到E 点时同时被Pb和Sn饱和, 发生共晶反
二元合金相图及其应用
第三章 二元合金相图及其应用
3.1 合金的相结构 纯金属的局限 合金 3.1.1 基本概念 ➢ 合金：两种或两种以上的金属与金属，或金属与非金属经
一定方法合成的具有金属特性的物质。
➢ 组元：组成合金最基本、能够独立存在的物质。可以是元 素，也可以是稳定化合物。（如二元、三元合金〕
• 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。
3.2.2 二元匀晶相图 • 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， • 结晶时只结晶出单相固溶
体组织， • 以Cu-Ni合金为例进行分析。
（1）相图分析
• 相图由两条线构成，上 面是液相线，下面是固 相线。
以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处
理工艺称作扩散退火。
Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
➢ 随温度下降， 和 相的成分分别沿CF线和DG线变化， Ⅱ
的重量增加。
➢ 室温下α、Ⅱ的相对重量百分比为：
w
4G FG
➢
由于二次相析出温度较低，一般十分细小。w
F4 FG
Ⅰ合金室温组织为
➢ + Ⅱ 。
A C
F
B ➢ 成分大于 D点合金结晶过程
E
D
与Ⅰ合金相似，室温组织为
+ Ⅱ。
G
② 共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程 ➢ 液态合金冷却到E 点时同时被Pb和Sn饱和, 发生共晶反
二元合金相图及其应用
第三章 二元合金相图及其应用
3.1 合金的相结构 纯金属的局限 合金 3.1.1 基本概念 ➢ 合金：两种或两种以上的金属与金属，或金属与非金属经
一定方法合成的具有金属特性的物质。
➢ 组元：组成合金最基本、能够独立存在的物质。可以是元 素，也可以是稳定化合物。（如二元、三元合金〕
• 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。
3.2.2 二元匀晶相图 • 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， • 结晶时只结晶出单相固溶
体组织， • 以Cu-Ni合金为例进行分析。
（1）相图分析
• 相图由两条线构成，上 面是液相线，下面是固 相线。
二元合金相图的绘制与应用
实验 二元合金相图的绘制与应用一、目的要求1、理解步冷曲线，学会用热分析方法测绘Sn-Bi 二元合金相图2、学会铂电阻的测温技术，尝试用金属相图测量装置测量温度的方法3、掌握微电脑控制器的使用方法4、理解产生过冷现象的原因及避免产生过冷现象的方法二、基本原理相图是用几何图形来表示多相平衡体系中有哪些相、各相的成分如何，不同相的相对量是多少，以及它们随浓度、温度、压力等变量变化的关系图。
对蒸气压较小的二组分凝聚体系，常以温度-组成图来描述。
热分析方法与步冷曲线热分析方法是绘制相图常用的基本方法之一。
将两种金属按一定比例配成并把它加热成均匀的液相体系，然后让它在一定的环境中自行冷却，并每隔一定的时间（例如0.5min 或1min ）记录一次温度，以温度T 为纵坐标，以时间t 为横坐标，做出温度-时间（T-t ）曲线，称为步冷曲线。
若体系均匀冷却时，冷却过程不发生相变化，则体系的温度随时间的变化是均匀的，则步冷曲线不出现转折或平台，而是一条直线，冷却速度快。
若冷却过程中发生了相变化，由于相变化过程中伴随有热效应，发生相变热，所以体系温度随时间的变化速度将发生改变，体系的冷却速度减缓，步冷曲线就出现转折或平台。
测定一系列组成不同的样品的步冷曲线，从曲线上找出各相对应体系发生相变的温度，就可以绘制出被测系统的相图。
这就是用热分析法绘制液固相图的概要.如图所示：Bi-Cd 合金冷却曲线曲线1、5是纯物质的步冷曲线。
当系统从高温冷却时，开始没有发生相变化，温度下降比较快，步冷曲线较陡；冷却到A 的熔点时，固体A 开始析出，系统出现两相平衡（固体A 和溶液平衡共存），根据相律，此时f= k-Ø+1=1-2+1=0，系统温度维持不变，步冷曲线出现bc 的水平线段；直到液相完全凝固后，温度又继续下T /℃t降。
曲线2、4是A与B组成的混合物的步冷曲线。
与纯物质的步冷曲线不同。
系统从高温冷却到温度b’时,开始有固体A不断析出，这时体系呈两相，溶液中含A的量随之减少，由于不断放出凝固热，所以温度下降速度变慢，曲线的斜率变小（b’c’段）。
二元合金相图
（3）过共析钢：室温组织为珠光体和网状二次渗碳体(P+Fe3CⅡ)。随着 合金中含碳量的增加，组织中网状二次渗碳体的量增多。
（4）共晶白口铁：共晶白口铁的室温组织为变态莱氏体(Ld′)。
（5）亚共晶白口铁：室温组织为珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体 (P+Fe3CⅡ+Ld′)。随着含碳量的增加，组织中变态莱氏体量增多。
五、 Fe-Fe3C相图
PQ线：碳在α -Fe中的溶解度曲线。 碳在 α -Fe 中的溶解度随温度的下降而减小，在 727℃时溶解度 为0.0218%(P点)，到600℃时降为0.008%(Q点)。 因此，铁碳合金从727℃向下冷却时，多余的碳从铁素体中以渗 碳体的形式析出，这种渗碳体称为三次渗碳体。用符号Fe３CⅢ表示。 因其数量极少，常予以忽略。 （3）相图中的相区 单相区：L、F、A、Fe3C。 两相区：L+A、L+Fe3C、F+A、 A+Fe3C、F+Fe3C。 三相区（三相平衡线）：ECF、 PSK。
六、 钢铁材料生产简介
钢铁材料是工程实践中应用最广泛的金属材料，是现代工 业特别是机械制造业的重要支柱。 钢铁材料的生产过程，一般是由钢铁厂先用铁矿石等原料 经过高炉冶炼成生铁. 再用生铁或加入废钢等在炼钢炉内冶炼成钢液，将钢液浇 注成钢锭，最后通过轧制等压力加工方法制成各种钢材。 （1） 炼铁 铁是组成铁碳合金的组元，是钢铁材料的基本组成元素。 自然界中的铁以各种化合物的形式存在，并同其他元素的 化合物混合在一起形成矿石. 炼铁的过程实质上就是将铁从其化合物中还原出来，并同 其他元素相分离的过程。
属化合物，用化学式Fe３C表示。
性能：渗碳体中碳的质量分数为 6.69% ，熔点为 1227℃， 硬度很高(800HBW)，塑性和韧性很低，脆性大。 作用：渗碳体是钢中主要的强 化相，它的数量、形状、大小及分 布状况对钢的性能影响很大。
（4）共晶白口铁：共晶白口铁的室温组织为变态莱氏体(Ld′)。
（5）亚共晶白口铁：室温组织为珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体 (P+Fe3CⅡ+Ld′)。随着含碳量的增加，组织中变态莱氏体量增多。
五、 Fe-Fe3C相图
PQ线：碳在α -Fe中的溶解度曲线。 碳在 α -Fe 中的溶解度随温度的下降而减小，在 727℃时溶解度 为0.0218%(P点)，到600℃时降为0.008%(Q点)。 因此，铁碳合金从727℃向下冷却时，多余的碳从铁素体中以渗 碳体的形式析出，这种渗碳体称为三次渗碳体。用符号Fe３CⅢ表示。 因其数量极少，常予以忽略。 （3）相图中的相区 单相区：L、F、A、Fe3C。 两相区：L+A、L+Fe3C、F+A、 A+Fe3C、F+Fe3C。 三相区（三相平衡线）：ECF、 PSK。
六、 钢铁材料生产简介
钢铁材料是工程实践中应用最广泛的金属材料，是现代工 业特别是机械制造业的重要支柱。 钢铁材料的生产过程，一般是由钢铁厂先用铁矿石等原料 经过高炉冶炼成生铁. 再用生铁或加入废钢等在炼钢炉内冶炼成钢液，将钢液浇 注成钢锭，最后通过轧制等压力加工方法制成各种钢材。 （1） 炼铁 铁是组成铁碳合金的组元，是钢铁材料的基本组成元素。 自然界中的铁以各种化合物的形式存在，并同其他元素的 化合物混合在一起形成矿石. 炼铁的过程实质上就是将铁从其化合物中还原出来，并同 其他元素相分离的过程。
属化合物，用化学式Fe３C表示。
性能：渗碳体中碳的质量分数为 6.69% ，熔点为 1227℃， 硬度很高(800HBW)，塑性和韧性很低，脆性大。 作用：渗碳体是钢中主要的强 化相，它的数量、形状、大小及分 布状况对钢的性能影响很大。
二元合金相图(很好很强大)
(ab)、 x1x(ao)的长度。
因此两相的相对重量百分比为：
QL
xx2 x1x2
ob ab
Q
x1x x1x2
ao ab
两相的重量比为：
上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠 杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该 温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。
在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的 端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。
④ 过共晶合金结晶过程
与亚共晶合金相似，不同的是
一次相为 ，二次相为Ⅱ 室温组织为Ⅰ+(+)+Ⅱ。
⑶ 组织组成物在相图上的标注
组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。
Ⅰ和Ⅰ, Ⅱ和 Ⅱ,共晶体 (+)都是组
织组成物。 相与相之间的
差别主要在 结构和成分 上。
组织组成物之间的差别主要在形态上。如Ⅰ 、 Ⅱ和 共晶 的结构成分相同，属同一个相，但它们的形
Fe-Fe3C相图
⑷ 三相区的确定：二 元相图中的水平线 是三相区，其三个 相由与该三相区点 接触的三个单相区 的相组成。
常见三相等温水平线上的反应
反应名称 图形特征 共晶反应 包晶反应 共析反应
反应式
说明
L⇄ +
恒温下由一个液相同时 结晶出两个成分结构不 同的新固相。
恒温下由一个液相包着
L + ⇄ 一个固相生成另一个新
铁碳合金相图
共析反应的产物是共析体（铁碳合金中的共析体称珠 光体），也是两相的机械混合物（铁素体+渗碳体)。
与共晶反应不同 的是，共析反应 的母相是固相， 而不是液相。
另外，由于固态 转变过冷度大， 因而共析组织比 共晶组织细。
二元合金相图分析实例
(1)液相(L)
Fe与C在高温下形成的液体 溶液。(ABCD线以上)
(2)δ相[高温铁素体（high temperature ferrite）]
C在δ－Fe的间隙固溶体。在 1495℃时最大溶解量可达 0.09%，为bcc结构，也称高 温铁素体（high temperature ferrite）。
(3)渗碳体（cementite） 前面 已讨论过.
▪ 纯 铁 固 态 下 具 有 同 素 异 构 转 变 （ allotropic transformation）：912°C以下为体心立方 (bcc)晶体结构，912°C到1394°C之间为面 心立方(fcc)结构, 1394°C到熔点之间为体心 立方(bcc)结构。
▪ 纯铁具有磁性转变（770/768℃磁性转变、 magnetic transformation）。纯铁的强度 低，塑性好(软)，很少用于结构材料。主要利 用铁磁性（ferromagnetism）。
2020/6/11
-
15
2.Fe—C合金中的基本相 －B
（4） 奥氏体（austenite）
奥氏体(γ或A)是C溶解于γ—Fe形成的
间隙固溶体称为奥氏体（austenite）。
γ具有fcc结构。具有面心立方晶体结构
的奥氏体可以溶解较多的碳，1148°C 时 最 多 可 以 溶 解 2.11% 的 碳 ， 到 727°C时含碳量降到0.8%。碳原子存 在于面心立方晶格中正八面体的中心，
2020/6/11
-
10
渗碳体的晶格
2020/6/11
-
11
Fe-Fe3C双重相图－1
2020/6/11
-
12
Fe-Fe3C双重相图－2
2020/6/11
Fe与C在高温下形成的液体 溶液。(ABCD线以上)
(2)δ相[高温铁素体（high temperature ferrite）]
C在δ－Fe的间隙固溶体。在 1495℃时最大溶解量可达 0.09%，为bcc结构，也称高 温铁素体（high temperature ferrite）。
(3)渗碳体（cementite） 前面 已讨论过.
▪ 纯 铁 固 态 下 具 有 同 素 异 构 转 变 （ allotropic transformation）：912°C以下为体心立方 (bcc)晶体结构，912°C到1394°C之间为面 心立方(fcc)结构, 1394°C到熔点之间为体心 立方(bcc)结构。
▪ 纯铁具有磁性转变（770/768℃磁性转变、 magnetic transformation）。纯铁的强度 低，塑性好(软)，很少用于结构材料。主要利 用铁磁性（ferromagnetism）。
2020/6/11
-
15
2.Fe—C合金中的基本相 －B
（4） 奥氏体（austenite）
奥氏体(γ或A)是C溶解于γ—Fe形成的
间隙固溶体称为奥氏体（austenite）。
γ具有fcc结构。具有面心立方晶体结构
的奥氏体可以溶解较多的碳，1148°C 时 最 多 可 以 溶 解 2.11% 的 碳 ， 到 727°C时含碳量降到0.8%。碳原子存 在于面心立方晶格中正八面体的中心，
2020/6/11
-
10
渗碳体的晶格
2020/6/11
-
11
Fe-Fe3C双重相图－1
2020/6/11
-
12
Fe-Fe3C双重相图－2
2020/6/11
二元合金相图与铁碳合金相图PPT课件
二元合金相图 —— 共晶相图
概念： 两组元在液态时无限互溶，固态时有限溶解，结晶时发生共晶转变，形
成两相机械混合物的相图，即共晶相图；
一定成分的液相，在一定温度下，同时结晶出成分不同的两种固相的转 变 ，即共晶转变；
例 Pb-Sn、Pb-Sb、Cu-Ag等合金系具有二元共晶相图；
以Pb-Sn合金为例，来分析具有二元共晶相图的二元合金系的结晶 过程与产物。
Cu-Ni合金相图的解读：
第一个点A、第二个点B分别为Cu、Ni的熔点； 各结晶开始温度连线为液相线，该线以上为液相区，L ；
各结晶终止温度连线为固相线，该线以下为固相区，α； 固、液相线之间的区域固液相并存，即双相区，L +α；
双相区说明Cu-Ni合金的结晶是在一个温度范围内进行的，这一点与纯金 属的结晶有所区别。
铁碳相图的研究范围： 有实用价值部分，即C＜6.69%的Fe-Fe3C相图，
故所研究的铁碳合金基本组元是Fe与Fe3C，属二 元合金。
19
第19页/共59页
铁碳合金相图 —— 基本相及组织
由于铁与碳相互作用的不同，铁碳合金在固态下的基本相分为固溶体与金属化合 物两类：
属金属化合物的基本相： 渗碳体 属于固溶体的基本相，包括两种：
3
第3页/共59页
二元合金相图 —— 相图的建立
Cu-Ni合金相图的建立步骤：
成分（％）
合金配编制号不同成分的Cu-Ni合金，见表；
Cu
Ni
结晶温度（ ℃ ）
开始
结束
Ⅰ作出每种合金的10冷0却曲线，并找0出其相变温度10，8即3 各曲线上1开0始83和终
Ⅱ止结晶温度即临8界0 点，见表；20
1170
15
概念： 两组元在液态时无限互溶，固态时有限溶解，结晶时发生共晶转变，形
成两相机械混合物的相图，即共晶相图；
一定成分的液相，在一定温度下，同时结晶出成分不同的两种固相的转 变 ，即共晶转变；
例 Pb-Sn、Pb-Sb、Cu-Ag等合金系具有二元共晶相图；
以Pb-Sn合金为例，来分析具有二元共晶相图的二元合金系的结晶 过程与产物。
Cu-Ni合金相图的解读：
第一个点A、第二个点B分别为Cu、Ni的熔点； 各结晶开始温度连线为液相线，该线以上为液相区，L ；
各结晶终止温度连线为固相线，该线以下为固相区，α； 固、液相线之间的区域固液相并存，即双相区，L +α；
双相区说明Cu-Ni合金的结晶是在一个温度范围内进行的，这一点与纯金 属的结晶有所区别。
铁碳相图的研究范围： 有实用价值部分，即C＜6.69%的Fe-Fe3C相图，
故所研究的铁碳合金基本组元是Fe与Fe3C，属二 元合金。
19
第19页/共59页
铁碳合金相图 —— 基本相及组织
由于铁与碳相互作用的不同，铁碳合金在固态下的基本相分为固溶体与金属化合 物两类：
属金属化合物的基本相： 渗碳体 属于固溶体的基本相，包括两种：
3
第3页/共59页
二元合金相图 —— 相图的建立
Cu-Ni合金相图的建立步骤：
成分（％）
合金配编制号不同成分的Cu-Ni合金，见表；
Cu
Ni
结晶温度（ ℃ ）
开始
结束
Ⅰ作出每种合金的10冷0却曲线，并找0出其相变温度10，8即3 各曲线上1开0始83和终
Ⅱ止结晶温度即临8界0 点，见表；20
1170
15
二元相图的研究与应用
二元相图的研究与应用随着科学技术的不断发展，物质研究的深度和广度也在不断拓展。
化学领域中，二元相图是一种非常重要的工具，对于材料的研究、设计和开发有着不可或缺的作用。
本文将简要介绍二元相图的概念、构建方法以及应用。
一、二元相图概念二元相图是指由两种组成物（也可以是两种化学元素）组成的体系中的各种可能状态的图形表示。
在相图中，横轴坐标表示第一种组成物的量，纵轴坐标表示第二种组成物的量，而其中每一个点代表着该组成物的一种平衡状态。
在这个平衡状态下，混合物的组成和温度、压力等条件有关。
二元相图的研究是化学领域中的一个重要课题，它可以用来预测、分析和设计化合物的形成和性质。
对于材料科学、纳米技术、催化剂设计等领域的研究和应用都具有非常重要的作用。
二、二元相图的构建方法为了得到二元相图，我们通常需要进行大量的实验和数据处理。
一般来说，构建二元相图的过程主要有以下几个步骤：1.实验数据的收集。
在实验室中，需要测量各种条件下混合物的组成、纯度以及物相间的转化等参数。
这些实验数据需要进行严格的统计分析，以减小误差并提高可靠性。
2.数据处理与分析。
处理完实验数据之后，我们需要对数据进行处理和分析，以生成相应的相图。
通过数据处理和分析，我们可以得到关于物质相互作用的更加详细的信息，包括熔点、固相反应、液相反应等。
3.相图的绘制与验证。
在得到二元相图的数据之后，我们需要进行绘图和验证。
相图绘制的目的是为了直观地显示出各种物质状态之间的不同关系，进一步验证实验数据的可靠性。
三、二元相图的应用二元相图的应用非常广泛，涉及到材料科学、化学工程、土壤学、地球化学等多个领域。
以下列举其中的几个应用案例：1.催化剂设计。
通过构建二元相图，可以预测各种材料在不同温度、压力条件下的相互转化关系，从而设计新的催化剂。
例如，在设计汽车催化转化器时，通过对汽车废气成分进行分析，可以构建对应的催化剂相图。
通过对催化剂相图的研究，可以设计出更加高效、选择性更好的催化剂。
第4章第2~3节二元合金相图
3）特征线（5条）
aeb 为液相线；amenb 为固相线； mf、ng — 代表两固溶体ɑ 和β溶 解度曲线； men — 一段水平线又称共晶反应 线，成分在该范围内的合金都将 发生共晶反应。
4）特征区（7个区）
3个单相区： L、ɑ 和β；
3个双相区：（L+ ɑ ）、（L+β） 和（ ɑ +β）；
+βn），称为共析反应，即 γe →（ɑm +βn）
结晶产物为共析体：
呈片层状的特征，但比共 晶体要细密。
3、men为共析反应线：
成分在该范围内的合金都 将发生共析反应。
三、相图与合金性能之间 的关系
（一）合金成分与力学性能之 间关系
（二）合金成分与合金铸造性 能之间关系
（一）合金成分与力学性能和物理性能
温 度 T
时间 t
Cu
20
40
60
80
Ni
wNi%
20%Ni的冷却曲线
温 度 T
时间 t
Cu
20
40
60
80
Ni
wNi%
纯Cu的冷却曲线
温 度 T
时间
Cu t
20
40
60
80
Ni
wNi%
汇总
L L+α
α
温 度 T
Cu
20
40
60
80
Ni
wNi%
二、二元相图的基本类型
及应用
（一）匀晶相图 （二）共晶相图
过共晶合金： 成分位于e-n点之间合金。
共晶反应：
具有一定成分的液体（Le）在 一定温度（共晶温度）下同时结 晶两种成分的固溶体（ɑm +βn） 称为共晶反应，即
二元合金相图分析实例
“二元合金相图的基本类型和分析”部分结束！ 请转入：
“铁碳合金相图及应用”
2．Cu-Ni合金的平衡结晶过程如b)图所示。 3．杠杆定理 不同条件下相的成分及其相对量可用杠杆定理求得。 1）确定两平衡相的成分 如图（a）所示，水平线与液相线L的交点 2）确定两平衡相的相对量
x1பைடு நூலகம்即为相的成分。
方法是：
① 设试验合金重量为1，液、固相重量分别为QL、QS ，则 QL+QS =1；
3．共析转变 由图分析可知： ① 从固相中同时析出两种不同新相的反应称为共析反应。 ② 共析反应的产物为共析物。 ③ 由于共析反应在固态进行，所以共析组织比共晶组织要细 得多。
六、二元相图的分析与应用
1．二元相图的分析步骤
1）若有稳定化合物，则将其看作一独立组元，把相图分成 几个部分分析。 2）相区接触法则： 二元相图中，相邻相区中的相数只相差一个（点接触 除外）。分析时首先熟悉单相区中的相，再根据相区接触 法则辨别其它相区。
3）找出与三相共存水平线点接触的三个单相区，确定三相平衡 转变的性质和反应式。 4）在两相平衡区，可应用杠杆定律求出各相的相对量。 2．相图的应用 ① 相图反映了合金的成分与组成相之间的关系，而组成相的本质 及其相对含量与合金力学性能、物理化学性能密切相关。 ② 相图反映了合金的结晶特性。 ③ 在某种程度上可根据相图来判断合金力学性能、物理化学性能 及合金的铸造性能。如图所示。 ④ 相图也是制定热处理和热变形工艺的重要依据。
② 设液、固相含Ni浓度分别为x1、x2，x为试验合金中的平均 含Ni量(%)，则
QL x1 Qs x2 x
可得:
QL x2 x x2 x1
；
x x1 Qs x2 x1
第三章 二元合金相图及应用
性能:
加工性能
机械性能
第六节 铁碳合金相图
钢中的渗碳体
铸铁中的石墨
第六节 铁碳合金相图Fra bibliotek灰铸铁(珠光体+片状石墨 )
球墨铸铁（铸态）珠光体+铁素体+球状石墨 400X
第六节 铁碳合金相图
可锻铸铁 400X （铁素体+团絮状石墨）
蠕墨铸铁 (铁素体+蠕虫状石墨)400X
第六节 铁碳合金相图
四、珠光体（P）
共析相图
A
E
( A+Fe3C ) Ld Ld+Fe3CⅠ A+Ld+Fe3CⅡ 727℃
P+Ld′ +Fe3CⅡ Ld′ Ld′ +Fe3CⅠ ( P+Fe3C )
K
0.0218%C 0.77%C Fe
2.11%C
4.3%C
6.69%C Fe3C
第六节 铁碳合金相图
Fe-Fe3C相图分析
点：A、G、Q、D)； E、 P； C、 S 线：ACD、AECF； ECF、PSK； ES、PQ； AE、GS； 区：单相区 两相区 三相区
所谓稳定化合物是指具有一定的熔点， 在熔点温度以下能够保持自己固有结构而 不发生分解的化合物，如：Mg2Si
含稳定化合物的相图
第四节 其他相图
温度
L+Mg L+ Mg2Si 638.8℃ 1087℃
L
L+ Mg2Si L+Si 946.7℃
1414℃
Mg+ Mg2Si
Mg Mg2Si
Mg-Si 合金相图
Mg2Si+ Si Si
第五节 相图与性能的关系
二元合金相图及其应用
组织转变。
学习难点：
准确区分相、组织、相组成物、组织组成物。
§4.1 二元合金相图的建立
4.1.1 相图的基本知识 相图：
表示合金系中合金的状态与温度、成 分之间关系的图解。我们经常见到的相图 是平衡相图。
§4.1 二元合金相图的建立
Gibbs相律： 表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元
数和相数之间的关系。 f=c-p+2
Liquid
Two Phase
Solid
Temperature
§3.1 二元合金相图的建立
热分析法实验原理
§3.1 二元合金相图的建立
二元合金相图的绘制步骤
1 配制不同成分的二元合金； 2 作出每个合金的冷却曲线； 3 建立T-x坐标系，把每个合金冷却曲线上的临界点分别标 在各个合金的成分垂线上。 4 将各个成分垂线上具有相同意义的点连接成线，再加上标 注。
§4.2 二元匀晶相图
合金的结晶只有在缓慢冷却条件 下才能得到成分均匀的固溶体。 但实际冷速较快，结晶时固相中 的原子来不及扩散，使先结晶出 的枝晶轴含有较多的高熔点元素 （如Cu-Ni合金中的Ni）, 后结晶 的枝晶间含有较多的低熔点元素 (如Cu-Ni合金中的Cu)。
§4.2 二元匀晶相图
合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成分变化到 C点，液相成分变化到E点, 此时两相的相对重量为：
QL
(
QE
)
C2 CE
100%,
Q
2E CE
100%
§4.3 二元共晶相图
在2点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应：
L ⇄( + ) ，转变为共晶组织，共晶体的重量与转变前的液相 重量相等, 即QE =QL
学习难点：
准确区分相、组织、相组成物、组织组成物。
§4.1 二元合金相图的建立
4.1.1 相图的基本知识 相图：
表示合金系中合金的状态与温度、成 分之间关系的图解。我们经常见到的相图 是平衡相图。
§4.1 二元合金相图的建立
Gibbs相律： 表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元
数和相数之间的关系。 f=c-p+2
Liquid
Two Phase
Solid
Temperature
§3.1 二元合金相图的建立
热分析法实验原理
§3.1 二元合金相图的建立
二元合金相图的绘制步骤
1 配制不同成分的二元合金； 2 作出每个合金的冷却曲线； 3 建立T-x坐标系，把每个合金冷却曲线上的临界点分别标 在各个合金的成分垂线上。 4 将各个成分垂线上具有相同意义的点连接成线，再加上标 注。
§4.2 二元匀晶相图
合金的结晶只有在缓慢冷却条件 下才能得到成分均匀的固溶体。 但实际冷速较快，结晶时固相中 的原子来不及扩散，使先结晶出 的枝晶轴含有较多的高熔点元素 （如Cu-Ni合金中的Ni）, 后结晶 的枝晶间含有较多的低熔点元素 (如Cu-Ni合金中的Cu)。
§4.2 二元匀晶相图
合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成分变化到 C点，液相成分变化到E点, 此时两相的相对重量为：
QL
(
QE
)
C2 CE
100%,
Q
2E CE
100%
§4.3 二元共晶相图
在2点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应：
L ⇄( + ) ，转变为共晶组织，共晶体的重量与转变前的液相 重量相等, 即QE =QL
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
金属材料内部的微观形貌称做显微组织(简称组织)。 组织由数量、形态、大小和分布方式不同的各种 相组成
组织组成物：指的是构成显微组织的独立部分， 可以是单相，也可一是两相或者多相混合物。
铁碳合金中的组织
组成物：铁素体、
奥氏体、渗碳体、 珠光体和莱氏体。
铁素体 珠光体
铁素 体
奥氏 体
渗碳 体
珠光 体
f
β1+β2
A
B%→
g
B
具有共析反应的二元合金相图
包晶相图
含有稳定化合物的相图
一、合金中的基本相和基本组织
（一）固溶体 1、定义：合金组元在固态下相互溶解，构成
的单一均匀的晶体 2、分类： 置换固溶体 间隙固溶体
H
Cu-Ni
N
Fe-Mn
C
Cu-Au
B
置换固溶体：溶质原子引起的点阵畸 变
溶入同量溶质原子时，△R越大，引起的晶格畸变越大， 畸变能越高，极限溶解度就越小
强化材料的方法之一
固溶强化：通过溶入某种合金元素形成固溶体而使材 料强度增加的现象称为固溶强化。
纯铜的 σb（Rm） 为220MPa, 40HB, ψ（Z） 为70%。
Cu＋1%镍
390MPa, 70HB, 50%。
所以固溶体的综合机械性能很好, 常常作为结构 合金的基体相。
固溶体与纯金属相比, 物理性能有较大的变化, 如 电阻率上升, 导电率下降, 磁矫顽力增大。
2. 固溶体结晶在一个温度区间内进行, 即为一个变 温结晶过程
自由度：平衡体系中能独立改变、但不影响原有的 平衡的参数数目
N＝C－P＋2 自由度＝组元数－相数＋1
3. 在两相区内, 温度一定时, 两相的成分(即Ni含量) 是确定的
4. 在两相区内, 温度一定时, 两相的重量比是一定 的
杠杆定律证明
冲击韧性 ak 硬度
1.6～2×106J/m2 50HBW～80HBW
F－工业纯铁
的组织
A 2）奥氏体： 碳溶解在面心立方的γ-Fe中形
成的固溶体
2.11% 1148℃ austenite
(二）金属化合物
1、由各组元按一定的整数比化合而成的具有 金属特性的物质，或称中间相。
晶格类型和特性完全不同于任一组元 2、性能特点：硬而脆
03第三章二元合金相图及其应用
相：在一个物系中，性质完全相同的均匀部分。 合金中，具有相同化学成分，相同结构，并与 其它部分有界面分开的均匀组成部分。
指系统中具有同一聚集状态、同一化学成分、 同一结构并以界面相互隔开的均匀组成部 分。
J N
温度
L
b1
L+α
a1
a2
α+β1
α
β1 d
c
b2
α+β2 e β2
符号 结构
F 固溶体
σb HB δ10(%) ak （Rm） A11.3 (J/cm2) (Mpa)
250 80 50 300
A 固溶体
Fe3C
30
P
机械混合物 750
800 约为0 0
180 20～ 30～40 25
铁 素 体
奥氏体
珠光体
珠光体＋二次渗碳体
3.1相图的建立
热分析法 计算自由能 膨胀法 电阻法 X射线法 磁性分析法
5 铁碳合金中的固溶体
F 1）铁素体： 碳溶解在体心立方的α-Fe中形成 的固溶体
0.0218% 727℃ ferrite
抗拉强度极限 σb（Rm）
180MPa～
230MPa
规定非比例延伸强度RP0.2 100MPa～170MPa
延伸率 δ （A）
30%～50%
断面收缩率 ψ（Z）
70%～80%
3.2 匀晶相图
二组元在液态无限互溶，在固态也无限互 溶的合金系－－匀晶系
其相图－匀晶相图 结晶过程－匀晶反应 Cu-Ni相图为典型的匀晶相图 单相区 双相区 Fe-Cr、Au-Ag合金也具有匀晶相图
Cu－Ni相图－匀晶相图－热分析法
铜镍二元合金相图
匀晶结晶特点
1.也包括有生核与长大两个过程, 但固溶体更趋于 呈树枝状长大
现象称为枝晶偏析
非平衡结晶时，出现偏析
扩散退火 低于固相线100℃左右
Cu-Ni合金枝晶偏析示意图
铁素 体
奥氏 体
渗碳 体
珠光 体
符号 结构
F 固溶体
σb HB δ10(%) ak （Rm） A11.3 (J/cm2) (Mpa)
250 80 50 300
A 固溶体
Fe3C
30
P
机械混合物 750
（三）机械混合物
由两种或两种以上的相按一定比例混 合而成的组织
1、珠光体：P 由铁素体和渗碳体组成。
平均0.77% pearlite
2、莱氏体：Ld 由奥氏体和渗碳体组成。
4.3% ledebur
黑色 ：渗碳体
黑色A，白色Fe3C
铁碳合金中的相和组织组成物
铁碳合金中的相有：铁素体、奥氏体和渗碳体
金属化合物一般熔点较高, 硬度高, 脆性大。
合金中含有金属化合物时, 强度、硬度和耐磨 性提高, 而塑性和韧性降低。
3、渗碳体：
Fe C3 ，6.69%，
正交晶格 Cementite 弥散强化－第二相
质点强化
σb（Rm） 30MPa
800 HBW
复杂的斜方晶格
过共晶白口铸铁组织 Fe3CⅠ+Ldˊ
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。
一、杠杆定律的推导
设液相的相对质量为QL，固相α的相对质量为Qα，则：
Qa QL 1
温度，℃
L
Qa x '' QL x ' k
液相线
B
解得：
QL
x,, k x '' x ;' x '
t1
L+α
间隙固溶体中的点阵畸变
溶质原子的分布形式： 1.溶质原子的分布完全随机，完全无序 2.若同类原子结合力较强，会产生溶质原子 的偏聚 3.若异类原子的结合力较强，则溶质原子趋 于以异类原子为邻的短程有序分布
完全无序
偏聚
短程有序
3、固溶强化：由于溶质原子的溶入，固溶
体的强度硬度提高的现象 4、性能：强硬度低，塑韧性好，易于锻压
固相线
A
α
Cu X’
k
X’’ Ni
Ni%→
也即：
QL
x '' k x '' x '
Qa
kx' x '' x '
于是：
kx’
Q a kx '
QL
x '' k
QL
与力学中的杠杆定律完全类似
x’’k Qα
二、杠杆定律的适用范围
• 二元平衡相图 • 两相平衡区 注意： 杠杆定律不能用于三相平衡区！
5. 固溶体结晶时成分是变化的 在一个晶粒内化学成分的分布不均。这种
800 约为0 0
180 20～ 30～40 25