第三章-金属的相变和相图ppt课件.ppt
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1、1Mechanical Engineering Materials23 45 67 89101112 13 141516 1718 191PCf1PCf2PCf2PCf201PCf1PCf2PCf2PCf211PCf2PCf22 二元相图的建立方法,最常用的是二元相图的建立方法,最常用的是以以Cu-NiCu-Ni二元合金二元合金系为例,说明应用热分析法测定其临界点及绘制相图的过程。系为例,说明应用热分析法测定其临界点及绘制相图的过程。 1 1)配制一系列成分不同的)配制一系列成分不同的Cu-NiCu-Ni合金:合金:100%Cu100%Cu; 75%Cu+25%Ni75%Cu+25%Ni; 5
2、0%Cu+50%Ni50%Cu+50%Ni;25%Cu+75%Ni25%Cu+75%Ni; 100%Ni100%Ni。 配制的合金数目越多,合金成分的间隔越小,得到的相图就更配制的合金数目越多,合金成分的间隔越小,得到的相图就更加准确。加准确。2 2)用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线,如图)用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线,如图3-14a3-14a所示。所示。3 3)画出温度)画出温度- -成分坐标系,标出各冷却曲线上的临界点,如图成分坐标系,标出各冷却曲线上的临界点,如图3-3-14a14a所示。所示。4 4)将物理意义相同的点(如转变开始点、转变结束点)连成曲线,)将物理意义相
3、同的点(如转变开始点、转变结束点)连成曲线,标明各区域内所存在的相,即得到标明各区域内所存在的相,即得到Cu-NiCu-Ni相图。相图。23图3-1 纯铜的冷却曲线及相图图3-2 Cu-Ni合金相图 图中各开始结晶温度连成的相界线称为图中各开始结晶温度连成的相界线称为液相线液相线,各终了结晶温,各终了结晶温度连成的相界线称为度连成的相界线称为固相线固相线。 纯金属相图纯金属相图用一条表示温度的纵坐标把其在不同温度下的组织用一条表示温度的纵坐标把其在不同温度下的组织 状态表示出来,如图状态表示出来,如图3-14a3-14a纯铜的冷却曲线及相图。纯铜的冷却曲线及相图。二元合金相图二元合金相图以温度
4、为纵坐标、以合金成分为横坐标的平面图。以温度为纵坐标、以合金成分为横坐标的平面图。24用热分析法测定Cu-Ni合金相图25 建立和利用合金相图,可以知道各种成分的合金在不同温度建立和利用合金相图,可以知道各种成分的合金在不同温度下存在哪些相、各个相的成分及其相对含量。下存在哪些相、各个相的成分及其相对含量。 不同合金系的合金,在固态下具有不同的显微组织,对于同不同合金系的合金,在固态下具有不同的显微组织,对于同一合金系的合金,由于合金的成分不同,以及所处的温度不同,一合金系的合金,由于合金的成分不同,以及所处的温度不同,在固态下也会形成不同的显微组织。在固态下也会形成不同的显微组织。 相图是研
5、究合金中各种组织形成和变化规律的有效工具,也相图是研究合金中各种组织形成和变化规律的有效工具,也是生产实践中正确制订冶炼、铸造、锻压、焊接、热处理工艺的是生产实践中正确制订冶炼、铸造、锻压、焊接、热处理工艺的重要依据。重要依据。 掌握相图的分析和使用方法,对于了解合金的化学成分、组掌握相图的分析和使用方法,对于了解合金的化学成分、组织与性能之间的关系,以提高和改善合金的性能、研究和开发新织与性能之间的关系,以提高和改善合金的性能、研究和开发新的合金材料,具有重要的指导意义。的合金材料,具有重要的指导意义。26 基本的二元合金相图有匀晶相图、共晶相图和共析相图等,基本的二元合金相图有匀晶相图、共
6、晶相图和共析相图等,其中两组元在液态和固态都能够无限互溶时构成的相图称为均晶其中两组元在液态和固态都能够无限互溶时构成的相图称为均晶相图。相图。Cu-AuCu-Au、Au-AgAu-Ag、Cu-NiCu-Ni等合金都形成这类相图。在匀晶相图等合金都形成这类相图。在匀晶相图中,结晶时都是由液相结晶出单相固溶体,这种结晶过程称为匀中,结晶时都是由液相结晶出单相固溶体,这种结晶过程称为匀晶转变。下面就以晶转变。下面就以Cu-NiCu-Ni合金相图为例,对匀晶相图进行分析。合金相图为例,对匀晶相图进行分析。1 1、相图分析、相图分析点点图中图中tA =1083tA =1083为纯铜的熔点;为纯铜的熔点
7、;tB=1455tB=1455为纯镍的熔点。为纯镍的熔点。线线tA L3 L2 L1tBtA L3 L2 L1tB为液相线,代表各种成分的为液相线,代表各种成分的Cu-NiCu-Ni合金在冷合金在冷却过程中开始结晶、或在加热过程中熔化终了的温度;却过程中开始结晶、或在加热过程中熔化终了的温度;tA321tBtA321tB为固相线,代表各种成分的合金冷却过程中结晶终为固相线,代表各种成分的合金冷却过程中结晶终了、或在加热过程中开始熔化的温度。了、或在加热过程中开始熔化的温度。相区相区液相线与固相线把整个相图分为三个不同相区。在液相液相线与固相线把整个相图分为三个不同相区。在液相线以上是单相的液相
8、区,合金处于液体状态,以线以上是单相的液相区,合金处于液体状态,以“L”L”表示;固相表示;固相线以下是单相的固溶体区,合金处于固体状态,为线以下是单相的固溶体区,合金处于固体状态,为CuCu与与NiNi组成的组成的无限固溶体,以无限固溶体,以“”表示;在液相线与固相线之间是液相表示;在液相线与固相线之间是液相+ +固相固相的两相共存区,即结晶区,以的两相共存区,即结晶区,以“L+”L+”表示。表示。27图3-6 Cu-Ni合金相图及典型合金平衡结晶过程分析28 现以含现以含40%Ni的的Cu-Ni合金为例,合金为例,分析其结晶过程,如图分析其结晶过程,如图3-6b所示。所示。 由图由图3-6
9、a可见,该合金的合金线与可见,该合金的合金线与相图上液相线、固相线分别在相图上液相线、固相线分别在t1、t3温度温度时相交,这就是说,该合金是在时相交,这就是说,该合金是在t1温度温度时开始结晶,在时开始结晶,在t3温度时结晶结束。因温度时结晶结束。因此,当合金自高温液态缓慢冷却到此,当合金自高温液态缓慢冷却到t1温温度时,开始从液相中结晶出度时,开始从液相中结晶出固溶体,随固溶体,随着温度的下降,着温度的下降,固溶体量不断增多,剩固溶体量不断增多,剩余液相量不断减少。直到温度降到余液相量不断减少。直到温度降到t3温温度时,合金结晶终了,获得了度时,合金结晶终了,获得了Cu与与Ni组组成的成的
10、固溶体。固溶体。 右图为右图为Cu-Ni合金固溶体的显微组织合金固溶体的显微组织图3-7 Cu-Ni合金固溶体的显微组织29 图3-4 杠杆定律的证明图3-5 杠杆定律的力学比喻301wwLCCwCwLL1abrbCCCCwLLabarCCCCwLLarrbwwL31如下图中,任一含如下图中,任一含x%Ni的的Cu-Ni合金,在合金,在t温度时,液相成分为温度时,液相成分为x1%Ni,固相成分为,固相成分为x2%Ni。在这一温度下,已结晶出的固相。在这一温度下,已结晶出的固相和和剩余液相剩余液相L的相对量分别是:的相对量分别是:%100122xxxxwL%100121xxxxwwwL1或图3-
11、8 杠杆定律的应用3233 图3-9 简单共晶相图Lc A + Bt34图3-12 Pb-Sn合金相图35图3-20 19.2%Sn的Sn-Pb组织 (200)图3-13 合金I的冷却曲线及结晶过程36%1004FGF%1004FGG37 图3-20 合金的冷却曲线及结晶过程图3-16 Pb-Sn共晶合金的室温组织(100)38Lc D+Et%4 .45%1002 .195 .979 .615 .97%100DECED39图3-22 合金的冷却曲线及结晶过程图3-21 Pb-Sn亚共晶合金的室温组织(100)40图3-21 过共晶合金的室温组织(100)图3-23合金的冷却曲线及结晶过程41图
12、3-21 以组织组成物填写的合金相图42%1002DEED%1001)(DE%1002DCCD%1001)()(DED434445 图3-22 Pt-Ag合金相图46tD47图3-23 合金的平衡结晶过程%17.57%1005 .103 .665 .104 .42%100PCPDLC%83.425 .103 .664 .423 .66%100PCDCP48 图3-24 合金的平衡结晶过程49%100PCPHLC%100PCHCP50图3-25 合金的平衡结晶过程51图3-26 Mg-Si合金相图5253图3-28相图与合金的硬度、强度及电导率之间的关系543.3.2 合金的工艺性能与相图之间的
13、关系合金的工艺性能与相图之间的关系2) 合金的工艺性能与相图之间的关系合金的工艺性能与相图之间的关系图3-29 相图与合金铸造性能之间的关系553.4 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织 铁碳合金相图是一个比较复杂的二元合金相图,它不仅可以表铁碳合金相图是一个比较复杂的二元合金相图,它不仅可以表示不同成分的铁碳合金在平衡条件下的成分、温度与组织间的关系,示不同成分的铁碳合金在平衡条件下的成分、温度与组织间的关系,而且可以推断其性能与成分、温度之间的关系。而且可以推断其性能与成分、温度之间的关系。 一、二元合金的组元及基本相一、二元合金的组元及基本相 一般根据含碳量高低分为碳素钢和铸铁。一般根
14、据含碳量高低分为碳素钢和铸铁。 铁是一个过渡元素,在固态下可以发生两种同素异构转变。铁是一个过渡元素,在固态下可以发生两种同素异构转变。 概念:碳溶入概念:碳溶入-e中形成的间隙固溶体称为铁素体,用符号中形成的间隙固溶体称为铁素体,用符号F表示。表示。 晶格:铁素体仍具有晶格:铁素体仍具有-Fe的体心立方晶格。的体心立方晶格。 溶解度:碳在溶解度:碳在-Fe中的溶解度小,中的溶解度小,727时溶解度最大为时溶解度最大为0.0218%,室温时几乎位零。室温时几乎位零。563.4 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织性能:铁素体的性能与纯铁相似,塑性、韧性好,而强度、硬度低。性能:铁素体的性能与纯
15、铁相似,塑性、韧性好,而强度、硬度低。 组织:多边形晶粒。组织:多边形晶粒。 3 3、奥氏体、奥氏体 概念:碳溶入概念:碳溶入-Fe-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体,用符号中形成的间隙固溶体称为奥氏体,用符号A A表示。奥氏体存在于表示。奥氏体存在于727727以上。以上。 晶格:奥氏体具有晶格:奥氏体具有-Fe-Fe的面心立方晶格。的面心立方晶格。 57 溶解度:溶解度:-Fe-Fe的溶碳能力比的溶碳能力比-Fe-Fe大,大,727727时溶解度为时溶解度为0.77%0.77%,随着,随着温度的升高,溶碳量增多,温度的升高,溶碳量增多,11481148时其溶解度最大为时其溶解度最大为2.1
16、1%2.11%。 性能:性能:奥氏体的强度和硬度奥氏体的强度和硬度 不高,塑性和韧性很好,易不高,塑性和韧性很好,易 锻压成形。锻压成形。 组织:组织:多边形晶粒,多边形晶粒, 晶粒内有孪晶。晶粒内有孪晶。3.4 3.4 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织58 概念:渗碳体是铁和碳形成的概念:渗碳体是铁和碳形成的一种具有复杂晶体结构的金属化合一种具有复杂晶体结构的金属化合物,用化学式物,用化学式FeFeC C表示。表示。 性能:渗碳体中碳的质量分数性能:渗碳体中碳的质量分数 为为6.69%6.69%,熔点为,熔点为12271227,硬度很,硬度很 高高(800HBW)(800HBW),塑性和
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