工程材料與機械制造基礎第四章鐵碳合金

1、第第4 4章章 鐵鐵 碳碳 合合 金金 4-1 合金的相結構合金的相結構4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立一、合金概述一、合金概述二、固溶體二、固溶體一、二元相圖的建立一、二元相圖的建立二、杠桿定律二、杠桿定律三、金屬間化合物三、金屬間化合物4-3 鐵碳合金的結鐵碳合金的結 構和相圖構和相圖一、鐵碳合金的基本相和組織一、鐵碳合金的基本相和組織二、鐵碳合金相圖二、鐵碳合金相圖三、典型成分合金平衡結晶過程分析三、典型成分合金平衡結晶過程分析三、共晶相圖三、共晶相圖四、共析相圖四、共析相圖四、鐵碳合金的應用四、鐵碳合金的應用1、合金：合金：是指由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物

2、質。 組成合金的元素可以是全部是金屬，也可是金屬與非金屬。Al-Cu兩相合金兩相合金黃銅黃銅4-1 合金的相結構合金的相結構一、一、 合金概述合金概述2、組元：組元： 組元是指組成合金的最簡單、最基本、能夠獨立存在的物質。 多數情況下組元是指組成合金的元素。但對于既不發生分解、又不發生任何反應的化合物也可看作組元, 如Fe-C合金中的Fe3C。 液態合金在結晶時，組成合金的元素相互作用可形成具有一定晶體結構和一定成分的相。Al-Cu兩相合金兩相合金黃銅黃銅4-1 合金的相結構合金的相結構一、一、 合金概述合金概述3 3、相：、相：是指金屬或合金中凡成分相同、結構相同，并與其它部分有界面分開的均

3、勻組成部分。4 4、顯微組織：、顯微組織：實質上是指在顯微鏡下觀察到的金屬和合金中，由單相或多相組成的具有一定形態的聚合體。5 5、固態合金中的相分為兩類：、固態合金中的相分為兩類： 固溶體和金屬化合物。單相單相合金合金單相單相合金合金兩相兩相合金合金4-1 合金的相結構合金的相結構一、一、 合金概述合金概述 與合金晶體結構相同的組元稱溶劑，溶劑，其含量較多。其它組元稱溶質溶質。 固溶體是合金的重要組成相，實際合金多是單相固溶體合金或以固溶體為基的合金。 2、固溶體的分類：固溶體的分類： 按溶質原子所處位置分為置換固溶體置換固溶體和間隙固溶體間隙固溶體。4-1 合金的相結構合金的相結構二、二、

4、 固溶體固溶體 1、固溶體：固溶體：合金組元間通過相互溶解形成一種成分和性能均勻且結構與組元之一相同的固相稱固溶體固溶體。習慣以、表示。Cu-Ni置換固溶體置換固溶體Fe-C間隙固溶體間隙固溶體 置換固溶體置換固溶體溶質原子占據溶劑晶格某些結點位置所形成的固溶體。溶質原子在溶劑晶格中的溶解度有一定限度，形成有限置換固溶體；如果合金組元可以以任何比例相互溶解，形成無限置換固溶體。黃銅置換固溶體組織黃銅置換固溶體組織4-1 合金的相結構合金的相結構二、二、 固溶體固溶體 間隙固溶體間隙固溶體溶質原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的固溶體。形成間隙固溶體的溶質元素是原子半徑較小的非金 屬元素，如C、N、B等

5、，而溶劑元素一般是過渡族元素。會引起溶劑晶格畸變。l形成間隙固溶體的一般規律為r質/r劑0.59。l間隙固溶體只能是有限固溶體。4-1 合金的相結構合金的相結構二、二、 固溶體固溶體 3 3、固溶體的性能、固溶體的性能 隨溶質含量增加, 固溶體的強度、硬度增加, 塑性、韌性下降固溶強化。固溶強化。 產生固溶強化的原因是溶質原子使晶格發生畸變及對位錯的釘扎作用。 與純金屬相比，固溶體的強度、硬度高，塑性、韌性低。但與化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韌性則要高得多。4-1 合金的相結構合金的相結構二、二、 固溶體固溶體 合金中其晶體結構與各組元的晶體結構均不相同的固相稱金屬化合物金屬化合物。金

6、屬化合物具有較高的熔點熔點、硬度硬度和脆性脆性，并可用分子式表示其組成。鐵碳合金中的鐵碳合金中的Fe3C4-1 合金的相結構合金的相結構三、三、 金屬間化合物金屬間化合物Al-Mg-Si合金中的合金中的Mg2SiFe3C的晶格的晶格4-1 合金的相結構合金的相結構三、三、 金屬間化合物金屬間化合物 Fe3C稱滲碳體滲碳體，是鋼中重要組成相，具有復雜斜方晶格。 Fe3C中Fe原子可以部分地被其他金屬原子置換，形成以滲碳體為基的固溶體，如(Fe、Mn)3C 、(Fe、Cr)3C 等，稱為合金滲碳體合金滲碳體。Fe3C的晶格的晶格4-1 合金的相結構合金的相結構三、三、 金屬間化合物金屬間化合物4-

7、1 合金的相結構合金的相結構三、三、 金屬間化合物金屬間化合物金屬化合物一般具有復雜晶體結構，其熔點、硬度極高，脆性極大，塑性幾乎為零，如Fe3C的熔點為1227硬度為860HV。當合金中出現金屬化合物時，金屬化合物呈細小顆粒狀均勻分布在固溶體基體上，可提高其強度、硬度和耐磨性彌散強化彌散強化，但降低合金塑性。 金屬化合物也是合金的重要組成相。 合金的結晶過程比純金屬復雜，常用相圖相圖進行分析。 相圖相圖: :是用來表示合金系中各合金在緩冷條件下結晶過程的簡明圖解。又稱狀又稱狀態圖或平衡圖態圖或平衡圖。 相圖通常以溫度溫度和成分成分為獨立變量。1 1、相圖的相關概念、相圖的相關概念4-2 二元

8、合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立一、一、 二元相圖的建立二元相圖的建立合金系合金系: :是指由兩個或兩個以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。組元組元: :是指組成合金的最簡單、最基本、能夠獨立存在的物質。Cu-Ni合金相圖合金相圖L 成分（成分（wt %Ni）溫度（溫度（）CuNi一、一、 二元相圖的建立二元相圖的建立1 1、相圖的相關概念、相圖的相關概念4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立 相圖表示了在緩冷條件下不同成分合金的組織隨溫度變化的規律，是制訂熔煉、鑄造、熱加工及熱處理工藝的重要依據。根據組元數, 分為二元相圖、三元相圖和多元相圖。 幾乎所有的相圖都是通過

9、實驗得到的，最常用的是熱分熱分析法。析法。1 1、相圖的相關概念、相圖的相關概念一、一、 二元相圖的建立二元相圖的建立4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立 二元相圖的建立步驟為：二元相圖的建立步驟為：以Cu-Ni合金(白銅)為例 （1） 配制不同成分的合金，測出各合金的冷卻曲線，找出曲線上的臨界點。 （2） 將臨界點標在溫度成分坐標中的成分垂線上。 （3） 將垂線上相同意義的點連接起來，并標上相應的數字和字母。相圖中，結晶開始點的連線叫液相線液相線。結晶終了點的連線叫固相線固相線。一、一、 二元相圖的建立二元相圖的建立2 2、二元相圖的建立、二元相圖的建立4-2 二元合金狀態圖的建

10、立二元合金狀態圖的建立一、一、 二元相圖的建立二元相圖的建立2 2、二元相圖的建立、二元相圖的建立4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立25% %Ni0% %Ni50% %Ni75% %Ni100% %Nil兩組元在液態和固態下兩組元在液態和固態下均無限互溶時所構成的均無限互溶時所構成的相圖稱相圖稱二元勻晶相圖二元勻晶相圖, ,如如Cu-NiCu-Ni、 Cu-AuCu-Au、Au-Au-AgAg、Fe-CrFe-Cr等等 。l以以Cu-NiCu-Ni合金為例進行合金為例進行分析。分析。3、發生勻晶反應的合金的結晶發生勻晶反應的合金的結晶 一、一、 二元相圖的建立二元相圖的建立4-2

11、 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立相圖由兩條線構成，上面是液相線液相線，下面是固相固相線線。相圖被兩條線分為三個相三個相區區，液相線以上為液相區L ，固相線以下為固溶體區，兩條線之間為兩相共存的兩相區（L+ ）。 LL+ 成分成分（wt%Ni）溫度溫度（）CuNi液相線固相線3、發生勻晶反應的合金發生勻晶反應的合金的結晶的結晶 一、一、 二元相圖的建立二元相圖的建立4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立 除純組元外，其它成分合金結晶過程相似，以合金為例說明。 當液態金屬自高溫冷卻到 t1溫度時，開始結晶出成分為1的固溶體，其Ni含量高于合金平均成分L L+ 3、發生勻晶反應的

12、合金的結晶發生勻晶反應的合金的結晶 一、一、 二元相圖的建立二元相圖的建立4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立隨溫度下降，固溶體重量增加，液相重量減少。同時，液相成分沿液相線變化，固相成分沿固相線變化。l這種從液相中結晶出單一固相的轉變稱為這種從液相中結晶出單一固相的轉變稱為勻晶轉變勻晶轉變或或勻晶反應勻晶反應。3、發生勻晶反應的合金的結晶發生勻晶反應的合金的結晶 一、一、 二元相圖的建立二元相圖的建立4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立 成分變化是通過原子擴散成分變化是通過原子擴散完成的完成的。 當合金冷卻到當合金冷卻到t3t3時，最后時，最后一滴一滴L3L3成分的液

13、體也轉變為成分的液體也轉變為固溶體，此時固溶體的成分固溶體，此時固溶體的成分又變回到合金成分又變回到合金成分 3 3上來。上來。 液、固相線不僅是相區液、固相線不僅是相區分界線分界線, , 也是結晶時兩相的也是結晶時兩相的成分變化線；勻晶轉變是成分變化線；勻晶轉變是變變溫轉變溫轉變。3、發生勻晶反應的合金的結晶發生勻晶反應的合金的結晶 一、一、 二元相圖的建立二元相圖的建立4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立 處于兩相區的合金，不僅由相圖可知道兩平衡相的成分，還可用杠桿定律求出兩平衡相的相對重量兩平衡相的相對重量。現以Cu-Ni合金為例推導杠桿定律： 確定兩平衡相的成分：確定兩平衡

14、相的成分：設合金成分為x，過x做成分垂線。在成分垂線相當于溫度t 的o點作水平線，其與液固相線交點a、b所對應的成分x1、x2即分別為液相和固相的成分。12 t二、二、 杠桿定律杠桿定律4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立則 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x解方程組得 式中的x2-x、x2-x1、x-x1即為相圖中線段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)的長度。 確定兩平衡相的相對重量確定兩平衡相的相對重量設合金的重量為設合金的重量為1 1，液相重量為，液相重量為Q QL L，固相重量為，固相重量為Q Q 。二、二、 杠桿定律杠桿定律4-2 二元

15、合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立 因此兩相的因此兩相的相對重量百分比為：相對重量百分比為：兩相的重量比為：兩相的重量比為：二、二、 杠桿定律杠桿定律4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立 上式與力學中的杠桿定律完全相似，因此稱之為杠桿定律。 在杠桿定律中，杠桿的支點是合金的成分，杠桿的端點是所求的兩平衡相（或兩組織組成物）的成分。 杠桿定律只適用于兩相平衡區中，兩平衡相的相對含量。二、二、 杠桿定律杠桿定律4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立【例例】求出1300，53%Ni的Cu-Ni合金兩平衡相的相對重量。 當兩組元在液態下完全互溶，在固態下有限互溶,并發生共晶反應

16、時所構成的相圖稱作共晶相圖。共晶相圖。 以 Pb-Sn 相圖為例進行分析。Pb-Sn合金相圖合金相圖（wt%Sn）溫度（溫度（）PbSn三、三、 共晶相圖共晶相圖4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立1 1、 相圖分析相圖分析 相：相：相圖中有L、三種相, 是溶質Sn在 Pb中的固溶體， 是溶質Pb在Sn中的固溶體。 相區：相區：相圖中有三個單相區： L、；三個兩相區： L+、L+、+ ；一個三相區：即水平線CED。AB三、三、 共晶相圖共晶相圖4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立 固溶線固溶線: : 溶解度點的連線稱固溶線。相圖中的CF、DG線分別為 Sn在 Pb中和

17、Pb在 Sn中的固溶線。 固溶體的溶解度隨溫度降低而下降。 液、固相線：液、固相線：液相線AEB，固相線ACEDB。A、B分別為Pb、Sn的熔點。AB三、三、 共晶相圖共晶相圖4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立在一定溫度下，由一定在一定溫度下，由一定成分的液相同時結晶出成分的液相同時結晶出兩個成分和結構都不相兩個成分和結構都不相同的新固相的轉變稱作同的新固相的轉變稱作共晶轉變共晶轉變或或共晶反應共晶反應。 共晶線：共晶線：水平線CED叫做共晶線。 在共晶線對應的溫度下（183 ），E點成分的合金同時結晶出C點成分的 固溶體和D點成分的固溶體，形成這兩個相的機械混合物：LE (C

18、+ D)AB三、三、 共晶相圖共晶相圖4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立 共晶反應的產物，即兩相的機械混合物稱共晶體共晶體或共晶組織共晶組織。發生共晶反應的溫度稱共晶溫度共晶溫度。代表共晶溫度和共晶成分的點稱共晶點共晶點。Pb-Sn共晶組織共晶組織共晶體長大示意圖共晶體長大示意圖 Sn原子原子擴散擴散Pb原子原子擴散擴散三、三、 共晶相圖共晶相圖4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立 具有共晶成分的合金稱共晶合金共晶合金。在共晶線上在共晶線上，凡成分位于共晶點以左的合金稱亞共晶合金亞共晶合金，位于共 晶點以右的合金稱過過共晶合金共晶合金。 凡具有共晶線成分的合金液體冷卻

19、到共晶溫度時都將發生共晶反應。L+ CDAB三、三、 共晶相圖共晶相圖4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立2 2、合金的結晶過程、合金的結晶過程 含含SnSn量小于量小于C C點合金點合金(合金合金) )的結晶過程的結晶過程 在在3 3點以前為勻晶轉變，結晶出單相點以前為勻晶轉變，結晶出單相 固溶體，這種直接固溶體，這種直接從液相中結晶出的固相稱從液相中結晶出的固相稱一次相一次相或或初生相。初生相。.2三、三、 共晶相圖共晶相圖4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立 溫度降到溫度降到3 3點以下，點以下， 固溶體被固溶體被SnSn過飽和，由于過飽和，由于晶格不穩，開始析出

20、（晶格不穩，開始析出（相變過程也稱相變過程也稱析出）新相析出）新相 相。相。由由已有固相析出的新固相稱已有固相析出的新固相稱二次相二次相或或次生相。次生相。 形成二次相的過程稱形成二次相的過程稱二次析出二次析出, , 是固態相變的一種。是固態相變的一種。H三、三、 共晶相圖共晶相圖4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立 由于二次相析出溫度較低，一般十分細小。 由 析出的二次 用 表示。 隨溫度下降， 和 相的成分分別沿CF線和DG線變化， 的重量增加。Q Q%1004 FGFQ 室溫下的相對重量百分比為：三、三、 共晶相圖共晶相圖4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立 合金

21、室溫組織為合金室溫組織為 + + 。 成分大于成分大于 D D點點的合金的室溫組織的合金的室溫組織為為 + + 。ABCDEFG三、三、 共晶相圖共晶相圖4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立 共晶合金共晶合金(合金合金) )的結晶過程的結晶過程 液態合金冷卻到液態合金冷卻到E 點時同時被點時同時被Pb和和Sn飽和飽和, 發生共晶反應：發生共晶反應：LE ( C+ D) 。19.2wt%Sn溫度, 1三、三、 共晶相圖共晶相圖4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立層片狀層片狀(Al-CuAl2定向凝固定向凝固)條棒狀條棒狀(Sb-MnSb橫截面橫截面)螺旋狀（螺旋狀（Zn-

22、Mg）Pb-Sn共晶組織共晶組織 析出過程中兩析出過程中兩相相間形核、互相促相相間形核、互相促進、共同長大，因而進、共同長大，因而共晶組織較細，呈片、共晶組織較細，呈片、棒、點球等形狀。棒、點球等形狀。三、三、 共晶相圖共晶相圖4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立在共晶轉變過程中，在共晶轉變過程中，L L、 、 三相共存三相共存, , 三個相的量在不三個相的量在不斷變化，但它們各自成分是固斷變化，但它們各自成分是固定的。定的。共晶組織中的相稱共晶組織中的相稱共晶相共晶相. .共共晶轉變結束時，晶轉變結束時， 和和 相的相的相對重量百分比為：相對重量百分比為：E(61.9)D(97.

23、5)C(19.2)三、三、 共晶相圖共晶相圖4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立 共晶結束后，隨溫度下降， 和 的成分分別沿CF線和DG線變化，并從共晶 中析出 ，從共晶 中析出 ，由于共晶組織細， 與共晶結合， 與共晶 結合，共晶合金的室溫組織仍為 ( + ) 共晶體。Pb-Sn共晶合金組織共晶合金組織試問：室溫下試問：室溫下兩相兩相的的相對重量百分比是多相對重量百分比是多少？少？三、三、 共晶相圖共晶相圖4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立 亞共晶合金亞共晶合金(合金合金) )的結晶過程的結晶過程 合金液體在2點以前為勻晶轉變。冷卻到2點，固相成分變化到C點，液相成

24、分變化到E點, 此時兩相的相對重量為：三、三、 共晶相圖共晶相圖4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立 在在2 2點，具有點，具有E E點成分的剩余液體發生共晶反應：點成分的剩余液體發生共晶反應： L L ( ( + + ) ) ，轉變為共晶組織，共晶體的重量與轉變前，轉變為共晶組織，共晶體的重量與轉變前的液相重量相等的液相重量相等, , 即即Q QE E =Q =QL L 反應結束后，在共晶溫度下反應結束后，在共晶溫度下 、 兩相的相對重量百分比兩相的相對重量百分比為：為：三、三、 共晶相圖共晶相圖4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立 溫度繼續下降，將從一次 和共晶 中析出，從共晶 中析出。 室溫組織為室溫組織為 + (+ ( + + ) ) + + 亞共晶合金亞共晶合金的結晶過程的結晶過程三、三、 共晶相圖共晶相圖4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立 過共晶合金結晶過程過共晶合金結晶過程 與亞共晶合金相似，不同的是一次相為 , 二次相為。 室溫組織為室溫組織為 +(+( + + )+)+ 。三、三、 共晶相圖共晶相圖4-2 二元合金狀態圖的建立二元合金狀態圖的建立 組織組成物之間的差別主要在形態上，相與相之間的差別主要在結構組織組成物之間的差別主要在形態上，相與相之間的差別主要在結構和成分上。如和成分上。如 、 和共晶和共晶 的結構成分相