工程材料与机械制造基础第四章铁碳合金

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1、第第4 4章章 铁铁 碳碳 合合 金金 4-1 合金的相结构合金的相结构4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立一、合金概述一、合金概述二、固溶体二、固溶体一、二元相图的建立一、二元相图的建立二、杠杆定律二、杠杆定律三、金属间化合物三、金属间化合物4-3 铁碳合金的结铁碳合金的结 构和相图构和相图一、铁碳合金的基本相和组织一、铁碳合金的基本相和组织二、铁碳合金相图二、铁碳合金相图三、典型成分合金平衡结晶过程分析三、典型成分合金平衡结晶过程分析三、共晶相图三、共晶相图四、共析相图四、共析相图四、铁碳合金的应用四、铁碳合金的应用1、合金：合金：是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物

2、质。 组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。Al-Cu两相合金两相合金黄铜黄铜4-1 合金的相结构合金的相结构一、一、 合金概述合金概述2、组元：组元： 组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。 多数情况下组元是指组成合金的元素。但对于既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组元, 如Fe-C合金中的Fe3C。 液态合金在结晶时，组成合金的元素相互作用可形成具有一定晶体结构和一定成分的相。Al-Cu两相合金两相合金黄铜黄铜4-1 合金的相结构合金的相结构一、一、 合金概述合金概述3 3、相：、相：是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均

3、匀组成部分。4 4、显微组织：、显微组织：实质上是指在显微镜下观察到的金属和合金中，由单相或多相组成的具有一定形态的聚合体。5 5、固态合金中的相分为两类：、固态合金中的相分为两类： 固溶体和金属化合物。单相单相合金合金单相单相合金合金两相两相合金合金4-1 合金的相结构合金的相结构一、一、 合金概述合金概述 与合金晶体结构相同的组元称溶剂，溶剂，其含量较多。其它组元称溶质溶质。 固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。 2、固溶体的分类：固溶体的分类： 按溶质原子所处位置分为置换固溶体置换固溶体和间隙固溶体间隙固溶体。4-1 合金的相结构合金的相结构二、二、

4、 固溶体固溶体 1、固溶体：固溶体：合金组元间通过相互溶解形成一种成分和性能均匀且结构与组元之一相同的固相称固溶体固溶体。习惯以、表示。Cu-Ni置换固溶体置换固溶体Fe-C间隙固溶体间隙固溶体 置换固溶体置换固溶体溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。溶质原子在溶剂晶格中的溶解度有一定限度，形成有限置换固溶体；如果合金组元可以以任何比例相互溶解，形成无限置换固溶体。黄铜置换固溶体组织黄铜置换固溶体组织4-1 合金的相结构合金的相结构二、二、 固溶体固溶体 间隙固溶体间隙固溶体溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金 属元素，如C、N、B等

5、，而溶剂元素一般是过渡族元素。会引起溶剂晶格畸变。l形成间隙固溶体的一般规律为r质/r剂0.59。l间隙固溶体只能是有限固溶体。4-1 合金的相结构合金的相结构二、二、 固溶体固溶体 3 3、固溶体的性能、固溶体的性能 随溶质含量增加, 固溶体的强度、硬度增加, 塑性、韧性下降固溶强化。固溶强化。 产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用。 与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。4-1 合金的相结构合金的相结构二、二、 固溶体固溶体 合金中其晶体结构与各组元的晶体结构均不相同的固相称金属化合物金属化合物。金

6、属化合物具有较高的熔点熔点、硬度硬度和脆性脆性，并可用分子式表示其组成。铁碳合金中的铁碳合金中的Fe3C4-1 合金的相结构合金的相结构三、三、 金属间化合物金属间化合物Al-Mg-Si合金中的合金中的Mg2SiFe3C的晶格的晶格4-1 合金的相结构合金的相结构三、三、 金属间化合物金属间化合物 Fe3C称渗碳体渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。 Fe3C中Fe原子可以部分地被其他金属原子置换，形成以渗碳体为基的固溶体，如(Fe、Mn)3C 、(Fe、Cr)3C 等，称为合金渗碳体合金渗碳体。Fe3C的晶格的晶格4-1 合金的相结构合金的相结构三、三、 金属间化合物金属间化合物4-

7、1 合金的相结构合金的相结构三、三、 金属间化合物金属间化合物金属化合物一般具有复杂晶体结构，其熔点、硬度极高，脆性极大，塑性几乎为零，如Fe3C的熔点为1227硬度为860HV。当合金中出现金属化合物时，金属化合物呈细小颗粒状均匀分布在固溶体基体上，可提高其强度、硬度和耐磨性弥散强化弥散强化，但降低合金塑性。 金属化合物也是合金的重要组成相。 合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图相图进行分析。 相图相图: :是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明图解。又称状又称状态图或平衡图态图或平衡图。 相图通常以温度温度和成分成分为独立变量。1 1、相图的相关概念、相图的相关概念4-2 二元

8、合金状态图的建立二元合金状态图的建立一、一、 二元相图的建立二元相图的建立合金系合金系: :是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。组元组元: :是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。Cu-Ni合金相图合金相图L 成分（成分（wt %Ni）温度（温度（）CuNi一、一、 二元相图的建立二元相图的建立1 1、相图的相关概念、相图的相关概念4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立 相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。 几乎所有的相图都是通过

9、实验得到的，最常用的是热分热分析法。析法。1 1、相图的相关概念、相图的相关概念一、一、 二元相图的建立二元相图的建立4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立 二元相图的建立步骤为：二元相图的建立步骤为：以Cu-Ni合金(白铜)为例 （1） 配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点。 （2） 将临界点标在温度成分坐标中的成分垂线上。 （3） 将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。相图中，结晶开始点的连线叫液相线液相线。结晶终了点的连线叫固相线固相线。一、一、 二元相图的建立二元相图的建立2 2、二元相图的建立、二元相图的建立4-2 二元合金状态图的建

10、立二元合金状态图的建立一、一、 二元相图的建立二元相图的建立2 2、二元相图的建立、二元相图的建立4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立25% %Ni0% %Ni50% %Ni75% %Ni100% %Nil两组元在液态和固态下两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的均无限互溶时所构成的相图称相图称二元匀晶相图二元匀晶相图, ,如如Cu-NiCu-Ni、 Cu-AuCu-Au、Au-Au-AgAg、Fe-CrFe-Cr等等 。l以以Cu-NiCu-Ni合金为例进行合金为例进行分析。分析。3、发生匀晶反应的合金的结晶发生匀晶反应的合金的结晶 一、一、 二元相图的建立二元相图的建立4-2

11、 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立相图由两条线构成，上面是液相线液相线，下面是固相固相线线。相图被两条线分为三个相三个相区区，液相线以上为液相区L ，固相线以下为固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+ ）。 LL+ 成分成分（wt%Ni）温度温度（）CuNi液相线固相线3、发生匀晶反应的合金发生匀晶反应的合金的结晶的结晶 一、一、 二元相图的建立二元相图的建立4-2 二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立 除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以合金为例说明。 当液态金属自高温冷却到 t1温度时，开始结晶出成分为1的固溶体，其Ni含量高于合金平均成分L L+ 3、发生匀晶反应的