工程材料第四章二元相图及应用

912C
+
(0.0218)
+ Fe3CII
(0.77)
+ Fe3CII+Ld
727C
Ld
Fe3CI+Ld
+P P P+ Fe3CII
P+ Fe3CII+Ld′
Ld′
Fe3CI+Ld′
Fe3C
＋Fe3CIII
按组织组成物标注的Fe-Fe3C相图
L+Fe3C
+ ⑦过共晶白口铸铁（72C7%C＝4.3～6.69
(0.0218) (0.77)
%）
⑥亚共晶白口铸铁（C%＝2.11～4.3 %）
+Fe3C
Fe3C
§4.3 铁碳合金相图
F Fe3CⅢ
工业纯铁（wc=0~0.0218%）的室温组织 F＋Fe3CⅢ
§4.3 铁碳合金相图
F P
Fe3C
共析反应：
727C
0.77 0.0218＋
Fe3C
珠光体（pearlite），符号：P
§4.3 铁碳合金相图
3、三条固态转变线 ①GS线：
加热
冷却
转变温度线，又标记为A3线
②ES线：碳在奥氏体（ ）中的固溶度曲线，又标记为Acm线
加热
冷却Fe3CⅡ ③PQ线：碳在铁素体（）中的固溶度曲线
加热
冷却Fe3CⅢ
工程材料
Engineering Materials
第四章 二元相图及应用
第四章 二元相图及应用
重要概念
相图 描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的一种图解。 状态 指系统中的各相的凝聚状态、相的类型等。 相变 合金中的相从一种类型转变为另一种类型的过程。
特别提示
相图是在热力学平衡的条件下建立起来的。测定相图最常用的方法是 热分析法，它要求在合金冷却时，其冷却速度非常缓慢，从而能够满足热 力学平衡的条件。因此相图又称为平衡相图，平衡图。
符号 A B C D E F G H J K
N P S Q
温度/C 1538 1495 1148 1227 1148 1148 912 1495 1495 727
1394 727 727 室温
C% 0 0.53 4.3 6.69 2.11 6.69 0 0.09 0.17 6.69
0 0.0218
0.77 0.0008
2
N
3
G
80
Sn
②
共晶转变.swf
①
③
④
§4.2 二元相图的基本类型与分析
A L
L＋ M
B
E
L＋
N
( )
＋( ＋ ) ＋II ＋ ＋ ( ＋ ) ＋ II ＋II
＋ II
F
Pb
20
40
60
wSn(%)
80
GSn
按组织组成物填写的Pb-Sn合金相图
§4.2 二元相图的基本类型与分析
相图的作用
利用相图，可以了解不同成分的材料在不同条件下： ①存在哪些相； ②各相的相对量； ③成分、温度变化时材料中发生的相变。
§4.1 二元相图的建立
热分析法（以Cu－Ni合金为例）
1、配制一系列不同成分的Cu－Ni合金； 例如：100%Cu、80%Cu－20%Ni、60%Cu－40%Ni、40%Cu－
碳溶解在体心立方晶格的－Fe中形成的间隙固溶体也是铁素体， 为了区别起见，称为 铁素体或高温铁素体。
性能：强度和硬度低，塑性和韧性高。 HB＝50～80， ＝30～50%。
§4.3 铁碳合金相图
（二）奥氏体（austenite)
符号： 或 A。 定义：碳溶解在面心立方晶格的－Fe中形成的间隙固溶体。
性能：强度和硬度较低，塑性和韧性高。 HB＝170～220， ＝30～50%。
相比铁素体，奥氏体可溶入更多的碳，强度和硬度更高。
（三）渗碳体（cementite)
符号：Cm 或 Fe3C。 定义：碳和铁相互作用形成的间隙化合物。 性能：熔点高，硬度高，脆性大，塑性几乎为零。
HB＝800， 0%。
L+ (0.09)1495C
§4.3 铁碳合金相图
Ld′ Fe3CⅠ
过共晶白口铸铁（wc= 4.3 ~ 6.69%）的室温组织 Fe3CⅠ ＋Ld
L+ (0.09)1495C
1538C
(0.53)
(0.17)
1394C +
铁碳相图结晶过程.swf §4.3 铁碳合金相图
L+
1148C
(2.11)
L
(4.3)
1227C
L+Fe3C
L→
两组元在液态和固态下均能无限互溶，冷却时发生匀晶反应的相图。
具有匀晶相图的二元合金系：
Cu－Ni、Au－Ag、Fe－Ni、Cu－Au、Cr－Mo等。
相图分析的内容：
相图的基本分析 对相图中的各个点、各条线和各个面（区域）进行分析。
典型合金的结晶过程分析 选择若干典型合金，分析它们从高温冷却至室温过程中所发生的各
温
B
度
L
L＋
A
Cu 20
40
60
80
Ni
wNi(%)
Cu-Ni合金相图
匀晶转变.swf
§4.2 二元相图的基本类型与分析
杠杆定律：
杠杆定律用于二元合金处于两相平
衡时，两个相的相对量的计算。
L
QL
x2 x x2 x1
100%
Qα
x x1 x2 x1
100%
枝晶偏析：
T
x1
L＋
x
x2
实际生产时，合金的结晶过程是非
①③ ② ④
⑥
⑤
⑦
L+ (0.09)1495C
1538C
(0.53)
1394C (0.17+)
L+
L
1227C
①工业②纯共铁析（钢C%（＜C0%.1＝1042801C.87%7）%）
(2.11)
(4.3)
91⑤2C共晶白口③铸亚铁共（析C%④钢＝过铁4.共（3%析C）%钢＝（0.C0%2＝1+80F～.e37C07.～772%.）11%）
五种形态不同的渗碳体：
一次渗碳体（Fe3CⅠ）：从液相中析出的渗碳体。 共晶渗碳体：共晶反应中生成的渗碳体。 二次渗碳体（Fe3CⅡ） ：从奥氏体中析出的渗碳体。 共析渗碳体：共析反应中生成的渗碳体。 三次渗碳体（Fe3CⅢ） ：从铁素体中析出的渗碳体。
§4.3 铁碳合金相图
三、典型铁碳合金的平衡结晶过程分析
共析钢（wc=0.77%）的室温组织：P
图4-16 共析钢结晶过程示意图
§4.3 铁碳合金相图
F P
亚共析钢（wc=0.0218 ~ 0.77%）的室温组织:F＋P
图 亚共析钢结晶过程示意图
§4.3 铁碳合金相图
Fe3CⅡ P
过共析钢（wc= 0.77 ~ 2.11%）的室温组织：P ＋Fe3CⅡ
说明 纯铁的熔点 包晶转变时液态合金的成分（C%） 共晶点 渗碳体的熔点 碳在－Fe中的最大溶解度 渗碳体的成分 －Fe－Fe的转变温度（A3） 碳在－Fe中的最大溶解度 包晶点 渗碳体的成分
－Fe－Fe的转变温度（A4） 碳在－Fe中的最大溶解度 共析点（A1） 室温时碳在－Fe中的溶解度
（二）Fe－Fe3C相图中的特性线
Mg2Si
L
B
P
L + Si
F
D
C
A L + Mg
ME
L + Mg2Si
L + Mg2Si
N
Mg2Si + Si
Mg + Mg2Si
Q
Mg
20
40
60
80
Si
wAg(%)
Mg-Si合金相图
§4.2 二元相图的基本类型与分析
五、具有共析反应的二元相图
A1
A2 1
＋ 1 D
L L＋
C 1 ＋ 2
B1 B2
③
A
1
1L
L＋
P2
D
2
＋
1
2C
3
L＋
4
B
E
3
Pt
20
3
5
40
60
wAg(%)
Pt-Ag合金相图
F
80
Ag
§4.2 二元相图的基本类型与分析
四、形成稳定化合物的二元相图
稳定化合物： 具有一定熔点、在熔点以下保持其固有结构而不发生分解的化合物。 形成稳定化合物的二元合金系： Mg－Si、Mn－Si、Fe－P、Cu－Sb等。
1538C
(0.53)
(0.17)
1394C +
912C
+
(0.0218)
(0.77)
L+
L
1148C
(2.11)
+Fe3C
727C
§4.3 铁碳合金相图
1227C
L+Fe3C
(4.3)
+Fe3C
Fe3C
Fe－Fe3C相图
二、铁碳合金相图分析
§4.3 铁碳合金相图
（一）Fe－Fe3C相图中的特性点
1、液、固相线
§4.3 铁碳合金相图
液相线：ABCD；固相线：AHJECF
2、三条水平线
①HJB线：包晶线（1495C）
包晶反应：
1495C
L0.53＋0.09 0.17
②ECF线：共晶线（1148C）
共晶反应：
1148C
L4.3 2.11＋ Fe3C
莱氏体（ledeburite），符号：Ld
③PSK线：共析线（727C），又标记为A1线
§4.1 二元相图的建立
wNi=80%wNi=100% wNi=60% wNi=40%
温 度
wNi=20% wCu=100%
时间
Cu 20 40 60 80 Ni
wNi(%)
Cu-Ni二元合金相图的建立
§4.2 二元相图的基本类型与分析
一、二元匀晶相图
匀晶反应（转变）：
从液相中直接结晶出固溶体的反应（转变）。 匀晶相图：
图 过共析钢结晶过程示意图
§4.3 铁碳合金相图
Fe3C
P
Ld′
共晶白口铸铁（wc= 4.3%）的室温组织:Ld
图 共晶白口铁钢结晶过程示意图
§4.3 铁碳合金相图
Ld′ Fe3CⅡ P
亚共晶白口铸铁（wc= 2.11~4.3%）的室温组织: P＋ Fe3CII ＋Ld
图 亚共晶白口铁钢结晶过程示意图
三、二元包晶相图
包晶反应（转变）： 已从液相中结晶出的固相与液相作用，生成一种新的固相的反应。 L＋ → 包晶相图： 两组元在液态无限互溶、固态有限互溶或完全不互溶，冷却时发生包 晶反应的相图。 具有包晶反应的二元合金系： Pt－Ag、Sn－Sb、Cu－Sn、Cu－Zn等。
以下以Pt－Ag合金为例对相图进行分析。
§4.2 二元相图的基本类型与分析
Cu－Ni合金铸态 （枝晶偏析）
Cu－Ni合金退火态
§4.2 二元相图的基本类型与分析
二、二元共晶相图
共晶反应（转变）： 从液相中同时结晶出两种不同的固相的反应（转变）。 L→ ＋ 共晶相图： 两组元在液态无限互溶、固态有限互溶或完全不互溶，冷却时发生共 晶反应的相图。 具有共晶相图的二元合金系： Pb－Sn、Al－Ag、Al－Si、Pb－Bi等。
当C主要以Fe3C形式在钢中存在时，铁碳合金的组成相就是Fe和Fe3C。 本节讨论的铁碳相图即为Fe－Fe3C相图。
-Fe（F） -Fe（A） -Fe（F）
§4.3 铁碳合金相图
-Fe（F）
一、铁碳合金中的基本相
§4.3 铁碳合金相图
（一）铁素体（ferrite)
符号： 或 F。 定义：碳溶解在体心立方晶格的－Fe中形成的间隙固溶体。
60%Ni、 20%Cu－80%Ni、100%Ni等6个合金。
2、分别测定上述合金的冷却曲线； 3、在冷却曲线上找出合金的各个临界点；
临界点指合金在冷却时凝固开始和凝固终了的温度点。 4、将各临界点标在相图的坐标平面上；
二元相图的坐标平面，其纵座标为温度，横座标为成分。 5、在相图平面上将性质相同的临界点分别连接起来，即建立起相图。
铁碳合金：
铁碳合金（重点）
以铁和碳为基本组元的合金。
两大类铁碳合金：
§4.3 铁碳合金相图
铁碳合金
碳钢 铸铁
（C%＜2.11%） （C%＞2.11%）
碳在铁碳合金中的存在形式：
① C溶入Fe的晶格间隙中形成间隙固溶体（铁素体、奥氏体）。
② C与Fe作用形成化合物(Fe3C）。 ③ 以游离态（石墨）存在。
以下以Pb－Sn合金为例对相图进行分析。
①
③
§4.2 二元相图的基本类型与分析
②④
A
1
2
1
L＋
M
2
3
L
1
E ＋
1 L＋ B
2
N
F4
3
2
3
G
Pb
20
40
60
80
Sn
wSn(%)
Pb-Sn合金相图
§4.2 二元相图的基本类型与分析
A
F
Pb
①
1
2 L＋ 3M
4
20
③
②
1
L
1
2
E
＋
3
2
40
60
④
1 L＋ B
种变化。
§4.2 二元相图的基本类型与分析
液相线
合金结晶开始的温度连线
温
固相线
B
度
合金结晶终了的温度连线
L
L＋
结晶过程两个方面的变化：
A
Cu 20
40
60
80
Ni
wNi(%)
Cu-Ni合金相图
①L相和相的成分分别沿 着液相线和固相线变化；
②L相和相的相对量不断 变化。
§4.2 二元相图的基本类型与分析
平衡的。
所谓偏析是指固溶体在结晶过程中
先结晶的部分与后结晶的部分存在成分 Cu
x1
x
x2 Ni
差异的现象。晶内偏析就是发生在一个晶粒内的成分不均匀现象。
合金在结晶时通常以树枝状形式长大，从而造成了树干和树枝在成分
上的差异，这就是枝晶偏析。枝晶偏析是一种冶金缺陷。
枝晶偏析一般可以通过均匀化退火(或称扩散退火)予以减轻或消除。
A
wB(%)
B
具有共析反应的二元合金相图
§4.2 二元相图的基本类型与分析 共析反应（转变）： 一定成分的固相，在一定温度下，同时析出两种化学成分和结构完全 不同的新的固相的反应（转变）。 → 1＋ 2 共析相图与共晶相图在形状上很相似，但发生的反应完全不同。 共析相图的分析方法与共晶相图类似。