二元合金相图分析实例

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（1）Fe—Fe3C相图的点
Fe—Fe3C相图相图中的各特性点所对应的温度、成分和意义 如下表：A、B、C、D、E、F、G、H、J、K、N、P、S、Q各点
Fe
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（2）Fe—Fe3C相图的线
Fe—Fe3C相图有一些特性线，它们是由不 同成分合金具有相同意义的点连接起来的。 有三条水平恒温转变线，二条磁性转变线(水 平)和三条重要的相界线。 Fe—Fe3C相图中各线的意义如下.
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碳在γ－Fe晶格中的位置
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奥氏体的显微组织
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2.Fe—C合金中的基本相 －C
(5)铁素体（ferrite） 铁素体（α或 F ）是 C 溶于α－ Fe 形成 的间隙固溶体称为铁素体（ferrite ）。 C 原子溶于八面体间隙。单相α相在 GPQ 以左部分。铁素体的含碳量非常低，在 727℃ 时 C 在 α － Fe 中 最 大 溶 解 量 为 0.0218% ，室温下含碳仅为 0.005% ，所以 其性能与纯铁相似：硬度 (HB50-80) 低， 塑性( 延伸率δ为 30%~50%) 高。铁素体的 显微组织与工业纯铁相同。晶粒常呈多 边形。是铁磁性，具有bcc结构。 (6) 石墨（C） 在一些条件下，碳可以以游离态石墨 （graphite） (hcp)稳定相存在。所以 石墨对于Fe—C合金中铸铁也是一个基本 相。
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（3）Fe—Fe3C相图中的区
Fe—Fe3C相图中的区： ·4个单相区：L、δ、γ、α · 7个两相区：L+δ、L+γ、L+ Fe3C、δ+γ、 γ+ Fe3C、γ+α、α+ Fe3C · 3个三相共存区：L+γ+ Fe3C（ECF共晶线）、 L+δ+γ（HJB包晶线）、γ+α+ Fe3C（PSK 共析线）
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4. Fe—C合金分类
Fe 、 C 合金通常按其含碳量 (Wc) 及其室温平衡组 织 分 为 三 大 类 ： 工 业 纯 铁 （ pure iron ） 、 碳 钢 （ carbon steel ）、铸铁（ cast iron ）。根据碳 钢和铸铁的相变、组织特征可把二者细分。即： （1）工业纯铁：
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C. 几条重要的相界线(固态转变线)
① GS线：A中开始析出α或α全部溶入(升温时) γ的转变线。 常用 A3 表示。因这条线在共析转变线以上，故又称为先共 析α相开始析出线。常称为A3线或A3温度。 ② ES 线： C 在γ中溶解度曲线。常用 Acm 表示，称为 Acm 温度。 低于此温度，溶解度降低，将析出Fe3C。为了区别自液(CD 线)态合金中直接析出的一次 Fe3C，将γ中析出的Fe3C称为 二次Fe3C。 ③ PQ 线： C 在α中溶解度曲线。在 727℃时， C 在α中的最大 溶解度 0.0218% ，但温度下降， C 在中溶解度下降，会析出 少量的渗碳体，，称为三次 Fe3C 。以区别于沿 CD 线和 ES 线 析出的Fe3C。
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B. 两条磁性转变线

① 230℃为水平线为 Fe3C 的磁性转变线， 230℃ 以上Fe3C无磁性，230℃以下为铁磁性。常用A0表示 ② 770℃为α的铁磁性转变线。770℃以上无铁 磁性，770℃以下为铁磁体。常用A2表示，又称居 里点。
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Fe3C 熔点为 1227℃，Fe3C是一种亚稳化合物，在一定条件下， 渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳： Fe3C→3Fe + C(石 墨 ) 。这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。所以 Fe— Fe3C 相图又叫介稳定系相图， Fe － C 相图又叫稳定系相图， 若把Fe—Fe3C相图与Fe－C相图画在同一图上，称为Fe－C合 金双重相图，如图7.50。两相图各有不同适用范围。
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渗碳体的晶格
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Fe-Fe3C双重相图－1
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Fe-Fe3C双重相图－2
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(2) 渗碳体(Fe3C)-B
Fe3C在 230℃以下具有铁磁性，常用A0表示这个临
界点。 Fe3C在钢和铸铁中呈现片状，粒状，网状和板条状。 渗碳体硬而脆 (HB800)，塑性极低，延伸率接近于 0。 它是钢铁材料中的主要强化相。 Fe3C 中碳和 Fe 可以 被其它元素替代形成以 Fe3C 为基的固溶体。 Fe 被 Cr 、 Mn 等原子金属置换，形成以 Fe3C 为基的固溶体，称 为合金渗碳体。
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1538 1495 1394
Fe
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1.Fe—C合金中的组元
Fe-Fe3C相图
铁碳合金中 组元： 纯铁(Fe)和 渗碳体（Fe3C）
Fe3C
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(1)
纯铁（Fe）
纯铁（pure iron） WFe > 99.8%，原子序数26， 原子相对质量 55.85 ，纯铁的熔点 1538℃，汽 化点2738℃，密度7.87g/㎝³ 。 纯铁固态下具有 同素异构转变 （ allotropic transformation ） ： 912°C 以 下 为 体 心 立 方 (bcc)晶体结构，912°C到1394°C之间为面心 立方(fcc)结构, 1394°C到熔点之间为体心立 方(bcc)结构。 纯 铁 具 有 磁 性 转 变 （ 770/768℃ 磁 性 转 变 、 magnetic transformation ）。纯铁的强度低， 塑性好(软)，很少用于结构材料。主要利用铁 磁性（ferromagnetism）。
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2.Fe—C合金中的基本相 －B
（4） 奥氏体（austenite） 奥氏体 (γ 或 A) 是 C 溶解于 γ—Fe 形 成 的 间 隙 固 溶 体 称 为 奥 氏 体 （austenite）。γ具有fcc结构。具有 面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较 多的碳，1148°C时最多可以溶解2.11% 的碳，到727°C时含碳量降到0.8%。碳 原子存在于面心立方晶格中正八面体的 中心，单相 γ 区存在于 NJBESGN 区域内 （ 727---1459℃ ） 。 奥 氏 体 的 硬 度 (HB170-220) 较 低， 塑 性 ( 延 伸 率 δ 为 40%-50%)高。奥氏体的显微组织见下图。 γ 是顺磁性（ paramagnetism ），具有 fcc结构。晶粒呈平直多边形。
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纯铁的同素异构转变
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纯铁的冷却曲线及晶体结构变化
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纯铁的显微组织
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(2) 渗碳体(Fe3C)－A
渗碳体（cementite）是Fe—C合金 中碳以化合物(Fe3C)形式出现的。 它具有复杂的晶格。 Fe3C 是由 C 原 子构成的一个斜方晶格， C原子周 围有六个Fe原子，构成一个八面体， 而每个Fe原子属于两个八面体共有， Fe:C=3:1。
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A.三条水平恒温转变线

①包晶线：HJB线（1459℃），J为包 晶点， wc=0.09 ～ 0.53% 的 Fe 、 C 合金缓 冷到HJB线均发生包晶反应，即： L0.53+δ0.09→α0.17 （LB+δH→αJ） ②共晶线：ECF水平线（1148℃），C 点为共晶点， wc=2.11 ～ 6.69% 的 Fe 、 C 合金缓冷到 EFC 线均发生共晶反应，即： L4.30→γ2.11+ Fe3C （LC→γE+ Fe3C） 转变产物为γ和 Fe3C 组成的共晶混合物 称为莱氏体（ledeburite），用Ld表示。
7.3.8 二元合金相图分析实例
重点：铁碳相图
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7.3.8 二元合金相图分析实例
Fe—C合金能 Cu—Zn合金相图 Cu—Sn合金 其他例子
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一. Fe—C合金的组织和性能 钢 (Steels) 和铸铁 (Cast irons) 是应用最广的金 属材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们 的基本组成都是铁 (Fe) 和碳 (C) 两种元素，故统称为 铁碳合金（ alloys of the iron － carbon system ）。 因此，学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决 实际问题是非常重要的。 铁碳相图 ( 如图 7.50) 是一个较复杂的二元合金相 图，它概括了钢铁材料的成分、温度与组织之间的关 系。在铁碳合金中， Fe 与 C 可以形成一系列化合物： Fe3C 、 Fe2C 、 FeC 。 所 以 ， Fe-C 相 图 可 以 划 分 成 FeFe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。由于化 合物是硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值 （工业上使用的铁碳合金含碳量不超过 5 ％），因此， 通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。
(Wc<0.0218%)显微组织为固溶体。
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（2）钢
钢（steel）是含碳量在(Wc=0.0218～2.11%) 之间的Fe—C合金。其特点是： 高温组织为单相的γ，具有很好的塑性。因而 可以进行锻造、轧制等压力加工。根据其室温 组织的不同，碳钢（carbon steel）又可分为： 共析钢（eutectoid steel）：Wc=0.77% 亚 共 析 钢 （ hypoeutectoid steel ） ： Wc=0.0218～0.77% 过 共 析 钢 （ hypereutectoid steel ） ： Wc=0.77～2.11%
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2. Fe—C合金中的基本相 －A
在Fe—Fe3C相图中，Fe—C合金在不同条件(成分，温度)下，可有 六个基本相： L相、δ相、γ相、α相、Fe3C相、石墨（C） (1)液相(L) Fe与C在高温下形成的液 体溶液。(ABCD线以上) (2)δ相[高温铁素体（high temperature ferrite）] C在δ－Fe的间隙固溶体。 在1495℃时最大溶解量可达 0.09%，为bcc结构，也称高 温铁素体（high temperature ferrite）。 (3)渗碳体（cementite） 前面 已讨论过.
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（3）白口铸铁
白 口铸 铁 （ white cast iron ） 是 含碳 量 在 Wc=2.11 ～ 6.69%之间的Fe、C合金。其特点液态合金结晶时都发生共 晶反应，液态时有良好的流动性，因而铸铁都具有良好的 铸造性能。但因共晶产物是以 Fe3C为基的莱氏体组织，所 以性能很脆，不能锻造。它们的断口呈银白色，故称为白 口铸铁。根据白口铸铁室温组织不同，可分为三种： 共晶白口铸铁（eutectic cast iron）：Wc=4.30% 亚 共 晶 白 口 铸 铁 （ hypoeutectic cast iron ） ： Wc=2.11～4.30% 过 共 晶 白 口 铸 铁 （ hypereutectic cast iron ） ： Wc=4.30～6.69% 上述Wc=2.11%具有重要的意义，它是钢和铸铁 (生铁 ) 的理论分界线。
Fe
③共析线：PSK水平线（727℃），S点为共析点。凡wc>0.0218%的Fe、C合金冷 却到PSK线均发生共析反应，即： γ0.77→α0.0218 + Fe3C （γS→αP+ Fe3C） 转变产物为α和Fe3C组成的机械混合物称为珠光体（pearlite），用P表示。 共析转变温度常用A1表示。
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3. Fe—Fe3C相图分析
如图7.50为Fe—Fe3C相图全貌。根据分析 围绕三条水平线可把Fe—Fe3C相图分解为三 个部分考虑： 左上角的包晶部分 右边的共晶部分 左下角的共析部分 分析点、线、区特别是重要的点、三条 水平恒温转变线 、重要的相界线
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