第四章-二元相圖課件

第四章二元合金相圖6/12/20231二元相圖前言物質(zhì)再溫度、壓力、成分變化時，其狀態(tài)會發(fā)生變化。相圖就是表示物質(zhì)的狀態(tài)、壓力、溫度的關(guān)系的簡明圖解。利用相圖，我們可以知道在熱力學平衡條件下，各種成分的物質(zhì)在不同溫度、壓力下的相組成、各種相的成分、相的相對量。6/12/20232二元相圖第一節(jié)相圖的基本概念主要內(nèi)容如下：?相圖的定義、表示方法及其測定；?相平衡的概念及相平衡的條件；?相律Material6/12/20233二元相圖1.相圖定義合金系中相的狀態(tài)和組織與成分、溫度之間的關(guān)系圖稱為相圖（壓力恒定）。Material二元合金相圖的表示相圖的建立1.實驗測定法（熱分析法）熱分析示意圖6/12/20234二元相圖2.相圖的建立1.勻晶相圖的建立勻晶相圖Material6/12/20235二元相圖2.相圖的建立（續(xù)）2.共晶相圖的建立共晶相圖Material6/12/20236二元相圖3.杠桿定律1.杠桿定律杠桿定律示意圖Material杠桿定律只適合于兩相區(qū)1.杠桿定律的表達式在兩相區(qū)內(nèi)，兩相的重量比與相圖中所截兩線段成反比。2.應用（1）確定兩平衡相的相對含量及各相所占的重量分數(shù)（2）確定兩平衡相的成分（3）求合金成分MaterialMaterial6/12/20237二元相圖4.相平衡與相律1.相平衡?合金中各相之間不發(fā)生相變（動態(tài)平衡）。2.相平衡的條件?各組元在各相中的化學位相等。Material6/12/20238二元相圖4.相平衡與相律（續(xù)）1.相律定義在平衡條件下，系統(tǒng)的自由度數(shù)與相數(shù)、組元數(shù)之間的關(guān)系。表達式在壓力恒定的條件下，有：

F=C-P+1式中，f—自由度數(shù)；C—組元數(shù)；P—相數(shù)應用確定自由度數(shù)；確定系統(tǒng)由幾相平衡共存；Material6/12/20239二元相圖第二節(jié)二元相圖的基本類型1.基本內(nèi)容?勻晶轉(zhuǎn)變與勻晶相圖?共晶轉(zhuǎn)變與共晶相圖?包晶轉(zhuǎn)變與包晶相圖Material6/12/202310二元相圖1.勻晶相圖與勻晶轉(zhuǎn)變?勻晶轉(zhuǎn)變 由液相直接析出單相固溶體的過程。（Lα)?勻晶相圖 完全具有勻晶轉(zhuǎn)變的相圖。（典型：Cu-Ni相圖）?相圖分析兩點：純組元的熔點；兩線：L,S相線；三區(qū)：L,α,L+α。MaterialCu－Ni勻晶相圖6/12/202311二元相圖12LL+ααNiCuWCu%LLαα1點以上1-2點2點以下30%Cu1.勻晶相圖與勻晶轉(zhuǎn)變（續(xù)）Material1.勻晶系合金（30%Cu）凝固過程示意圖6/12/202312二元相圖1.勻晶轉(zhuǎn)變過程中原子擴散示意圖CuNiα1α2L1.勻晶相圖與勻晶轉(zhuǎn)變（續(xù)）Material6/12/202313二元相圖1.勻晶相圖與勻晶轉(zhuǎn)變（續(xù)）?平衡結(jié)晶過程 平衡結(jié)晶就是無限緩慢地冷卻，原子擴散非常充分，時時達到相平衡條件的一種結(jié)晶方式。?固溶體結(jié)晶機理 與純金屬結(jié)晶的相同處 與純金屬結(jié)晶的不同處1.固溶體的平衡結(jié)晶及其組織Material

?與純金屬結(jié)晶的比較

①

相同點：基本過程：形核－長大；熱力學條件：⊿T>0；

能量條件：能量起伏；結(jié)構(gòu)條件：結(jié)構(gòu)起伏。②不同點：合金在一個溫度范圍內(nèi)結(jié)晶合金結(jié)晶是選分結(jié)晶：需成分起伏分析6/12/202314二元相圖固溶體的非平衡過程及其組織1.勻晶相圖與勻晶轉(zhuǎn)變（續(xù)）MaterialCu-Ni不平衡結(jié)晶凝固及組織圖6/12/202315二元相圖1.勻晶相圖與勻晶轉(zhuǎn)變（續(xù)）?晶內(nèi)偏析 一個晶粒內(nèi)部成分不均勻的現(xiàn)象（微觀偏析）。?影響枝晶偏析的因素①冷卻速度②相圖中L-S相線的間隔③偏析元素的擴散能力?消除枝晶偏析的手段

產(chǎn)生偏析的實質(zhì)：原子擴散不充分，造成各處成分不均勻。

消除手段：擴散退火（均勻化退火）。1.偏析Material6/12/202316二元相圖2.共晶相圖1.基本內(nèi)容?共晶相圖?典型合金的平衡結(jié)晶過程?初晶與共晶組織?共晶合金的不平衡結(jié)晶及組織Material6/12/202317二元相圖2.共晶相圖(續(xù)）共晶轉(zhuǎn)變

組成共晶相圖的兩組元，在液態(tài)可無限互溶，而固態(tài)只能部分互溶，甚至完全不溶。兩組元的混合使合金的熔點比各組元低，因此，液相線從兩端純組元向中間凹下，兩條液相線的交點所對應的溫度稱為共晶溫度。在該溫度下，液相通過共晶凝固同時結(jié)晶出兩個固相，這樣兩相的混合物稱為共晶組織或共晶體。以Pb-Sn相圖為例：Material6/12/202318二元相圖2.共晶相圖(續(xù)）Material1.共晶相圖相平衡線MN把相圖劃分為3個單相區(qū)：L，α，β；3個兩相區(qū)：L+α，L+β，α+β；而L相區(qū)在共晶線上部的中間，α相區(qū)和β相區(qū)分別位于共晶線的兩端。Pb-Sn共晶相圖Material2.相圖分析附注根據(jù)相律，在二元系中，三相共存時，自由度為零，共晶轉(zhuǎn)變是恒溫轉(zhuǎn)變，故是一條水平線。圖中MF和NG線分別為α固溶體和β固溶體的飽和溶解度曲線，它們分別表示α和β固溶體的溶解度隨溫度降低而減少的變化。

6/12/202319二元相圖2.共晶相圖(續(xù)）合金的平衡結(jié)晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例）（1）Wsn<19％的合金①凝固過程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。②二次相（次生相）的生成：脫溶轉(zhuǎn)變（二次析出或二次再結(jié)晶）。③室溫組織（α＋βⅡ）及其相對量計算。Material含10％的Pb－Sn合金平衡冷卻示意圖6/12/202320二元相圖2.共晶相圖(續(xù)）Material1.共晶合金（含61.9％Sn）

w(sn)＝61.9%的合金為共晶合金。該合金從液態(tài)緩冷至183℃時，液相LE同時結(jié)晶出α和β兩種固溶體，這一過程在恒溫下進行，直至凝固結(jié)束。繼續(xù)冷卻時，共晶體中α和β相將各自沿MF和NG溶解度曲線變化而改變其固溶度，附注2.共晶組織MaterialPb－Si共晶組織從α和β中分別析出βII和αII。由于共晶體中析出的次生相常與共晶體中同類相結(jié)合在一起，所以在顯微鏡下難以分別出來，所以室溫組織為α＋β6/12/202321二元相圖2.共晶相圖(續(xù)）1.亞共晶合金（19%<Sn<61.9%）

成分位于M，E兩點之間的合金稱為亞共晶合金，因為它的成分低于共晶成分而只有部分液相可結(jié)晶成共晶體。室溫組織通常可寫為

α初+(α+β)+βIIMaterial2.亞共晶合金（19%<Sn<61.9%）MaterialPb－Sn亞共晶結(jié)晶過程示意圖附注液相共晶反應生成的(α+β)在冷卻過程中，會同時沿MF和NG變化，析出βII和αII，但是βII和αII

量很少，同時分別依附在β＋α上，不易分辨，所以室溫組織為α初+(α+β)+βII6/12/202322二元相圖2.共晶相圖(續(xù)）1.過共晶合金

成分位于E，N兩點之間的合金稱為過共晶合金。其平衡凝固過程及平衡組織與亞共晶合金相似，只是初生相為β固溶體而不是α固溶體。室溫時的組織為β初+(α+β)＋αII

。Material2.過共晶合金組織MaterialPb－Sn過共晶組織6/12/202323二元相圖2.共晶相圖(續(xù)）1.共晶相圖的組織MaterialPb－Sn共晶相圖組織分布圖6/12/202324二元相圖3.共晶組織形態(tài)1.三種常見共晶組織的立體圖Material6/12/202325二元相圖3.共晶組織形態(tài)（續(xù)）Material1.幾種常見共晶組織的圖6/12/202326二元相圖3.共晶組織形態(tài)（續(xù)）1.搭橋方式生長的共晶合金Material6/12/202327二元相圖4.共晶組織長大過程Material1.層片狀共晶的長大過程成分互惠－交替形核片間搭橋－促進生長

兩相交替分布共晶組織6/12/202328二元相圖5.共晶合金的不平衡結(jié)晶及組織偽共晶 不是共晶成分的合金獲得全部共晶體的組織。

離異共晶 在共晶相數(shù)量較多而共晶體數(shù)量很少的情況下，共晶體中與初晶相同的一相往往依附于初晶生長，而使共晶中的另一組成相留在晶界或枝間處，從而看不出典型的共晶組織形態(tài)。把這種兩相分離的共晶組織稱為離異共晶。MaterialMaterial6/12/202329二元相圖5.共晶合金的不平衡結(jié)晶及組織（續(xù)）1.共晶合金的不平衡結(jié)晶MaterialMaterial2.共晶合金的不平衡結(jié)晶組織6/12/202330二元相圖6.包晶相圖1.基本內(nèi)容?包晶相圖?典型合金的平衡結(jié)晶?包晶轉(zhuǎn)變機理及不平衡結(jié)晶Material6/12/202331二元相圖6.包晶相圖（續(xù)）1.包晶相圖具有包晶轉(zhuǎn)變特征的相圖。2.包晶轉(zhuǎn)變 一定成分的液相和一定成分的固相在恒溫下轉(zhuǎn)變成為另一固相。

以Pt-Ag相圖為例：

LC+αP

βDMaterialPt－Ag包晶相圖附注E點和書上的P點不一樣Material6/12/202332二元相圖1.典型合金的平衡結(jié)晶（1）w(Ag)為42.4％的Pt－Ag合金

結(jié)晶過程：液相：AC固相：AP

PDC發(fā)生共晶反應

LC+αP

βD

室溫組織：β＋αⅡ。6.包晶相圖（續(xù)）Material6/12/202333二元相圖1.典型合金的平衡結(jié)晶（2）42.4％＜w(Ag)＜66.3％的pt-Ag

結(jié)晶過程：

合金II緩冷至包晶轉(zhuǎn)變前的結(jié)晶過程與上述包晶成分合金相同，由于合金H中的液相的相對量大于包晶轉(zhuǎn)變所需的相對量，所以包晶轉(zhuǎn)變后，剩余的液相在繼續(xù)冷卻過程中，將按勻晶轉(zhuǎn)變方式繼續(xù)結(jié)晶出產(chǎn)β相，其成分沿CB液相線變化，而b相的成分沿DB線變化，直至t3溫度全部凝固結(jié)束。室溫組織：β＋αⅡ。6.包晶相圖（續(xù)）Material6/12/202334二元相圖1.典型合金的平衡結(jié)晶（3）10.5％＜w(Ag)＜42.4％

的Pt-Ag合金結(jié)晶過程：合金III在包晶反應前的結(jié)晶情況與（2）情況相似。室溫組織：

β＋αⅡ＋α＋βⅡ6.包晶相圖（續(xù)）Material6/12/202335二元相圖6.包晶相圖（續(xù)）1.包晶轉(zhuǎn)變機理及不平衡結(jié)晶包晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物β相包圍著初生相a，使液相與a相隔開，阻止了液相和a相中原子之間直接地相互擴散，而必須通過β相，這就導致了包晶轉(zhuǎn)變的速度往往是極緩慢的.顯然，影響包晶轉(zhuǎn)變能否進行完全的主要矛盾是所形成新相β內(nèi)的擴散速率。

實際生產(chǎn)中的冷速較快，包晶反應所依賴的固體中的原子擴散往往不能充分進行，導致包晶反應的不完全性，即在低于包晶溫度下，將同時存在未參與轉(zhuǎn)變的液相和a相，其中液相在繼續(xù)冷卻過程可能直接結(jié)晶出b相或參與其他反應，而a相仍保留在β相的心部，形成包晶反應的非平衡組織.2.擴散退火可以消除或改善包晶偏析MaterialMaterial6/12/202336二元相圖7.包晶轉(zhuǎn)變的應用1.細化晶粒2.軸承合金MaterialMaterial6/12/202337二元相圖8.其它類型的二元合金相圖1.具有穩(wěn)定化合物的相圖穩(wěn)定化合物——加熱時具有固定的熔點，在熔點以下保持固有的結(jié)構(gòu)不發(fā)生分解。在相圖上把這種化合物看做一個獨立組元，用一條垂線表示，并把相圖分成兩個獨立的相圖。例：Mg-Si系Material6/12/202338二元相圖8.其它類型的二元合金相圖（續(xù)）2.具有共析反應的相圖共析轉(zhuǎn)變—一定成分的固相在恒溫下同時析出兩個不同成分的固相。（屬于共晶型轉(zhuǎn)變，但是沒有液相參與反應）例：Fe-Fe3C系：

Material（PSK共析線）6/12/202339二元相圖小結(jié)1.二元相圖中，有水平線的地方必有三相平衡反應。2.三相平衡反應中，有液相參加的三相平衡反應－“晶”；沒有液相參加的三相平衡反應－“析”Material6/12/202340二元相圖9.二元相圖的分析方法及應用基本內(nèi)容二元相圖的一些幾何規(guī)律相區(qū)接觸法則二元相圖中的三元平衡區(qū)必定是一條等溫水平線。相區(qū)分析的一般步驟二元相圖的應用Material6/12/202341二元相圖9.二元相圖的分析方法及應用（續(xù)）相區(qū)接觸法則相圖中相鄰相區(qū)的相數(shù)差為一（點接觸除外）。即兩個單相區(qū)之間必定有一個由這兩個組成的兩相區(qū)；兩個兩相區(qū)之間必須以單相區(qū)或三相區(qū)（水平線）隔開。二元相圖中的三相平衡區(qū)必定是一條等溫水平線。相律：f=C-P+1=2-3+1=01.二元相圖的一些幾何規(guī)律Material6/12/202342二元相圖

看相圖中是否存在穩(wěn)定化合物。如存在的話，則將穩(wěn)定化合物作為獨立組元，把相圖分成幾個部分進行分析。確定各單相區(qū)及其中的相。根據(jù)相區(qū)接觸法則，確定各相區(qū)中的組成相，并分析各相界線及成分點的意義。找出三相共存水平線及與其點接觸的三個單相區(qū)。由三個單相區(qū)與水平線的相對位置確定三相平衡轉(zhuǎn)變的性質(zhì)。應用相圖分析具體合金的結(jié)晶過程和組織。利用杠桿定律計算兩相或兩組織的相對量。2.相區(qū)分析的一般步驟9.二元相圖的分析方法及應用（續(xù)）Material6/12/202343二元相圖3.二元相圖的應用應用相圖時要注意的問題相圖反映的是平衡條件下相的平衡，而不是組織的平衡。但是可以在相圖上標注出各相區(qū)的組織組成物。相圖給出的是平衡狀態(tài)時的情況。二元相圖只反映二元合金相的平衡關(guān)系。9.二元相圖的分析方法及應用（續(xù)）Material6/12/202344二元相圖2.根據(jù)相圖判斷合金的力學性能單相固溶體合金兩相混合物合金3.根據(jù)相圖判斷合金的熱處理可能性4.判斷合金的鑄造性能5.判斷合金的其它工藝性能壓力加工性切削加工性能3.二元相圖的應用9.二元相圖的分析方法及應用（續(xù)）Material6/12/202345二元相圖第四節(jié)鐵碳相圖和鐵碳合金c%2.11wt.%：碳鋼c%2.11wt.%：鑄鐵

1.前言Material6/12/202346二元相圖第四節(jié)鐵碳相圖和鐵碳合金Fe-C合金的基本相及組織

Fe-Fe3C相圖

基本內(nèi)容：Lessons6/12/202347二元相圖1.Fe-C合金的基本相及組織1.純Fe（pureiron):①C%0.0218wt.%，Tm=1538℃，有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：

1394℃：-Fe-Fe（A4轉(zhuǎn)變），晶體結(jié)構(gòu)由bcc

fcc

912℃：-Fe-Fe（A3轉(zhuǎn)變），晶體結(jié)構(gòu)由fcc

bcc②-Fe在770℃恒溫下發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變（A2轉(zhuǎn)變）；2.C在Fe中的間隙固溶體①鐵素體（ferrite）

C在-Fe中的固溶體，bcc晶格，含C量低，C%max=0.0218wt.%

（727℃），常用或F表示；②奧氏體（austenite）

C在-Fe中的固溶體，fcc晶格，C%max=2.11wt.%（1148℃），

常用或A表示6/12/202348二元相圖1.Fe-C合金的基本相及組織(續(xù))3.滲碳體（Fe3C,cementite）Fe3C：Fe與C的化合物（復雜間隙相，C%=6.69wt.%）

硬而脆，塑性差，網(wǎng)狀、粒狀、條狀等（由熱處理條件決定）

4.珠光體（pearlite)

共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物（共析體)，與Fe3C的機械混合物，常用P表示，

性能位于與Fe3C之間。5.萊氏體（ledeburite）共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物（共晶體），共析線以上溫度為與Fe3C的機械混

合物——高溫萊氏體（Ld）；共析線以下溫度為P與Fe3C的機械混

合物——低溫萊氏體（Ld’）。來氏體通常硬而脆，通常呈魚骨狀。

6.石墨（graphite）單質(zhì)的C（100%C），多出現(xiàn)在鑄鐵組織中，強度、硬度、塑性都

很低。6/12/202349二元相圖2.Fe-Fe3C相圖

1.三條水平線

①包晶轉(zhuǎn)變

1495℃，HJB：L0.53+δ0.090.17；

②共晶轉(zhuǎn)變即LLd1148℃，ECF：L0.43(2.11

+Fe3C6.69)

③共析轉(zhuǎn)變即

P，727℃，PSK（A1線）：

0.77(0.0218+Fe3C6.69)本節(jié)的主要內(nèi)容是闡述相圖中的幾條重要線。Lessons6/12/202350二元相圖2.Fe-Fe3C相圖(續(xù))2.三條重要的固態(tài)相變線①GS線（A3線）合金在冷卻過程中，的開始

線，也是加熱時的終了線。②ES線（Acm線）

C在中的固溶線，合金從1148℃

到727℃時，從中析出Fe3CⅡ，

2.110.77+Fe3CⅡ6.69③PQ線C在中的固溶線，合金從1148℃

冷到室溫時，從中析出Fe3CⅢ，

0.0218

0.001+Fe3CⅢ6.69Lessons6/12/202351二元相圖2.Fe-Fe3C相圖(續(xù))3.其它線①A2線（770℃）

的磁性轉(zhuǎn)變線，770℃時為

鐵磁性②A0線（230℃）

Fe3C的磁性轉(zhuǎn)變線，230℃時

Fe3C為鐵磁性Lessons6/12/202352二元相圖2.Fe-Fe3C相圖(續(xù))4.典型合金的結(jié)晶過程1）工業(yè)純鐵w(C)<0.0218%;

2)共析鋼w(C)=0.77%；

3)亞共析鋼0.0218%<w(C)<0.77%；

4)過共析鋼0.77%<w(C)<2.11%；

5)共晶白口鐵w(C)=4.30%；

6)亞共晶白口鐵2.11%<w(C)<4.30%；

7)過共晶白口鐵4.30%<w(C)<6.69%；Lessons6/12/202353二元相圖Lδ-Feγ-Feα-FeFeFe3C06.69727℃1148℃1495℃0.772.114.30PLd’L+γLd’+Fe3CP+Fe3C+Ld’P+αP+Fe3CA1A3ACmγ+α1227℃L+Fe3CLd鋼鑄鐵5.以組織標注的Fe-Fe3C相圖

6/12/202354二元相圖2.Fe-Fe3C相圖(續(xù))6.Fe-Fe3C相圖的組織

Lessons工業(yè)純鐵亞共析鋼共析鋼過共析鋼亞共晶鑄鐵共晶鑄鐵過共晶鑄鐵6/12/202355二元相圖2.Fe-Fe3C相圖(續(xù))6.Fe-C合金的分類及其組織類別合金C%(wt.%)組織舉例純鐵0.0218

+Fe3CⅢ

－－鋼亞共析鋼0.0218~0.77

+P+Fe3CⅢ

45鋼、20鋼

共析鋼0.77PT8過共析鋼0.77~2.11P+Fe3CⅡ

T10、T12鑄鐵亞共晶白口鐵2.11~4.3高溫：+Ld+Fe3CⅡ

室溫：P+Ld’+Fe3CⅡ

－－共晶白口鐵4.3高溫：Ld室溫：Ld’－－過共晶白口鐵4.3~6.69高溫：Ld+Fe3CⅠ

室溫：Ld’+Fe3CⅠ

－－注：鑄鐵中的C以Fe3C形式存在，其斷口通常呈白亮色，故稱為白口鑄鐵。

Lessons6/12/202356二元相圖3.C對Fe-C合金組織和性能的影響1-1.對組織的影響

碳含量對Fe-C合金組織的影響的示意圖如下：Material圖中，F(xiàn)——鐵素體；

P——燭光體；

Ld’——萊氏體；6/12/202357二元相圖3.C對Fe-C合金組織和性能的影響（續(xù)）1-2.對性能的影響

Material含碳量對Fe-C合金力學性能的影響6/12/202358二元相圖3.C對Fe-C合金組織和性能的影響（續(xù)）1-3.對工藝性能的影響適合鍛造：C%<2.11%，可得到單相組織。適合鑄造：C%～4.3%。，流動性好。適合冷塑變：C%<0.25%，變形阻力小。適合熱處理：0.0218~2.11，有固態(tài)相變。Material6/12/202359二元相圖4.雜質(zhì)元素對鋼的組織與性能的影響鋼中所包含的元素大致有：碳、硅、硫、磷、錳等5大元素和其他一些元素。它們對鋼的作用如下：Definition硅（Si）和錳（Mn）

硫（S）——有害元素，產(chǎn)生熱脆磷（P）——有害元素，產(chǎn)生冷脆氮（N）

氫（H）——產(chǎn)生氫脆氧（O）6/12/202360二元相圖4.雜質(zhì)元素對鋼的組織與性能的影響（續(xù)）左圖所示的是Fe-S二元相圖，從圖中可以看出S導致鋼產(chǎn)生熱脆的原因。6/12/202361二元相圖4.雜質(zhì)元素對鋼的組織與性能的影響（續(xù)）

左圖所示的是Fe-P二元相圖，從圖中可以看出P導致鋼產(chǎn)生冷脆的原因。6/12/202362二元相圖4.雜質(zhì)元素對鋼的組織與性能的影響（續(xù)）下面的Fe-N相圖表明，N對鋼的影響：使鋼的強度、硬度上升，但塑性、韌性下降。6/12/202363二元相圖4.雜質(zhì)元素對鋼的組織與性能的影響（續(xù)）氫和氧的影響：

①氫脆②白點③非金屬夾雜

Material6/12/202364二元相圖5.合金鑄錠的組織基本內(nèi)容Guidelines1.鑄錠的典型組織；2.鑄造缺陷；6/12/202365二元相圖1.鑄錠的典型組織鑄錠的組織從外至內(nèi)分為以下三種：