1、工程材料王金星材料科學與工程學院郵箱： 電話： Engineering Materials 第四章二元相圖及應用第四章二元相圖及應用重要概念 相圖 描述系統的狀態、溫度、壓力及成分之間關系的一種圖解。 狀態 指系統中的各相的凝聚狀態、相的類型等。 相變合金中的相從一種類型轉變為另一種類型的過程。特別提示相圖是在熱力學平衡的條件下建立起來的。測定相圖最常用的方法是熱分析法，它要求在合金冷卻時，其冷卻速度非常緩慢，從而能夠滿足熱力學平衡的條件。因此相圖又稱為平衡相圖，平衡圖。相圖的作用利用相圖，可以了解不同成分的材料在不同條件下：存在哪些相；各相的相對量；成分、溫度變化時材料中發生的相變。4.1二

2、元相圖的建立熱分析法（以CuNi合金為例）1、配制一系列不同成分的CuNi合金； 例如：100%Cu、80%Cu20%Ni、60%Cu40%Ni、40%Cu60%Ni、 20%Cu80%Ni、100%Ni等6個合金。2、分別測定上述合金的冷卻曲線；3、在冷卻曲線上找出合金的各個臨界點； 臨界點指合金在冷卻時凝固開始和凝固終了的溫度點。4、將各臨界點標在相圖的坐標平面上； 二元相圖的坐標平面，其縱座標為溫度，橫座標為成分。5、在相圖平面上將性質相同的臨界點分別連接起來，即建立起相圖。CuNi20406080wNi(%)時間溫度wNi=100%wNi=80%wNi=60%wNi=40%wNi=20

3、%Cu-Ni二元合金相圖的建立wCu=100%4.1二元相圖的建立4.2二元相圖的基本類型與分析一、二元勻晶相圖勻晶反應（轉變）：從液相中直接結晶出固溶體的反應（轉變）。L勻晶相圖：兩組元在液態和固態下均能無限互溶，冷卻時發生勻晶反應的相圖。 具有勻晶相圖的二元合金系：CuNi、AuAg、FeNi、CuAu、CrMo等。相圖分析的內容： 相圖的基本分析對相圖中的各個點、各條線和各個面（區域）進行分析。 典型合金的結晶過程分析選擇若干典型合金，分析它們從高溫冷卻至室溫過程中所發生的各種變化。CuNi20406080wNi(%)液相線固相線ABLL結晶過程兩個方面的變化：L相和相的成分分別沿著液相

4、線和固相線變化；L相和相的相對量不斷變化。Cu-Ni合金相圖合金結晶開始的溫度連線合金結晶終了的溫度連線4.2二元相圖的基本類型與分析溫度CuNi20406080wNi(%)ABLLCu-Ni合金相圖4.2二元相圖的基本類型與分析勻晶轉變.swf溫度4.2二元相圖的基本類型與分析杠桿定律：杠桿定律用于二元合金處于兩相平衡時，兩個相的相對量的計算。枝晶偏析：實際生產時，合金的結晶過程是非平衡的。所謂偏析是指固溶體在結晶過程中先結晶的部分與后結晶的部分存在成分LLxx1x2x1xx2CuNi差異的現象。晶內偏析就是發生在一個晶粒內的成分不均勻現象。合金在結晶時通常以樹枝狀形式長大，從而造成了樹干和

5、樹枝在成分上的差異，這就是枝晶偏析。枝晶偏析是一種冶金缺陷。枝晶偏析一般可以通過均勻化退火(或稱擴散退火)予以減輕或消除。T4.2二元相圖的基本類型與分析CuNi合金鑄態（枝晶偏析）CuNi合金退火態二、二元共晶相圖共晶反應（轉變）：從液相中同時結晶出兩種不同的固相的反應（轉變）。L 共晶相圖：兩組元在液態無限互溶、固態有限互溶或完全不互溶，冷卻時發生共晶反應的相圖。 具有共晶相圖的二元合金系：PbSn、AlAg、AlSi、PbBi等。 以下以PbSn合金為例對相圖進行分析。4.2二元相圖的基本類型與分析PbSn20406080wSn(%)ABLL L MNFGE123412123123Pb-

6、Sn合金相圖4.2二元相圖的基本類型與分析4.2二元相圖的基本類型與分析ABFGPbSn20406080LL L MNE123412123123共晶轉變.swfPbSn20406080wSn(%)ABLL L ( ) II MNFGE按組織組成物填寫的Pb-Sn合金相圖( ) ( ) II II II 4.2二元相圖的基本類型與分析三、二元包晶相圖包晶反應（轉變）：已從液相中結晶出的固相與液相作用，生成一種新的固相的反應。L 包晶相圖：兩組元在液態無限互溶、固態有限互溶或完全不互溶，冷卻時發生包晶反應的相圖。 具有包晶反應的二元合金系：PtAg、SnSb、CuSn、CuZn等。 以下以PtAg

7、合金為例對相圖進行分析。4.2二元相圖的基本類型與分析PtAg20406080wAg(%)ABLL L ED12312123PCF453Pt-Ag合金相圖4.2二元相圖的基本類型與分析MgSi20406080wAg(%)ABL + MgLEDCFPMNQMg2Si L + Mg2Si L + SiMg + Mg2Si Mg2Si + SiL + Mg2Si Mg-Si合金相圖4.2二元相圖的基本類型與分析四、形成穩定化合物的二元相圖穩定化合物：具有一定熔點、在熔點以下保持其固有結構而不發生分解的化合物。 形成穩定化合物的二元合金系：MgSi、MnSi、FeP、CuSb等。五、具有共析反應的二元

8、相圖4.2二元相圖的基本類型與分析wB(%)AL1 2DCEL12B1B2A1A2B 1 2具有共析反應的二元合金相圖共析反應（轉變）：一定成分的固相，在一定溫度下，同時析出兩種化學成分和結構完全不同的新的固相的反應（轉變）。 1 2 共析相圖與共晶相圖在形狀上很相似，但發生的反應完全不同。共析相圖的分析方法與共晶相圖類似。4.2二元相圖的基本類型與分析鐵碳合金：以鐵和碳為基本組元的合金。兩大類鐵碳合金：碳在鐵碳合金中的存在形式： C溶入Fe的晶格間隙中形成間隙固溶體（鐵素體、奧氏體）。 C與Fe作用形成化合物(Fe3C）。 以游離態（石墨）存在。當C主要以Fe3C形式在鋼中存在時，鐵碳合金的

9、組成相就是Fe和Fe3C。本節討論的鐵碳相圖即為FeFe3C相圖。4.3鐵碳合金相圖碳鋼（C%2.11%）鑄鐵（C%2.11%）鐵碳合金鐵碳合金（重點）4.3鐵碳合金相圖 -Fe（A） -Fe（F） -Fe（F） -Fe（F）一、鐵碳合金中的基本相（一）鐵素體（ferrite) 符號： 或 F。 定義：碳溶解在體心立方晶格的Fe中形成的間隙固溶體。碳溶解在體心立方晶格的Fe中形成的間隙固溶體也是鐵素體，為了區別起見，稱為 鐵素體或高溫鐵素體。性能：強度和硬度低，塑性和韌性高。HB5080， 3050%。4.3鐵碳合金相圖（二）奧氏體（austenite) 符號： 或 A。 定義：碳溶解在面心立

10、方晶格的Fe中形成的間隙固溶體。性能：強度和硬度較低，塑性和韌性高。HB170220， 3050%。 相比鐵素體，奧氏體可溶入更多的碳，強度和硬度更高。（三）滲碳體（cementite) 符號：Cm 或 Fe3C。 定義：碳和鐵相互作用形成的間隙化合物。性能：熔點高，硬度高，脆性大，塑性幾乎為零。HB800， 0%。4.3鐵碳合金相圖LL+ L+Fe3C +Fe3C+Fe3C + L+ +Fe3C (0.09)(0.53)(0.17)(0.77)(0.0218)(2.11)(4.3)1495C1148C727C1538C1227C1394C912CFeFe3C相圖4.3鐵碳合金相圖二、鐵碳合金

11、相圖分析（一）FeFe3C相圖中的特性點 4.3鐵碳合金相圖符號溫度/CC%說明A15380純鐵的熔點B14950.53包晶轉變時液態合金的成分（C%）C11484.3共晶點D12276.69滲碳體的熔點E11482.11碳在Fe中的最大溶解度F11486.69滲碳體的成分G9120FeFe的轉變溫度（A3）H14950.09碳在Fe中的最大溶解度J14950.17包晶點K7276.69滲碳體的成分N13940FeFe的轉變溫度（A4）P7270.0218碳在Fe中的最大溶解度S7270.77共析點（A1）Q室溫0.0008室溫時碳在Fe中的溶解度（二）FeFe3C相圖中的特性線1、液、固相線

12、液相線：ABCD；固相線：AHJECF2、三條水平線HJB線：包晶線（1495C）包晶反應：ECF線：共晶線（1148C）共晶反應：PSK線：共析線（727C），又標記為A1線共析反應：4.3鐵碳合金相圖L0.530.090.171495CL4.32.11 Fe3C1148C萊氏體（ledeburite），符號：Ld0.770.0218 Fe3C727C珠光體（pearlite），符號：P3、三條固態轉變線GS線：ES線：碳在奧氏體（ ）中的固溶度曲線，又標記為Acm線PQ線：碳在鐵素體（）中的固溶度曲線4.3鐵碳合金相圖 轉變溫度線，又標記為A3線加熱冷卻 Fe3C加熱冷卻 Fe3C加熱冷卻

13、 五種形態不同的滲碳體：一次滲碳體（Fe3C）：從液相中析出的滲碳體。共晶滲碳體：共晶反應中生成的滲碳體。二次滲碳體（Fe3C） ：從奧氏體中析出的滲碳體。共析滲碳體：共析反應中生成的滲碳體。三次滲碳體（Fe3C） ：從鐵素體中析出的滲碳體。LL+L+Fe3C +Fe3C+Fe3C + L+ +Fe3C (0.09)(0.53)(0.17)(0.77)(0.0218)(2.11)(4.3)1495C1148C727C1538C1227C1394C912C4.3鐵碳合金相圖三、典型鐵碳合金的平衡結晶過程分析工業純鐵（C%0.0218%）共析鋼（C%0.77%）共晶白口鑄鐵（C%4.3%）亞共晶白

14、口鑄鐵（C%2.114.3 %）過共晶白口鑄鐵（C%4.36.69 %）過共析鋼（C%0.772.11%）亞共析鋼鐵（C%0.02180.77%）FFe3C工業純鐵（wc=00.0218%）的室溫組織FFe3C4.3鐵碳合金相圖共析鋼（wc=0.77%）的室溫組織：PFFe3CP4.3鐵碳合金相圖圖4-16 共析鋼結晶過程示意圖亞共析鋼（wc=0.0218 0.77%）的室溫組織:FPFP4.3鐵碳合金相圖圖 亞共析鋼結晶過程示意圖過共析鋼（wc= 0.77 2.11%）的室溫組織：P Fe3CFe3CP4.3鐵碳合金相圖圖 過共析鋼結晶過程示意圖共晶白口鑄鐵（wc= 4.3%）的室溫組織:L

15、dFe3CPLd4.3鐵碳合金相圖圖 共晶白口鐵鋼結晶過程示意圖亞共晶白口鑄鐵（wc= 2.114.3%）的室溫組織: P Fe3CII LdFe3CPLd4.3鐵碳合金相圖圖 亞共晶白口鐵鋼結晶過程示意圖過共晶白口鑄鐵（wc= 4.3 6.69%）的室溫組織Fe3C LdFe3CLd4.3鐵碳合金相圖按組織組成物標注的Fe-Fe3C相圖LL+L+Fe3C + L+ +Fe3C (0.09)(0.53)(0.17)(0.77)(0.0218)(2.11)(4.3)1495C1148C727C1538C1227C1394C912CFe3CIII+P + Fe3CII PP+ Fe3CII P+

16、Fe3CII+LdLd + Fe3CII+LdFe3CI+LdFe3CI+LdLd4.3鐵碳合金相圖鐵碳相圖結晶過程.swf4.3鐵碳合金相圖四、含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響1、含碳量對鐵碳合金平衡組織的影響對相組成物的影響鐵碳合金室溫下的相組成物：F和Fe3C。隨C%升高，F的相對量減少，Fe3C的相對量增多。對組織組成物的影響鐵碳合金室溫下的組織組成物：F、Fe3C、P、Fe3C、Ld、Fe3C。隨C%升高，F的相對量減少，Fe3C的相對量增多，其余組織的相對量在達到其特性成分點時達到最大值。4.3鐵碳合金相圖2、含碳量對鐵碳合金力學性能的影響鐵素體（F）：軟韌相；滲碳體（Fe3C）：硬脆相。對硬度的影響隨C%升高，硬度逐漸增大。對強度的影響隨C%升高，