二元伪共晶相图

Equilibrium pseudobinary Al±Mg2Si phase diagram

J.Zhang,Z.Fan,Y.Q.Wang,and B.L.Zhou

Preliminary experiments and phase diagram calculations were conducted to determine the equilibrium phase diagram of the Al±Mg2Si pseudobinary section.It was found that there is a narrow ternary phase?eld of Al z Mg2Si z liquid in the diagram.At the pseudoeutectic composition of Al±13.9wt-%Mg2Si,a pseudoeutectic reaction takes place between the temperatures of583.5and5943C.The solubility of Mg2Si in Al at583.53C is calculated as1.91wt-%.MST/4537 At the time this work was carried out Dr J.Zhang and Dr Z.Fan were in the Department of Materials Engineering,Brunel University,Uxbridge UB83PH,UK.Dr Zhang is now in the Department of Materials Science and Engineering,University of Erlangen,Germany(jianzhang7232@y https://www.wendangku.net/doc/ed17209715.html,).Professor Y.Q.Wang and Professor B.L.Zhou are in the Institute of Metal R esearch,Chinese Academyof Sciences,Sheny ang110015,China.Manuscript received20December1999;accepted14 November2000.

#2001IoM Communications Ltd.

Introduction

In situ composites based on Al±Mg2Si or Mg±Mg2Si hypereutectic alloys have shown considerable potential because of their low speci?c weights.The microstructure of such composites is generally a eutectic matrix with primary Mg2Si particles as the reinforcing phase.To avoid the rather brittle character of the materials,advanced processing techniques such as rapid solidi?cation,1,2hot extrusion,3,4 and mechanical alloying5,6have been used.According to previous work,it is possible to embed hard Mg2Si particles in a plastically deformable matrix in an Al±Mg2Si composite with attractive properties by using a common gravity casting process.7Therefore,it is possible to prepare the composites by using a method that is more practical. However,the successful development of such composites depends on a good understanding of the equilibrium diagram of the Al±Mg2Si pseudobinary system. Although there are a few publications on the pseudoeu-tectic section of Al and Mg2Si in an Al±Mg±Si ternary system,most attention has been paid to the Al rich corner.8 Moreover,detailed information on the pseudobinary system,such as the composition of the eutectic point and the solubility of Mg2Si in Al,were not conclusive in the literature,which is summarised in Table1.8±12Almost all of the previous publications also reported an isothermal eutectic line of Al z Mg2Si in the system with a eutectic temperature of593±5953C.Meanwhile,a ternary phase ?eld in the diagram was reported in the temperature range 590±5943C at the eutectic point.12Therefore,it is essential to investigate the pseudobinary system and to clear the confusion in the equilibrium diagram.

Experimental

Industrially pure Al,Mg,and Si(w99.8wt-%)was used to melt Al±Mg2Si composites of10and15wt-%Mg2Si.Extra Mg was added to balance the oxidation loss.All the extra Mg additions were determined by several experiments and subsequent compositional analysis in order to ensure the resulting composition changes were within1wt-%of the preset values.13A salt mixture was used for microstructural re?nement.14C2Cl6(99.9%)was pressed into the melt for degassing.The melt was cast in a steel mould and rod like specimens of10mm in diameter were obtained.All samples were etched and examined by optical microscopy and SEM (Jeol JXA840)with an energy dispersive X-ray analysis (EDS)accessory.Details of the experimental procedure are reported elsewhere.7,14Phase diagram calculation was done using the Thermo-Calc program and Al DATA,which was developed by Thermo Tech Ltd(Guildford,UK).A pseudobinary phase diagram of Al±Mg2Si was obtained as a vertical section of the Al±Mg±Si ternary system at a ?xed Mg/Si atomic ratio(2:1).

Results and discussion

Figure1compares the microstructures of two Al±Mg2Si alloys with different Mg2Si contents.According to EDS analysis,the bright phase was identi?ed as a-Al and the dark particles were identi?ed as Mg2Si.The lamella Mg2Si was obviously formed by coupled growth with a-Al as a result of the pseudoeutectic reaction.No other compounds were detected in the present work.

The microstructure of Al±10wt-%Mg2Si alloy was mainly composed of a-Al dendrites and pseudoeutectics of Al z Mg2Si.It is worth noting that some small Mg2Si particles can also be observed in the microstructure,as marked by arrows in Fig.1a.The dendritic morphology of a-Al indicated that a-Al was the primary phase during solidi?cation.Afterwards,a-Al and Mg2Si cosolidi?ed as the lamella structure of the pseudoeutectic.The Mg2Si particles had a smaller size than the primary Mg2Si particles shown in Fig.1b,and a different morphology to the lamella structures produced by cogrowth of Al and Mg2Si.It is believed that these particles were formed after the solidi?cation of primary a-Al dendrites,which means Mg2Si particles as well as Mg2Si pseudoeutectics were produced simultaneously during the pseudoeutectic reaction.

In the Al±15wt-%Mg2Si alloy,both primary particles of Mg2Si and a-Al can be observed besides the pseudoeutectic matrix.Experimental results shown in Fig.1b indicate that during solidi?cation Mg2Si particles formed as a primary phase and a-Al grains formed at a similar time to when the pseudoeutectic reaction occurred during the subsequent solidi?cation.The a-Al grains and Mg2Si particles observed in Fig.1b indicate that there may be a phase?eld in the phase diagram where a-Al and the pseudoeutectic cosolidify from the liquid.

494Materials Science and Technology May2001Vol.17ISSN0267±0836

It is interesting to note that in both alloys shown in Fig.1,the pseudoeutectic matrix has two distinct morphol-ogies.Some of the cells have a very small inter?bre spacing (v 1m m,as shown in the SEM image in Fig.2a ).On the other hand,some of the pseudoeutectic cells have a much larger interlamella spacing,as shown in the deep etched sample in Fig.2b .This kind of feature is rarely observed in normal eutectic systems,or it cannot be achieved in such a small area.(The inˉuence of partial modi?cation should be omitted as the modi?cation time was long enough in the present experiments.)Normally,when the eutectic reaction occurs at a constant temperature,a relatively uniform ?brous or lamella structure is expected.15It is well known that the eutectic ?bre or lamella structure can be described as l 2n ~constant,16where l is the inter?bre or interlamella spacing and n is the growth velocity.The variation in the inter?bre or interlamella spacing l shown in Fig.1indicates a varying growth velocity n in the Al ±Mg 2Si system.This may happen because a curved interface occurred during solidi?cation and/or the pseudoeutectic formed over a temperature range.The curved interface may be caused by the primary dendrites or the segregation of impurities in front of the interface.However,the primary dendrites were not well developed in the present case,as shown in Fig.1b .

The inˉuence of impurities may also be deduced as a minor factor since no other compounds were detected by EDS.Therefore,the coexistence of the two different morpholo-gies in the pseudoeutectic is mainly because of the different formation temperatures of the ?bre and the lamella eutectic.This morphological change can also be observed in Al ±Si eutectics at different cooling conditions.17

By comparing the microstructures shown in Fig.1,it can be concluded that the pseudoeutectic composition of the Al ±Mg 2Si system is between 10and 15wt-%Mg 2Si.

In order to con?rm these preliminary experimental ?ndings,phase diagram calculation of the ternary Al ±Mg ±Si system was conducted using the Thermo-Calc program and Al DATA.The calculated pseudoeutectic binary Al ±Mg 2Si phase diagram as a vertical section of the ternary system is shown in Fig.3.There exists a narrow ternary phase ?eld,Al z Mg 2Si z liquid,in the system and the temperature range of this ternary ?eld increased with increasing Mg 2Si content at the left hand side of the pseudoeutectic point.At the pseudoeutectic composition (Al ±13.9wt-%Mg 2Si),Al,Mg 2Si,and liquid

coexist

a 10wt-%Mg 2Si;

b 15wt-%Mg 2Si

1Microstructure of Al ±Mg 2Si composites with different

Mg 2Si

contents

a

b

a showing ?brelike pseudoeutectic with very small inter?bre spacing;

b deep etched sample showing lamella eutectics with relatively large interlamellcer spacing

2Micrographs of Al ±15wt-%Mg 2Si alloy (SEM)

Table 1Summary of information on Al ±Mg 2Si pseudobinary system available in literature

Authors Eutectic point T E ,3C Eutectic composition,wt-%Mg 2Si Solubility at T E ,wt-%Mg 2Si Refs.Mondolfo 595131.858,11Mondolfo 59515.91.859Schmis et al.593

v 10y 1.910Li et al.

590±594

y 14.7

y 7.3

12

Zhang et al.Equilibrium psuedobinary Al ±Mg 2Si phase diagram 495

Materials Science and Technology May 2001Vol.17

between583.5and5943C.The solubility of Mg2Si in Al is calculated as1.91wt-%at583.53C.

The exact solidi?cation path of Al±Mg2Si alloys can be obtained from the experimental results and the calculated phase diagram.The two alloys can be identi?ed as hypoeutiectic(Al±10wt-%Mg2Si)and hypereutectic(Al±15wt-%Mg2Si),respectively.Therefore,either a-Al in Al±10wt-%Mg2Si alloy or Mg2Si in Al±15wt-%Mg2Si alloy will form as the primary phase during solidi?cation.The pseudoeutectic reaction begins when the temperature of the surplus liquid reaches the upper line of the ternary phase ?eld in the diagram.Grains of a-Al form in the ternary ?eld as well as Al z Mg2Si pseudoeutectics.In Al±10wt-%Mg2Si alloy,the a-Al grains formed in this phase ?eld are dif?cult to distinguish from the primary dendrites, which resulted in the considerably large volume fraction of a-Al dendrites in Fig.1a.Since the composition of Al±15wt-%Mg2Si is nearer to the pseudoeutectic point, the actual microstructure contained a higher volume fraction of pseudoeutectic Al z Mg2Si compared with Al±10wt-%Mg2Si.Summary

A ternary phase?eld of Al z Mg2Si z liquid in the Al±Mg2Si pseudobinary diagram was discovered after the preliminary experiments and phase diagram calculation. The temperature range of this ternary?eld is between583.5 and5943C at the pseudoeutectic point,which is calculated as Al±13.9wt-%Mg2Si.The solubility of Mg2Si in Al at 583.53C is calculated to be1.91wt-%.The microstructure of the eutectic matrix,which contains both soft and hard particles,indicates a hopeful prospect for the enhancement of the properties of the composites.

Acknowledgements

The authors are grateful to Dr N.Saunders for his help with the phase diagram calculation.

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Wt-%Mg

2

Si

3Calculated equilibrium Al±Mg2Si phase diagram:pseu-doeutectic point at Al±13.9wt-%Mg2Si;temperature

range of ternary region at this composition between

583.5and5943C;solubility of Mg2Si in Al at583.53C is

1.91wt-%

496Zhang et al.Equilibrium psuedobinary Al±Mg2Si phase diagram Materials Science and Technology May2001Vol.17

二元合金相图

第二章二元合金相图 纯金属在工业上有一定的应用，通常强度不高，难以满足许多机器零件和工程结构件对力学性能提出的各种要求；尤其是在特殊环境中服役的零件，有许多特殊的性能要求，例如要求耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等，纯金属更无法胜任，因此工业生产中广泛应用的金属材料是合金。合金的组织要比纯金属复杂，为了研究合金组织与性能之间的关系，就必须了解合金中各种组织的形成及变化规律。合金相图正是研究这些规律的有效工具。 一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质叫做合金。其中组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。由两个组元组成的合金称为二元合金，例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。二元以上的合金称多元合金。合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多，这正是合金的应用比纯金属广泛得多的原因。 合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及温度变化时所可能发生的变化。掌握相图的分析和使用方法，有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能，也可按要求来研究新的合金。在生产中，合金相图可作为制订铸造、锻造、焊接及热处理工艺的重要依据。 本章先介绍二元相图的一般知识，然后结合匀晶、共晶和包晶三种基本相图，讨论合金的凝固过程及得到的组织，使我们对合金的成分、组织与性能之间的关系有较系统的认识。 2.1 合金中的相及相图的建立 在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相。液态物质为液相，固态物质为固相。相与相之间的转变称为相变。在固态下，物质可以是单相的，也可以是由多相组成的。由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金的组织。组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。由不同组织构成的材料具有不同的性能。如果合金仅由一个相组成，称为单相合金；如果合金由二个或二个以上的不同相所构成则称为多相合金。如含30%Zn的铜锌合金的组织由α相单相组成；含38%Zn的铜锌合金的组织由α和β相双相组成。这两种合金的机械性能大不相同。 合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。 2.1.1 固溶体与复杂结构的间隙化合物 2.1.1.1 固溶体 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、 且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。与固溶 体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多； 另一组元为溶质，含量较少。固溶体用α、β、γ等 符号表示。A、B组元组成的固溶体也可表示为A （B），其中A为溶剂，B为溶质。例如铜锌合金中 锌溶入铜中形成的固溶体一般用α表示，亦可表示 为Cu（Zn）。图2.1 置换与间隙固溶体示意图 ⑴固溶体的分类 ①按溶质原子在溶剂晶格中的位置（如图2.1）分为：

包晶反应详解

包晶反应： 由一个液相与一个固相在恒温下生成另一个固相的转变称为包晶转变。两组元在液态无限溶解，在固态有限固溶，并且发生包晶反应的相图，称为包晶相图。 相图分析： Pt-Ag 相图 点： A 点：纯组元铂的熔点和凝固点，为1772℃ B 点：纯组元银的熔点和凝固点，为961.9℃ C 点：是包晶转变时，液相的平衡成分点。 D 点：是包晶点，具有该点成分的合金在恒温下发生包晶转变，，得到100%包晶产物。另外，D 点也是Pt 在Ag 中的最大溶解度点。 P 点：是Ag 在Pt 中的最大溶解度点，也是包晶转变时相的平衡成分点。 E 点：是室温时Ag 在Pt 中的溶解度，F 点：是室温时Pt 在Ag 的溶解度。 线： ACB 线为液相线，其中AC 线为冷却时L →的开始温度线，CB 线为冷却时L →的开始温度线。 β α?+L

APDB 线为固相线，其中AP 线为冷却时L →的终止温度线，DB 线为冷却时L →的终止温度线。 CDP 线是包晶转变线，成分在C~P 之间的合金在恒温tD 下都发生包晶转变，形成单相固溶体，可用相律证明在三相平衡时f = 0，该线是水平线。 PE 线为Ag 在Pt 中的固溶度曲线，冷却时→II ，DF 线为Pt 在Ag 中的固溶度曲线，冷却时→II 。 相区： 单相区：有三个L 、、，在ACB 液相线以上为单相的液相区，在APE 线以左为单相的固溶体区（是Ag 在Pt 中的置换固溶体），在BDF 线右下方为单相的固溶体区（是Pt 在Ag 中的置换固溶体）。 两相区：有三个L+、L+、+，在ACPA 区为L+相区，在BCDB 区为L+相区，在EPDFE 区为+相区。 三相线：CDP 线为L++三相平衡共存线。 含42.4%Ag 的Pt-Ag 合金的平衡凝固： 由于包晶转变时，L 和α相中的A 、B 组元的扩散都必须通过β相进行，而II L L αββα+???→????→?+???→?脱溶转变包晶转变多匀晶转变

相图基本知识简介

第二章 二 元 合 金 相 图 纯金属在工业上有一定的应用，通常强度不高，难以满足许多机器零件和工程结构件对 力学性能提出的各种要求；尤其是在特殊环境中服役的零件，有许多特殊的性能要求，例如要求耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等，纯金属更无法胜任，因此工业生产中广泛应用的金属材料是合金。合金的组织要比纯金属复杂，为了研究合金组织与性能之间的关系，就必须了解合金中各种组织的形成及变化规律。合金相图正是研究这些规律的有效工具。 一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有 金属特性的物质叫做合金。其中组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。由两个组元组成的合金称为二元合金，例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。二元以上的合金称多元合金。合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多，这正是合金的应用比纯金属广泛得多的原因。 合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。利用相图可 以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及温度变化时所可能发生的变化。掌握相图的分析和使用方法，有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能，也可按要求来研究新的合金。在生产中，合金相图可作为制订铸造、锻造、焊接及热处理工艺的重要依据。 本章先介绍二元相图的一般知识，然后结合匀晶、共晶和包晶三种基本相图，讨论合金 的凝固过程及得到的组织，使我们对合金的成分、组织与性能之间的关系有较系统的认识。 2.1 合金中的相及相图的建立 在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成 部分叫做相。液态物质为液相，固态物质为固相。相与相之间的转变称为相变。在固态下，物质可以是单相的，也可以是由多相组成的。由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金的组织。组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。由不同组织构成的材料具有不同的性能。如果合金仅由一个相组成，称为单相合金；如果合金由二个或二个以上的不同相所构成则称为多相合金。如含30%Zn 的铜锌合金的组织由α相单相组成；含38%Zn 的铜锌合金的组织由α和β相双相组成。这两种合金的机械性能大不相同。 合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。 2.1.1 固溶体与复杂结构的间隙化合物 2.1.1.1 固溶体 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、 且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。与固溶 体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多； 另一组元为溶质，含量较少。固溶体用α、β、γ等 符号表示。A 、B 组元组成的固溶体也可表示为A （B ），其中A 为溶剂，B 为溶质。例如铜锌合金中 锌溶入铜中形成的固溶体一般用α表示，亦可表示 为Cu （Zn ）。 图2.1 置换与间隙固溶体示意图 ⑴固溶体的分类 ①按溶质原子在溶剂晶格中的位置（如图2.1）分为： ? ??--的间隙之中;溶质原子进入溶剂晶格间隙固溶体格某些结点上的原子;溶质原子代换了溶剂晶置换固溶体

第十七讲三元匀晶相图

第十七讲三元匀晶相图 第三节三元匀晶相图 一、主要内容： 相图分析 三元合金的结晶过程 等温界面图 变温截面图 投影图 二、要点： 三元匀晶相图的点、面、区的意义，三元匀晶相图的结晶过程的特点，与二元合金的相同点和不同点，蝴蝶形规律，等温截面图点、线、区的意义，直线法则杠杆定律在等温截面中的应用，变温截面图点、线、区的意义，变温截面图与二元合金相图的不同点，投影图的线、区的意义， 三、方法说明： 画三元匀晶相图的立体图形说明点、面、区的意义，从立体图形中截取等温截面图和垂直截面图进行说明，说明直线法则和杠杆定律只能在等温截面图上应用 授课内容： 三个组元在液态及固态均无限互相溶解的相图叫三元匀晶相图。 一、相图分析 三元匀晶相图立体模型如图： 三个组元的熔点： 液相面，固相面。 液相区，固相区，液固两相共存区。 二、三元固溶体合金的结晶过程 随着温度的不断下降液相的数量不断的减少，固相的数量不断的增多。固相的成分沿着固相面变化，液相的成分沿着液相面变化。由于液相面和固相面都是空间曲面，所以固相的成分变化线和液相的成分变化线，不处于同一个垂直平面上，也不处于同一个水平平面上，它们在成分三角形上的投影很像一只蝴蝶，所以，成为蝴蝶规律。 三、等温截面（水平截面） 整个截面可以分为三个不同的相区：液相区（L），固相区（α），液固两相区（L＋α）。 曲线L1L2为液相线，曲线S1S2为固相线。 在两相区，可以利用杠杆定律计算两平衡相的含量。 四、变温截面图（垂直截面图） 变温截面图相当于在三元相图的立体模型重插入一个垂直于成分三角形的截面。 变温截面有两种：一种是平行于成分三角形的一边所做的垂直截面。 另一种是通过成分三角形的某一顶点所做的截面。 变温截面图可分为：固相区，液相区，液固两相区 利用变温截面图可以分析合金的结晶过程，确定相变温度，了解合金在不同温度下所处的状态。 变温截面上的液相线和固相线，不能表示平衡相的成分，不能根据这些线应用杠杆定律计算平衡相的含量。 五、投影图 把一系列等温截面中的相界线都投影到成分三角形中，在每一条线上都注明温度，这样的投影图称为等温线投影图。

材料科学基础相图习题

1．下图为一匀晶相图，试根据相图确定： (1)w B ＝0.40的合金开始凝固出来的固相成分为多少？ (2)若开始凝固出来的固体成分为w B ＝0.60，合金的成分为多少？ (3)成分为w B ＝0.70的合金最后凝固时的液体成分为多少？ (4)若合金成分为w B ＝0.50，凝固到某温度时液相成分w B ＝0.40，固相成分为w B ＝0.80，此时液相和固相的相对量各为多少? 2．Mg —Ni 系的一个共晶反应为： 0.23520.546g g i M L M N 纯＋（570℃） 设w Ni 1＝C 1为亚共晶合金，w Ni 2＝C 2为过共晶合金，这两种合金中的先共晶相的质量分数相等，但C 1合金中的α总量为C 2台金中α总量的2.5倍，试计算C 1和C 2的成分。 3．根据A-B 二元相图 (1)写出图中的液相线、固相线、α和β相的溶解度曲线、所有的两相区及三相恒温转变线； (2)平衡凝固时，计算A-25B(weight%)合金（y’y 线）凝固后粗晶β相在铸锭中的相对含量； (3)画出上述合金的冷却曲线及室温组织示意图。

4．根据如图所示的二元共晶相图 （1）分析合金I，II的结晶过程，并画出冷却曲线； （2）说明室温下合金I，II的相和组织是什么，并计算出相和组织组成物的相对含量？ （3）如果希望得到共晶组织加上5％的 初 的合金，求该合金的成分。 （4）合金I，II在快冷不平衡状态下结晶，组织有何不同？ 5．指出下列相图中的错误： 6.试述二组元固溶体相的吉布斯（Gibbs）自由能-成分曲线的特点? (a)(b) (c)(d)

1．下图为一匀晶相图，试根据相图确定： (1)w B ＝0.40的合金开始凝固出来的固相成分为多少？ (2)若开始凝固出来的固体成分为w B ＝0.60，合金的成分约为多少？ (3)成分为w B ＝0.70的合金最后凝固时的液体成分约为多少？ (4)若合金成分为w B ＝0.50，凝固到某温度时液相成分w B ＝0.40，固相成分为w B ＝0.80，此时液相和固相的相对量各为多少? 第1题答案 2．Mg —Ni 系的一个共晶反应为： 0.23520.546g g i M L M N 纯＋（570℃） 设w Ni 1＝C 1为亚共晶合金，w Ni 2＝C 2为过共晶合金，这两种合金中的先共晶相的质量分数相等，但C 1合金中的α总量为C 2台金中α总量的2.5倍，试计算C 1和C 2的成分。 第2题答案

铁碳合金相图及结晶组织变化

铁碳合金相图及结晶组织变化 铁碳合金的组元和相 一、基本概念 铁碳合金：碳钢和铸铁的统称，都是以铁和碳为基本组元的合金 碳钢：含碳量为0.0218%～2.11%的铁碳合金 铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金 铁碳合金相图：研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。 注：由于含碳量大于Fe3C的含碳量（6.69%）时，合金太脆，无实用价值，因此所讨论的铁碳合金相图实际上是F e-Fe3C 二、组元 1.纯铁 纯铁指的是室温下的α-Fe，强度、硬度低，塑性、韧性好。 2.碳 碳是非金属元素，自然界存在的游离的碳有金刚石和石墨，它们是同素异构体。 3.碳在铁碳合金中的存在形式有三种： C与Fe形成金属化合物，即渗碳体； C以游离态的石墨存在于合金中。 C溶于Fe的不同晶格中形成固溶体； A. 铁素体：C溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号“F”或“α”表示，铁素体是一种强度和硬度低，而塑性和韧性好的相，铁素体在室温下可稳定存在。 B. 奥氏体：C溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号“A”或“γ”表示，奥氏体强度低、塑性好，钢材的热加工都在奥氏体相区进行，奥氏体在高温下可稳定存在。 C. C与Fe形成金属化合物：即渗碳体Fe3C，Fe与C组成的金属化合物，Fe与C组成的金属化合物，含碳量为6. 69％。以“Fe3C”或“Cm”符号表示，渗碳体的熔点为1227℃，硬度很高(HB＝800)而脆，塑性几乎等于零。渗碳体在钢和铸铁中，一般呈片状、网状或球状存在。它的形状和分布对钢的性能影响很大，是铁碳合金的重要强化相。碳在a-Fe中溶解度很低，所以常温下碳以渗碳体或石墨的形式存在。 铁碳合金相图的分析 1.铁碳合金相图由三个相图组成：包晶相图、共晶相图和共析相图； 2.相图中有五个单相区：液相L、高温铁素体δ、铁素体α、奥氏体γ、渗碳体Fe3C；

铁碳合金相图的分析

二、铁碳合金相图的分析 Fe-Fe3C相图如图3-25所示。可以看出，Fe-Fe3C相图由三个基本相图（包晶相图、共晶相图和共析相图）组成。相图中有五个基本相：液相L，高温铁素体相δ，铁素体相α，奥氏体相γ和渗碳体相Fe3C。这五个基本相构成五个单相区（其中Fe3C为一条垂线），并由此形成七个两相区：L+δ、L+γ、L+ Fe3C、δ+γ、γ+ Fe3C 、γ+α和α+ Fe3C。 图3-25 以相组成物标注的铁碳合金相图 在Fe-Fe3C相图中，ABCD为液相线，AHJECF为固相线。相图中各特征点的温度、成分及其含义如表3-2所示。

Fe- Fe3C HJB水平线（1495?C）为包晶线，与该线成分（0.09%~0.53%C）对应的合金在该线温度下将发生包晶转变：L0.53 + δ0.09→γ0.17（式中各相的下角标为相应的含碳量），转变产物为奥氏体。 ECF水平线（1148?C）为共晶线，与该线成分（2.11%~6.69%C）对应的合金在该线温度下将发生共晶转变：L4.3→γ2.11 + Fe3C。转变产物为奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，用符号“Le”表示。莱氏体的组织特点为蜂窝状，以Fe3C为基，性能硬而脆。 PSK水平线（727?C）为共析线，与该线成分（0.0218%~6.69%C）对应的合金在该线温度下将发生共析转变：γ0.77→α0.0218 + Fe3C。转变产物为铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用符号“P”表示。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。共析线又称为A1线。 此外，Fe- Fe3C相图中还有六条固态转变线： GS、GP为γ?α固溶体转变线，HN、JN为δ?γ固溶体转变线，例如，GS线是冷却时铁素体从奥氏体中析出开始、加热时铁素体向奥氏体转变终了的温度线。GS线又称为A3线，JN线又称为A4线。 ES线为碳在γ-Fe中的固溶线。在1148?C，碳的溶解度最大，为2.11%，随温度降低，溶解度下降，到727?C 时溶解度只有0.77%。所以含碳量超过0.77%的铁碳合金自1148?C 冷至727?C 时，会从奥氏体中析出渗碳体，称为二次渗碳体，标记为Fe3C II。二次渗碳体通常沿奥氏体晶界呈网状分布。ES线又称为A cm线。 PQ线为碳在α-Fe中的固溶线。在727?C，碳的溶解度最大，为0.0218%，随温度降低，溶解度下降，到室温时溶解度仅为0.0008%。所以铁碳合金自727?C向室温冷却的过程中，将从铁素体中析出渗碳体，称为三次渗碳体，标记为Fe3C III。因其析出量极少，在含碳量较高的合金中不予以考虑，但是对于工业纯铁和低碳钢，因其以不连续网状或片状分布于铁素体晶界，会降低塑性，所以对于Fe3C III的数量和分布还是要加以控制。 综上所述可见，铁碳合金中的渗碳体根据形成条件不同可分为一次渗碳体Fe3CⅠ（由液相直接析出的渗碳体）、二次渗碳体Fe3CⅡ、三次渗碳体Fe3CⅢ、共晶渗碳体和共析渗碳体五种。它们分属于不同的组织组成物，区别仅在于形态和分布不同，但都同属于一个相。由于它们的形态和分布不同，所以对铁碳合金性能的影响也不相同。 另外，Fe- Fe3C相图中还有两条物理性能转变线：MO线（770?C ）是铁素体磁性转变温度。在770?C以上，铁素体为顺磁性物质，在770?C以下，铁素体转变为铁磁性物质。此线又称为A2线；UV线（230?C）是渗碳体磁性转变温度，又称为A0线。

二元伪共晶相图

Equilibrium pseudobinary Al±Mg2Si phase diagram J.Zhang,Z.Fan,Y.Q.Wang,and B.L.Zhou Preliminary experiments and phase diagram calculations were conducted to determine the equilibrium phase diagram of the Al±Mg2Si pseudobinary section.It was found that there is a narrow ternary phase?eld of Al z Mg2Si z liquid in the diagram.At the pseudoeutectic composition of Al±13.9wt-%Mg2Si,a pseudoeutectic reaction takes place between the temperatures of583.5and5943C.The solubility of Mg2Si in Al at583.53C is calculated as1.91wt-%.MST/4537 At the time this work was carried out Dr J.Zhang and Dr Z.Fan were in the Department of Materials Engineering,Brunel University,Uxbridge UB83PH,UK.Dr Zhang is now in the Department of Materials Science and Engineering,University of Erlangen,Germany(jianzhang7232@y https://www.wendangku.net/doc/ed17209715.html,).Professor Y.Q.Wang and Professor B.L.Zhou are in the Institute of Metal R esearch,Chinese Academyof Sciences,Sheny ang110015,China.Manuscript received20December1999;accepted14 November2000. #2001IoM Communications Ltd. Introduction In situ composites based on Al±Mg2Si or Mg±Mg2Si hypereutectic alloys have shown considerable potential because of their low speci?c weights.The microstructure of such composites is generally a eutectic matrix with primary Mg2Si particles as the reinforcing phase.To avoid the rather brittle character of the materials,advanced processing techniques such as rapid solidi?cation,1,2hot extrusion,3,4 and mechanical alloying5,6have been used.According to previous work,it is possible to embed hard Mg2Si particles in a plastically deformable matrix in an Al±Mg2Si composite with attractive properties by using a common gravity casting process.7Therefore,it is possible to prepare the composites by using a method that is more practical. However,the successful development of such composites depends on a good understanding of the equilibrium diagram of the Al±Mg2Si pseudobinary system. Although there are a few publications on the pseudoeu-tectic section of Al and Mg2Si in an Al±Mg±Si ternary system,most attention has been paid to the Al rich corner.8 Moreover,detailed information on the pseudobinary system,such as the composition of the eutectic point and the solubility of Mg2Si in Al,were not conclusive in the literature,which is summarised in Table1.8±12Almost all of the previous publications also reported an isothermal eutectic line of Al z Mg2Si in the system with a eutectic temperature of593±5953C.Meanwhile,a ternary phase ?eld in the diagram was reported in the temperature range 590±5943C at the eutectic point.12Therefore,it is essential to investigate the pseudobinary system and to clear the confusion in the equilibrium diagram. Experimental Industrially pure Al,Mg,and Si(w99.8wt-%)was used to melt Al±Mg2Si composites of10and15wt-%Mg2Si.Extra Mg was added to balance the oxidation loss.All the extra Mg additions were determined by several experiments and subsequent compositional analysis in order to ensure the resulting composition changes were within1wt-%of the preset values.13A salt mixture was used for microstructural re?nement.14C2Cl6(99.9%)was pressed into the melt for degassing.The melt was cast in a steel mould and rod like specimens of10mm in diameter were obtained.All samples were etched and examined by optical microscopy and SEM (Jeol JXA840)with an energy dispersive X-ray analysis (EDS)accessory.Details of the experimental procedure are reported elsewhere.7,14Phase diagram calculation was done using the Thermo-Calc program and Al DATA,which was developed by Thermo Tech Ltd(Guildford,UK).A pseudobinary phase diagram of Al±Mg2Si was obtained as a vertical section of the Al±Mg±Si ternary system at a ?xed Mg/Si atomic ratio(2:1). Results and discussion Figure1compares the microstructures of two Al±Mg2Si alloys with different Mg2Si contents.According to EDS analysis,the bright phase was identi?ed as a-Al and the dark particles were identi?ed as Mg2Si.The lamella Mg2Si was obviously formed by coupled growth with a-Al as a result of the pseudoeutectic reaction.No other compounds were detected in the present work. The microstructure of Al±10wt-%Mg2Si alloy was mainly composed of a-Al dendrites and pseudoeutectics of Al z Mg2Si.It is worth noting that some small Mg2Si particles can also be observed in the microstructure,as marked by arrows in Fig.1a.The dendritic morphology of a-Al indicated that a-Al was the primary phase during solidi?cation.Afterwards,a-Al and Mg2Si cosolidi?ed as the lamella structure of the pseudoeutectic.The Mg2Si particles had a smaller size than the primary Mg2Si particles shown in Fig.1b,and a different morphology to the lamella structures produced by cogrowth of Al and Mg2Si.It is believed that these particles were formed after the solidi?cation of primary a-Al dendrites,which means Mg2Si particles as well as Mg2Si pseudoeutectics were produced simultaneously during the pseudoeutectic reaction. In the Al±15wt-%Mg2Si alloy,both primary particles of Mg2Si and a-Al can be observed besides the pseudoeutectic matrix.Experimental results shown in Fig.1b indicate that during solidi?cation Mg2Si particles formed as a primary phase and a-Al grains formed at a similar time to when the pseudoeutectic reaction occurred during the subsequent solidi?cation.The a-Al grains and Mg2Si particles observed in Fig.1b indicate that there may be a phase?eld in the phase diagram where a-Al and the pseudoeutectic cosolidify from the liquid. 494Materials Science and Technology May2001Vol.17ISSN0267±0836

《工程材料及热处理》复习经典归纳

《工程材料及热处理》复习经典归纳 池茶永2011.01.02 ★基础部分（填空、选择及简答） 1、原子（离子、分子或原子团）在三维空间作有规则的周期性重复排列的物质叫晶体；在图示1的晶胞中，a、b、c称晶格常数。 （图示1）（图示2） 2、根据晶胞的几何形状或自身的对称性，可把晶体结构分为七大晶系、十四种空间点阵。 3、常见的金属晶体结构有_体心立方晶格(BCC)、面心立方晶格(FCC)和密排六方晶格(HCP)_三种。 4、下列晶面和晶向指数的表示方法正确的是（ B ） A、﹙h k l﹚﹙μ v w﹚ B、﹙h k l﹚[μ v w] C、﹙h, k, l﹚[μ, v, w] D、﹙-h k l﹚[-μ v w] (提示：晶面和晶向指数分别用圆括号和方括号表示，数值间不用标点断开，负号写在数值上方) 5、实际金属中存在有点缺陷、线缺陷和面缺陷三类晶体缺陷。位错和晶界分别属于（ C ） A、点缺陷，面缺陷 B、面缺陷，线缺陷 C、线缺陷，面缺陷 D、点缺陷，线缺陷 6、金属结晶的条件是其温度低于理论结晶温度，造成液体与晶体间的自由能差，即具有一定的结晶驱动力才行。那么由此产生的过冷度指的是理论结晶温度与实际结晶温度之差。 7、下图为金属结晶过程和奥氏体形成过程的示意图，填写下面的空白处。（1）金属结晶过程： 晶核的形成→晶核的成长→晶体互相接触并向液体伸展→结晶完毕 （2）奥氏体形成过程： 晶核的形成→晶核的长大→残余渗碳体的溶解→奥氏体成分的均匀化 8、观察图示2在显微镜下的组织为珠光体。 9、细化铸态金属晶粒主要采用增大金属的过冷度、变质处理的方法。 10、合金中的相结构分为固溶体和金属间化合物两类；前者有可分为置换固

铁碳合金相图习题)

铁碳合金相图 一、选择题 1. 铁素体是碳溶解在（）中所形成的间隙固溶体。 A．α-Fe B．γ-Fe C．δ-Fe D．β-Fe 2.奥氏体是碳溶解在（）中所形成的间隙固溶体。 A．α-Fe B．γ-Fe C．δ-Fe D．β-Fe 3.渗碳体是一种（）。 A．稳定化合物 B．不稳定化合物 C．介稳定化合物 D．易转变化合物 4.在Fe-Fe3C相图中，钢与铁的分界点的含碳量为（）。 A．2％ B．2.06％ C．2.11％ D．2.2％ 5.莱氏体是一种（）。 A．固溶体B．金属化合物 C．机械混合物 D．单相组织金属 6.在Fe-Fe3C相图中，ES线也称为（）。 A．共晶线 B．共析线 C．A3线 D．Acm线 7.在Fe-Fe3C相图中，GS线也称为（）。 A．共晶线 B．共析线 C．A3线 D．Acm线 8. 在Fe-Fe3C相图中，共析线也称为（）。 A．A1线 B．ECF线 C．Acm线 D．PSK线 9.珠光体是一种（）。 A．固溶体 B．金属化合物 C．机械混合物 D．单相组织金属 10.在铁－碳合金中，当含碳量超过（）以后，钢的硬度虽然在继续增加，但强度却在明显下降。 A．0.8％ B．0.9％ C．1.0％ D．1.1％

11.通常铸锭可由三个不同外形的晶粒区所组成，其晶粒区从表面到中心的排列顺序为（）。 A．细晶粒区－柱状晶粒区－等轴晶粒区 B．细晶粒区－等轴晶粒区－柱状晶粒区 C．等轴晶粒区－细晶粒区－柱状晶粒区 D．等轴晶粒区－柱状晶粒区－细晶粒区 12.在Fe-Fe3C相图中，PSK线也称为（）。 A．共晶线 B．共析线 C．A3线 D．Acm线 13.Fe-Fe3C相图中，共析线的温度为（）。 A．724℃ B．725℃ C．726℃ D．727℃ 14.在铁碳合金中，共析钢的含碳量为（）。 A．0.67％ B．0.77％ C．0.8％ D．0.87％ 二、填空题 1. 珠光体是（铁素体）和（二次渗碳体）混合在一起形成的机械混合物。 2. 碳溶解在（α-F e）中所形成的（固溶体）称为铁素体。 3. 在Fe-Fe3C相图中，共晶点的含碳量为（ 4.3% ），共析点的含碳量为（0.77% ）。 4. 低温莱氏体是（珠光体）和（二次渗碳体，一次渗碳体）组成的机械混合物。 5. 高温莱氏体是（奥氏体）和（共晶渗碳体）组成的机械混合物。 6. 铸锭可由三个不同外形的晶粒区所组成，即（细晶粒区），（柱状晶粒区）和心部等轴晶粒区。 7. 在Fe-Fe3C相图中，共晶转变温度是（1148 ），共析转变温度是（ 727 ）。 三、改正题(红色字体为改正后答案) 1. 在Fe-Fe3C相图中,GS斜线表示由奥氏体析出二次渗碳体的开始线，称为A3线。ES;A cm 2. 在铁碳合金相图中，PSK线是一条水平线（727℃），该线叫共晶线。共析线 3. 过共析钢缓冷到室温时，其平衡组织由铁素体和二次渗碳体组成。珠光体 4. 珠光体是由奥氏体和渗碳体所形成的机械混合物，其平均含碳量为0.77%。铁素体 5. 亚共晶白口铁缓冷到室温时，其平衡组织由铁素体，二次渗碳体和莱氏体组成。珠光体 6. 在亚共析钢平衡组织中，随含碳量的增加，则珠光体量增加，而二次渗碳体量在减少。铁素体 7. 过共晶白口铁缓冷到室温时，其平衡组织由珠光体和莱氏体组成。渗碳体 8. 在铁碳合金相图中，钢的部分随含碳量的增加，内部组织发生变化，则其塑性和韧性指标随之提高。降低

铁碳合金平衡状态图分析教材

铁碳合金相图 3.3.1 铁碳合金的组元和相 一、基本概念 铁碳合金：碳钢和铸铁的统称，都是以铁和碳为基本组元的合金 碳钢：含碳量为0.0218%～2.11%的铁碳合金 铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金 铁碳合金相图：研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。 注：由于含碳量大于Fe3C的含碳量（6.69%）时，合金太脆，无实用价值，因此所讨论的铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C 二、组元 1.纯铁 纯铁指的是室温下的α-Fe，强度、硬度低，塑性、韧性好。 2.碳 碳是非金属元素，自然界存在的游离的碳有金刚石和 石墨，它们是同素异构体。 3.碳在铁碳合金中的存在形式有三种： C与Fe形成金属化合物，即渗碳体； C以游离态的石墨存在于合金中。 C溶于Fe的不同晶格中形成固溶体； A. 铁素体：C溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，体 心立方晶格，用符号“F”或“α”表示，铁素体是一种强度 和硬度低，而塑性和韧性好的相，铁素体在室温下可 稳定存在。 B. 奥氏体：C溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号“A”或“γ”表示，奥氏体强度低、塑性好，钢材的热加工都在奥氏体相区进行，奥氏体在高温下可稳定存在。 C. C与Fe形成金属化合物：即渗碳体Fe3C，Fe与C组成的金属化合物，Fe与C组成的金属化合物，含碳量为6.69％。以“Fe3C”或“Cm”符号表示，渗碳体的熔点为1227℃，硬度很高(HB＝800)而脆，塑性几乎等于零。渗碳体在钢和铸铁中，一般呈片状、网状

或球状存在。它的形状和分布对钢的性能影响很大，是铁碳合金的重要强化相。碳在a-Fe中溶解度很低，所以常温下碳以渗碳体或石墨的形式存在。 3.3.2 铁碳合金相图的分析 1.铁碳合金相图由三个相图组成： 包晶相图、共晶相图和共析相图； 2.相图中有五个单相区：液相L、 高温铁素体δ、铁素体α、奥氏体 γ、渗碳体Fe3C； 3.相图中有三条水平线： HJB水平线（1495℃）：包晶线， 发生包晶反应，反应产物为奥氏 体。 L0.53+δ0.09←→γ0.17 ECF水平线（1148℃）：共晶线， 发生共晶反应，反应产物为奥氏体 和渗碳体的机械混合物，称为莱氏 体，用“Le”表示。 L 4.3←→γ2.11+ Fe3C PSK水平线（727℃）：共析线，发生共析反应，反应产物为铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用“P”表示。共析线又称为A1线 γ0.77←→F0.0218+ Fe3C 4.图中的特性点 A点：纯铁的熔点 C点：共晶点 D点: Fe3C的熔点 E点：γ-Fe中的最大溶碳量 G点：α-Fe→γ-Fe的同素异构转变点 J点：包晶点 N点：γ-Fe→α-Fe的同素异构转变点 S点：共析点 5.图中的特性线 ABCD－液相线