二元合金相圖與鐵碳合金相圖

二元合金相圖與鐵碳合金相圖第一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五二元合金相圖鐵碳合金相圖相圖的應(yīng)用第2章二元合金相圖與鐵碳相圖2第二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五二元合金相圖——

基本概念二元合金相圖：表示二元合金系中不同成分的合金在溫度極緩慢變化條件下，各不同溫度下相組成和相變化的圖；二元合金系：由某兩種元素組成的各種不同成分合金的總和；合金相圖是制定鑄造、鍛造、熱處理等工藝的重要依據(jù)，也是研究合金組織、組織轉(zhuǎn)變及合金性能的有力工具。指極緩慢的冷卻或加熱，此時發(fā)生相變，原子可進行充分的擴散，得到的組織是穩(wěn)定或平衡的，這種極緩慢冷卻或加熱，使原子能夠進行充分?jǐn)U散的狀態(tài)叫平衡狀態(tài)。3第三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五二元合金相圖——

相圖的建立所有的合金相圖都是通過實驗方法得到的，一般是利用合金相變時產(chǎn)生的各種變化測定相變點，繪制合金相圖；建立方法：以銅鎳合金為例，總共包括以下四步：常用熱分析法和金相法；建立步驟：4第四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五Cu-Ni合金相圖的建立步驟：配制不同成分的Cu-Ni合金，見表；作出每種合金的冷卻曲線，并找出其相變溫度，即各曲線上開始和終止結(jié)晶溫度即臨界點，見表；畫出溫度-成分坐標(biāo)系，在各成分垂線上標(biāo)出臨界點溫度；連接臨界點中物理意義相同的點，即得Cu-Ni合金相圖。合金編號成分（％）結(jié)晶溫度（℃）CuNi開始結(jié)束ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ100806040200020406080100108311701260134714101452108311381200128513821452二元合金相圖——

相圖的建立5第五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五二元合金相圖——

相圖的建立6第六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五Cu-Ni合金相圖的解讀：二元合金相圖——

相圖的建立第一個點A、第二個點B分別為Cu、Ni的熔點；各結(jié)晶開始溫度連線為液相線，該線以上為液相區(qū)，L

；各結(jié)晶終止溫度連線為固相線，該線以下為固相區(qū)，α；固、液相線之間的區(qū)域固液相并存，即雙相區(qū)，L+α；雙相區(qū)說明Cu-Ni合金的結(jié)晶是在一個溫度范圍內(nèi)進行的，這一點與純金屬的結(jié)晶有所區(qū)別。7第七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五Cu-Ni合金相圖是最簡單的二元合金相圖，通常合金的相圖都很復(fù)雜，但都是由幾種基本相圖組合而成：二元勻晶相圖二元共晶相圖二元共析相圖二元合金相圖種類：8第八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五二元合金相圖——

勻晶相圖概念：二元合金系中二組元在液態(tài)和固態(tài)均能無限互溶所構(gòu)成的相圖，即二元勻晶相圖；例具有二元勻晶相圖的合金系主要有：Cu-Ni、Cu-Au、Fe-Ni、W-Mo等；以Cu-Ni合金為例，來分析具有二元勻晶相圖的二元合金系的結(jié)晶過程與產(chǎn)物。9第九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五二元合金相圖——

勻晶相圖10第十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五從二元合金相圖中的雙相區(qū)，不僅可知道兩相的成分，還可得知兩相的相對重量；杠桿定律：研究表明，固液二相的相對量關(guān)系，如同力學(xué)中的杠桿定律，因此可得二元合金相平衡計算的杠桿定律；注！杠桿定律只適用于兩相平衡區(qū)中，兩平衡相的相對含量計算！二元合金相圖——

勻晶相圖11第十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五二元合金相圖——

勻晶相圖12第十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五二元合金相圖——

勻晶相圖13第十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五二元合金相圖——

共晶相圖概念：兩組元在液態(tài)時無限互溶，固態(tài)時有限溶解，結(jié)晶時發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成兩相機械混合物的相圖，即共晶相圖；一定成分的液相，在一定溫度下，同時結(jié)晶出成分不同的兩種固相的轉(zhuǎn)變

，即共晶轉(zhuǎn)變；例Pb-Sn、Pb-Sb、Cu-Ag等合金系具有二元共晶相圖；以Pb-Sn合金為例，來分析具有二元共晶相圖的二元合金系的結(jié)晶過程與產(chǎn)物。14第十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五Pb-Sn二元合金（共晶）相圖二元合金相圖——

共晶相圖15第十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五Pb-Sn相圖分析：e點稱為共晶點；ced線稱為共晶線；對應(yīng)于共晶點的合金稱為共晶合金；成分位于ce之間的合金稱為亞共晶合金；成分位于ed之間的合金稱為過共晶合金。二元合金相圖——

共晶相圖16第十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五二元合金相圖——

共析相圖概念：從一個固相中同時析出成分和晶體結(jié)構(gòu)完全不同的兩種新固相的轉(zhuǎn)變過程（共析轉(zhuǎn)變）的相圖

，即共析相圖。17第十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五解讀：圖中A、B為兩組元，合金結(jié)晶后得到γ固溶體，γc固溶體在恒溫下進行共析轉(zhuǎn)變：c點為共析點，dce為共析線，對應(yīng)的溫度為共析溫度；(αd+βe

)稱為共析體；γc→αd+βe共析轉(zhuǎn)變在固態(tài)下進行，轉(zhuǎn)變溫度較低，原子擴散困難，故過冷度較大，與共晶體相比，共析體組織較細(xì)小且均勻。特點：二元合金相圖——

共析相圖18第十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五鐵碳合金：鐵碳合金相圖主要成員是碳鋼與鑄鐵；鐵碳合金相圖：研究極緩慢冷卻或加熱條件下，鐵碳合金的成分、組織與性能之間關(guān)系及其變化規(guī)律的圖形。都是以鐵和碳為基本元素的合金，其機械、工藝性能優(yōu)良，故應(yīng)用廣泛；改變化學(xué)成分和工藝條件（溫度、冷卻速度等），可獲得不同的組織和性能，以滿足多種需要。19第十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五鐵碳相圖的研究范圍：C＞5％的鐵碳合金太脆，無實用價值，故實際使用C≤5%！有實用價值部分，即C＜6.69%的Fe-Fe3C相圖，故所研究的鐵碳合金基本組元是Fe與Fe3C，屬二元合金。按含碳量不同，可形成三種：含碳量＝6.69%，形成Fe3C含碳量＞6.69%，隨含碳量增加形成Fe2C+FeC鐵碳形成的化合物：鐵碳合金相圖20第二十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五鐵碳合金相圖——

基本相及組織因鐵素體與滲碳體相對數(shù)量及其分布狀態(tài)的不同又可形成鐵碳合金中兩個基本組織：由于鐵與碳相互作用的不同，鐵碳合金在固態(tài)下的基本相分為固溶體與金屬化合物兩類：屬金屬化合物的基本相：屬于固溶體的基本相，包括兩種：鐵素體奧氏體滲碳體珠光體萊氏體固態(tài)相中還有一種δ相，但其對性能影響不大，故一般不做考慮。21第二十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五鐵碳合金相圖——

基本相及組織鐵素體：碳在α-Fe中的間隙固溶體，F(xiàn)或α；鐵素體為體心立方結(jié)構(gòu)；α-Fe的溶碳量很小，727℃時碳溶解度最大為0.02%，室溫時只有0.008%；F強度、硬度很低，塑性、韌性很高，與工業(yè)純鐵相近；F很少單獨用作工程材料，是碳鋼的基體相。22第二十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五鐵素體的顯微組織鐵碳合金相圖——

基本相及組織23第二十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五奧氏體：碳在γ

-Fe中的間隙固溶體，A；奧氏體為面心立方結(jié)構(gòu)；γ-Fe溶碳能力較強，1148℃時碳溶解度最大2.11%；奧氏體強度、硬度低，而塑性高，適合壓力加工成型；奧氏體存在的溫度較高，727℃以上，是鐵碳合金一個重要的高溫相；鐵碳合金相圖——

基本相及組織24第二十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五奧氏體的顯微組織鐵碳合金相圖——

基本相及組織25第二十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五滲碳體：鐵和6.69%碳組成的金屬化合物Fe3C，有時用cm表示；滲碳體熔點為1227℃；具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，成分固定；F3C復(fù)雜晶格Fe3C是亞穩(wěn)定相，一定條件下可分解成F和石墨G：性質(zhì)硬而脆，是鐵碳合金的重要強化相；F3C→F

+G鐵碳合金相圖——

基本相及組織26第二十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五珠光體：鐵素體和滲碳體的混合物，P

；此轉(zhuǎn)變在固態(tài)下，從單相固溶體A中同時析出兩個互不相溶的固相（F和Fe3C）組成的混臺物，即共析轉(zhuǎn)變；珠光體加熱至共析溫度，它也會轉(zhuǎn)變成奧氏體。相應(yīng)溫度和成分稱共析溫度、共析成分，產(chǎn)物稱共析體；珠光體是含碳為0.77%的奧氏體在727℃時分解的產(chǎn)物：AP（F

+F3C）727℃鐵碳合金相圖——

基本相及組織27第二十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五萊氏體：含碳4.3%的鐵碳合金，1148℃時發(fā)生共晶反應(yīng)，液態(tài)合金中直接結(jié)晶出A和Fe3C的混合物，即萊氏體，Ld

；共晶萊氏體性質(zhì)硬而脆，是生鐵的基本組織。降至共析溫度，Ld中的A共析分解，轉(zhuǎn)變成P，故在共析溫度下，共晶Ld由P和Fe3C組成，即低溫萊氏體，Ld’鐵碳合金相圖——

基本相及組織28第二十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五鐵碳合金相圖——

相圖分析鐵碳合金相圖的研究始于1868年，已一百多年，對零件的選材、加工工藝的制定具有重要的指導(dǎo)意義；鐵碳合金相圖（Fe-Fe3C相圖）如下圖，圖中不加括號部分為相組成物，加括號部分為組織組成物；Fe-Fe3C相圖表示鐵碳合金系中不同碳含量的合金在冷卻過程中發(fā)生的相變，各溫度下合金的相組成物和組織組成物，可由合金的室溫組織了解其力學(xué)性能，確定應(yīng)用范圍。29第二十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五鐵碳合金相圖——

相圖分析30第三十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五Fe–Fe3C合金相圖鐵碳合金相圖——

相圖分析31第三十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五Fe-Fe3C合金相圖包含三個基本組成部分：包晶是由L相和一種固相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固相，主要是合金中高溫相的變化，應(yīng)用很少。共晶部分共析部分包晶部分

液體奧氏體δ-鐵奧+δL+δγγ→L

+δ鐵碳合金相圖——

相圖分析32第三十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五1148℃鐵碳合金相圖——

相圖分析——

共晶部分33第三十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五ECF為共晶線，C點共晶點，共晶成分含碳4.3%，共晶溫度1148℃，共晶轉(zhuǎn)變?yōu)椋篍點以左的合金結(jié)晶后得到單相A；L→A

+Fe3C即液相結(jié)晶出萊氏體LdE點是奧氏體的最大溶解點；鐵碳合金相圖——

相圖分析——

共晶部分E點也是鋼和鑄鐵的分界點：鋼含碳量＜2.11%；2.11%≤鑄鐵含碳量≤

6.69%。34第三十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五鐵碳合金相圖——

相圖分析——

共析部分727℃35第三十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五S點為共析點，共析成分為0.77%C，共析溫度為727℃，共析轉(zhuǎn)變?yōu)椋篜SK為共析線，稱為A1線；A→F

+Fe3C即奧氏體析出珠光體PES是碳在奧氏體中的溶解度曲線，記Acm；GS是合金冷卻時A轉(zhuǎn)變?yōu)镕的開始線，加熱時F轉(zhuǎn)變?yōu)锳的終止溫度線，記A3；常記Acm，低于此溫，奧氏體中將析出滲碳體，稱二次滲碳體，F(xiàn)e3CII，以區(qū)別于從液體中經(jīng)CD線結(jié)晶出的一次滲碳體，F(xiàn)e3CI。鐵碳合金相圖——

相圖分析——

共析部分36第三十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五鐵碳合金相圖——

相圖分析37第三十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五鐵碳合金相圖——

典型成分合金平衡結(jié)晶過程鐵碳合金按含碳量的不同，從相圖上可以分為工業(yè)純鐵、碳鋼及白口鑄鐵三類，而后兩種中又有更細(xì)的劃分：鐵碳合金：工業(yè)純鐵碳鋼白口鑄鐵

共析鋼亞共析鋼過共析鋼共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵38第三十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五

類別

含碳量(％)

組織

工業(yè)純鐵≤0.0218F

碳鋼

亞共析鋼0.0218～0.77F+P

共析鋼0.77P

過共析鋼0.77～2.11P+Fe3CⅡ

白口鑄鐵亞共晶自口鐵2.11～4.3P+Fe3CⅡ＋L’d

共晶白口鐵4.3L’d過共晶白口鐵4.3～6.69L’d＋Fe3CⅠ鐵碳合金相圖——

典型成分合金平衡結(jié)晶過程39第三十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五分析鐵碳合金的典型平衡結(jié)晶過程，可了解某成分合金在溫度下降的每個階段相的組成和相對量的變化，直至推出室溫組織：即合金由液態(tài)緩慢冷卻到室溫所發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變的過程。亞共析鋼的結(jié)晶過程

共析鋼的結(jié)晶過程

過共析鋼的結(jié)晶過程

亞共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程

共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程

過共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程鐵碳合金相圖——

典型成分合金平衡結(jié)晶過程40第四十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五亞共析鋼：含碳量0.02~0.77%，合金Ⅰ點1溫度后，L開始結(jié)晶出A；2點后，L全部凝固，變?yōu)閱蜗郃；

到4點，A碳含量為0.77%，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成P，原先析出的F保持不變。至3點，A析出F，F(xiàn)在A晶界處優(yōu)先生核長大，其成分分別沿GP和GS變化；Ⅰ亞共析鋼轉(zhuǎn)變結(jié)束后，合金組織為F和P，繼續(xù)冷卻，F(xiàn)會析出極少量Fe3CⅢ，可忽略；最終到室溫時，亞共析鋼的組織由呈顆粒狀的鐵素體和呈層片狀的珠光體組成。

鐵碳合金相圖——

典型成分合金平衡結(jié)晶過程41第四十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五鐵碳合金相圖——

典型成分合金平衡結(jié)晶過程42第四十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五共析鋼：含碳0.77%，圖中合金Ⅱ；點1溫度以上為液相；A→F

+Fe3C點1~2溫度之間緩冷，不斷結(jié)晶出A；到2時全為A；冷到點3（727℃），在恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：Ⅱ繼續(xù)冷卻，F(xiàn)的溶碳量沿PQ線變化，析出Fe3CⅢ，與Fe3CⅡ相混，不易分辨。因此，共析鋼室溫組織仍為珠光體，是鐵素體與滲碳體組成的片層狀共析體，其顯微組織中亮白色基底為鐵素體，黑色線條為滲碳體。

鐵碳合金相圖——

典型成分合金平衡結(jié)晶過程43第四十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五鐵碳合金相圖——

典型成分合金平衡結(jié)晶過程44第四十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五ⅢL+A過共析鋼：含碳量0.77~2.1%，合金Ⅲ；點1到3點以前的結(jié)晶過程與Ⅱ相似；最終，室溫下過共析鋼的組織為P與網(wǎng)狀Fe3CⅡ。至4點727℃時，A含碳量0.77%，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成P；到3點以后，A開始析出Fe3CⅡ，F(xiàn)e3CⅡ多沿A晶界呈網(wǎng)狀分布；鐵碳合金相圖——

典型成分合金平衡結(jié)晶過程45第四十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五鐵碳合金相圖——

典型成分合金平衡結(jié)晶過程46第四十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五Ⅳ亞共晶白口鑄鐵：含碳2.1~4.3%，Ⅳ；點1溫度后，L開始析出A；2點1148℃后，A含碳2.11%，L含碳為4.3%，L發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成Ld，合金組織為初晶A和Ld；2~3點，初晶A和共晶A都析出Fe3CⅡ；至3點727℃時A含碳0.77%，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，初晶和共晶A都變?yōu)镻，Ld變?yōu)榈蜏豅d’(P+Fe3C)；所謂“白口”，指合金中的碳是以滲碳體形式存在，斷口呈白色。

最終，亞共晶白口鑄鐵的室溫組織由P、Ld’和Fe3CⅡ組成。

鐵碳合金相圖——

典型成分合金平衡結(jié)晶過程47第四十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五鐵碳合金相圖——

典型成分合金平衡結(jié)晶過程48第四十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五共晶白口鑄鐵：1點1148℃，L發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成Ld(共晶A+Fe3C)；繼續(xù)冷卻，共晶A析出Fe3CⅡ，與共晶Fe3C混在一起，無法分辨；至2點727℃時A含碳降到0.77%，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成P，Ld變?yōu)榈蜏豅d’(P+Fe3C)；最終，共晶白口鑄鐵的室溫組織為Ld’與Fe3CⅡ。鐵碳合金相圖——

典型成分合金平衡結(jié)晶過程49第四十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五鐵碳合金相圖——

典型成分合金平衡結(jié)晶過程50第五十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期五過共晶白口鑄鐵：到2點1148℃，剩余液相碳含量達(dá)到4.3%，

L發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成高溫