热力学参数状态图

共晶白口铁的基体相是Fe3C脆性相，材料整体脆性较大，硬度较高
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亚共晶白口铁的平衡结晶过程
单相液体的冷却
匀晶反应： L→ γ相
共晶反应：剩余L→Le（γ+Fe3C）
先共晶γ相不断析出Fe3CⅡ，共晶γ相
析出Fe3CⅡ不可见
共析反应： Le（γ+Fe3C） → Le’（P+Fe3C） 先共晶γ相 → P 室温组织： Le’（P+Fe3C） + P
2x 2 M＋O 2＝ M x O y y y
•把上式的DrGθ与温度T的二项式关系绘制成图。该图又称为 氧势图，或称为埃林汉姆图。
D G 与 D G 注：1）关于f r
要注意标准生成自由能（最稳定的单质生成1mol的 化合物）与该反应标准自由能的关系 2 D r G D f GMxOy y 1 RT ln PO2
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小结
碳含量对铁碳合金室温组织的影响
a+Fe3CⅢ a+P P
P+Fe3CⅡ
P+Fe3CⅡ+Ld’
Lde’
Fe3C+Ld’
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含碳量对铁碳合金力学性能的影响——硬度
硬度主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和 质量分数, 随碳含量的增加, 由于硬度高的Fe3C增多, 硬度 低的F减少,合金的硬度呈直线关系增大, 由全部为F的硬度
DS 0
•关于斜率
2）曲线的斜率等于零
C O2 CO2
DS S

CO2
S S
O2
O2
例1. Fe—C—O系优势区图
•埃林汉姆（Ellingham）图及其应用
•1. 氧势图的形成原理；
•2. 氧势图的热力学特征；（特殊的线；直线
斜率；直线位置）
•3. 氧势图的应用（氧气标尺）
•埃林汉姆（Ellingham）图及其应用 •1. 氧势图的形成原理
•埃林汉将氧化物的标准生成吉布斯自由能数值折合成元素与 1mol氧气反应的标准吉布斯自由能变化即，将反应：
变化不大且值很低, 趋于Fe3C的强度(约20 MPa～30 MPa)。
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含碳量对铁碳合金力学性能的影响——塑性
• 铁碳合金中Fe3C是极脆的相, 没有塑性。合金的塑性变 形全部由F提供。所以随碳含量的增大, F量不断减少时, 合金的塑性连续下降。到合金成为白口铸铁时, 塑性就
降到近于零值了。
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过共晶白口铁的平衡结晶过程
单相液体的冷却
匀晶反应： L→ Fe3C相
共晶反应：剩余L→Le（γ+Fe3C）
共晶γ相析出Fe3CⅡ不可见
共析反应： Le（γ+Fe3C） → Le’（P+Fe3C） 室温组织： Le’（P+Fe3C） + Fe3C
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作业：
1.何谓铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体 和变态莱氏体？分别写出它们的符号和性能特点。 2.默画Fe-Fe3C相图，并用相组成和组织组成物填写 相图各区。 3.分析碳含量为0.20%， 0.77%和1.20%的碳钢的平 衡结晶过程及室温平衡组织。 4.计算碳含量为0.20%的碳钢在室温时珠光体和铁素 体的相对量。 5.一块低碳钢，一块白口铁；它们的形状、大小一 样请说出有哪些简便方法可以把它们区分开来。
计算二元相图中 平衡状态下 两平衡相的相对质量分数。 杠杆的支点是两相合金的成分点，端点分别是两个相的成 分点。 a
A(0.0008)
C 0.77
Fe3C
B(6.69)
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a相的质量分数
6.69 0.77 Ma 100 % 88.5% 6.69 0.0008
M Fe3C 0.77 0.0008 100 % 11.5% 6.69 0.0008
MP 0.6 0.0218 100 % 77.28% 0.77 0.0218
P组织组成物的
质量分数
计算727 ℃下, 组织组成物的质量分数
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过共析钢的平衡结晶过程
单相液体的冷却 L相→ γ相
γ单相固溶体（奥氏体）的冷却
γ相中析出二次渗碳体（Fe3CⅡ）
共析转变： γ相→（ α+Fe3C），存在
D G a bT
θ
DrG a bT
•关于斜率
•直线的斜率？？
DrG a bT
DrG Dr H TDrS
θ
θ
θ
D G
r
θ
/ T p b D r S

•（1）斜率是反应的熵变的负值 •（2）转折点一定是在该温度有反应物或产物的相变
•（3）CO的特殊斜率具有重要的意义
共晶反应：L＝Le( FeC3+ γ ) 共析反应： γ＝P (FeC3+ α)
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工业纯铁
碳素钢
白口铸铁
3.2 Fe-Fe3C相图
过共析钢 亚共析钢 共析钢
亚共晶白口铁
过共晶白口铁
共晶白口铁 材料科学与工程学院
2 Fe-Fe3C相图
亚共析钢用途实例
45＃钢 碳含量0.45％
60＃钢 碳含量0.60％
γ相发生共析反应生成珠光体P
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共析钢的平衡结晶过程
注意事项
共析反应生成的珠光体在冷却过程中，其中的铁素体 产生三次析出，生成Fe3CⅢ，但与共析的Fe3C连在一 起，难以分辨。
共析钢的室温平衡组织：P
P：铁素体（F）和渗碳体的两相 混合物，两相的相对质量是多少？
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杠杆定律
0.77%
亚共晶白口铁 白口（铸）铁
2.11～6.68%
共晶白口铁
4.3%
过共晶白口铁
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工业纯铁的平衡结晶过程
冷却过程中匀晶反应：L相→δ相→γ相→α相 → α相中沿晶界析出片状Fe3CⅢ
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共析钢的平衡结晶过程
单相液体的冷却
匀晶反应L相中析出γ相（奥氏体A）
γ单相固溶体的冷却
第四章
热力学参数状态图
4.1 铁碳相图 4.2 热力学参数状态图
4.1 铁碳合金和铁碳相图
§1 铁碳合金中的组元和基本相
§2 Fe-Fe3C相图
§3 典型合金的平衡结晶 §4 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响
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§1 铁碳合金中的组元和基本相
组 元： 纯铁、渗碳体 基 本 相： 高温铁素体（δ）、 铁素体（α）、 奥氏体（γ） 基本组织： 珠光体（P）、 莱氏体（Le/Le’）
约80 HB增大到全部为Fe3C时的约800 HB。
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含碳量对铁碳合金力学性能的影响——强度
• Ｃ％↑, 亚共析钢中P增多而F减少。P的强度高。组织越细密,
则强度值越高。F的强度较低。所以亚共析钢的强度随Ｃ％
↑而增大。 • 共析成分之上, 由于强度很低的Fe3CII沿晶界出现, 合金强度 的增高变慢, 到约0.9%C时, Fe3CII沿晶界形成完整的网, 强 度迅速降低, 随着碳质量分数的进一步增加, 强度不断下降, 到2.11%C后, 合金中出现Ld时, 强度已降到很低的值。 • 再增加碳含量时, 由于合金基体都为脆性很高的Fe3C, 强度
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思考题：
⒈根据Fe—Fe3C相图说明产生下列现象的原因？ ①1.0%C的钢比0.5%C的钢硬度高； ②室温下，含0.8%C的钢其强度高； ③变态来氏体的塑性比珠光体的差； ④在1100℃，含0.4%C的钢能进行锻造，含4.0%C的生铁不能 进行锻造； ⒉铁碳合金中，二次渗碳体的最大百分含量是多少？ ⒊判断对错 ①铁碳合金中，只有过共析钢的平衡组织中才有二次渗碳体？ ②在 Fe—Fe3C相图中，含碳大于2.11%的成分合金，在结晶过 程中均会发生共晶反应？ ③只有共析成分的铁碳合金才能发生共析反应？铁碳合金发 生共析反应的条件？ ⒋对某退火碳钢进行金相分析，组织为P和Fe3C网，其中P占93%， 问此钢含碳量大约是多少？
•关于斜率
热力学公理

处于相同体系中的凝聚态（固，液）的 熵值远小于气态熵值。即
S S
l ,s
g
•关于斜率
几个典型的曲线的斜率
1）曲线的斜率小于零反应，如
2C O2 2CO
DS 2SCO SO 2 S C 2
2SCO SO 0 2
F －→ F+P － → P － → P+Fe3CII － → P+Fe3CII+Ld’ － → Ld’ － → Ld’+Fe3CI
6.69 4.3
0.0218
0.77
2.11
－ → Fe3C
4.2.1 热力学参数状态图定义
从广义角度讲，凡能明确指出处于热力学平衡 的单元及多元体系中各不同相稳定存在区域的 几何图形，都称为相图。而习惯上常狭义地将 恒压下温度与组成图称为相图，那么除此之外 的一切相图都称为热力学参数状态图。
C点为共晶点 1148 ℃时, C点成分的L发 生共晶反应, 生成E点成分的γ和Fe3C（莱 氏体）。
S点为共析点 727 ℃时, S点成分的γ发生共 析反应, 生成P点成分的α和Fe3C（P）。
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2 Fe-Fe3C相图
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2 Fe-Fe3C相图
包晶反应：L+δ＝γ
Fe3C相的质量分数
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L相冷却 L相→ δ相 L相+ δ相→ γ相，并且L相有剩余 剩余L相→ γ相
γ单相的冷却
γ相→ α相，但γ相有剩余 共析反应：剩余γ相→P（α+Fe3C），存在先析α相
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亚共析钢的平衡结晶过程
注意事项
先析铁素体（α相）在随后的冷却过程中会析出Fe3CⅢ，但量很少可忽略
亚共析钢室温平衡组织：先析铁素体+珠光体P
利用杠杆定律计算先析铁素体与珠光体的质量分数，计算铁素体（先析铁 素体+P光体中的铁素体）与渗碳体的质量分数
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亚共析钢的平衡结晶过程
P a
A(0.0218)
C
P
B(0.77)
0.6
a组织组成物的
质量分数
0.77 0.6 Ma 100 % 22.72% 0.77 0.0218
6.根据Fe-相图，说明下列现象的原因： （1）低碳钢具有较好的塑性，而高碳钢具有较好的 耐磨性； （2）钢中碳含量一般不超过1.35%； （3）碳含量为0.45%的碳钢要加热到1200开始锻造， 冷却到800℃ 停止锻造。 7.含碳量为0.4％、0.77％、1.2％、三种钢在700℃、 770℃、 900℃时分别各为何组织？
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2 Fe-Fe3C相图
共析钢的应用举例
T8钢 碳含量 0.80％
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2 Fe-Fe3C相图 过共析钢应用举例
T12 钢 碳含量 1.2％
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3 典型合金的平衡结晶
工业纯铁
﹤0.0218%
亚共析钢 铁碳合金 碳素钢
0.0218～2.11%
共析钢 过共析钢
单相液体的冷却
共晶反应：L→Le（γ+Fe3C） 共晶中的γ相不断析出Fe3CⅡ，不可见 共析反应： Le（γ+Fe3C） → Le’（P+Fe3C）
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注意事项
冷却过程中莱氏体中的奥氏体相析出， Fe3CⅡ，但其依附于莱氏体中的 Fe3C长大，不可见 共晶白口铁室温组织：变态莱氏体Le ’（珠光体呈粒状分布在Fe3C基体上）
RT ln PO2
2）Ellinham图不仅是氧化反应的标准自由能 DrG 与T的 关系图，也是反应平衡的氧分压 PO 与温度的关系图。
2
•2. 氧势图的热力学特征 • ---―斜率”与“位置” •关于斜率 •热力学数据中化合物的标准生成自由能都以如 下形式列出： θ ' ' f •因此化学反应自由能变化最常见的形式如下 ：
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§1 铁碳合金中的组元和基本相
纯铁
纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料。
由于有高的磁导率，可作为电工材料用于各种铁芯。
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2 Fe-Fe3C相图
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2 Fe-Fe3C相图
J为包晶点: 1495 ℃时, B点成分的L与H 点成分的 δ 发生包晶反应, 生成J点成分的 γ。
Fe3CⅡ
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过共析钢的平衡结晶过程
注意事项
从奥氏体中析出的Fe3C称为二次渗碳体 Fe3CⅡ沿奥氏体晶界呈网状析出，使材料的整体脆性加大
过共析钢室温平衡组织：珠光体P+ Fe3CⅡ 利用杠杆定律计算珠光体与二次渗碳体的质量分数
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共晶白口铁的平衡结晶过程