第四章 相图2
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内蒙古工业大学材料科学与工程学院《金属学基础》
23
铁碳合金——碳钢和铸铁，是工业中应用最 广的合金。
含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢
含碳量为2.11%~ 6.69%的称铸铁。
内蒙古工业大学材料科学与工程学院《金属学基础》
24
铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC， 它们都可以作为纯组元看待。 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用 价值。 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
内蒙古工业大学材料科学与工程学院《金属学基础》
常见的三相平衡转变
具有共晶反应类型的转变：
共晶反应（Eutectic） 共析反应（Eutectoid）
L
L1 L2
偏晶反应（Monotectic）
熔晶反应（Metatectic）
L
二元合金冷却曲线的特征： ⑴ 在单相区和两相区冷却曲线为一 斜线。 ⑵ 由一个相区进入另一相区时，冷 却曲线出现拐点 ： ① 由相数少的相区进入相数多的相 区曲线向右拐； ② 由相数多的相区进入相数少的相 区曲线向左拐。
⑶ 发生三相等温转变时，冷却曲线
呈一平台。
内蒙古工业大学材料科学与工程学院《金属学基础》
② 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
相1 重量
相2 重量
可由杠杆定律求出。
③ 在三相区，三个相成分固定，重量不断 变化，杠杆定律不适用。
组织1 成分 合金 成分 组织2 成分
组织1 重量
组织2 重量
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18
3、相图与合金性能之间的关系
16
2、分析典型合金的结晶过程
——分析合金结晶过程
⑴ 分析各特定温度区间的相
组织，画出组织转变示意图
⑵ 计算相组成物和组织组成
物相对量；
①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。
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17
2、分析典型合金的结晶过程
——分析合金结晶过程
相1 成分 合金 成分 相2 成分
内蒙古工业大学材料科学与工程学院《金属学基础》
2
1、组元间形成化合物的相图
——形成不稳定化合物的二元相图
不稳定化合物加热 至一定温度吧便发 生分解，成为一个 固相和一个液相， 反应式为:
LC AmBn
D
T C
+
Cu-Zn相图
内蒙古工业大学材料科学与工程学院《金属学基础》
内蒙古工业大学材料科学与工程学院《金属学基础》
铁素体
27
1、铁碳合金的组元和相
⑵ 奥氏体（Austenite）:
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。 溶碳能力比铁素体大，1148℃时最大为2.11%。 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。
共析相图
Fe- Fe3C相图
内蒙古工业大学材料科学与工程学院《金属学基础》
11
1、二元相图的分析步骤
2、单相区的确定 ⑴液相线以上为液相区； ⑵靠纯组元的封闭区是以该组元为基 的单相固溶体区； ⑶ 相图中的垂线可能是化合物（单 相区），也是相区分界线； ⑷ 相图中部出现的成分可变的单相区 是以化合物为基的单相固溶体区； ⑸ 相图中每一条水平线必定与三个单 相区点接触。
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奥氏体
源自文库
28
1、铁碳合金的组元和相
⑶ 渗碳体（cementite）：即Fe3C，含碳6.69% 用Fe3C或Cm表示。
Fe3C硬度高、脆性大，塑性几乎为零。
Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生 分解：Fe3C→3Fe+C（石墨），该反应对 铸铁有重要意义。 由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温
下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形
式存在。
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29
2、铁碳合金相图的分析
⑴ 五个单相区：
L、、、、Fe3C ⑵ 七个两相区：
——相区
L+ 、L+、L+Fe3C、+、
+Fe3C、+ 、+Fe3C ⑶ 三个三相区： HJB (L++) ECF(L++ Fe3C) PSK(++ Fe3C)
1.组元间形成化合物的相图—形成稳定化合物的二元相图
稳定化合物指具有一定的熔点，熔化之前不发生分解的化合物，如Mg-Si系 的Mg2Si和Fe-C系的Fe3C，其结晶过程与纯金属类似。分析这类相图时，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-Si相图
Mg-Cu合金相图
Mg2Si
第四章 相图
§4.1 相、相平衡及相图制作 §4.2 二元匀晶相图 §4.3 二元共晶相图 §4.4 二元包晶相图 §4.5 其他二元相图
§4.6 二元相图的分析方法
§4.7 铁碳相图 §4.8 相图的热力学基础 §4.9 三元相图
内蒙古工业大学材料科学与工程学院《金属学基础》
1
§4.5 其他二元相图
——特征线
HJB：包晶线 LB+δH⇄ J
ECF：共晶线
1148C LC B Fe3C
Ld
共晶产物是与Fe3C的机械混合物， 称作莱氏体（Ledeburite） 用Le表示，为蜂窝状，以Fe3C为基， 性能硬而脆。
莱氏体
内蒙古工业大学材料科学与工程学院《金属学基础》
32
2、铁碳合金相图的分析
13
常见三相等温水平线上的反应
反应名称 图形特征 反应式 说明 恒温下由一个液相同时 结晶出两个成分结构不 同的固相。 恒温下由一个液相包着 一个固相生成另一个新 的固相。 恒温下由一个固相同时 析出两个成分结构不同 的固相。
14
共晶反应
L ⇄ +
包晶反应
L +α⇄ β
共析反应
⇄ + β
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21
内蒙古工业大学材料科学与工程学院《金属学基础》
22
第四章 相图
§4.1 相、相平衡及相图制作 §4.2 二元匀晶相图 §4.3 二元共晶相图 §4.4 二元包晶相图 §4.5 其它二元相图
§4.6 二元相图的分析方法
§4.7 铁碳相图 §4.8 相图的热力学基础 §4.9 三元相图
L
具有共晶反应类型的转变：
包晶反应（Peritectic） 包析反（Peritectoid）
L1 L2
合晶反应（Syntectic）
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15
2、分析典型合金的结晶过程
——作出典型合金冷却曲线示意图
内蒙古工业大学材料科学与工程学院《金属学基础》
10
1、二元相图的分析步骤
应用相图时要注意的问题
相图只能给出合金在平衡条件下存在 的相和相对量，并不表示相的形状、 大小和分布。
包晶相图
共晶相图
相图只表示平衡状态的情况，而实际 生产条件下，合金很少能达到平衡状 态。非平衡状态可以参考平衡相图。 实际二元相图往往比较复杂， 可按下列步骤进行分析： ㈠ 分清相图中包括哪些基本类型相图 ㈡ 确定相区 1、相区接触法则 相邻两个相区的相数差为1。
1、组元：Fe、 Fe3C 2、相 ⑴ 铁素体（Ferrite） ： 碳在α-Fe中的固溶体称铁素体， 用F 或 表示。 碳在δ-Fe中的固溶体称δ-铁素体，用δ表示。 都是体心立方的间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低， 在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。 铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。
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33
2、铁碳合金相图的分析
⑷ 其它线 GS,GP— ⇄ 固溶体转变线， GS又称A3 线。 HN,JN—δ⇄ 固溶体转变线， ES—碳在 -Fe中的固溶线。 又称Ac m线。 PQ—碳在α-Fe中的固溶线。
——特征线
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——相图与合金力学性能、物理性能的关系
⑴ 两相混合物的合金：性能与合 金成分呈直线关系，是两相性能
的算术平均值，如：
混= ∙Q + β∙Qβ ， HB混=HB ∙Q +HBβ∙Qβ。 (Q、Qβ为两相相对重量)。
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19
3、相图与合金性能之间的关系
Fe
Fe3C
Fe2C
FeC
C%(at%) →
C
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25
铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本工具，是研究碳钢和铸铁 的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础，是制定热加
工、热处理、冶炼和铸造等工艺的依据。
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26
1、铁碳合金的组元和相
——特征线
L+δ δ+ L+
L+ Fe3C
+ + Fe3C
PSK：共析线，
S P Fe3C
727℃
P
F+ Fe3C
共析转变的产物是 与Fe3C的
混合物，称作珠光体，用P表示。 其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A1线 。
珠光体
Cu-Zn相图
+
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12
1、二元相图的分析步骤
3、两相区的确定：两个单相 区之间夹有一个两相区，该两
相区的相由两相邻单相区的相
组成。 4、三相区的确定：二元相图 中的水平线是三相区，与三个
单相区的接触为点接触
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——相图与合金力学性能、物理性能的关系
⑵ 单相固溶体的合金： 性能随成分呈曲线变化，随
溶质含量增加，σ、HB、
增加，塑性下降。
⑶ 形成稳定化合物的合金：
性能-成分曲线出现拐点。
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20
3、相图与合金性能之间的关系
——相图与铸造性能的关系
⑴ 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。 ⑵ 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。
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30
2、铁碳合金相图的分析
——特征点
↔ ⇄
J N
L
L+
G
+
L+Fe3C
+Fe3C
↔ ⇄ ↔ ⇄ ↔ ⇄ ↔ ⇄
+Fe3C
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31
2、铁碳合金相图的分析
⑴ 液相线—ABCD，
固相线—AHJECFD ⑵ 三条水平线：
4
2、具有三相平衡恒温转变的相图
——具有共析反应的二元相图
共析相图与共晶相图相似，对
应的有共析线(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
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5
2、具有三相平衡恒温转变的相图
——具有共析反应的二元相图
与共晶反应不同的是，共析反应 的母相是固相，而不是液相。
共析反应的产物是共析组织，
也是两相的混合物。 （铁碳合金中的共析组织称 珠光体Pearlite）
珠光体
由于固态转变过冷度大，因而共析组织比共晶组织细。
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3
2、具有三相平衡恒温转变的相图
——具有共析反应的二元相图
所谓共析反应（转变）是
指在一定温度下，由一定
成分的固相同时析出两个
成分和结构完全不同的新
固相的过程。共析转变是 固态相变。 铁碳合金中的珠光体转变是共析转变: S ⇄ P+ Fe3C 。
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6
2、具有三相平衡恒温转变的相图
——具有偏晶反应的二元相图
偏晶转变是一个液相LI 分解为一个固相和另一 成分的液相L2的转变。
L1 L2
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7
3、具有固态转变的二元合金相图
固溶体的异晶转变 有序-无序转变
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第四章 相图
§4.1 相、相平衡及相图制作 §4.2 二元匀晶相图 §4.3 二元共晶相图 §4.4 二元包晶相图 §4.5 其它二元相图
§4.6 二元相图的分析方法
§4.7 铁碳相图 §4.8 相图的热力学基础 §4.9 三元相图
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1、二元相图的分析步骤
23
铁碳合金——碳钢和铸铁，是工业中应用最 广的合金。
含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢
含碳量为2.11%~ 6.69%的称铸铁。
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24
铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC， 它们都可以作为纯组元看待。 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用 价值。 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
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常见的三相平衡转变
具有共晶反应类型的转变：
共晶反应（Eutectic） 共析反应（Eutectoid）
L
L1 L2
偏晶反应（Monotectic）
熔晶反应（Metatectic）
L
二元合金冷却曲线的特征： ⑴ 在单相区和两相区冷却曲线为一 斜线。 ⑵ 由一个相区进入另一相区时，冷 却曲线出现拐点 ： ① 由相数少的相区进入相数多的相 区曲线向右拐； ② 由相数多的相区进入相数少的相 区曲线向左拐。
⑶ 发生三相等温转变时，冷却曲线
呈一平台。
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② 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
相1 重量
相2 重量
可由杠杆定律求出。
③ 在三相区，三个相成分固定，重量不断 变化，杠杆定律不适用。
组织1 成分 合金 成分 组织2 成分
组织1 重量
组织2 重量
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18
3、相图与合金性能之间的关系
16
2、分析典型合金的结晶过程
——分析合金结晶过程
⑴ 分析各特定温度区间的相
组织，画出组织转变示意图
⑵ 计算相组成物和组织组成
物相对量；
①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。
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2、分析典型合金的结晶过程
——分析合金结晶过程
相1 成分 合金 成分 相2 成分
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2
1、组元间形成化合物的相图
——形成不稳定化合物的二元相图
不稳定化合物加热 至一定温度吧便发 生分解，成为一个 固相和一个液相， 反应式为:
LC AmBn
D
T C
+
Cu-Zn相图
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铁素体
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1、铁碳合金的组元和相
⑵ 奥氏体（Austenite）:
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。 溶碳能力比铁素体大，1148℃时最大为2.11%。 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。
共析相图
Fe- Fe3C相图
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11
1、二元相图的分析步骤
2、单相区的确定 ⑴液相线以上为液相区； ⑵靠纯组元的封闭区是以该组元为基 的单相固溶体区； ⑶ 相图中的垂线可能是化合物（单 相区），也是相区分界线； ⑷ 相图中部出现的成分可变的单相区 是以化合物为基的单相固溶体区； ⑸ 相图中每一条水平线必定与三个单 相区点接触。
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奥氏体
源自文库
28
1、铁碳合金的组元和相
⑶ 渗碳体（cementite）：即Fe3C，含碳6.69% 用Fe3C或Cm表示。
Fe3C硬度高、脆性大，塑性几乎为零。
Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生 分解：Fe3C→3Fe+C（石墨），该反应对 铸铁有重要意义。 由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温
下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形
式存在。
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29
2、铁碳合金相图的分析
⑴ 五个单相区：
L、、、、Fe3C ⑵ 七个两相区：
——相区
L+ 、L+、L+Fe3C、+、
+Fe3C、+ 、+Fe3C ⑶ 三个三相区： HJB (L++) ECF(L++ Fe3C) PSK(++ Fe3C)
1.组元间形成化合物的相图—形成稳定化合物的二元相图
稳定化合物指具有一定的熔点，熔化之前不发生分解的化合物，如Mg-Si系 的Mg2Si和Fe-C系的Fe3C，其结晶过程与纯金属类似。分析这类相图时，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-Si相图
Mg-Cu合金相图
Mg2Si
第四章 相图
§4.1 相、相平衡及相图制作 §4.2 二元匀晶相图 §4.3 二元共晶相图 §4.4 二元包晶相图 §4.5 其他二元相图
§4.6 二元相图的分析方法
§4.7 铁碳相图 §4.8 相图的热力学基础 §4.9 三元相图
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1
§4.5 其他二元相图
——特征线
HJB：包晶线 LB+δH⇄ J
ECF：共晶线
1148C LC B Fe3C
Ld
共晶产物是与Fe3C的机械混合物， 称作莱氏体（Ledeburite） 用Le表示，为蜂窝状，以Fe3C为基， 性能硬而脆。
莱氏体
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2、铁碳合金相图的分析
13
常见三相等温水平线上的反应
反应名称 图形特征 反应式 说明 恒温下由一个液相同时 结晶出两个成分结构不 同的固相。 恒温下由一个液相包着 一个固相生成另一个新 的固相。 恒温下由一个固相同时 析出两个成分结构不同 的固相。
14
共晶反应
L ⇄ +
包晶反应
L +α⇄ β
共析反应
⇄ + β
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22
第四章 相图
§4.1 相、相平衡及相图制作 §4.2 二元匀晶相图 §4.3 二元共晶相图 §4.4 二元包晶相图 §4.5 其它二元相图
§4.6 二元相图的分析方法
§4.7 铁碳相图 §4.8 相图的热力学基础 §4.9 三元相图
L
具有共晶反应类型的转变：
包晶反应（Peritectic） 包析反（Peritectoid）
L1 L2
合晶反应（Syntectic）
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15
2、分析典型合金的结晶过程
——作出典型合金冷却曲线示意图
内蒙古工业大学材料科学与工程学院《金属学基础》
10
1、二元相图的分析步骤
应用相图时要注意的问题
相图只能给出合金在平衡条件下存在 的相和相对量，并不表示相的形状、 大小和分布。
包晶相图
共晶相图
相图只表示平衡状态的情况，而实际 生产条件下，合金很少能达到平衡状 态。非平衡状态可以参考平衡相图。 实际二元相图往往比较复杂， 可按下列步骤进行分析： ㈠ 分清相图中包括哪些基本类型相图 ㈡ 确定相区 1、相区接触法则 相邻两个相区的相数差为1。
1、组元：Fe、 Fe3C 2、相 ⑴ 铁素体（Ferrite） ： 碳在α-Fe中的固溶体称铁素体， 用F 或 表示。 碳在δ-Fe中的固溶体称δ-铁素体，用δ表示。 都是体心立方的间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低， 在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。 铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。
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33
2、铁碳合金相图的分析
⑷ 其它线 GS,GP— ⇄ 固溶体转变线， GS又称A3 线。 HN,JN—δ⇄ 固溶体转变线， ES—碳在 -Fe中的固溶线。 又称Ac m线。 PQ—碳在α-Fe中的固溶线。
——特征线
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——相图与合金力学性能、物理性能的关系
⑴ 两相混合物的合金：性能与合 金成分呈直线关系，是两相性能
的算术平均值，如：
混= ∙Q + β∙Qβ ， HB混=HB ∙Q +HBβ∙Qβ。 (Q、Qβ为两相相对重量)。
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3、相图与合金性能之间的关系
Fe
Fe3C
Fe2C
FeC
C%(at%) →
C
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25
铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本工具，是研究碳钢和铸铁 的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础，是制定热加
工、热处理、冶炼和铸造等工艺的依据。
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1、铁碳合金的组元和相
——特征线
L+δ δ+ L+
L+ Fe3C
+ + Fe3C
PSK：共析线，
S P Fe3C
727℃
P
F+ Fe3C
共析转变的产物是 与Fe3C的
混合物，称作珠光体，用P表示。 其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A1线 。
珠光体
Cu-Zn相图
+
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12
1、二元相图的分析步骤
3、两相区的确定：两个单相 区之间夹有一个两相区，该两
相区的相由两相邻单相区的相
组成。 4、三相区的确定：二元相图 中的水平线是三相区，与三个
单相区的接触为点接触
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——相图与合金力学性能、物理性能的关系
⑵ 单相固溶体的合金： 性能随成分呈曲线变化，随
溶质含量增加，σ、HB、
增加，塑性下降。
⑶ 形成稳定化合物的合金：
性能-成分曲线出现拐点。
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3、相图与合金性能之间的关系
——相图与铸造性能的关系
⑴ 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。 ⑵ 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。
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2、铁碳合金相图的分析
——特征点
↔ ⇄
J N
L
L+
G
+
L+Fe3C
+Fe3C
↔ ⇄ ↔ ⇄ ↔ ⇄ ↔ ⇄
+Fe3C
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2、铁碳合金相图的分析
⑴ 液相线—ABCD，
固相线—AHJECFD ⑵ 三条水平线：
4
2、具有三相平衡恒温转变的相图
——具有共析反应的二元相图
共析相图与共晶相图相似，对
应的有共析线(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
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5
2、具有三相平衡恒温转变的相图
——具有共析反应的二元相图
与共晶反应不同的是，共析反应 的母相是固相，而不是液相。
共析反应的产物是共析组织，
也是两相的混合物。 （铁碳合金中的共析组织称 珠光体Pearlite）
珠光体
由于固态转变过冷度大，因而共析组织比共晶组织细。
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2、具有三相平衡恒温转变的相图
——具有共析反应的二元相图
所谓共析反应（转变）是
指在一定温度下，由一定
成分的固相同时析出两个
成分和结构完全不同的新
固相的过程。共析转变是 固态相变。 铁碳合金中的珠光体转变是共析转变: S ⇄ P+ Fe3C 。
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2、具有三相平衡恒温转变的相图
——具有偏晶反应的二元相图
偏晶转变是一个液相LI 分解为一个固相和另一 成分的液相L2的转变。
L1 L2
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3、具有固态转变的二元合金相图
固溶体的异晶转变 有序-无序转变
内蒙古工业大学材料科学与工程学院《金属学基础》
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第四章 相图
§4.1 相、相平衡及相图制作 §4.2 二元匀晶相图 §4.3 二元共晶相图 §4.4 二元包晶相图 §4.5 其它二元相图
§4.6 二元相图的分析方法
§4.7 铁碳相图 §4.8 相图的热力学基础 §4.9 三元相图
内蒙古工业大学材料科学与工程学院《金属学基础》
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1、二元相图的分析步骤