Ch.8相*衡与相图原理

发布于:2021-09-29 05:30:07

第八章 相*衡与相图原理
§8.1 相、相*衡与相律
一、相与相*衡 合金:由两种或两种以上的元素组成,其中至少有一种为 金属,组成具有金属性的材料称为合金。 组元:通常把组成材料的最简单、最基本、能够独立存在 的物质称为组元。 组织:人们用肉眼或借助某种工具(放大镜、光学显微镜、 电子显微镜等)所观察到的材料形貌。

组织组成物:组织中形貌相同的组成部分。

*衡状态:系统吉布斯自由能处于最低所对应的状态。 相:相是一个物系中,结构相同,成分和性能均一,并以 界面相互分开的组成部分。相与相之间的转变称为相变。 相*衡:指合金系中,参与结晶或相变的过程的各相之间 的相对量和相的浓度不再改变时所达到的一种动态*衡。 相图:表示合金系中合金状态、温度及成分之间关系的图 解。又称*衡图或状态图。

二、相律

?

吉布斯相律: f=c-p+2 C:系统的组元数 P:共存的*衡相数 f:自由度的数目,指给定合金系在*衡相数不变的 前提下,可独立改变(如温度、压力、浓度等)的数 目。
对于不含气相的凝聚系统,可视为恒压条件,相律表 述为: f=c-p+1

?

§8.2 二元相图
一、二元相图的表示与建立方法

二、杠杆定律

注:杠杆定律适用于*衡结晶 时的两相区。

三、二元相图的基本类型
(一)匀晶相图

(二)共晶相图

Pb-Sn共晶合金冷却曲线及凝固过程示意图

Pb-Sn共晶显微组织

Pb-Sn亚共晶合金冷却曲线及凝固过程 α+β

α

Wsn=50%的Pb-Sn合 金的室温显微组织

Wsn=85%的Pb-Sn合金的室温显微组织

Pb-Sn过共晶合金冷却曲线 及凝固过程示意图

(三)包晶相图

(四)其他类型的相图

Mg-Si相图

Cd-Sb相图

K-Na相图

Cu-Pb相图

Fe-B相图

合金相图示意图

Fe-Ti相图

四、二元相图的分析

包晶相图

共晶相图

陶瓷相图

五、相图与性能的关系

相图与合金硬度、强度及导电率之间的关系

相图与合金铸造工艺性能之间的关系

§8.3 铁碳相图
一、基本概念
相图:表示合金在缓慢冷却的*衡状态下相或者组织与温度、成 分间关系的图形,又称状态图或*衡图。 相图的分类(根据组元数量分) 二元相图(两个组元配成的合金体系) 三元相图(三个组元配成的合金体系) 液相线 ?相图的建立:实验测 定不同成分合金的转变 温度,将所有的开始转 变点连接起来,将所有 的转变结束点连接起来。 固相线

二、Fe-Fe3C相图
1、相图中的点(14个) (1)组元的熔点 A (0, 1538) 铁的熔点 D (6.69, 1227) Fe3C的熔点 (2)同素异构转变点 N(0,1394)δ-Fe ?γ-Fe G(0,912) γ-Fe ? α-Fe (3)碳在铁中最大溶解度点 P(0.218,727)碳在α-Fe 中的最大溶解度 E(2.11,1148)碳在 γ-Fe 中的最大溶解度 H (0.09,1495)碳在 δ-Fe中的最大溶解度 Q(0.0008,RT)室温下碳在α-Fe 中的溶解度

(4)三相共存点 S(共析点)(γ+α+Fe3C) C(共晶点)(γ+L +Fe3C) J(包晶点)(δ+γ+L ) (5)其它点

?B(0.53,1495)发生包晶反应时液相的成分 ?F(6.69,1148) 渗碳体 ? K (6.69,727) 渗碳体
2、相图中的线

液相线(ABCD):结晶时液相的成分,在其上体系为液相
固相线(AHJECF):结晶时固相的成分,其下为固相。

表示恒温转变的线:HJB 包晶转变、ECF 共晶转变、 PSK 共析转变 固溶度线: ES碳在奥氏体中的最大溶解度随温度的变化线 (温度?,最大溶解度? );(0.77%--2.11%)

PQ :碳在铁素体中的最大溶解度随温度的变化线 (温度? ,最大溶解度? ) (0.0008%—0.0218%)
同素异构转变线:NH 和 3、相图中的相区 单相区(4个+1个) ( L、 α 、γ、δ 、 Fe3C) 两相区(7个)L + δ, L + Fe3C,L + γ, δ + γ , γ +
γ + α

NJ,GS 和 GP

Fe3C , α + Fe3C

强调! 根据相图规则,两个单相区之间必然夹一个两相 区,两相区的两个相就由这两个单相区的相组成。
4、Fe-Fe3C相图中的转变

(1)匀晶转变:由液相直接结晶出单一固相的转变,属于非恒温转变。 过合金的成分点作垂直于横坐标的 直线,称为成分线
L ? δ : 由液相中直接结晶出δ相。(合金的成分线和AB线相交,即含碳 量Wc:0~0.53%)

L? γ : 由液相中直接结晶出γ相。(合金的成分线和BC线相交,即含碳 量Wc:0.53% ~ 4.3%
L? Fe3C : 由液相中直接结晶出Fe3C相。(合金的成分线和CD线相交,即 含碳量Wc:4.3%~6.69%

(2)同素异构转变 NH (开始线)
δ(b.c.c)? γ(f.c.c) γ(f.c.c) ? α

铁与碳形成固溶体之间的同素 异构转变

NJ(结束线)

GS(开始线)
GP(结束线)

(b.c.c)

(3)析出转变:从一个固相中析出另一个固相的转变。
温度降低,C在Fe中的溶解度也降低,合金的含碳量就超过溶解度,多余 的碳就以Fe3C析出。 二次渗碳体多以网状形式 析出 γ 析出,损害材料的强度、 Fe3CII (二次渗碳体) 塑性韧性
α

析出 Fe3CIII (三次渗碳体)

(4)恒温转变 1)包晶转变 → HJB 线
δH

d
γJ

L g

+

LB 0.53

1495? C

0.09

0.17

? 含义:由一定成分的液相和一定成分的固相生成另一个一定成分新固相 地反应---包晶转换反应。
(具有J点成分的铁-碳合金冷却至14950C,体系中的液相和δ相在转变过程 中恰好全部消耗完,得到单一的γJ 相。 )

? 发生包晶反应的合金成分: C%:0.09%--0.53% HJB线相交;
? ? 产物:单相奥氏体( γJ ) 包晶点 (J点):(0.17,1495)

即合金的成分线与

2)共晶转变 Lc 4.3 1148? C
γE

2.11

+

Fe3C 6.69

gE Fe3C

?

?

?

含义:由一定成分的液相在恒温下同时转变成两个一定成分的固相的 转变。 ( Fe- Fe3C系:由C点成分的液相在11480C下同时生成具有E点成分的 g 相和Fe3C。 ) 发生共晶反应的成分范围:Wc :2.11 %—6.69% (合金成分线与ECF 线相交) 产物:γE和Fe3C两相混合物,称为莱氏体。用Ld表示。 (Fe3C为基体; γE 呈粒状或杆状分布在基体上) 共晶点C (4.3,11480C)

?

3)共析转变
γs

727? C

αP

0.77
?

0.0218

+

Fe3C 6.69

?

? ?

含义:在恒温下由一个固定成分的固相同时生成两个固定成分的新固 相的转变。 (在Fe—Fe3C体系中,在7270C下由S点成分的g相同是生成P点成分 的α相和Fe3C; 产物: α相和Fe3C的两相混合物,以层片形式混合,称为珠光体, 用P表示。 合金范围: Wc: 0.0218 %—6.69%(合金成分线与PSK线相交) S点:共析点,(0.77,727) (具有S点成分的Fe—C合金冷却至 7270C时,合金全部发生共析转变,生成珠光体。)

5、典型铁碳合金结晶过程分析
方法和步骤
? ? ?

在相图的横坐标上找出给定的成分点,过该点作成分线; 在成分线与相图的各条线的交点作标记(一般用1、2、3、4等) 根据每条线表示的转变,写出每两个点之间或者重要点上发生的转变; 由液相分析至室温。

?

室温下该成分线所在的相区,合金室温下就具有那个相。组织组成物 则取决于冷却过程中发生的转变。

6、几种典型铁碳合金的结晶过程分析

亚共析钢的室温组织

铁素体

珠光体

(a)片状珠光体 (b) 球状珠光体
P

F

F
Fe3C 共析钢凝固 8000×

过共析钢室温*衡组织

共晶白口铸铁的室温组织

网状渗碳体

Fe3C

Ld’

亚共晶白口铸铁在室温下的组织

过共晶白口铸铁冷却到 室温后的组织

工业纯铁的显微组织

铁 碳 相 图 分 析

四、碳对铁碳合金*衡组织和力学性能的影响
1、铁碳合金按碳的质量分数和*衡组织的分类 工业纯铁 Wc<0.0218% 组织:铁素体和少量三次渗碳体

亚共析钢(Wc<0.77%)
钢 共析钢(Wc=0.77%)

组织:铁素体和珠光体
组织:珠光体

过共析钢( Wc>0.77%)

组织:珠光体和二次渗碳体

亚共晶白口铸铁 (Wc>2.11%) 组织:珠光体+二次渗碳体 +莱氏体 白口铸铁 共晶白口铸铁 (Wc=4.3%) 过共晶白口铸铁 (Wc>4.3%) 组织:莱氏体 组织:一次渗碳体+莱氏体

2、碳对合金*衡组织的影响( Fe3C的形态)

F+Fe3CIII
含 碳 量 逐 渐 增 加 F+P P P+ Fe3CII

Fe3C位于晶界,细小的薄片
Fe3C呈层片状与铁素体片混合(相间 ) Fe3C呈层片状与铁素体片混合(相间 )

Fe3C呈层片状与铁素体片混合(相间 )还有 一部分Fe3C沿晶界分布呈连续网状
Fe3C呈层片状与铁素体片混合(相间 ) Fe3C作为莱氏体的基体

P+Fe3CII+L’d L’d L’d +Fe3CI

Fe3C作为莱氏体的基体 Fe3C为粗大长片状

Fe3C作为莱氏体的基体

A

B
铸铁流动性 (mm)

温度

E

C
2000

铸钢流动性 (mm)
400 300 200 100 0

1500 1000 过热150℃ 过热50℃ 500

Fe

1

2 C%

3

4

5

6

C

0

铁碳合金流动性与含碳量的关系


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