相图分析.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,当两组元在液态下完全互溶，在固态下,有限,互溶，并发生,共晶反应,时所构成的相图称作,共晶相图,。,Pb-Sn,合金相图,成分（,wt%Sn,）,温度（）,Pb,Sn,共晶相图,相图分析,相：,相图中有,L,、,、,三种相。,A,B,相区：,相图中有三个单相区：,L,、,、；,三个两相区：,L+,、,L+,、,+,；,一个三相区：即水平线,CED,。,A,B,固溶线,:,溶解度点,的连线称固溶线。,液固相线,：液相线,AEB,，固相线,ACEDB,。,A,、,B,分,别为,Pb,、,Sn,的熔点。,A,B,相图中的,CF,、,DG,线分,别为,Sn,在,Pb,中和,Pb,在,Sn,中的固溶线。,固溶体的溶解度随温度,降低而下降。,在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作,共晶转变,或,共晶反应,。,共晶线：水平线,CED,。,在共晶线对应的温度下（,183,），,E,点成分的合金同时结晶出,C,点成分的,固溶体和,D,点成分的,固溶体,，形成这两个相的机械混合物：,L,E,(,C,+,D,),A,B,共晶反应的产物，即两相的机械混合物称,共晶体,或,共晶组织,。,发生共晶反应的温度称,共晶温度,。,代表共晶温度和共晶成分的点称,共晶点,。,具有共晶成分的合金称,共晶合金,。在共晶线,上，凡成分位于共晶点以左的合金称,亚共晶合,金,；位于共,晶点以右的合金称,过共晶合金,。,凡具有共晶线,成分的合金液,体冷却到共晶,温度时都将发,生共晶反应。,L+,C,D,A,B,合金的结晶过程,含,Sn,量小于,C,点合金,(,合金,),的结晶过程在,3,点以前为匀晶转变，结晶出单相,固溶体，这种直,接从液相中结晶出的固相称,一次相或初生相,。,.2,温度降到,3,点以下，固溶体中的,Sn,过饱和，由于晶格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相,相。由已有固相析出的新固相称,二次相或次生相,。,由 析出的二次 用,表示。,结晶过程中，各相溶质浓度,(,成分,),，各相的含量是多少？,室温下,的相对重量百分比为：,随温度下降，,和,相的成分分别沿,CF,线和,DG,线变化，,的重量增加。,由于二次,相析出温,度较低，,一般十分,细小。,合金室温组织为,+,。,成分大于,D,点合金结晶,过程与,合金相似，室,温组织为,+,。,A,B,C,D,E,F,G,合金的结晶过程,共晶合金,(,合金,),的结晶过程,液态合金冷却到,E,点时，,Pb,和,Sn,同时饱和，发,生共晶反应：,L,E,(,C,+,D,),。,19.2,wt%Sn,温度,1,析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长,大，因而共晶组织较细，呈,片、棒、点球,等形,状。,共晶组织形态,Pb-Sn,共晶组织,在共晶转变过程中，,L,、,、三相共存,三个相,的量在不断变化，但各自,成分固定。,共晶组织中的相称,共晶相,。,E(61.9),D(97.5),C(19.2),共晶转变结束时，,和,相的相对重量百分比为：,共晶结束后，随温度下降，,和,的成分分别沿,CF,线和,DG,线变化，并从共晶,中析出,，从共,晶,中析出,，由于共晶组织细，,与共晶,结合，,与共晶,结合，共晶合金的室温组织仍,为,(,+,),共晶体。,Pb-Sn,共晶合金组织,室温下两相的相对重量百分比是多少？,.2,E,合金的结晶过程,亚共晶合金,(,合金,),的结晶过程,合金液体在,2,点以前为匀晶转变。冷却到,2,点，,固相成分变化到,C,点，液相成分变化到,E,点。,此时两相的相对重量为：,在,2,点，具有,E,点成分的剩余液体发生共晶反应：,L,(,+,),，,Q,E,=Q,L,反应结束后，在共晶温度下,、,两相的相对重,量百分比为：,温度继续下降，将从一次,和,共晶,中析出,，从共晶,中,析出,。其室温组织为,+,(,+,)+,。,亚共晶合金的结晶过程,过共晶合金结晶过程,与亚共晶合金相似，不同,的是一次相为,二次相,为,。,室温组织为,+(,+,)+,。,Pb-Sn,合金的结晶过程,组织组成物之间的差别主要在形态上。如,、,和共晶,的结构成分相同，属同一个相，但,它们的形态不同，分属不同的组织组成物。,组织组成物,：组成合金显微组织的独立部分。,3,、二元包晶相图,当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，,并,发生包晶反应,时所构成的相图称作,包晶相图,。,L+,L+,L,+,单相区：,L,、,、,二相区：,L+,、,L+,、,+,三相区：,L,+,+,（水平线,PDC,）,在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另一新固相的反应称,包晶转变,或,包晶反应,。,水平线,PDC,称,包晶线,。,与该线成分对应的合金在该温度下发生包晶反应：,L,C,+,P,D,。,该反应是液相,L,包着固相,新相,在,L,与,的界,面上形核，并向,L,和,两个方向长大。,合金的结晶过程,(1),包晶成分合金：匀晶,包晶二次析出。,室温组织为,+,II,(2)PD,成分,合金：匀晶,包晶二次析出。,室温组织为,+,II,+,+,II,时间,温度,(3)DC,成分,合金：匀晶,包晶,匀晶,二次析出。,室温组织为,+,II,。,时间,温度,形成稳定化合物的二元相图,稳定化合物是指在熔化前不发生分解的化合物,(,如,Mg-Si,系的,Mg,2,Si,和,Fe-C,系的,Fe,3,C),。,其成分固定，在相图中是一条垂线,(,代表一个单相,区,),。,分析方法：可把稳定,化合物当作纯组元看,待，将相图分成几个,部分进行分析。,Mg,2,Si,Mg,2,Si+Si,Mg+Mg2Si,Si,L+Mg2Si,L+Si,L+Mg2Si,L+Mg,单相固溶体的合金：,性能随成分呈抛物线变化。,4,、根据相图判断合金性能,相图机械性能的关系,共晶合金,两相机械混合物的合金,:,性能与合金成分呈直线关,系，是两相性能的算术平,均值。,混,=,Q,+,Q,HB,混,=HB,Q,+HB,Q,(,Q,、,Q,为两相相对重量,),形成稳定化合物的合金：,性能,-,成分曲线出现拐点。,固溶体合金,:,液固相线间距越大、偏析倾向大,树枝晶发达,流动性降低,补缩能力下降,分散缩孔增加,.,共晶合金,:,结晶温度低，流动性好，缩孔集中，偏析小，铸造性能好。,相图铸造性能的关系,相图与铸造性能的关系,显微缩松,缩孔,使用性能与相图的关系,工艺性能与相图的关系,第三节 铁碳合金相图,铁碳合金,碳钢,和,铸铁,，是工业应用最广的合金。,含碳量为,0.02%2.14%,的称碳钢,含碳量,2.14%,的称铸铁。,一、,Fe-Fe,3,C,相图分析,组元：,Fe,、,Fe,3,C,1539,1392,911,768,当碳在铁中的含量超过溶解度时，多余碳以,Fe,3,C,形式存在于铁碳合金，称为,渗碳体,。,Fe,3,C,硬度高、强度低,(,b,35MPa,),脆性大,塑性几乎为零。,Fe,3,C,是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：,Fe,3,C3Fe+C(,石墨,),该反应对铸铁有重要意义。,碳在铁中的固溶度,铁素体,奥氏体,碳在,-Fe,中的固溶体称,-,铁素体,，用,表示。,都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在,727,时最大为,0.02%,，室温下仅为,0.008%,。,铁素体的组织为多边形晶粒，,性能与纯铁相似,。,铁素体,(1),铁素体：,碳在,-Fe,中的固溶体称,铁素体,用,F,或,表示。,0.008%,0.02%,-,铁素体,-,铁素体,(2),奥氏体,:,碳在,-Fe,中的固溶体称奥氏体。用,A,或,表示。,是面心立方晶格的间隙固溶体。,组织为不规则多面体,晶粒，晶界较直。强,度低、塑性好，钢材,热加工都在,区进行。,碳钢室温组织中无奥,氏体。,奥氏体,奥氏体,溶碳能力比铁素体大，,1147,时最大为,2.14%,。,特性点,L,J,N,G,+Fe,3,C,+Fe,3,C,L,+Fe,3,C,L+,+,特征线,液相线,ABCD,，,固相线,AHJECF,L,J,N,G,+Fe,3,C,+Fe,3,C,L,+Fe,3,C,L+,+,三条水平线：,HJB,：,包晶线,L,B,+,H,J,L,J,N,G,+Fe,3,C,+Fe,3,C,L,+Fe,3,C,L+,+,ECF,：,共晶线,L,C,E,+Fe,3,C,共晶产物是,与,Fe,3,C,的,机械混合物，称作,莱氏,体,，用,Le,表示。为蜂窝,状，以,Fe,3,C,为基，性能,硬而脆。,L,J,N,G,+Fe,3,C,+Fe,3,C,L,+Fe,3,C,L+,+,PSK,：共析线,S,F,P,+Fe,3,C,共析转变的产物是,与,Fe,3,C,的机械混合物，称作,珠光体,，用,P,表示。,珠光体,L+,L+,L+Fe,3,C,+,+Fe,3,C,+,F+Fe,3,C,珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布,性能介于两相之间。,PSK,线又称,A,1,线,。,2.14,其它相线,GS,GP,固溶体转,变线，,GS,又称,A,3,线,HN,JN,固溶体转,变线,ES,碳在,-Fe,中的固溶,线。,又称,A,cm,线,2.14,相区,六个单相区：,Fe,、,Fe,3,C,、,L,、,、,、,七个两相区,:,L+,、,L+,、,L+Fe,3,C,、,+,、,+Fe,3,C,、,+,、,+Fe,3,C,L,L+,+,+Fe,3,C,+Fe,3,C,L+,L+Fe,3,C,+,三个三相区：,三条水平线,HJB(L+,+,),、,ECF(L+,+Fe,3,C),、,PSK(,+,+Fe,3,C),(,一,),工业纯铁,(0.02%C),组织为单相铁素体,(,二,),钢,(0.022.14%C),高温组织为单相,亚共析钢,(0.020.77%C),共析钢,(0.77%C),过共析钢,(0.772.14%C),铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：,亚共析钢,共析钢,过共析钢,共晶白口铁,过共晶白口铁,亚共晶白口铁,工业纯铁,2.14,二、,Fe-Fe,3,C,合金的平衡结晶过程,(,三,),白口铸铁,(2.146.69%C),铸造性能好,硬而脆,亚共晶白口铸铁,(2.144.3%C),共晶白口铸铁,(4.3%C),过共晶白口铸铁,(4.36.69%C),2.14,工业纯铁的结晶过程,1-2,点间转变为,，,3-4,点间,，,5-6,点间,7,点开始，从,中析出,Fe,3,C,。,N,S,J,B,H,L+,+,+,2.14,共析相图与共晶相图相似,共析线,(PSK,线,),、,共析点,(S,点,),、,共析温度,、,共析成分,、,共析合,金,(,共析成分合金,),、,亚共析合金,(,共析线上共析点以左的合金,),、,过共析合金,(,共析线上共析点以右的合金,),。,铁碳合金相图,共析反应的产物是,共析体,铁碳合金中的共析体称,珠光体,，也是两相的机械混合物,(,铁素体,+,渗碳体,),。,与共晶反应不同的是，共析反应的母相是固相，而不是液相。,固态转变过冷度大，因而共析组织比共晶组织细。,珠光体,共析钢的结晶过程,1-2,点间转变为,。,到,S,点发生共析,转变：,S,（,P,+Fe,3,C,）,全部转变为珠,光体,P,。,共析刚结束时，珠光体中相的相对重量百分比为：,珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。,S,点以下，共析,中析出,Fe,3,C,，与共析,Fe,3,C,结合不易分辨。室温组织为,P,。,珠光体,室温下，珠光体中两相的相对重量百分比是多少？,Q,4,3,2,1,9,1-2,：匀晶反应,2-3,：包晶反应,3-4,：匀晶反应,全部转变为,。,+Fe3C,G,S,P,A,B,J,H,亚共析钢的结晶过程,1,4,+Fe3C,G,S,P,A,B,J,H,到,4,点，由,中析出,。,到,5,点,成分沿,GS,线变到,S,点，,发生共,析反应转变为珠光体。,温度继续下降，,中析出,Fe,3,C,，由于与共析,Fe,3,C,结合，且量少，,忽略不计。,4,利用平衡组织中珠光体所占的,面积百分比，可以近似估算亚,共析钢的含碳量,:,C%=P,面积,%0.77%,(,忽略,中含碳量，,P,面积,%=Q,P,),共析刚结束时各相的含量为：,组织组成物的相对重量为：,S,亚共析钢室温下的组织为,F+P,。,在,0.020.77%C,范围内珠光体的量随含碳量增加而增加。,含,0.45%C,钢的组织,含,0.20%C,钢的组织,含,0.60%C,钢的组织,过共析钢的结晶过程,1-2,点转变为,到,3,点,开始析,出,Fe,3,C,。从奥氏,体中析出的,Fe,3,C,称二次渗碳体,用,Fe,3,C,表示,其,沿晶界呈网状分布。,温度下降,Fe,3,C,量增加。到,4,点，,成分沿,ES,线变,化到,S,点，余下的,转变为,P,。,过共析钢室温组织为,P+Fe,3,C,。,含,1.4%C,钢的组织,Fe,3,C,量随含碳量而,增加，含碳量为,2.14%,时，,Fe,3,C,量最大。,室温下两相的相对重量百分比：,室温下两组织组成物的,相对重量百分比：,1,2,3,4,5,S,共晶白口铁的结晶过程,Fe,3,C,合金冷却到,C,点发生共晶反应全部转变为莱氏体,共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为,:,C,点以下,成分沿,ES,线变化，共晶,将析出,Fe,3,C,。,Fe,3,C,与共晶,Fe,3,C,结合，不易分辨。,温度降到,2,点,成分达到,0.77%,此时,相的相对重量,:,在,2,点,共晶,发生共析反应，转变为珠光体，这种由,P,与,Fe,3,C,组成的共晶体称低温莱氏体,用,Le,表示,.,2,点以下，共晶体中,P,的变化同共析钢。,S,共晶白口铁室温组织为,Le(P+Fe,3,C),它保留了共晶转变产物的形态特征。,室温下两相的相对重量百分比为,：,亚共晶白口铁的结晶过程,合金在,12,点间析出,。到,2,点，液相成分变到,C,点,并转变为,Le,。,23,点间从,中析出,Fe,3,C,，一,次,的,Fe,3,C,被共晶,衬托出来。到,3,点，,转变,为,P,。,亚共晶白口铁室温组织为,P+Fe,3,C,+Le,。,E,C,F,D,1,2,3,4,N,室温下组织组成物相对,重量百分比为：,12,点间从液相中析出,Fe,3,C,这种渗碳体称一次渗碳体，用,Fe,3,C,表示，呈粗条片状。到,2,点，余下的液相成分变到,C,点并转变为,Le,。,D,F,K,3,Fe3C,1,2,4,过共晶白口铁的结晶过程,2,点以下,Fe,3,C,成分重量不再发生变化,Le,变化同共晶合金,其室温组织为,Fe,3,C,+Le,。,（,A,+Fe,3,C,）,（,F,+Fe,3,C,）,Fe,Fe,3,C,S,Q,P,N,K,J,H,G,F,E,D,C,B,A,A+,Fe,3,C,A+F,L+A,A+,L+,F,A,L,L+,Fe,3,C,F+,Fe,3,C,A+,Fe,3,C,A+,Fe,3,C,+Le,Le,Le,+,Fe,3,C,Le,+,Fe,3,C,Le,P+,Fe,3,C,+Le,P+,Fe,3,C,P+F,P,F,+,Fe,3,C,C%,温度,含碳量对力学性能的影响,0.8%C,时，组织为,100%P,钢的性能即,P,的性能。,1%C,，,Fe,3,C,为晶界,连,续网状,，强度下降,但硬度,仍上升。,2.14%C,，组织中有以,Fe,3,C,为基的,Le,合金很脆。,亚共析钢随含碳量增加，,P,量增加，钢的强度、,硬度升高，塑性、韧性下降。,含碳量对工艺性能的影响,切削性能,:,中碳钢合适,可锻性能,:,低碳钢好,焊接性能,:,低碳钢好,铸造性能,:,共晶合金好,铸造,焊缝组织,模锻,切削加工的基本形式,车,刨,钻,铣,磨,作出典型合金冷却曲线示意图,二元合金冷却曲线的特,征是,:,在单相区和两相区冷却曲线为一斜线。,分析,Fe-Fe,3,C,合金的结晶过程,由一个相区进入另一相区时,冷却曲线出现拐点,:,a,.,由相数少的相区进入相数多的相区曲线向右拐,;,b,.,由相数多的相区进入相数少的相区曲线向左拐。,发生等温转变时，冷却曲线呈一水平台阶。,画出组织转变示意图。,计算各相、各组织组成物相对重量百分比：,a,.,在单相区，合金由单相组成，相的成分、重量即合金的成分、重量。,b,.,在两相区，两相的成分随温度沿各自的相线变化，各相和各组织组成物的相对重量可由杠杆定律求出。,合金成分为杠杆的支点，相或组织组成物的成分为杠杆的端点。,c,.,在三相区，三个相成分固定，重量不断变化，杠杆定律不适用。,合金成分,相,1,成分,相,2,成分,相,1,重量,相,2,重量,合金成分,组织,1,成分,组织,2,成分,组织,1,重量,组织,2,重量,