相平衡与相图原理.

液相线ABCD
固相线AHJECF 包晶线 HJB，包晶点 J 共晶线 ECF，共晶点C
L4.3(A2.11+Fe3C)
高温莱氏体,Le或Ld
共析线 PSK，共析点S
A0.77(F0.02+Fe3C)
珠光体, P
ES线：C在A中的固溶线
PQ线：C在F中的固溶线
2．铁碳合金的平衡结晶过程
Fe-C 合金分类
Pb Sn X2
( + )
( + )
冷却曲线 t
X3合金结晶过程分析 （亚共晶合金） T,C T,C
183

L+
c
L
d
1
L L+
L+(+ )+
L+
e

2
(+ )+
+
Pb X3
(+ )+ + Ⅱ
Sn
t
标注了组织组成物的相图
3．包晶相图
包晶转变： 铂-银合金包晶相图
● 固溶体中溶质浓度↑ → 强度、硬度↑ ● 组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。
2. 合金的工艺性能与相图的关系
● 铸造性能
液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶成分的合金）， 则流动性好，不易形成分散缩孔。
● 锻造、轧制性能
单相固溶体合金， 变形抗力小，变形均匀， 不易开裂。
50
C%
60 70 80 90 50 40 ← A% 30 20 10 C
课堂练习
1. 确定合金I、II、 III、IV的成分
III 点： A%=20% B%=20% C%=60% 70 90 80
B 10 20 30
60 B% 50
40 30 20
40
50
C% 60
III
70 80
10 A
90 80 70 60 50 40 ← A% 30 20 10
c1
b 40
60 Ni%
80
100
Q/QH=a1b1/a1c1 =1- QL/QH Ni
例：求30%Ni合金在1280 时相的相对量
T,C 1500 1400 a1 1300 1200 1100 a 1083 1000 Cu
L
1455
解：作成分线和 温度线如图。
c
b1L+
c1
1280 C
(3)亚共析钢 ( C % = 0.4 % )结晶过程
各组织组成物的相对量：
P % = ( 0.4 – 0.0218 ) / ( 0.77 – 0.0218 ) ≈ 51 % F % ≈ 1 – 51 % = 49 %
各相的相对量：
Fe3C % ≈ 0.4 / 6.69 = 6 % F % ≈ 1 – 6 % = 94 %
铜-镍合金匀晶相图
液相线
液相区 T,C 1500 1400 1300 1200 1100 1083 1000 纯铜 熔点 Cu 固相区 20 40 60 Ni% 80 L
1455
L+
纯镍 熔点

100
固相线 Ni
液固两相区
匀晶合金的结晶过程
T,C 1500 1400 c 1300 1200d 1100 1000 1083
B 10 20 30 40
50
C%
60 70 80 90 50 40 ← A% 30 20 10 C
课堂练习
1. 确定合金I、II、 III、IV的成分
II点： A%=20% B%=50% C%=30% 70 60 B% 50 40 30 20 10 A 90 80 70 60 90 80
B 10 20 30 40 II
2.要经过脱溶反应， 室温 组织组成物为 + Ⅱ 组织组成物

t Ⅱ
+ Ⅱ
冷却曲线
组织中，由一定的相构成的， 具有一定形态特征的组成部分。
X2合金结晶过程分析 （共晶合金） T,C
L
T,C
L
( + )
L
183

L+ Fra Baidu bibliotek
c
L
d
L+
e

L(+ ) 共晶体
+
第三节铁碳相图
1．铁碳相图
2．结晶过程
3．成分-组织-性能关系 4．Fe-Fe3 C相图的应用
1．铁碳相图 (Fe-Fe3 C相图)
(1) Fe-Fe3 C相图的组元
● Fe —— α –Fe、δ -Fe (bcc) 和γ -Fe (fcc) 强度、硬度低，韧性、塑性好。 ● Fe3 C —— 熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。
200×
(６)过共晶白口铁 ( C % = 3 % )结晶过程
室温组织:
Le′+ Fe3CI
500×
标注了组织组成物的相图
3．铁碳合金的 成分-组织-性能关系
含碳量与相的相对量关系：
C %↑→F %↓，Fe3C %↑
含碳量与组织关系： 图（a）和（b） 含碳量与性能关系 HB：取决于相及相对量 强度：C%=0.9% 时最大 塑性、韧性：随C%↑而↓
90
C
课堂练习
1. 确定合金I、II、 III、IV的成分
IV 点： A%=40% B%=0% C%=60% 70 60 B% 50 40 30 20 10 A 90 80 70 60 90 80
B 10 20 30 40
50
C%
60 70 80 90 IV 50 40 ← A% 30 20 10 C
第八章相平衡与相图原理
第一节相、相平衡与相律

相：系统中每一宏观的均匀部分，或体系 内物理性质和化学性质完全相同的部分称 为“相”。
二、相平衡 相变：相与相之间的转变称为相变。 组元：为确定平衡体系中各组成所需要的最少数目 的独立物质，称为“独立组元”，简称“组元”。 自由度：在不引起旧相消失和新相形成的前提下， 体系中可自由变动的独立强度性质的数目，称为 体系在指定条件下的“自由度”。 相律：对一个达成相平衡的体系来说，若影响平 衡的外界因素仅为温度和压力，则相数 Φ，组分 数 C 及自由度 f 三者之间存在以下制约关系： f＝C－Φ＋2
亚共析钢
20 0.20 45 0.45 60 0.60
几种 常见 碳钢
类型
钢号 碳质量分数／％
共析钢
T8 0.80
过共析钢
T10 1.00 T12 1.20
(1)工业纯铁 ( C % ≤ 0.0218 % )结晶过程
室温组织
F + Fe3CⅢ (微量)
500×
(2)共析钢 ( C % = 0.77 % )结晶过程
183

L+
c
L
d
L+
e

+
Pb Sn
X1合金结晶过程分析
L

T,C
1 2 183 T,C L

3
L+
c
L
d
L+
L
L+
e
+ Ⅱ
Sn
+
g

Ⅱ
{
Pb
f 4
X1
冷却曲线 t
L
X1合金结晶特点

T,C L L+ L
1.没有共晶反应过程， 而是经过匀晶反应形成 单相固相。
B 10 20 30 40
50
C%
60 70 80 90 50 40 ← A% 30 20 10 C
B 2. 浓度三角形中具有特定意义的直线 90 II点：20%A- 50%B- 30%C III 点：20%A- 20%B- 60%C IV 点：40%A- 0%B- 60%C 80 70 II 10 20 30
Sn%
共晶转变分析
T,C

Pb
L+
c
L
d
L+
e

共晶反应线 表示从c点到e点 范围的合金，在 该温度上都要发 生不同程度上的 共晶反应。
共晶点 表示d点成分的合 Sn 金冷却到此温度 上发生完全的共 晶转变。
+ Ld c
+ e
共晶反应要点
• • • •
共晶转变在恒温下进行。 转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。 存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。 成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。 T,C
工业纯铁 —— C % ≤ 0.0218 % 钢 —— 0.0218 % ＜ C % ≤ 2.11 % 亚共析钢 ＜ 0.77 % 共析钢 ＝ 0.77 % 过共析钢 ＞ 0.77 % 白口铸铁 —— 2.11 亚共晶白口铁 ＜ 共晶白口铁 ＝ 过共晶白口铁 ＞ % ＜ C % ＜ 6.69 % 4.3 % 4.3 % 4.3 %
相的成分是确定的。 相线和固相线变化。 QL/Q=b1c1/a1b1
T,C L 1500 1 1400 a1 b1 1300 L+ 1200 1100 a 1083 2 1000
Cu 20 1455 c 杠杆定律推论：在两 相区内，对应温度T1 时两相在合金b中的相 T1 对质量各为 T2 QL/QH=b1c1/a1c1
根据杠杆定律推 论， Q / QH = a1b1 /a1c1 =12/48=1/4
18 20
30 40
66 60 Ni%
80
100
答：所求合金在 1280 时相的 Ni 相对质量为1/4。
2．共晶相图
液相线
铅-锡合金共晶相图
T,C
固相线

Pb
L+
L
L+

Sn
固溶线 固溶线
+
4．铁碳相图的应用
钢铁选材：相图性能用途 铸件选材和确定浇注温度
确定锻造温度( 在 A 区）
制定热处理工艺
局限性 相图反映的是平衡状态，与实际情况有较大差异。
第四节 三元相图
一、三元相图几何特征
1. 成分表示法 —— 浓度三角形
等边三角型 B%
B
C%
＋ 顺时针坐标
A ← A% C
2. 浓度确定
Ld + c e
T,C
T,C
L

Pt
L+
e
L
d L+
c
L+ L+
+
f
Ag%

g
Ag
+ Ⅱ
t
4. 共析相图
共析转变：
T,C
( + ) 共析体 L L+


A
+
c
+ d
e
+

B
2.2.2 相图与性能的关系
1. 合金的使用性能与相图的关系

第二节 二元相图
1．匀晶相图
2．共晶相图
3．包晶相图 4．共析相图
1．匀晶相图
相图（平衡图、状态图）
平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。
T,C 1500 1400 1300 1200 1100 1000 1083
Cu 20
L
1455
L+

Ni 40 60 Ni% 80 100
课堂练习
90 2. 标出 75%A+10%B+15%C 80 的合金 70 60 B% 50 40 30 20 10 A 90 80 70 60
B 10 20 30 40
50
C%
60 70 80 90 50 40 ← A% 30 20 10 C
课堂练习
90 3. 标出 50%A+20%B+30%C 80 的合金 70 60 B% 50 40 30 20 10 A 90 80 70 60
T,C L
L
1455 a
L+ b

L
匀晶转变 L
L


Ni Cu 匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点， t 100 而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。 20 40 60 80 冷却曲线 Ni%
杠杆定律
杠杆定律：在两相区内，对 1. 随着温度的降低， 2. 在两相区内，对应 应每一确定的温度 T1，两相 每一确定的温度，两 两相的成分分别沿液 质量的比值是确定的。即
1）确定O点的成分
1）过O作A角对边的平行线 2）求平行线与A坐标的截距 得组元A的含量 3）同理求组元B、C的含量 O A C B
B%
C%
← A%
课堂练习
1. 确定合金I、II、 III、IV的成分
I 点： A%=60% B%=30% C%=10% 70 60 B% 50 40 30 20 10 A 90 80 70 60 I 90 80
(2) Fe-Fe3 C相图的相
● 液相 L
● δ 相 （高温铁素体 ）—— δ –Fe（C）固溶体 ● γ 相（A ，奥氏体）—— γ -Fe（C）固溶体 ● α 相 （F，铁素体） —— α -Fe（C）固溶体 ● Fe3 C （ Cem， Cm，渗碳体）—— 复杂晶体结构
(3) 相图中重要的点和线
室温组织:
P + Fe3CII 400×
(5)共晶白口铁 ( C % = 4.3 % )结晶过程
室温组织: （低温）莱氏体 Le′ （P + Fe3CII + 共晶 Fe3C ）, 500×
莱氏体 Le′的性能：硬而脆
(６)亚共晶白口铁 ( C % = 3 % )结晶过程
室温组织:
Le′+ P + Fe3CII
室温组织: F + P，500×
(4)过共析钢 ( C % = 1.2 % )结晶过程
各组织组成物的相对量：
Fe3CII % = ( 1.2 – 0.77 ) / ( 6.69 – 0.77 ) ≈7% P % ≈ 1 – 7 % = 93 %
各相的相对量：
Fe3CII % ≈ 1.2 / 6.69 = 18 % F % ≈ 1 – 18 % = 82 %
P中各相的相对量：
Fe3C % = ( 0.77 – xF ) / ( 6.69 – xF ) ≈ 0.77 / 6.69 = 12 % F % ≈ 1 – 12 % = 88 %
珠光体
强度较高，塑性、韧性和硬度介于 Fe3C 和 F 之间。
室温组织: 层片状 P ( F + 共析 Fe3C ) 500×