2.3二元相图的典型应用 铁碳合金相图
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二元合金相图及其应用
固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+ ）。
以Cu-Ni合金
为例迚行分析。
Cu-Ni合金相图
二元匀晶相图
⑴ 合金的结晶过程
除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以Ⅰ
合金为例说明。
当液态金属自高温 冷却到 t1温度时，
L
开始结晶出成分为
二元合金相图的建立
相图的基本知识 相图：
表示合金系中合金的状态与温度、成 分之间关系的图解。我们经常见到的相图 是平衡相图。
二元合金相图的建立
Gibbs相律： 表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元 数和相数之间的关系。 f=c-p+2 其中系统的自由度数是指在保持合金系的相 的数目不变的情况下，合金系中可以独立改变的、 影响合金状态的内部及外部因素的数目。 当系统的压力为常数时， f=c-p+1
距离越大
给定成分合金的液相线 与固相线的垂直距离 力学性能
偏析相对越严重
可使原子充 分扩散，使 成分均匀
对合金性 能的影响
耐腐蚀性能 加工性能
解决方法
将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间 保温来消除枝晶偏析，称为扩散退火
二元匀晶相图
消除枝晶偏析的办法
生产上常将铸件加热到 固相线以下100-200℃长时 间保温，以使原子充分扩散、 成分均匀，消除枝晶偏析， 这种热处理工艺称作扩散退 火。
A
B
称作共晶转变或共晶反应。
二元共晶相图
共晶反应的产物，即 两相的机械混合物称共晶 体或共晶组织。发生共晶 反应的温度称共晶温度。 代表共晶温度和共晶成分
的点称共晶点。
Pb原子 扩散 Sn原子 扩散
第四章 二元合金相图及应用
Fe3C共析% =
6.69 − 0.77 × 100% = 88.5% F共析 % = 室温： 6.69 − 0.0008 Fe3C % = 1 − 88.5% = 11.5%
共析钢珠光体组织：
25µm
金相照片
TEM照片
（2）亚共析钢
结晶过程分析： 室温组织：F+P（忽略三次渗碳体） 例：以wC=0.6%进行组织计算： 完成共析转变时：
Rm约180~280N/mm2，Rr0.2约100~170N/mm2；
A：30%~50%，αk：160~200J/cm2；80HBW。
2.奥氏体(A—Austenite)—碳在γ-Fe中形成的间 隙固溶体,具有面心立方结构。
奥氏体最大溶碳量：2.11%（1148℃时）；最小溶 碳量：0.77%（727℃时）。 奥氏体具有高塑性、低硬度和低强度。 Rm约400N/mm2； Rm 400N/mm2 A：40%~50%，170~220HBW。
wx = wL x1 + wα x2；w = wL + wα；则 wL (x − x1) = wα (x2 − x1)；即 wL xx1 = wα x2 x1
4）枝晶偏析：
在结晶过程中，固溶 体α的成分是变化的。 实际生产条件下，合金在结 晶过程中冷却速度一般较快。 固溶体的结晶一般是按树枝状 方式生长，使得先结晶的树枝 晶树干高熔点元素含量较高， 树干间高熔点元素含量较低， 结果造成固溶体α在一个晶粒内 化学成分分布不均匀，且呈树 枝状分布。这种现象称为枝晶 偏析或成分偏析。 枝晶偏析可以采用均匀化退火消除或减轻。
x1 x wα = × 100% x1 x2
杠杆定律的证明：
1. 设合金总质量为w，其中 wNi=x。在Tx温度下为L+α 两相共存； 2. 设L相质量分数为wL，其 wNi=x1； 3. 设α相质量分数为wα，其 wNi=x2； 设wL+wα=1，有 xx 2 wL = × 100 % x1 x2 x1 x wα = × 100 % x1 x2
铁碳合金相图讲解
铁碳合金二元相图
海洋材料科学与工程研究院
刘LO伯G洋O
纯铁
屈服强度(σ0.2)：100~170MPa
抗拉强度(σb)：180~270MPa
伸长率(δ)：30％~50％
纯 铁
断面收缩率(ψ)；70％~80％
的 冷
冲击韧度(αK)；160~200J/cm2
却
硬度HBS：50~80
该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点。其中双相 不锈钢的耐孔蚀性能、耐腐蚀性能优于超低碳合金钢 （316L）
与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶 间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，导热系数高，具 有超塑性等特点。
与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化 物应力腐蚀有明显提高。具有优良的耐孔蚀性能。
含碳量少，铁素体多，塑性好，所以塑性直线下降。 综上所述，T12钢的硬度最高，45钢的硬度最低；T12
的塑性最差，45钢塑性最好；T8钢均居中，而T8钢的 强度最高。
绑轧物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物却 用钢丝绳（用 60、65、70、75 等钢制成）
绑轧物件的性能要求有很好的韧性，因此选 用低碳钢有很好的塑韧性，镀锌低碳钢丝；
珠光体性能：力学性能介于铁素体与渗碳体之间，强度较 高，硬度适中，塑性和韧性较好。
重要固态转变线
GS线：GS线又称A3线，冷却 时，γ析出α的开始线，或加热 时α全部溶入γ的终了线。
ES线：碳在γ中的固溶度曲线 。 常 称 Acm 线 。 当 温 度 低 于 此 线，γ将析出Fe3C、即二次渗 碳体Fe3CⅡ，从液相中经CD线 析出一次渗碳体Fe3CⅠ 。
对于铁碳合金来说，由于包晶反应温度高，碳原子的扩散较 快，所以包晶偏析并不严重。但对于高合金钢来说，合金元 素的扩散较慢，就可能造成严重的包晶偏析。
海洋材料科学与工程研究院
刘LO伯G洋O
纯铁
屈服强度(σ0.2)：100~170MPa
抗拉强度(σb)：180~270MPa
伸长率(δ)：30％~50％
纯 铁
断面收缩率(ψ)；70％~80％
的 冷
冲击韧度(αK)；160~200J/cm2
却
硬度HBS：50~80
该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点。其中双相 不锈钢的耐孔蚀性能、耐腐蚀性能优于超低碳合金钢 （316L）
与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶 间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，导热系数高，具 有超塑性等特点。
与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化 物应力腐蚀有明显提高。具有优良的耐孔蚀性能。
含碳量少，铁素体多，塑性好，所以塑性直线下降。 综上所述，T12钢的硬度最高，45钢的硬度最低；T12
的塑性最差，45钢塑性最好；T8钢均居中，而T8钢的 强度最高。
绑轧物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物却 用钢丝绳（用 60、65、70、75 等钢制成）
绑轧物件的性能要求有很好的韧性，因此选 用低碳钢有很好的塑韧性，镀锌低碳钢丝；
珠光体性能：力学性能介于铁素体与渗碳体之间，强度较 高，硬度适中，塑性和韧性较好。
重要固态转变线
GS线：GS线又称A3线，冷却 时，γ析出α的开始线，或加热 时α全部溶入γ的终了线。
ES线：碳在γ中的固溶度曲线 。 常 称 Acm 线 。 当 温 度 低 于 此 线，γ将析出Fe3C、即二次渗 碳体Fe3CⅡ，从液相中经CD线 析出一次渗碳体Fe3CⅠ 。
对于铁碳合金来说，由于包晶反应温度高，碳原子的扩散较 快，所以包晶偏析并不严重。但对于高合金钢来说，合金元 素的扩散较慢，就可能造成严重的包晶偏析。
铁碳合金相图及应用
相图的应用——热锻、热轧工艺方面的 应用
钢处于奥氏体状态时 强度较低, 塑性较好, 因 此锻造或轧制选在单相奥 氏体区进行。一般始锻、 始轧温度控制在固相线以 下100℃～200℃范围内。 一般始锻温度为1150℃～ 1250℃, 终锻温度为 750℃～850℃。
相图的应用——在热处理工艺方面的应用
硬度 50HB～80HB
2．共析钢 C%=0.77%
2．共析钢 C%=0.77%
相组成物：F和Fe3C 相相对量：F%= 组织组成物 ：P
Fe3C%=
3．亚共析钢 0.0218%＜C%＜0.77%
3．亚共析钢 0.0218%＜C%＜0.77%
L → L+A → A → A+F → A+P+F → P+F
相相对量：F%=
Fe3C%=
组织组成物：F பைடு நூலகம் Fe3CIII
工业纯铁的机械性能特点是强度低、硬度低、 塑性好。主要机械性能如下：
抗拉强度极限 σb 180MPa～230MPa
抗拉屈服极限 σ0.2 100MPa～170MPa 延伸率 δ 30%～50% 断面收缩率 ψ 70%～80% 冲击韧性 ak 1.6×106J/m2～2×106 J/m2
三、渗碳体 Fe3C相，由Fe与C组成一种复杂结构的间隙化合 物,渗碳体的熔点高，性能：硬而脆，塑性、韧性几乎为 零。按不同生成条件形状有：条状、网状、片状、粒状等 形态, 对铁碳合金的机械性能有很大影响。
第二节 Fe-Fe3C相图分析
一、相图中的点、线、面：三条水平线和三个重要点 （1）包晶转变线HJB，J为包晶点。
本章结束
3．亚共析钢 0.0218%＜C%＜0.77%
二元相图——铁碳相图部分
室温P组织中Fe何时二次渗碳体的含量 最大? 约多少?
2.11 0.77 22.6% 6.69 0.77
Fe3C II
22
过共析钢的室温组织
硝酸酒精浸蚀
苦味酸浸蚀
23
亚共晶钢的结晶过程
亚共晶铸铁的结晶组织
P（黑色树枝状）
图中树枝状的大块黑色组成体是先共晶A转变成 的P，其余部分为变态莱氏体。由先共晶A中析出的二 次渗碳体依附在共晶渗碳体上而难以分辨。
25
P(由初生 A 转变而来)
亚共晶白口铁的室温组织
26
共晶组织结晶
共晶铸铁的结晶组织
P（黑色颗粒）
1148C L4.3 2.11 Fe3C
28
P(黑色颗粒）
渗碳体
共晶白口铁的室温组织
29
二次渗碳体的相对量由杠杆法则计算可达11.8％，其实常依附于共晶渗碳体而无法分辨。
过共晶组织
2.4 二元相图实例分析
Fe-Fe3C相图
1. 铁碳合金中存在哪些基本相?
铁素体(BCC结构)----C原子溶于 - Fe形成的固溶体； 奥氏体(FCC结构)----C原子溶于 - Fe形成的固溶体； 渗碳体(正交点阵)------C与铁原子形成复杂结构的化合物； 石墨(六方结构)------碳以游离态石墨稳定相存在。
奥氏体
渗碳体（Cementite, Fe3C ）
• Fe 和 C 形成的复杂结构的金属化合物（间隙化合物）， 其碳含量为Wc=6.69％，熔点为1227℃，
根据生成条件不同 , 有条状、网状、片状、粒状等形 态， Fe3C的大小、数量、分布对铁碳合金性能有很大影响。
4%硝酸酒精浸蚀 呈白色
4%苦味酸溶液浸蚀 呈暗黑色
2.3典型二元相图的应用2.4凝固与结晶的理论
1.5
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 Wc%
0.0218
0.77
2.11
4.3
6.69
图2-20 简化的Fe—Fe3C相图
2） Fe-Fe3C相图中的特性点 characteristic points
A点 1538℃ Wc=0 纯铁的熔点； D点 1227℃ Wc=6.69% 渗碳体的 熔点; G点 912 ℃ Wc=0 纯铁的同素异 晶转变点；
4）铁碳合金的分类 classification of iron carbon
类别 纯铁 钢
铸铁
合金名称 工业纯铁 亚共析钢 共析钢 过共析钢 亚共晶白口铁 共晶白口铁 过共晶白口铁
碳质量分数/% <0.0218
0.0218～0.77 0.77
0.77～2.11 2.11～4.30
4.30 4.30～6.69
F+A FP
700
1
1
2 2
A
1
L+A
2
E
3
3 A+Fe3CII
S
727
4
3
4
Q
F+P F+ Fe3CIII
P+Fe3CII
ⅣⅥ
L
1148 C
1
1
1227
D 2 L+FFe3C
Fe3C+Ld
Ld
2
3
K
Fe3C+Ld’
温度 t /℃ P
Ld’
100
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
1.5
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 Wc%
铁碳相图原理及应用
4. 珠光体( P )
珠光体( P ):铁素体和渗碳体的机械混合 物(F+Fe3C) ① 由一片铁素体,一片渗碳体相间呈片层 状形成 ② 其性能介于 Fe 和 Fe3C之间 ③ 由成分为0.77%的A缓冷至727℃分解 得到
5.莱氏体(ld)
莱氏体(ld):奥氏体和渗碳体的机械混合物( A+ Fe3C ) ① 由成分为 4.3% 的铁碳合金,在1148℃时从液 相结晶得到 ② 727℃ 以上的莱氏体称高温莱氏体,用ld表示 727℃ 以下的莱氏体称低温莱氏体,用 ld´表示 ③ 性能接近于渗碳体,硬度 ＞700HB,塑性很差.
1、铁素体（α-Fe）
铁素体（ F ）：C 溶在 α—Fe中的一种间隙固 溶体 ① 晶体结构：体心立方晶格 ② 溶碳能力：较小，常温下0.008%以下，在 727℃时溶碳能力达到最大0.0218%。 ③ 组织形态：多边形等轴晶粒 ④ 机械性能：与纯 Fe 性能相似，属软韧相， 强度和 硬度不高，塑性、韧性好。 ⑤ 表示方法：一般用 F 表示，也有用α—Fe、 α 、φ等
典型合金平衡结晶过程和组织
1.工业纯铁(0.01%C,合金①)
工业纯铁的平衡凝固过程及组织 组织 F+（Fe3C）III
1.工业纯铁(0.01%C,合金①)
2.共析钢(0.77%C,合金②)
共析转变 转变产物为珠光体 ,转变过程 L → L+A → A → P ( Fe3C +F )
1.2.2相图中的点、线、区及其意义
Fe-Fe3C相图中各点的成分、温度及其特性综合
2 合金与相图
②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。
铁碳合金相图
1 铁碳合金的组元和相 2 铁碳合金相图的分析 3 典型铁碳合金的平衡结晶过程 4 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响
基本概念
铁碳合金 碳钢
碳钢和铸铁的统称，都是以铁和碳为基 本组元的合金
含碳量为0.0218%～2.11%的铁碳合金
Pb-Sn亚共晶组织
其他类型的二元合金相图
共析相图
共析反应(共析转变)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。
共析转变也是固态相变。
最常见的共析转变是铁 碳合金中的珠光体转变:
S ⇄ P+ Fe3C
S
(—奥氏体，—铁素体，
P
Fe3C—渗碳体)
奥氏体
C溶于γ-Fe中所形成的间 隙固溶体，面心立方晶格
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
2. 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 渗碳体的含碳量为6.69％
具有复杂的晶体结构
渗碳体以“Fe3C”或“Cm”符号表 示
二元共晶相图
相图分析
A ① 相：相图中有L、、三种
相,
B
② 相区：相图中有三个单相区： L、、；三个两相区： L+、 L+、+ ；一个三相区：即 水平线CED。
二元共晶相图
③ 液固相线：液相线AEB，固相线ACEDB。A、B分别为Pb、Sn 的熔点。
④ 固溶线: 溶解度点的连
A
线称固溶线。相图中
低温莱氏体
流动性好，缩孔集中， 偏析小， 铸造性能好。
铁碳合金相图
1 铁碳合金的组元和相 2 铁碳合金相图的分析 3 典型铁碳合金的平衡结晶过程 4 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响
基本概念
铁碳合金 碳钢
碳钢和铸铁的统称，都是以铁和碳为基 本组元的合金
含碳量为0.0218%～2.11%的铁碳合金
Pb-Sn亚共晶组织
其他类型的二元合金相图
共析相图
共析反应(共析转变)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。
共析转变也是固态相变。
最常见的共析转变是铁 碳合金中的珠光体转变:
S ⇄ P+ Fe3C
S
(—奥氏体，—铁素体，
P
Fe3C—渗碳体)
奥氏体
C溶于γ-Fe中所形成的间 隙固溶体，面心立方晶格
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
2. 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 渗碳体的含碳量为6.69％
具有复杂的晶体结构
渗碳体以“Fe3C”或“Cm”符号表 示
二元共晶相图
相图分析
A ① 相：相图中有L、、三种
相,
B
② 相区：相图中有三个单相区： L、、；三个两相区： L+、 L+、+ ；一个三相区：即 水平线CED。
二元共晶相图
③ 液固相线：液相线AEB，固相线ACEDB。A、B分别为Pb、Sn 的熔点。
④ 固溶线: 溶解度点的连
A
线称固溶线。相图中
低温莱氏体
二元相图的典型应用铁碳合金相图
phase diagram )
2.3.3 铁碳合金平衡结晶过程分析与相应组织
(Interpretation of equilibrium crystallization of the iron-carbon alloys and its microstructures)
2.3.4. 碳含量对铁碳合金平衡组织与性能的影响
共晶白口铸铁Ld’显微组织
2.相图中的特性点、特性线及相区等
相图中包括 5个单相区， 7个双相区及 3个三相区
2.相图中的特性点、特性线及相区等
•铁碳合金相图中各特性点和特性线的含义，如表2.2所示。 表2.2 铁碳合金相图中的特性点和特性线
2.相图中的特性点、特性线及相区等
两纵坐标轴：分别代表纯铁和Fe3C的温度状态图； 横坐标轴：表示合金成分。
图2.20 共析碳钢室温P显微组织
2.3.2 铁碳合金相图分析（ Interpretation of the iron-carbon
phase diagram )
③共晶反应
共晶反应产物莱氏体(Ld)。A和Fe3C所组成的共晶体。 共晶转变温度即水平线ECF，称为共晶温度或共晶线。
碳含量在2.11～6.69%范围内的铁碳合金都要进行共晶反应。
( Influence of carbon contents on equilibrium microstructures and properties of iron-carbon alloys )
2.3.5 铁碳合金相图的局限性 (The limitation of the iron-
carbon alloy diagram)
从液相中结晶出来的一次渗碳体（图中Ⅵ），一般呈粗大片状; 从A或F中析出的二次渗碳体（Ⅲ）或三次渗碳体（Ⅸ），一般在晶界呈网状分布; 共析体(珠光体)中的Cm（Ⅰ）一般呈薄片状， 共晶体(莱氏体)中的Cm作基体（Ⅳ）。表2.1。
2.3.3 铁碳合金平衡结晶过程分析与相应组织
(Interpretation of equilibrium crystallization of the iron-carbon alloys and its microstructures)
2.3.4. 碳含量对铁碳合金平衡组织与性能的影响
共晶白口铸铁Ld’显微组织
2.相图中的特性点、特性线及相区等
相图中包括 5个单相区， 7个双相区及 3个三相区
2.相图中的特性点、特性线及相区等
•铁碳合金相图中各特性点和特性线的含义，如表2.2所示。 表2.2 铁碳合金相图中的特性点和特性线
2.相图中的特性点、特性线及相区等
两纵坐标轴：分别代表纯铁和Fe3C的温度状态图； 横坐标轴：表示合金成分。
图2.20 共析碳钢室温P显微组织
2.3.2 铁碳合金相图分析（ Interpretation of the iron-carbon
phase diagram )
③共晶反应
共晶反应产物莱氏体(Ld)。A和Fe3C所组成的共晶体。 共晶转变温度即水平线ECF，称为共晶温度或共晶线。
碳含量在2.11～6.69%范围内的铁碳合金都要进行共晶反应。
( Influence of carbon contents on equilibrium microstructures and properties of iron-carbon alloys )
2.3.5 铁碳合金相图的局限性 (The limitation of the iron-
carbon alloy diagram)
从液相中结晶出来的一次渗碳体（图中Ⅵ），一般呈粗大片状; 从A或F中析出的二次渗碳体（Ⅲ）或三次渗碳体（Ⅸ），一般在晶界呈网状分布; 共析体(珠光体)中的Cm（Ⅰ）一般呈薄片状， 共晶体(莱氏体)中的Cm作基体（Ⅳ）。表2.1。
铁碳合金相图1-2
Cu-Ni、Au-Ag、Fe-Ni、Cu-Au、Cr-Mo等。
1.相图分析
相图的基本分析
对相图中各重要的点、各重要的线和各个面（区域）进行分析。
典型合金的结晶过程分析 选择若干典型合金，分析它们从高温冷却至室温的过程中所发生的 各种变化。
4.2 二元合金相图
相图分析和典型合金平衡结晶过程分析：
T,C
液相线 （Liquidus） 固相线 （Solidus） L
t3 t2
L＋
合金结晶开始的温度连线 L
B
合金结晶终了的温度连线
L
t1
1 2
t4
匀晶转变 L
A
3
冷却曲线
Cu-Ni合金相图
t
4.2 二元合金相图 固溶体合金的结晶特点：
①固溶体的结晶过程与纯金属一样由形核和长大完成。 实际结晶时也需要一定的过冷度。 ②结晶是在一温度范围内进行的。 只有在温度不断下降时，固相 的相对量才增加，温度不变，液相L和 固相 的相对量保持不变，即达到平衡状态。 ③结晶时，L相和 相的成分分别沿着液相线和固相线变化。 ④结晶时，L相和 相的相对量不断变化。
4.2 二元合金相图
Cu-Ni二元合金相图的建立
wNi=80% wNi=100% wNi=60%
wNi=40%
温 wNi=20% 度
wCu=100%
时间
Cu
20
40
60
80
Ni
wNi（%）
4.2 二元合金相图
2、基本相图
大多数二元相图都是由几类最基本的相图组合而成的，或者说，许多 二元相图都包含了几类基本相图。
两种或两种以上的相按一定的质量百分数，以混合形式组合在一起的 组成物。
二元合金相图与铁碳合金课件
或
图3-8 杠杆定律的应用
16
3.2.2 二元共晶相图
共晶转变——二元合金系中，一定成分的液相，在一定温度下同 时结晶 出两种不相同的固相的转变，称为共晶转变。
二元共晶相图——凡二元合金系中两组元在液态下能完全互溶， 在固态下形成两种不同固相，并发生共晶转变的 的相图属于二元共晶相图。
17
3.2.2 二元共晶相图
11
3.2 二元合金相图的基本类型
3.2.1 匀晶相图及杠杆定律 3.2.2 共晶相图 3.2.3 包晶相图 3.2.4 具有共析反应的相图 3.2.5 含有稳定化合物的相图
12
3.2.1 匀晶相图及杠杆定律
n 凡是二元合金系中两组元在液态下可以任何比例均匀相互溶解，在固态 下能形成无限固溶体时，其相图属于二元匀晶相图。例如Cu-Ni、Fe-Cr、 Au-Ag等合金系都属于这类相图。 由液相结晶出均一固相的过程就称为 匀 晶 转 变 。 下 面 就 以 Cu- Ni合 金 相 图 为 例 ， 对 匀 晶 相 图 进 行 分 析。
这样就获得了Cu-Ni合金相图，如图3-3b所示。
图中各开始结晶温度连成的相界线tA LtB线称为液相线，各
终了结晶温度连成的相界线tAαtB线称为固相线。
5
3.1.1 二元合金相图的建立
图3-3 用热分析法测定Cu-Ni合金相图
6
3.1.1 二元合金相图的建立
(3) 相律 n 按照热力学条件，这种限制可用吉布斯相律表示，即：
26
3.2.2 二元共晶相图
合金中相组成物和组织组成物的相对量，均可利用杠杆定律来计算。 合金Ⅲ在183℃ (共晶转变结束后) 时由α、β两相组成，其相对量为：
合金Ⅲ在183℃ (共晶转变结束后) 时由初晶αD与共晶体 (αD+βB) 两 种组织组成物组成，其相对量为：
图3-8 杠杆定律的应用
16
3.2.2 二元共晶相图
共晶转变——二元合金系中，一定成分的液相，在一定温度下同 时结晶 出两种不相同的固相的转变，称为共晶转变。
二元共晶相图——凡二元合金系中两组元在液态下能完全互溶， 在固态下形成两种不同固相，并发生共晶转变的 的相图属于二元共晶相图。
17
3.2.2 二元共晶相图
11
3.2 二元合金相图的基本类型
3.2.1 匀晶相图及杠杆定律 3.2.2 共晶相图 3.2.3 包晶相图 3.2.4 具有共析反应的相图 3.2.5 含有稳定化合物的相图
12
3.2.1 匀晶相图及杠杆定律
n 凡是二元合金系中两组元在液态下可以任何比例均匀相互溶解，在固态 下能形成无限固溶体时，其相图属于二元匀晶相图。例如Cu-Ni、Fe-Cr、 Au-Ag等合金系都属于这类相图。 由液相结晶出均一固相的过程就称为 匀 晶 转 变 。 下 面 就 以 Cu- Ni合 金 相 图 为 例 ， 对 匀 晶 相 图 进 行 分 析。
这样就获得了Cu-Ni合金相图，如图3-3b所示。
图中各开始结晶温度连成的相界线tA LtB线称为液相线，各
终了结晶温度连成的相界线tAαtB线称为固相线。
5
3.1.1 二元合金相图的建立
图3-3 用热分析法测定Cu-Ni合金相图
6
3.1.1 二元合金相图的建立
(3) 相律 n 按照热力学条件，这种限制可用吉布斯相律表示，即：
26
3.2.2 二元共晶相图
合金中相组成物和组织组成物的相对量，均可利用杠杆定律来计算。 合金Ⅲ在183℃ (共晶转变结束后) 时由α、β两相组成，其相对量为：
合金Ⅲ在183℃ (共晶转变结束后) 时由初晶αD与共晶体 (αD+βB) 两 种组织组成物组成，其相对量为：
2.3二元相图的典型应用 铁碳合金相图
1. 三相平衡转变（三个基本反应）
①包晶反应
1495
包晶反应的产物为奥氏体。 凡W(C)=0.09％～0.53％范围内 的合金都要进行此反应，反应后 获得奥氏体组织。
铁碳相图包晶转变部分
包晶转变过程示意图
7
②共析反应
共析反应产物为珠光体(Pearlite,符号 P)， P系F和Fe3C两相层片相间分布机械混合物，具有较高强度， 一定塑韧性和硬度。
fundamental phases of the iron-carbon phase diagram）
1 纯铁
重要特性——具有同素异构转变，
室温下为α-Fe，具有BCC结构，
工业纯铁——含少量杂质
在室温下的力学性能：
塑、韧性虽然很好，
但强度、硬度很低， 很少用它制造机械零件。
图1.16 纯铁的同素异构转变
5
从液相中结晶的一次渗碳体，一般呈粗大片状; A或F中析出的二次或三次渗碳体一般在晶界呈网状分布; 共晶体(莱氏体)中的Cm作基体。 共析体(珠光体)中的Cm一般呈薄片状，表2.1。
6
2.3.2 铁碳合金相图分析
（ Interpretation of the iron-carbon phase diagram )
26
4.共晶白口铸铁(w(C)=4.3% )
• 由于Fe3CⅡ的析出，使2点时A的碳含量降 至0.77%，并发生共析反应转变为P;
• 高温莱氏体(Ld)转变成低温L’d (P+ Fe3CⅡ+Fe3C)。 室温平衡组织仍为L’d，呈黑色条状或粒状P分布在 白色Fe3C基体上。 室温下相组成：F+Fe3C 组织组成：L’d • 由此，共晶白口铁结晶过程的基本反应为: 共晶反应+二次析出反应+共析反应。
第2章 二元合金相图与铁碳合金相图解读
29
铁碳合金相图 —— 相图分析 第2章 30
铁碳合金相图 —— 相图分析 第2章
Fe – Fe3C 合金相图
31
铁碳合金相图 —— 相图分析 第2章
Fe-Fe3C合金相图包含三个基本组成部分：
→ L + δ
γ
共晶部分 共析部分 包晶部分
δ-铁
奥氏体 奥+δ γ
L+δ 液体
包晶是由 L相 和一种固相转 变为另一种固 相，主要是合 金中高温相的 变化，应用很 少。
钢含碳量＜2.11%； E点也是钢和铸铁的分界点：
2.11%≤铸铁含碳量≤ 6.69%。
34
铁碳合金相图 —— 相图分析 —— 共析部分 第2章
727℃
35
铁碳合金相图 —— 相图分析 —— 共析部分 第2章
S点为共析点，共析成分为0.77%C，共析温度为727℃，共析转变为：
→ A常记Acm，低F 于+此F温e，3C奥氏体中将即析奥出氏渗体碳析体出，珠称光二体次渗碳P体，Fe3CII，
种类： 二元匀晶相图 二元共晶相图 二元共析相图
8
二元合金相图 —— 匀晶相图 第2章
概念： 二元合金系中二组元在液态和固态均能无限互溶所构成的相
图，即二元匀晶相图；
例 具有二元匀晶相图的合金系主要有：Cu-Ni、Cu-Au、
Fe-Ni、W-Mo等；
以Cu-Ni合金为例，来分析具有二元匀晶相图的二元合金系 的结晶过程与产物。
机械工程概论
Introduction to mechanical engineering
张力菠 zlbzhang@ 南京航空航天大学经济与管理学院
第2章 二元合金相图与铁碳相图 第2章 二元合金相图 铁碳合金相图 相图的应用
铁碳合金相图 —— 相图分析 第2章 30
铁碳合金相图 —— 相图分析 第2章
Fe – Fe3C 合金相图
31
铁碳合金相图 —— 相图分析 第2章
Fe-Fe3C合金相图包含三个基本组成部分：
→ L + δ
γ
共晶部分 共析部分 包晶部分
δ-铁
奥氏体 奥+δ γ
L+δ 液体
包晶是由 L相 和一种固相转 变为另一种固 相，主要是合 金中高温相的 变化，应用很 少。
钢含碳量＜2.11%； E点也是钢和铸铁的分界点：
2.11%≤铸铁含碳量≤ 6.69%。
34
铁碳合金相图 —— 相图分析 —— 共析部分 第2章
727℃
35
铁碳合金相图 —— 相图分析 —— 共析部分 第2章
S点为共析点，共析成分为0.77%C，共析温度为727℃，共析转变为：
→ A常记Acm，低F 于+此F温e，3C奥氏体中将即析奥出氏渗体碳析体出，珠称光二体次渗碳P体，Fe3CII，
种类： 二元匀晶相图 二元共晶相图 二元共析相图
8
二元合金相图 —— 匀晶相图 第2章
概念： 二元合金系中二组元在液态和固态均能无限互溶所构成的相
图，即二元匀晶相图；
例 具有二元匀晶相图的合金系主要有：Cu-Ni、Cu-Au、
Fe-Ni、W-Mo等；
以Cu-Ni合金为例，来分析具有二元匀晶相图的二元合金系 的结晶过程与产物。
机械工程概论
Introduction to mechanical engineering
张力菠 zlbzhang@ 南京航空航天大学经济与管理学院
第2章 二元合金相图与铁碳相图 第2章 二元合金相图 铁碳合金相图 相图的应用
第三章、二元相图与铁碳合金
第三章、二元相图与铁碳合金相图
第一节、二元合金相图 （一）二元合金相图的建立 （二）基本相图 第二节、铁碳合金相图 （一）铁碳合金的基本组织 （二）铁碳合金相图
复习：
一、匀晶相图
二、共晶相图新课： 第二Fra bibliotek、铁碳合金相图
回答问题： 一、最常见的合金是什么合金？ 答案：钢铁（铁碳合金）。 二、举例，生活中我们用到哪些铁碳合 金制品？ 三、大家都看过古装电视电影，铁匠打 铁需要哪些工具？
思考：
常温下，铁碳合金所含的组织有哪些？ 只有在一定温度下存在的组织有哪些？
作业：P56，第二题。
第一节、二元合金相图 （一）二元合金相图的建立 （二）基本相图 第二节、铁碳合金相图 （一）铁碳合金的基本组织 （二）铁碳合金相图
复习：
一、匀晶相图
二、共晶相图新课： 第二Fra bibliotek、铁碳合金相图
回答问题： 一、最常见的合金是什么合金？ 答案：钢铁（铁碳合金）。 二、举例，生活中我们用到哪些铁碳合 金制品？ 三、大家都看过古装电视电影，铁匠打 铁需要哪些工具？
思考：
常温下，铁碳合金所含的组织有哪些？ 只有在一定温度下存在的组织有哪些？
作业：P56，第二题。
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of the iron-carbon phase diagram )
•1. 三相平衡转变（三个基本反应） 三相平衡转变（三个基本反应）
•①包晶反应
包晶反应的产物为奥氏体（ 2.19中 ）。凡 其反应式为: 其反应式为: LB + δ H → γ J ，包晶反应的产物为奥氏体（图2.19中Ⅷ）。凡 W(C)=0.09％～0.53％范围内的合金都要进行此反应，反应后获得奥氏体组织。 ％～0.53 W(C)=0.09％～0.53％范围内的合金都要进行此反应，反应后获得奥氏体组织。由于工业生 产中，包晶反应往往进行不完全，故常将其简化。 产中，包晶反应往往进行不完全，故常将其简化。
(Interpretation of equilibrium crystallization of the iron-carbon alloys and its microstructures)
2.3.4. 碳含量对铁碳合金平衡组织与性能的影响
( Influence of carbon contents on equilibrium microstructures and properties of iron-carbon alloys )
6.69%， 1227℃。 即Fe/C=3/1，所以Cm的碳含量为6.69%，其熔点1227℃。 Fe/C=3/1，所以C 的碳含量为6.69% 其熔点1227℃
•(2)组织形态 (2)组织形态
在钢中具有多种多样的组织形态，这些形态主要与形成条件有关。 Cm在钢中具有多种多样的组织形态，这些形态主要与形成条件有关。凡是 从液相中结晶出来的一次渗碳体（ 2.19中 ），一般呈粗大片状 凡是从A 一般呈粗大片状; 从液相中结晶出来的一次渗碳体（图2.19中Ⅵ），一般呈粗大片状;凡是从A或F中析出的二次 渗碳体（ 19中 或三次渗碳体（ 2.19中 ），一般呈网状分布 共析体(珠光体) 一般呈网状分布; 渗碳体（图2-19中Ⅲ）或三次渗碳体（图2.19中Ⅸ），一般呈网状分布;共析体(珠光体)中的 2.19中 一般呈薄片状，而共晶体(莱氏体)中的C 作基体（ 2.19中 Cm（图2.1Байду номын сангаас中Ⅰ）一般呈薄片状，而共晶体(莱氏体)中的Cm作基体（图2.19中Ⅳ）等。这五 种渗碳体的特征如表2.1所示。 2.1所示 种渗碳体的特征如表2.1所示。 的热力学稳定性不高，在高温、长时间加热条件下， 将发生分解，形成石墨:Fe C→３ 的热力学稳定性不高，在高温、长时间加热条件下，Cm将发生分解，形成石墨:Fe3C→３Fe + C(石墨 可见， 是亚稳定相。因此，铁碳相图具有双重性。 石墨) C(石墨)。可见，Cm是亚稳定相。因此，铁碳相图具有双重性。
1495℃
•②共析反应 其反应式为: 其反应式为:
AS 727℃→ FP，Fe 3C + 共析反应产物为珠光体(P)，其组织形态如图2-22及 共析反应产物为珠光体(P) 其组织形态如图 22及 (P)， 如图2
图2-19中Ⅰ所示，P系F和Fe3C两相层片相间分布机械混合物，具有较高强度，一定塑韧性和 两相层片相间分布机械混合物，具有较高强度， 19中 所示， 硬度（ =770MPa，硬度180HBW δ=20%～35%， =30～40J）。 180HBW， 硬度（σb=770MPa，硬度180HBW，δ=20%～35%，AK=30～40J）。 •共析反应温度是水平线PSK(727℃)，故称为共析线或共析转变温度，常用符号A1表示。因此， 共析反应温度是水平线PSK(727℃)，故称为共析线或共析转变温度，常用符号A 表示。因此， 共析反应温度是水平线PSK(727℃) 共析线或共析转变温度 凡碳含量大于0.0218%的铁碳合金都将进行共析反应。 0.0218%的铁碳合金都将进行共析反应 凡碳含量大于0.0218%的铁碳合金都将进行共析反应。
3. 铁碳合金的分类
•钢和铸铁都是铁碳合金。它们可按C质量分数的多少来划分，也可按是否发生共晶 钢和铸铁都是铁碳合金。它们可按C质量分数的多少来划分， 钢和铸铁都是铁碳合金 反应来区分。 质量分数＜ 11%，或不发生共晶反应的铁碳合金称为钢 或碳钢) 反应来区分。C质量分数＜2．11%，或不发生共晶反应的铁碳合金称为钢(或碳钢)； 的质量分数＞ 或发生共晶反应的铁碳合金为铸铁 铸铁。 而C的质量分数＞2.11% 或发生共晶反应的铁碳合金为铸铁。由于此类铸铁的共晶 体中C 形式存在，其断口一般呈白亮色，故又称为白口铸铁 白口铸铁。 体中C以Fe3C形式存在，其断口一般呈白亮色，故又称为白口铸铁。 •根据成分不同，铁碳合金可分为3大类7种，如表2.3所示。 根据成分不同，铁碳合金可分为3大类7 如表2.3所示。 2.3所示 根据成分不同 表2.3 铁碳合金的分类
•③共晶反应
其反应式为: LC 1148℃→ AE + Fe3C ，共晶反应产物莱氏体(Ld)。共晶转变温 其反应式为 共晶反应产物莱氏体 。 度即相图上水平线ECF，称为共晶温度或共晶线。因此，碳含量在 度即相图上水平线 ，称为共晶温度或共晶线。因此，碳含量在2.11～6.69%范围内的铁碳 ～ 范围内的铁碳 合金都要进行共晶反应。应指出，在冷却过程中当温度降至727℃时，Ld中的 也要进行共析 中的A也要进行共析 合金都要进行共晶反应。应指出，在冷却过程中当温度降至 ℃ 中的 反应形成P。因此，把共析线以上温度存在的(A+Fe3C)的机械混合物，称为高温莱氏体(Ld)， 的机械混合物，称为高温莱氏体 ， 反应形成 。因此，把共析线以上温度存在的 的机械混合物 而把共析线以下温度存在的(P+Fe3CⅡ＋Fe3Ｃ)的机械混合物，称为低温莱氏体 用符号 表 的机械混合物， 用符号L’d表 而把共析线以下温度存在的 的机械混合物 称为低温莱氏体(用符号 如图2-21以及图 以及图2-19中Ⅳ所示。L’d的组织特征为呈点状或短条状 分布在白 的组织特征为呈点状或短条状P分布在白 示)，其组织形态如图 ，其组织形态如图 以及图 中 所示。 的组织特征为呈点状或短条状 基体上， 色Fe3C基体上，因此其性能特点与渗碳体相近，即高硬度而塑性差（硬而脆）。 基体上 因此其性能特点与渗碳体相近，即高硬度而塑性差（硬而脆）。
•(3)力学性能 Cm具有硬而脆的特性，其硬度值很高(约800HBW)，而塑性很差(δ≈0)。Cm (3)力学性能 具有硬而脆的特性，其硬度值很高( 800HBW)，而塑性很差(δ≈0) (δ≈0)。
表2.1 铁 碳合金中 的物种渗 碳体特征
2.3.2 铁碳合金相图分析（ Interpretation
•铁碳合金相图中各特性点和特性线的含义，如表2.2所示。 铁碳合金相图中各特性点和特性线的含义，如表2.2所示。 铁碳合金相图中各特性点和特性线的含义 2.2所示 •相图中包括5个单相区，7个双相区及3个三相区(对经简化的Fe-Fe3C相图而言，包括4 相图中包括5 Fe相图中包括 个单相区， 个双相区及3个三相区(对经简化的Fe 相图而言，包括4 个单相区， 个双相区及2个三相区) 个单相区，5个双相区及2个三相区)。 •图2.17，图2.18即为以相组分(即组成相或相组成物)形式表示的Fe-Fe3C合金相图。 图2.17， 2.18即为以相组分(即组成相或相组成物)形式表示的Fe合金相图。 即为以相组分 Fe 表2.2 铁碳合金相图中的特性点和特性线
（Components and fundamental phases of the ironcarbon phase diagram） ） •1. 纯铁
2.3.1 铁碳相图中的组元与基本相
2. 渗碳体(常用符号Fe3C或Cm表示) 渗碳体(常用符号Fe 表示)
•在铁碳相图中，碳一般以Cm形式存在，Cm是钢铁合金中一基本相，它的存在状态、 在铁碳相图中，碳一般以C 形式存在， 是钢铁合金中一基本相，它的存在状态、 在铁碳相图中 数量及分布，对铁碳合金的组织与性能起着决定性作用。 数量及分布，对铁碳合金的组织与性能起着决定性作用。 •(1)晶体结构 Cm是具有复杂晶格的间隙化合物，每个晶胞中有一个碳原子和三个铁原子， (1)晶体结构 是具有复杂晶格的间隙化合物，每个晶胞中有一个碳原子和三个铁原子，
2.3.5 铁碳合金相图的局限性 (The limitation of the ironcarbon alloy diagram)
•（1）纯铁 铁的原子序数为26，原子半径1.27nm，熔点1538℃，密度 铁的原子序数为26 原子半径1.27nm 熔点1538℃ 26， 1.27nm， 1538℃， 7.87g/cm3，属于过渡族金属元素。铁的一个重要特性是具有同素异构转变， 7.87g/cm3，属于过渡族金属元素。铁的一个重要特性是具有同素异构转变，如图 1.16所示 含有少量杂质的纯铁称为工业纯铁，室温下为α Fe，具有BCC结构， 所示。 BCC结构 1.16所示。含有少量杂质的纯铁称为工业纯铁，室温下为α-Fe，具有BCC结构， 一般情况下工业纯铁在室温下的力学性能大致为σ =180～ =100～ 一般情况下工业纯铁在室温下的力学性能大致为σb=180～230MPa,σ0.2=100～ 2，硬度值为50～ 170MPa,δ=30％～50%；ψ=70％～80%， =1.6～2.0Ｍ ％～50% ％～80% 50～ 170MPa,δ=30％～50%；ψ=70％～80%，aK=1.6～2.0ＭJ/m 硬度值为50 80HBW。可见钝铁的塑、韧性虽然很好，但强度、硬度很低， 80HBW。可见钝铁的塑、韧性虽然很好，但强度、硬度很低，所以很少用它制造 机械零件。 机械零件。 •（2）铁素体(F或α)与奥氏体(A或γ) 不同结构的铁与碳可形成不同的固溶体，铁 铁素体(F α)与奥氏体(A或 (F或 与奥氏体(A 不同结构的铁与碳可形成不同的固溶体， 素体与奥氏体是铁碳相图中两个十分重要的相， 素体与奥氏体是铁碳相图中两个十分重要的相，这两个相都是碳在铁中的间隙固溶 但它们也有一系列不同之处。 体。但它们也有一系列不同之处。 •①晶体结构 碳原子溶入γ-Fe中所形成间隙固溶体称为A。而碳原子溶入α-Fe中所 碳原子溶入γ Fe中所形成间隙固溶体称为 中所形成间隙固溶体称为A 而碳原子溶入α Fe中所 ① 形成间隙固溶体，则称为F。F为BCC晶格，A为FCC晶格。 形成间隙固溶体，则称为F BCC晶格， FCC晶格。 晶格 晶格 •②溶碳能力 从铁碳相图可知，F的溶碳能力比A要小得多。A最大溶碳量为 从铁碳相图可知， 的溶碳能力比A要小得多。 ② 2.11%(于1148℃时 的最大溶碳量仅为0.0218%( 727℃时 室温下F 0.0218%(于 2.11%(于1148℃时)，而F的最大溶碳量仅为0.0218%(于727℃时)。室温下F的溶 碳量就更低了，一般在0.0008% 以下。 碳量就更低了，一般在0.0008% 以下。 •③组织形态 单相F与A都呈多边形的等轴晶粒。 单相F 都呈多边形的等轴晶粒。 ③ •④力学性能 F、A力学性能相近，都是塑韧相。其中F的力学性能如下:σb=176～ 力学性能相近，都是塑韧相。其中F的力学性能如下:σ =176～ ④ MPa， =98～166MPa，δ=30%～50%，ψ=70%～80%， =1.5～ 274 MPa，σS=98～166MPa，δ=30%～50%，ψ=70%～80%，aK=1.5～ 布氏硬度值为50 80HBW。 50～ 2.0MJ/m2，布氏硬度值为50～80HBW。
•1. 三相平衡转变（三个基本反应） 三相平衡转变（三个基本反应）
•①包晶反应
包晶反应的产物为奥氏体（ 2.19中 ）。凡 其反应式为: 其反应式为: LB + δ H → γ J ，包晶反应的产物为奥氏体（图2.19中Ⅷ）。凡 W(C)=0.09％～0.53％范围内的合金都要进行此反应，反应后获得奥氏体组织。 ％～0.53 W(C)=0.09％～0.53％范围内的合金都要进行此反应，反应后获得奥氏体组织。由于工业生 产中，包晶反应往往进行不完全，故常将其简化。 产中，包晶反应往往进行不完全，故常将其简化。
(Interpretation of equilibrium crystallization of the iron-carbon alloys and its microstructures)
2.3.4. 碳含量对铁碳合金平衡组织与性能的影响
( Influence of carbon contents on equilibrium microstructures and properties of iron-carbon alloys )
6.69%， 1227℃。 即Fe/C=3/1，所以Cm的碳含量为6.69%，其熔点1227℃。 Fe/C=3/1，所以C 的碳含量为6.69% 其熔点1227℃
•(2)组织形态 (2)组织形态
在钢中具有多种多样的组织形态，这些形态主要与形成条件有关。 Cm在钢中具有多种多样的组织形态，这些形态主要与形成条件有关。凡是 从液相中结晶出来的一次渗碳体（ 2.19中 ），一般呈粗大片状 凡是从A 一般呈粗大片状; 从液相中结晶出来的一次渗碳体（图2.19中Ⅵ），一般呈粗大片状;凡是从A或F中析出的二次 渗碳体（ 19中 或三次渗碳体（ 2.19中 ），一般呈网状分布 共析体(珠光体) 一般呈网状分布; 渗碳体（图2-19中Ⅲ）或三次渗碳体（图2.19中Ⅸ），一般呈网状分布;共析体(珠光体)中的 2.19中 一般呈薄片状，而共晶体(莱氏体)中的C 作基体（ 2.19中 Cm（图2.1Байду номын сангаас中Ⅰ）一般呈薄片状，而共晶体(莱氏体)中的Cm作基体（图2.19中Ⅳ）等。这五 种渗碳体的特征如表2.1所示。 2.1所示 种渗碳体的特征如表2.1所示。 的热力学稳定性不高，在高温、长时间加热条件下， 将发生分解，形成石墨:Fe C→３ 的热力学稳定性不高，在高温、长时间加热条件下，Cm将发生分解，形成石墨:Fe3C→３Fe + C(石墨 可见， 是亚稳定相。因此，铁碳相图具有双重性。 石墨) C(石墨)。可见，Cm是亚稳定相。因此，铁碳相图具有双重性。
1495℃
•②共析反应 其反应式为: 其反应式为:
AS 727℃→ FP，Fe 3C + 共析反应产物为珠光体(P)，其组织形态如图2-22及 共析反应产物为珠光体(P) 其组织形态如图 22及 (P)， 如图2
图2-19中Ⅰ所示，P系F和Fe3C两相层片相间分布机械混合物，具有较高强度，一定塑韧性和 两相层片相间分布机械混合物，具有较高强度， 19中 所示， 硬度（ =770MPa，硬度180HBW δ=20%～35%， =30～40J）。 180HBW， 硬度（σb=770MPa，硬度180HBW，δ=20%～35%，AK=30～40J）。 •共析反应温度是水平线PSK(727℃)，故称为共析线或共析转变温度，常用符号A1表示。因此， 共析反应温度是水平线PSK(727℃)，故称为共析线或共析转变温度，常用符号A 表示。因此， 共析反应温度是水平线PSK(727℃) 共析线或共析转变温度 凡碳含量大于0.0218%的铁碳合金都将进行共析反应。 0.0218%的铁碳合金都将进行共析反应 凡碳含量大于0.0218%的铁碳合金都将进行共析反应。
3. 铁碳合金的分类
•钢和铸铁都是铁碳合金。它们可按C质量分数的多少来划分，也可按是否发生共晶 钢和铸铁都是铁碳合金。它们可按C质量分数的多少来划分， 钢和铸铁都是铁碳合金 反应来区分。 质量分数＜ 11%，或不发生共晶反应的铁碳合金称为钢 或碳钢) 反应来区分。C质量分数＜2．11%，或不发生共晶反应的铁碳合金称为钢(或碳钢)； 的质量分数＞ 或发生共晶反应的铁碳合金为铸铁 铸铁。 而C的质量分数＞2.11% 或发生共晶反应的铁碳合金为铸铁。由于此类铸铁的共晶 体中C 形式存在，其断口一般呈白亮色，故又称为白口铸铁 白口铸铁。 体中C以Fe3C形式存在，其断口一般呈白亮色，故又称为白口铸铁。 •根据成分不同，铁碳合金可分为3大类7种，如表2.3所示。 根据成分不同，铁碳合金可分为3大类7 如表2.3所示。 2.3所示 根据成分不同 表2.3 铁碳合金的分类
•③共晶反应
其反应式为: LC 1148℃→ AE + Fe3C ，共晶反应产物莱氏体(Ld)。共晶转变温 其反应式为 共晶反应产物莱氏体 。 度即相图上水平线ECF，称为共晶温度或共晶线。因此，碳含量在 度即相图上水平线 ，称为共晶温度或共晶线。因此，碳含量在2.11～6.69%范围内的铁碳 ～ 范围内的铁碳 合金都要进行共晶反应。应指出，在冷却过程中当温度降至727℃时，Ld中的 也要进行共析 中的A也要进行共析 合金都要进行共晶反应。应指出，在冷却过程中当温度降至 ℃ 中的 反应形成P。因此，把共析线以上温度存在的(A+Fe3C)的机械混合物，称为高温莱氏体(Ld)， 的机械混合物，称为高温莱氏体 ， 反应形成 。因此，把共析线以上温度存在的 的机械混合物 而把共析线以下温度存在的(P+Fe3CⅡ＋Fe3Ｃ)的机械混合物，称为低温莱氏体 用符号 表 的机械混合物， 用符号L’d表 而把共析线以下温度存在的 的机械混合物 称为低温莱氏体(用符号 如图2-21以及图 以及图2-19中Ⅳ所示。L’d的组织特征为呈点状或短条状 分布在白 的组织特征为呈点状或短条状P分布在白 示)，其组织形态如图 ，其组织形态如图 以及图 中 所示。 的组织特征为呈点状或短条状 基体上， 色Fe3C基体上，因此其性能特点与渗碳体相近，即高硬度而塑性差（硬而脆）。 基体上 因此其性能特点与渗碳体相近，即高硬度而塑性差（硬而脆）。
•(3)力学性能 Cm具有硬而脆的特性，其硬度值很高(约800HBW)，而塑性很差(δ≈0)。Cm (3)力学性能 具有硬而脆的特性，其硬度值很高( 800HBW)，而塑性很差(δ≈0) (δ≈0)。
表2.1 铁 碳合金中 的物种渗 碳体特征
2.3.2 铁碳合金相图分析（ Interpretation
•铁碳合金相图中各特性点和特性线的含义，如表2.2所示。 铁碳合金相图中各特性点和特性线的含义，如表2.2所示。 铁碳合金相图中各特性点和特性线的含义 2.2所示 •相图中包括5个单相区，7个双相区及3个三相区(对经简化的Fe-Fe3C相图而言，包括4 相图中包括5 Fe相图中包括 个单相区， 个双相区及3个三相区(对经简化的Fe 相图而言，包括4 个单相区， 个双相区及2个三相区) 个单相区，5个双相区及2个三相区)。 •图2.17，图2.18即为以相组分(即组成相或相组成物)形式表示的Fe-Fe3C合金相图。 图2.17， 2.18即为以相组分(即组成相或相组成物)形式表示的Fe合金相图。 即为以相组分 Fe 表2.2 铁碳合金相图中的特性点和特性线
（Components and fundamental phases of the ironcarbon phase diagram） ） •1. 纯铁
2.3.1 铁碳相图中的组元与基本相
2. 渗碳体(常用符号Fe3C或Cm表示) 渗碳体(常用符号Fe 表示)
•在铁碳相图中，碳一般以Cm形式存在，Cm是钢铁合金中一基本相，它的存在状态、 在铁碳相图中，碳一般以C 形式存在， 是钢铁合金中一基本相，它的存在状态、 在铁碳相图中 数量及分布，对铁碳合金的组织与性能起着决定性作用。 数量及分布，对铁碳合金的组织与性能起着决定性作用。 •(1)晶体结构 Cm是具有复杂晶格的间隙化合物，每个晶胞中有一个碳原子和三个铁原子， (1)晶体结构 是具有复杂晶格的间隙化合物，每个晶胞中有一个碳原子和三个铁原子，
2.3.5 铁碳合金相图的局限性 (The limitation of the ironcarbon alloy diagram)
•（1）纯铁 铁的原子序数为26，原子半径1.27nm，熔点1538℃，密度 铁的原子序数为26 原子半径1.27nm 熔点1538℃ 26， 1.27nm， 1538℃， 7.87g/cm3，属于过渡族金属元素。铁的一个重要特性是具有同素异构转变， 7.87g/cm3，属于过渡族金属元素。铁的一个重要特性是具有同素异构转变，如图 1.16所示 含有少量杂质的纯铁称为工业纯铁，室温下为α Fe，具有BCC结构， 所示。 BCC结构 1.16所示。含有少量杂质的纯铁称为工业纯铁，室温下为α-Fe，具有BCC结构， 一般情况下工业纯铁在室温下的力学性能大致为σ =180～ =100～ 一般情况下工业纯铁在室温下的力学性能大致为σb=180～230MPa,σ0.2=100～ 2，硬度值为50～ 170MPa,δ=30％～50%；ψ=70％～80%， =1.6～2.0Ｍ ％～50% ％～80% 50～ 170MPa,δ=30％～50%；ψ=70％～80%，aK=1.6～2.0ＭJ/m 硬度值为50 80HBW。可见钝铁的塑、韧性虽然很好，但强度、硬度很低， 80HBW。可见钝铁的塑、韧性虽然很好，但强度、硬度很低，所以很少用它制造 机械零件。 机械零件。 •（2）铁素体(F或α)与奥氏体(A或γ) 不同结构的铁与碳可形成不同的固溶体，铁 铁素体(F α)与奥氏体(A或 (F或 与奥氏体(A 不同结构的铁与碳可形成不同的固溶体， 素体与奥氏体是铁碳相图中两个十分重要的相， 素体与奥氏体是铁碳相图中两个十分重要的相，这两个相都是碳在铁中的间隙固溶 但它们也有一系列不同之处。 体。但它们也有一系列不同之处。 •①晶体结构 碳原子溶入γ-Fe中所形成间隙固溶体称为A。而碳原子溶入α-Fe中所 碳原子溶入γ Fe中所形成间隙固溶体称为 中所形成间隙固溶体称为A 而碳原子溶入α Fe中所 ① 形成间隙固溶体，则称为F。F为BCC晶格，A为FCC晶格。 形成间隙固溶体，则称为F BCC晶格， FCC晶格。 晶格 晶格 •②溶碳能力 从铁碳相图可知，F的溶碳能力比A要小得多。A最大溶碳量为 从铁碳相图可知， 的溶碳能力比A要小得多。 ② 2.11%(于1148℃时 的最大溶碳量仅为0.0218%( 727℃时 室温下F 0.0218%(于 2.11%(于1148℃时)，而F的最大溶碳量仅为0.0218%(于727℃时)。室温下F的溶 碳量就更低了，一般在0.0008% 以下。 碳量就更低了，一般在0.0008% 以下。 •③组织形态 单相F与A都呈多边形的等轴晶粒。 单相F 都呈多边形的等轴晶粒。 ③ •④力学性能 F、A力学性能相近，都是塑韧相。其中F的力学性能如下:σb=176～ 力学性能相近，都是塑韧相。其中F的力学性能如下:σ =176～ ④ MPa， =98～166MPa，δ=30%～50%，ψ=70%～80%， =1.5～ 274 MPa，σS=98～166MPa，δ=30%～50%，ψ=70%～80%，aK=1.5～ 布氏硬度值为50 80HBW。 50～ 2.0MJ/m2，布氏硬度值为50～80HBW。