机械工程材料成型及工艺7

第4章二元合金相图及其应用•前言•相图的建立•匀晶相图•共晶相图回顾•基本概念•合金（alloy）、组元、合金系；•相、单相合金、多相合金。一、前言相图（phase）：描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的图解。又称状态图（statediagram）或平衡图（equilibriumdiagram）。二元系相图是研究二元体系在热力学平衡条件下，相与温度、成分之间关系的有力工具。根据相图可确定不同成分的材料在不同温度下组成相的种类、各相的相对量、成分及温度变化时可能发生的变化。二、相图的表示与建立CuNiwNi（％）温度/℃204060800100T11.相图的表示A2.相图的建立•方法：热分析法、金相分析法、硬度测定法、X射线衍射分析法、电阻试验法。•步骤：配制合金－测冷却曲线－确定转变温度－填入坐标－绘制图线。热分析法例用热分析法建立Cu－Ni合金系二元相图的步骤：配制一系列成分的铜镍合金；将这些合金熔化后，分别测出它们的冷却曲线；根据冷却曲线上的转折点确定各合金的凝固温度；将测得的数据引入温度－成分坐标系中；连接意义相同的点，得到相应的曲线；上述曲线将图面分隔为三个区域，各区间分别限定了一定的成分范围和温度范围，这些区间称为相区（phasefield）。通过必要的组织分析测出各相区所含的相，将它们的名称分别标注在相应的相区中，相区的建立工作即告完成。Cu－Ni合金相图的测绘说明：•所配制的合金数目越多，成分间隔愈小，所用金属的纯度越高，测温技术越先进，冷却速度越缓慢（一般应为0.5～1.5℃/min），所测得的相图越精确。三、匀晶相图•概念：两组元在液态、固态均无限互溶的合金状态图。当两个金属组元之间形成无限固溶体时，其条件为：两者的晶体结构相同，原子尺寸接近，Δr15％，两者具有相同的原子价的电负性。Cu－Ni匀晶相图（平衡图、状态图）平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+相图分析•点——左右两点为两种纯物质的熔点；•线——上：液相线（liquidus），下：固相线（solidus）；•域——液相区L、液－固两相区L＋α、相区α。•由液相直接结晶出单相固溶体的转变过程称为匀晶转变，匀晶转变式：L铜-镍合金匀晶相图CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+纯铜熔点纯镍熔点液相线固相线液相区固相区液固两相区匀晶合金的结晶过程acdT,CtLLL匀晶转变L冷却曲线匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+ababt1t2t3杠杆定律(推导、举例）1aT1cbCuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+xxLxαabacxxxxQabcbxxxxQLLLL杠杆定律：适用条件：两相区非平衡结晶•非平衡的概念；•晶内偏析或枝晶偏析；•解决的途径。固溶体凝固与纯金属凝固的比较•相同点：（1)基本过程：形核－长大；(2)热力学条件（能量条件）：ΔT0；(3)结构条件：结构起伏(相起伏）。•不同点：合金在一个温度范围内结晶；需要成分起伏。四、共晶相图•概念：二组元在液态下无限互溶，而在固态下仅有限溶解并发生共晶反应的合金系形成共晶相图。•例如：Pb－Sn系、Pb－Sb系、Cu－Ag系等。共晶相图PbSnSn%T,C铅-锡合金共晶相图液相线L固相线+L+L+固溶线固溶线共晶相图分析PbSnT,CL+L+L+共晶反应线表示从c点到d点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。cd共晶点表示e点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。eLec+dabSn%共晶反应要点PbSnT,CL+L+L+183ced共晶转变在恒温下进行。转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。Sn%X1合金结晶过程分析cefgX1T,CtLLLL+冷却曲线+ⅡⅡ1234{PbSnT,CL+L+L+183cedX2合金结晶过程分析（共晶合金）X2T,CtL(+)L(+)LL(+)共晶体冷却曲线(+)PbSnT,CL+L+L+183cedX3合金结晶过程分析（亚共晶合金）X3T,CtLL+(+)++Ⅱ12(+)+PbSnT,CL+L+L+183cedL+(+)+标注了组织组成物的相图3．包晶相图包晶转变：Ld+cePtAgAg%T,C铂-银合金包晶相图L+L+L+cedfgT,CtLL+L++Ⅱ4.共析相图共析转变：(+)共析体ABT,C+++cedL+L相图与性能的关系1.合金的使用性能与相图的关系固溶体中溶质浓度↑→强度、硬度↑组织组成物的形态对强度影响很大，组织越细密，强度越高。2.合金的工艺性能与相图的关系铸造性能液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶成分的合金），则流动性好，不易形成分散缩孔。锻造、轧制性能单相固溶体合金，变形抗力小，变形均匀，不易开裂。1．铁碳相图2．结晶过程3．成分-组织-性能关系4．Fe-Fe3C相图的应用铁碳合金的结晶第七讲1．铁碳相图(Fe-Fe3C相图)(1)Fe-Fe3C相图的组元●Fe——α–Fe、δ-Fe(bcc)和γ-Fe(fcc)强度、硬度低，韧性、塑性好。●Fe3C——熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。(2)Fe-Fe3C相图的相●Fe3C（Cem，Cm，渗碳体）——复杂晶体结构●液相L●δ相（高温铁素体）——δ–Fe（C）固溶体●γ相（A，奥氏体）——γ-Fe（C）固溶体●α相（F，铁素体）——α-Fe（C）固溶体(3)相图中重要的点和线液相线ABCD固相线AHJECF包晶线HJB，包晶点J共晶线ECF，共晶点CL4.3(A2.11+Fe3C)高温莱氏体,Le或Ld共析线PSK，共析点SA0.77(F0.02+Fe3C)珠光体,PES线：C在A中的固溶线PQ线：C在F中的固溶线2．铁碳合金的平衡结晶过程Fe-C合金分类工业纯铁——C%≤0.0218%钢——0.0218%＜C%≤2.11%亚共析钢＜0.77%共析钢＝0.77%过共析钢＞0.77%白口铸铁——2.11%＜C%＜6.69%亚共晶白口铁＜4.3%共晶白口铁＝4.3%过共晶白口铁＞4.3%类型亚共析钢共析钢过共析钢钢号204560T8T10T12碳质量分数／％0.200.450.600.801.001.20几种常见碳钢(1)工业纯铁(C%≤0.0218%)结晶过程室温组织F+Fe3CⅢ(微量)500×第八讲(2)共析钢(C%=0.77%)结晶过程室温组织:层片状P(F+共析Fe3C)500×(3)亚共析钢(C%=0.4%)结晶过程室温组织:F+P，500×(4)过共析钢(C%=1.2%)结晶过程室温组织:P+Fe3CII400×(5)共晶白口铁(C%=4.3%)结晶过程室温组织:（低温）莱氏体Le′（P+Fe3CII+共晶Fe3C）,500×莱氏体Le′的性能：硬而脆标注了组织组成物的相图3．铁碳合金的成分-组织-性能关系含碳量与相的相对量关系：C%↑→F%↓，Fe3C%↑含碳量与组织关系：图（a）和（b）含碳量与性能关系HB：取决于相及相对量强度：C%=0.9%时最大塑性、韧性：随C%↑而↓4．铁碳相图的应用钢铁选材：相图性能用途局限性相图反映的是平衡状态，与实际情况有较大差异。铸件选材和确定浇注温度确定锻造温度(在A区）制定热处理工艺复习——相与组织相：有一定的化学成分和晶体结构的均匀组成部分。合金中有两类基本相——固溶体和化合物组织：材料内部的微观形貌，体现相的形态、数量、大小和分布。金属材料性能由组织决定，而组织由化学成分和工艺过程决定。过共析钢x400第四章金属热处理及材料改性热处理的概念把固态金属材料在一定介质中的加热、保温和冷却，以改变其组织和性能的一种工艺。热处理的分类•根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点的不同，将热处理工艺分类：•普通热处理：退火、正火、淬火和回火；•表面热处理：表面淬火、化学热处理；•其他热处理：真空热处理、形变热处理、控制气氛热处理、激光热处理。加热和冷却对临界转变温度的影响1．奥氏体的形成——Fe，C原子扩散和晶格改变的过程。共析钢加热到Ac1以上时，P→A共析钢A化过程——形核、长大、Fe3C完全溶解、C的均匀化。亚（过）析钢的A化——P→A后，先共析F或Fe3CⅡ溶解。影响A转变速度的因素加热温度和速度↑→转变快C%↑或Fe3C片间距↓→界面多，形核多→转变快合金元素→A化速度↑或↓A晶粒度加热温度，保温时间↑→晶粒尺寸↓合金碳化物↑，C%↓→晶粒尺寸↓1.过冷A的等温转变过冷A:TA1时，A不稳定。A等温转变曲线(TTT或C曲线)共析钢的C曲线高温转变，A1~550℃过冷A→P型组织中温转变，550℃~MS过冷A→贝氏体(B)低温转变，MS~Mf过冷A→马氏体(M)01时间/sT/℃M+A'A1100200300400500600700800-100100101010102345AMsMf过冷A过冷AA→MA→下BA→S转变开始转变结束A→上BA→TA→PM下B上BTSP5~25HRC25~35HRC35~40HRC40~50HRC50~60HRC60~65HRCP型组织——F+层片状Fe3C珠光体P索氏体S屈氏体T层片间距：PST珠光体P，3800×索氏体S8000×屈氏体T8000×高温转变过程——晶格改变和Fe，C原子扩散。中温转变（550℃~MS）——C原子扩散，Fe原子不扩散过冷A→贝氏体B（碳化物+含过饱和C的F）上B，550~350℃产物——羽毛状，小片状Fe3C分布在F间。上B强度和韧性差光学显微照片1300×电子显微照片5000×45钢，上B+下B，×400下B，350℃~MS产物下B韧性高，综合机械性能好。F针内定向分布着细小Fe2.4C颗粒电子显微照片12000×T8钢，下B，黑色针状光学显微照片×400亚（过）共析钢过冷A的等温转变01时间/sT/℃A1100200300400500600700800-100100101010102345AA→BA→PBPM+A'MfMs01时间/sT/℃100200300400500600700800-100100101010234AA→BA→PBP+FM+A'A3A→FA+FMfMsA101时间/sT/℃A1100200300400500600700800-100100101010235AMsMfA→BA→PBP+Fe3CⅡM+A'AcmA→Fe3CⅡA+Fe3CⅡ104与共析钢相比，C曲线左移，多一条过冷AF（Fe3CⅡ）的转变开始线，且Ms、Mf线上（下）移。K10图2-70共析钢的等温转变曲线和连续冷却转变曲线的比较及转变组织温度/℃4000.1010200300-100V5V80070050060010时间/s10231041056104V（20℃）（-50℃）Mf（230℃）sMCCT曲线3VV2C曲线1A1V连续冷却转变产物CCT和TTT曲线的比较CCT位于TTT曲线右下方CCT中没有A→B转变炉冷→P(V≈０)空冷→S(V≤Vk')油冷→T+M+A'(Vk'～Vk)水冷→M+A'(V≥Vk)马氏体（M）转变特点1)无扩散Fe和C原子都不进行扩散，M是体心正方的C过饱和的F，固溶强化显著。2)瞬时性M的形成速度很快