第3章-二元合金相图及应用

得到合金III在室温下的三种 组织组成物的质量分数为 ：
2012-10-24
工程材料
99-21

合金Ⅳ的结晶过程
2012-10-24
工程材料
99-22
组织和相的关系
2012-10-24
工程材料
99-23
共析相图
d点成分(共析成分)的合金从 液相经过匀晶反应生成 γ相后, 继续冷却到d 点温度(共析温度) 时, 在此恒温下发生共析反应: γ → (α+β) 由一种固相转变成完全不同 的两种相互关联的固相, 此两 相混合物称为共析体。 共析相图中各种成分合金的 结晶过程的分析与共晶相图相 似, 但因共析反应是在固态下 进行的, 所以共析产物比共晶 产物要细密得多。
温 度
a L
L + S S
ab : 液相线 ab : 固相线 L : 液相区 S : 固相区 b L+S:液固共存区
B
工程材料
99-4
A
2012-10-24
匀晶相图结晶过程分析：冷却曲线＋结晶过程
2012-10-24
工程材料
99-5

匀晶结晶特点
α固溶体从液相中结晶出来的过程中, 也包括有生核与长
合金Ⅲ相同，仅组织组成物和组成相的相对重量 不同，成分越靠近共晶ຫໍສະໝຸດ Baidu，合金中共晶体的含量 越多。
2012-10-24
工程材料
99-20

亚共晶合金组织组成物的质量分数
组织组成物：初生 α、 βII和共 晶体 (α+β) 。 先求合金在刚冷到2点温度而尚未 发生共晶反应时 α 和 L相的质量 分数相对重量。 液相在共晶反应后全部转变为共晶 体(α+β) , 这部分液相的质量分 数就是室温组织中共晶体 (α+β) 的质量分数。 初生 αc冷却不断析出 βII, 到室 温后转变为 αf和 βII。按照杠杆 定律, 可求出 αf、βII占 αf＋ βII的质量分数(注意, 杠杆支点在 c'点), 再乘以初生 αc在合金中的 质量分数, 求得 αf、βII占合金的 质量分数。
第3章 二元合金相图及应用
相图的建立

名称
A金属
B金属

相图：以温度为纵坐标，以成分为横坐标，表明合 bcc bcc 晶格类型 金系中的各种合金在不同温度下由哪些相构成，以 熔点 高 低 及这些相之间平衡关系的图形。 100% 0% 合金1 二元相图的建立（以热分析法为例） 90% 10% 合金2 配制不同的Cu-Ni合金 80% 20% 合金3 测定合金的冷却曲线 …….. …….. ……. 找出合金的临界点 20% 80% 合金9 将各临界点标在以温度为纵坐标，以成分为横坐 10% 90% 合金10 热 分 析 法 标的图中，将同类临界点连接起来，得到Cu-Ni 0% 100% 合金相图 合金11
杠杆定律的证明和力学比喻
2012-10-24
工程材料
99-8
枝晶偏析

1）定义：由于冷却速度快，造成晶体中 晶粒内化学成分不均匀的现象。
2）枝晶偏析危害：影响合金力学性能、耐蚀 性能和加工工艺性能 3）消除办法：再结晶退火
Cu-Ni合金枝晶偏析示意图


2012-10-24
工程材料
99-9
二元共晶相图
2012-10-24
工程材料
99-36
铁碳合金的基本相及组织

铁素体( Ferrite )
定义——C在α-Fe中的间隙固溶体。 代表符号：用F或α表示。 性能：F强度差、硬度低，塑性好。含较多F的铁
铁素体组织金相图
碳合金易于进行冲压等变形加工。 F溶C能力很差。最大溶碳量为727℃时的 wc=0.0218%,
组织结构为渗碳体基体上分布的奥氏体，
主要体现了渗碳体特点，硬而脆。
2012-10-24
工程材料
99-24

固态下组元间不溶解的共晶相图
2012-10-24
工程材料
99-25

形成稳定化合物的相图
2012-10-24
工程材料
99-26
包晶相图
两组元在液体时无限互溶，在固态时形成有限固 溶体，并发生包晶反应的合金系构成的相图。
Pt-Ag合金相图
2012-10-24
从共晶温度继续往下冷却, 初生 α中不断析出βII ,
成分由 c点降至 f点；共晶体形态、成分和总量保 持不变。
2012-10-24
工程材料
99-19

合金Ⅲ的结晶过程
合金的室温组织为初生 α+ βII + (α+β) 合金的组成相为 α 和 β , 它们的相对重量为：
成分在
cd之间的所有亚共晶合金的结晶过程与
2012-10-24
工程材料
99-17

合金Ⅲ的结晶过程
当刚冷却到2点温度时，合金由c点成分的初生 α
相和d 点成分的液相组成。然后液相进行共晶反应, 但初生 α相不变化。经一定时间到2‘点共晶反应结 束时，合金转变为 α+ (α+β) 。
2012-10-24
工程材料
99-18

合金Ⅲ的结晶过程
2012-10-24
工程材料
99-30

合金I的结晶过程
温度继续下降, 从β中析出二次α。
2012-10-24
工程材料
99-31

合金I的结晶过程
室温组织为 β+二次α 。 组成相和组织组成物的成分和相对重量可根据杠杆定
律来确定。
2012-10-24
工程材料
99-32
相图与性能的关系
2012-10-24
工程材料
99-34
相图与性能的关系

合金铸造性能与相图的关系
液相线与固相线间隔越大，流动性越差，越易形
成分散的孔洞（称分散缩孔，也称缩松）。 共晶合金熔点低，流动性最好，易形成集中缩孔， 不易形成分散缩孔。 铸造合金宜选择共晶或近共晶成分，有利于获得 健全铸件。
2012-10-24
工程材料
99-35

合金工艺性能与相图的关系（总结）
单相固溶体的铸造性能和切削加工性能差：熔点
高，结晶温度间隔大，流动性差；塑性好，切削 时易粘刀，不易断屑； 单相固溶体具有良好的可锻性和焊接性：塑性好， 压力加工用单相固溶体合金，如钢锻造时要加热 到奥氏体区； 共晶和接近共晶成分的合金铸造性能好：熔点低， 结晶温度低，结晶温度间隔小，铸造时常选用共 晶合金；如铸铁碳当量在4％左右。 两相混合物的可锻性和焊接性差，但切削加工性 好。
工程材料
99-27

包晶相图
相图分析 Pt-Ag合金相图中存在三种相: Pt与Ag形成的液溶体L相; Ag溶于Pt中的有限固溶体α相; Pt溶于Ag中的有限固溶体β相。 e点为包晶点, e点成分的合金冷却到 e点所对应的温度 (包晶温度)时发生包晶反应Le+cd 。 发生包晶反 应时三相共存, 它们的成分确定, 反应在恒温下平衡地 进行。水平线ced 为包晶反应线。 cf为Ag在Pt 中的溶解度线, eg为Pt在Ag 中的溶解度 线。
定义：两个组元在液态无限互溶，但固态只 能有限互溶或不能互溶，并发生共晶反应的 合金系所构成的相图为二元共晶相图。 如：Pb-Sb、Pb-Sn、Cu-Ag等


2012-10-24
工程材料
99-10
相图分析：点、线、区
1 A L
L+α
L+β
3
2
4 B β D
1）点 2）线
温 度
α C
3）区
4）特征反应式
2012-10-24
工程材料
99-6
杠杆定律
温 度
杠杆定理
L
a
TL Tn TS
QS + QL = 1 dQS + eQL = 1× c
QL=(dc／de) 100% QS=(ce／de) 100%
S
Qs QL
b d c e
B
A
2012-10-24
工程材料
99-7


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。应当熟练掌握和运用。 杠杆定律只适用于相图中的两相区, 并且只能在平衡 状态下使用。杠杆的两个端点为给定温度时两相的成 分点, 而支点为合金的成分点。
2012-10-24
工程材料
99-38

渗碳体（Cementite） 渗碳体组织金相图
定义——C与Fe的化合物（Fe3C）。 代表符号： Cm 性能：含碳6.69%，其硬度高，极脆，塑性几乎
为0，熔点为1227℃。 铁碳合金中渗碳体量多会导致材料力学性能变坏。 适量渗碳体若弥散分布在基体上，可提高材料强 度和硬度。

具有匀晶相图、共晶相图的合金的机械性能和物理性 能随成分而变化的一般规律见下图
2012-10-24
工程材料
99-33
固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关, 溶质的
溶入量越多, 晶格畸变越大, 则合金的强度、硬 度越高, 电阻越大。当溶质原子含量大约为50% 时, 晶格畸变最大, 而上述性能达到极大值, 所 以性能与成分的关系曲线具有透镜状。 两相组织合金的机械性能和物理性能与成分呈直 线关系变化。 对组织较敏感的某些性能如强度等, 与组成相或 组织组成物的形态有很大关系。组成相或组织组 成物越细密, 强度越高(见图中虚线)。当形成化 合物时， 则在性能一成分曲线上于化合物成分 处出现极大值或极小值。
2012-10-24
工程材料
99-28

合金I的结晶过程
合金冷却到1点温度以下时结晶出α固溶体, α相成分沿
ac线变化, L相成分沿ad 线变化。
2012-10-24
工程材料
99-29

合金I的结晶过程
合金刚冷到2点温度而尚未发生包晶反应前, 由 c点成分的α相与d
点成分的L相组成。此两相在e 点温度时发生包晶反应, L 相包围 α相而形成β。反应结束后, L相与α 相正好全部反应耗尽, 形成e 点成分的β 固溶体。
E
α +β
L
G
α+β
F
Pb
2012-10-24
Sn%
工程材料
Sn
99-11
Pb-Sn合金相图
2012-10-24
工程材料
99-12
结晶过程分析
合金I结晶过程
其组成相是f点成分的α相和g点成分的β相。运
用杠杆定律, 两相的相对重量为：
合金室温组织由α和β组成,α和βII即为组织
组成物。
大两个过程。 结晶在一个温度区间内进行, 即为一个变温结晶过程。 在两相区内, 温度一定时, 两相的成分(即Ni含量)是确定的。 确定相成分的方法：过指定温度T1作水平线, 分别交液相线 和固相线于 a1点 c1点, 则 a1点 c1点在成分轴上的投影点 即相应为 L相和 α 相的成分。随着温度的下降, 液相成分 沿液相线变化, 固相成分沿固相线变化。 两相区内, 温度一定时, 两相的重量比是一定的。（应用 杠杆定律计算） 固溶体结晶时成分是变化的,如果冷却较快,造成枝晶偏析
2012-10-24
工程材料
99-15
合金Ⅲ的结晶过程
合金Ⅲ是亚共晶合金, 合金冷却到1点温度后, 由
匀晶反应生成 α固溶体, 叫初生 α固溶体。
2012-10-24
工程材料
99-16

合金Ⅲ的结晶过程
从1点到2点温度的冷却过程中，按照杠杆定律，
初生 α的成分沿 ac线变化，液相成分沿 ad 线变 化；初生 α逐渐增多，液相逐渐减少。
2012-10-24
工程材料
99-39

珠光体(Pearlite) F＋Fe3C的一种机械混合物。 代表符号：P 碳质量分数为0.77%。 组织为层片状结构，综合了铁素体和渗碳 体优点，其综合力学性能好。片层越细密， 材料强度越高。
2012-10-24
工程材料
99-40

莱氏体(Ledeburite) 由A＋Fe3C组成的一种机械混合物。 代表符号： Ld 碳质量分数4.3%
2012-10-24
工程材料
99-13

合金II的结晶过程
2012-10-24
工程材料
99-14


由于析出的 二次β 和 二次α 都相应地同 β 和 α相连在一起，共晶体的形态和成分不发生变化。 合金的室温组织全部为共晶体，即只含一种组织组 成物；其组成相仍为 α和 β 相。
共晶合金组织的形态
工程材料
99-1
2012-10-24
温 度
温 度
温 度
时间
2012-10-24
A 90 70 50
工程材料
30
B
99-2
二元匀晶相图
两组元在液态和固态均能无限互溶所构成的 相图为二元匀晶相图。 例：Cu-Ni、 Cu-Au、 Au-Ag、Fe-Cr等

2012-10-24
工程材料
99-3
相图分析
2012-10-24
工程材料
99-37

奥氏体组织金相图 奥氏体(Austenite)
定义——C在γ-Fe中的间隙固溶体。 代表符号：用A或γ表示。 性能：γ硬度较低，塑性较高。溶碳能力较大。 奥氏体主要存在于727℃以上的高温范围内。在
1148 ℃时溶碳能力最大，达到2.11%。 钢通常加热到奥氏体状态锻造。