材料科学基础 4-3复杂相图分析.ppt

第三节第三节 复杂相图分析复杂相图分析 一一一一.分析方法步骤分析方法步骤分析方法步骤分析方法步骤 (1)相图中若有稳定中间相，可依此把相图分为几相图中若有稳定中间相，可依此把相图分为几 个部分，根据需要选取某一部分进行分析。个部分，根据需要选取某一部分进行分析。(2)根据相区接触法则填写个空白相区。根据相区接触法则填写个空白相区。(3)利用典型成分分析合金的结晶过程及组织转变，利用典型成分分析合金的结晶过程及组织转变，并利用杠杆定律分析各相相对量随温度的变化并利用杠杆定律分析各相相对量随温度的变化 情况。情况。下页下页后退后退二、复杂二元相图的分析方法二、复杂二元相图的分析方法（1）先看清它的组元，然后找到它的单相区，）先看清它的组元，然后找到它的单相区，分清哪些是固溶体，哪些是中间相。分清哪些是固溶体，哪些是中间相。（2）根据相接触法测，检查所有双相区是否填）根据相接触法测，检查所有双相区是否填写完全并正确无误，如有疏漏，可将它们完善。写完全并正确无误，如有疏漏，可将它们完善。（3）找出所有水平线，分析每一个三相平衡反）找出所有水平线，分析每一个三相平衡反应是何种类型。应是何种类型。（4）如果相图中存在稳定的化合物，则可把它）如果相图中存在稳定的化合物，则可把它看成一个组元。看成一个组元。二二二二.复杂相图复杂相图复杂相图复杂相图分析分析分析分析 下页下页后退后退铁碳相图铁碳相图下页下页后退后退分析思路：分析思路：%C%C%C三三三三.Fe-FeFe-Fe33C C相图相图相图相图 下页下页后退后退三个重要反应三个重要反应：五个基本组织五个基本组织：五条特征线五条特征线:冷凝过程冷凝过程利用杠杆定律求相对量利用杠杆定律求相对量C%对碳钢性能的影响对碳钢性能的影响实际应用实际应用下页下页后退后退一、五个单相一、五个单相（1）液相液相；（2）-相相：碳在：碳在-Fe中的固溶体，称高温中的固溶体，称高温铁素体，体心立方结构，在铁素体，体心立方结构，在1394C以上存在；以上存在；（3）相相：碳在：碳在-Fe中的固溶体，称为奥氏中的固溶体，称为奥氏体，常用体，常用A表示，面心立方结构，在表示，面心立方结构，在727C以上存在，在以上存在，在1148C时有最大的碳溶解度为时有最大的碳溶解度为2.1%；（4）相相：碳在：碳在-Fe中的固溶体，称为铁素中的固溶体，称为铁素（体，体心立方，在（体，体心立方，在912C以下存在，在以下存在，在下页下页后退后退727C时碳溶解度最大为时碳溶解度最大为0.02%，在室温下，仅为，在室温下，仅为0.008%常用常用F表示；表示；5）Fe3C：中间相，属于间隙相，复杂正交结构，中间相，属于间隙相，复杂正交结构，称为渗碳体。称为渗碳体。二、三条水平线二、三条水平线（1）HB线线 包晶转变包晶转变 L+（2）EF线线 共晶转变共晶转变 L +Fe3C 共共晶体称为莱氏体。晶体称为莱氏体。（3）PK线线 共析转变共析转变 +Fe3C共析共析体称为珠光体。体称为珠光体。1495C1148C727C下页下页后退后退三、三、ES线线 ES线是线是相中碳的溶解度极限，这是一相中碳的溶解度极限，这是一条很重要的线，在条很重要的线，在1148C时，时，中碳的溶解度中碳的溶解度最高，达最高，达2.11%，随温度下降，溶解度大幅度，随温度下降，溶解度大幅度减小，减小，727C时仅时仅0.77%。四、四、Fe3C的形成条件的形成条件 （1）含碳）含碳4.3%至至6.69%的合金凝固时在液的合金凝固时在液相线相线CD以下，从液体中结晶出以下，从液体中结晶出Fe3C，称为称为一一次渗碳体次渗碳体，记作，记作Fe3CI；（2）含碳含碳0.77%至至2.11%的合金，从的合金，从相冷却相冷却低于低于ES线时，由于线时，由于相中碳过饱和，从而从相中碳过饱和，从而从相中析出相中析出Fe3C称为称为二次渗碳体二次渗碳体，记为，记为Fe3C；（3）含碳含碳0.008%至至0.02%的的相，当冷至相，当冷至PQ线线以下时，从过饱和的以下时，从过饱和的相中析出的相中析出的Fe3C称为称为三次三次渗碳体渗碳体，记作，记作Fe3C。三次渗碳体由于数量及三次渗碳体由于数量及少，一般可以忽略。少，一般可以忽略。四、典型合金的平衡凝固过程和显微组织四、典型合金的平衡凝固过程和显微组织（1）共析成分（）共析成分（0.77%C）的的Fe-C合金（共析钢）合金（共析钢）当冷至当冷至BC线以下时，从液相中结晶出线以下时，从液相中结晶出相，至相，至BE线结晶完成，当线结晶完成，当相继续冷却至相继续冷却至727C时，时，发生共析分解：发生共析分解：+Fe3C，直至室直至室温，共析体也称为珠光体（温，共析体也称为珠光体（P），），典型形貌是典型形貌是层片状，层片状，P中中和和Fe3C两相的相对量可通过杠两相的相对量可通过杠杆定理来求得，即杆定理来求得，即 /Fe3C=7.87（2）共晶成分共晶成分Fe-C合金（共晶铸铁，合金（共晶铸铁，4.3%C）共晶合金冷至共晶合金冷至1143C时发生共晶反应，时发生共晶反应，L +Fe3C，共晶产物为莱氏体（共晶产物为莱氏体（La）。）。La727C6.690.770.770.021143C中的中的相含碳量为相含碳量为2.11%，这是，这是相中最高的碳相中最高的碳溶解度，随温度下降，溶解度，随温度下降，相中碳溶解度大大降相中碳溶解度大大降低，因此从低，因此从相中析出相中析出Fe3C，剩余剩余相中的含相中的含碳量沿碳量沿ES线线变化，直到变化，直到727C，相中含碳量相中含碳量达到达到0.77%，这时发生共析分解：，这时发生共析分解：+Fe3C，形成珠光体。由此可见，室温下的莱氏体是（形成珠光体。由此可见，室温下的莱氏体是（Fe3C+P）+Fe3C，的机械混合物，与共晶产的机械混合物，与共晶产物已有区别，室温莱氏体常记作物已有区别，室温莱氏体常记作La。莱氏体中的莱氏体中的和和Fe3C两相相对量可用杠杆定理两相相对量可用杠杆定理求得，即求得，即 727C=51.9%Fe3C=48.1%莱氏体中的莱氏体中的相冷至室温过程中又转变为相冷至室温过程中又转变为Fe3C和和P两部分，这两部分相对量也可通过杠杆定两部分，这两部分相对量也可通过杠杆定理求得，即理求得，即 P=77.5%6.694.36.692.14.32.16.692.16.692.16.690.77 Fe3C=22.5%显示在整个莱氏体中显示在整个莱氏体中 P=0.7750.519=40.2%Fe3C=0.2250.519=11.7%（3）亚共析钢的凝固过程亚共析钢的凝固过程含碳量含碳量 0.77%至至 2.11%之间的之间的Fe-C合金合金为过共析钢，凝固过程较简单，从略，其室温为过共析钢，凝固过程较简单，从略，其室温组织为组织为P+Fe3C。（5）亚共晶铸铁的凝固过程亚共晶铸铁的凝固过程 含碳量在含碳量在2.11%至至4.3%之间为亚共晶铸之间为亚共晶铸铁，当冷至液相线铁，当冷至液相线BC以下时开始结晶出以下时开始结晶出相，相，在（在（L+）两相区中，两相区中，L、的平衡成分分别的平衡成分分别沿沿BC和和JE线变化，当达到线变化，当达到1148C时，剩余液时，剩余液相成分为相成分为4.3%，因此产生共晶反应，因此产生共晶反应，L +Fe3C1148C再继续冷却时，再继续冷却时，La 变为变为La，而先共晶结晶出而先共晶结晶出的的相也和莱氏体中的相也和莱氏体中的相一样转变成相一样转变成P+Fe3C，因此亚共晶铸铁的室温组织为因此亚共晶铸铁的室温组织为La+P+Fe3C。令合金成分为令合金成分为3%C，则室温组织中各则室温组织中各部分的相对量为部分的相对量为 La=40.9%Fe3C=59.1%=13.3%3 2.14.3 2.12.1 0.776.69 0.77 P=1 La Fe3C=45.8%(6)过共晶铸铁过共晶铸铁 这种铸铁含碳量在这种铸铁含碳量在4.3%至至6.69%之间，室温之间，室温组织为组织为La+Fe3CI。铁碳合金中的相及组织铁碳合金中的相及组织珠光体珠光体PF与与 Fe3C的机械混合物，强度、的机械混合物，强度、硬硬 度较高。度较高。铁素体铁素体F()C在在-Fe中的间隙固溶体，中的间隙固溶体，体心立体心立 方结构方结构,强度低塑性忍性好、钢中软强度低塑性忍性好、钢中软忍相。忍相。铁素体铁素体C在在-Fe中的间隙固溶体，体中的间隙固溶体，体心立方结构，与性能相似心立方结构，与性能相似 渗碳体渗碳体Fe3C 间隙化合物，具有复杂间隙化合物，具有复杂晶体结构。晶体结构。很硬、很脆塑忍性几乎为零。很硬、很脆塑忍性几乎为零。钢中强化相，其粗细程度、分布状态对钢钢中强化相，其粗细程度、分布状态对钢的性能影响很大。的性能影响很大。奥氏体奥氏体A(r)C在在r-Fe中的间隙固溶体，中的间隙固溶体，面心立方结构，塑性好，具有顺磁性。面心立方结构，塑性好，具有顺磁性。莱氏体莱氏体Ldr与与Fe3C机械混合物。机械混合物。下页下页后退后退中中各主要点的温度，含碳量及意义各主要点的温度，含碳量及意义下页下页后退后退含碳量对钢的组织和性能的影响含碳量对钢的组织和性能的影响亚共析钢亚共析钢：随含碳量增加，珠光体量增加，：随含碳量增加，珠光体量增加，钢的强度、硬度增加，塑性韧性降低。钢的强度、硬度增加，塑性韧性降低。过共析钢过共析钢：随含碳量增加，二次渗碳体量：随含碳量增加，二次渗碳体量增加，钢的强度增加，而塑性、韧性降低，增加，钢的强度增加，而塑性、韧性降低，但含碳量小于但含碳量小于1.0%时，强度增加，而含碳时，强度增加，而含碳量大于量大于1.0%时，强度减小时，强度减小。图图5-63 铁碳合金的成分与组织的关系铁碳合金的成分与组织的关系图图5-64 含碳量对平衡状态下弹力学性能的影响含碳量对平衡状态下弹力学性能的影响下页下页后退后退返回返回返回返回下页下页铁碳相图应用铁碳相图应用1.依据依据 Fe-C相图临界点，确定热处理工艺；相图临界点，确定热处理工艺；2.依据依据Fe-C相图，研究新的工艺方法，提高相图，研究新的工艺方法，提高 材料强韧性；材料强韧性；(1)深冷处理深冷处理 (2)确定相变超塑性在焊接工艺上的加热温确定相变超塑性在焊接工艺上的加热温 度对钢材、上限温度超过相变点度对钢材、上限温度超过相变点(50-100)(3)提高表面化学热处理效果提高表面化学热处理效果下页下页后退后退下页下页后退后退本节思考题本节思考题1.在在bcc中的溶碳量一般低于在中的溶碳量一般低于在fcc中的溶碳量，为什么？中的溶碳量，为什么？2.为什么只画出为什么只画出Fe-Fe3C相图，而不画出相图，而不画出Fe-C相图？相图？3.比较比较Fe-Fe3C系及系及Fe-C系系哪个更稳定？哪个更稳定？4.为什么为什么Fe-C相图平衡线位于相图平衡线位于Fe-Fe3C相图平衡线左边，相图平衡线左边，且成分点相同时且成分点相同时,Fe-C平衡温度要高于平衡温度要高于Fe-Fe3C平衡温平衡温 度度?5.Fe-C稳定系，但常按稳定系，但常按Fe-Fe3C相图冷凝，却不是按相图冷凝，却不是按 Fe-C系，这是为什么？系，这是为什么？6.依所讲依所讲Fe-Fe3C系思路，分析冷凝过程，会计算各种系思路，分析冷凝过程，会计算各种 条件下的相及组织相对量。条件下的相及组织相对量。下页下页后退后退返回本章首页返回本章首页返回目录返回目录