铁碳合金及相图

Fe3C中含碳量为多少?
三、相图的类型和结构
• (一)相图分类及结构特点 1.相图分类
•
二组元在液态无限溶解，固态下也无限溶解，形成 连续固溶体的匀晶相图。
二组元在液态无限溶解，固态有限溶解，有共晶反 应，形成机械混合物的共晶相图。
二组元在液态无限溶解，固态有限溶解，有包晶反 应的包晶相图。 二组元在液态有限溶解，有偏晶或合晶反应的相图。
纯铁的T-P相图 铜-银合金(的T-C)相图
水的T-P相图
我们可以从相图中得到许多重要的信息： 1 某一成分的合金，在一定的温度所处的状态及相的组 成；
2 合金在冷却过程中发生了哪些反应或转变，以及发生
反应或转变的开始与终了温度； 3 一定成分的合金室温下具有什么样的平衡组织，进一 步可以根据组织与性能的关系，预测材料的性能； 4 相图与材料的加工工艺性能也存在一定的对应关系。
铁碳合金和铁碳相图
§1 相图的基础知识
§2 铁碳合金中的组元和基本相
§3 Fe-Fe3C相图 §4 典型合金的平衡结晶 §5 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响
§1 相图的基础知识
日常生活中的实例：溜冰
•
材料是由相组成的，相之间有界面存在。
•
多相材料的整体性能取决：
相的数目
它们的相对量
各相的成分与结构
2 ——表示温度(Temperature)和压力(Pressure)两个变量。对 于绝大多数的常规材料系统而言，压力的影响极小，可以不把 压力当作变量而看作常量：1个大气压(atm)，因此自由度数减 少一个，相律的表达式为：
F C P 1
1、单元系统(C=1)
在压力不变（1atm）的条件下，F = C–P +1 = 2–P。自由度数F 的最小值为0，当F = 0时，P = 2。这说明，在压力不变(1atm)条 件下，单元系统最多只能有二相同时存在。 如果压力也是可变的，F = 0时，由公式F =C-P+2可知P = 3， 这意味着单元系统最多可以有三相共存。 例如炭：气相、液相、固相。 但碳的相图中最多只能三相共 存,不可能四相共存。
与一个固相在恒定温
度下转变成另外一个
成分不同的固相的过 程。
L + 。
包晶反应机理
由于相是在包围初生相，并使之与液相格开的形 式下生长的，故称之为包晶反应。
§2 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’）
• 1.定义 •
匀晶相图
二组元在液态和固态下均无 限溶解的二元相图叫做匀晶相 图。形成此类相图的合金系有 Cu-Ni、Bi-Sb,W-Mo,Ti-Zr,TiHf等。
• 2. 相率 在单相区f=C-P+1=2
在两相区f=C-P+1=1，即只有1 个独立变量。假定T为独立变量， 则相的成分就是温度的函数。 给定温度就可以确定相的成分。
其它相图。
• 2. 相图的组成元素
组元 • 组成相图的独立组成物。组元可 以是纯的元素，如金属材料的纯金 属，也可以是稳定的化合物，如陶 瓷材料的Al2O3，SiO2等。
相区 相图中代表不同相的状态的区域叫相区，相区可分为单相 区、双相区和三相区。单相区中液相一般以L表示，当有几个 固态单相区时，则由左向右依次以、、等符号表示。在两 个单相区之间有对应的两相区存在。
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
γ相发生共析反应生成珠光体P
来自百度文库
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？
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
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
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
杠杆定律
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。
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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包晶反应：L+δ＝γ
共晶反应：L＝Le( FeC3+ γ ) 共析反应： γ＝P (FeC3+ α)
相界线 • 在相图上将各相区分隔开的线叫 相界线，由于相界线的特性不同， 可区分为： • ①液相线：其上全为液相，线下有 固相出现，可以表示为L/L+。 • ②固相线：其下全为固相，可表示 为L+/L。
③固溶线：当单相固溶体处于有限溶解时，其饱和溶解度决定 于温度，温度降低，溶解度减少，因此自固溶体中析出第二相， 相图中以固溶线反应这种析出转变。 ④水平反应线：在共晶、包晶等类型相图中有水平线，代表在 此恒定温度下发生某种三相反应。 ⑤其它相界线：不具有以上特性，仅作为相区分界线的相界线
将冷却曲线上的临界点分别 标在温度－成分坐标内，用光 滑曲线把意义相同的临界点连 接起来。这样就得到了A-B二 元合金相图。
连接临界点，得到相图
上述方法称为热分析法，它是利用合金在转变时伴
有热学性能变化的特性，通过测量系统温度的变化来 得到临界温度，从而建立起相图。 除此之外，还可以利用材料在发生转变时伴随有体 积变化的特性，通过测量试样长度随温度的变化得到 临界点，从而作出相图。这种方法称为热膨胀法。 另外还有电阻法，它是利用材料电阻率随温度的变
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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
亚共析钢用途实例
45＃钢 碳含量0.45％
60＃钢 碳含量0.60％
共析钢的应用举例
T8钢 碳含量 0.80％
过共析钢应用举例
T12 钢 碳含量 1.2％
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4
典型合金的平衡结晶
二、相图的建立
建立相图的方法有两种： 利用已有的热力学参数，通过热力学计算和分析建立相图； 依靠实验的方法建立相图。 目前计算法还在发展之中，实际使用的相图都是实验法建立的。 实验法建立相图的原理和步骤： 以A-B二元合金相图的建立为例。 首先，将A-B二元合金系分成 若干种不同成分的合金。 1) 合金成分间隔越小，合金数目 越多，测得的相图越精确； 2) 合金成分间隔不需要相等。
2.杠杆定律
此关系符合力学杠杆原理，故称之为杠杆定律。这说明在确定 的温度下，两相的相对含量可以根据杠杆定律确定。
（二）共晶合金
1.相图结构分析 共晶转变：一个液 相在恒定温度下同
时结晶为两个成分
不同的固相的转变 过程。即L→＋
•
共晶反应的温度称为共晶 温度，E点称为共晶成分点 或共晶点。
纯水的PT相图
2、二元系统(C=2)
压力不变的二元合金系统(以后所涉及的二元合金系统都是压 力不变的，不再特别说明)，C = 2，F = 0时，P = 3。这说明， 当二元合金系统同时出现三个相时，就没有可以独立变化的因 素了。也就是说，只有在一定的温度、成分所确定的某一点才 会出现三相同时存在的状态。 二元合金系统三相共存状态，都是在发生平衡反应的过程中。 可以推断出，二元合金系统的平衡反应仅有二大类型：A→B+C， A+B→C。由于自由度数为0，这些平衡反应都是恒温反应，并 且反应中的三个相(无论是反应相，还是生成相)化学成分都是固 定的。只有当反应结束后(相数小于3时)，随着温度的变化，相 的化学成分才可能发生变化。在后面讨论具体相图时，你会对 此理解得更加深刻。
相的尺寸和空间分布
相图(Phase diagrams)是一个材料系统在不同的化学成分、温 度、压力条件下所处状态的图形表示，因此，相图也称为状态 图。由于相图都是在平衡(Equilibrium)条件（极缓慢冷却）下 测得的，所以，相图也称为平衡相（状态）图。
相图中的相(Phase)是指具有相同的状态（气、液、固）、相 同的化学成分和结构的区域。对于成分单一的纯物质，如纯水、 纯金属、纯氧化物等，由于没有成分的变化，一般采用压力 (Pressure)-温度(Temperature)相图(PT phase diagrams)。对于常 用的合金相图，因为压力的影响很小，况且一般都是处在1个大 气压的条件下，所以不再把压力当作变量考虑，而采用温度-成 分相图。本章所介绍的主要是这一类的二元合金相图。
F = 0的含义是：在保持系统平衡状态不变的条件下，没有可以 独立变化的变量。即，任何变量的变化都会造成系统平衡状态 的变化。
纯水的PT相图：在a点，水在1 大气压、(0℃)条件下，保持液(水) –固(冰)二相平衡。温度升高，冰 溶化成水；温度降低，水结晶成 冰。也就是说，此时水的液-固平 衡转变是在恒温(0℃)下进行的。 b点是气–液二相平衡点，意义与a 点相似。在a、b之间(0℃~100℃)， 水是单一的液相(P =1)，此时F =1， 这说明在此范围内温度的变化不 会引起状态的改变。
匀晶合金的组织特征
• 在平衡凝固过程中，尽管 最后的相和合金原来的成分是 一致的，但是在整个结晶过程中， 液、固两相的成分都在变化，这 是合金凝固与纯金属凝固的重要 要差别。正是由于这一点，合金 的凝固过程伴随着溶质原子的扩 散过程，特别是固相中的扩散。 因此当冷速较快时，没有充分的 时间达到完全的干衡状态，从而 将可能出现各种复杂的非平衡结 晶过程。
化来建立相图的。后两种方法适用于测定材料在固态
下发生的转变。
合金成分的表示方法有两种：质量分数和摩尔分数。 如A组元的质量分数为wA、摩尔分数为xA，其 相对原子量为MA；B组元的质量分数为wB、摩尔 分数为xB，其相对原子量为MB，则：
xA=(wA/MA)/(wA/MA + wB/MB)
xB=(wB/MB)/(wA/MA + wB/MB)
因此，相图在新材料的研究和开发、材料的生产加工
过程中都起着十分重要的作用。
一、相律
在平衡条件下，一个系统的组成物的组元数、相数、和自由 度数之间的关系可以由相律(Gibbs phase rule)来确定。相律的 数学表达式如下：
F CP2
式中各符号的意义分别为： F ——系统的自由度数, 即不影响系统状态的条件下，能够独 立变化的因素数。这些因素有：温度、压力、成分、相数。 C ——组成物的组元数，即系统由几种物质（纯净物）组成。 例如：纯水系统，C = 1; 对于盐水来说，由于水中含有NaCl， 所以C = 2; Al–Si合金系统，组成物为Al和Si，故C = 2。 P ——系统中能够同时存在的相（如：固相、液相等）数。
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。 同素异构转变：金属在温度（压力）改变时发生晶 体结构变化的现象。
3 Fe-Fe3C相图
相图中的三个重要点
相图中的五个单相(区) 相图中的三条水平线 相图中的四条垂直线
3 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。
设计合金的成分
将上述合金分别熔化后，以 非常缓慢的速度冷却到室温， 测出各合金的(温度－时间)冷 却曲线。合金在冷却过程中 发生转变(如：结晶)的起始温 度和结束温度，对应着冷却 曲线上的折点(如：L1、L2 和
S1、S 2等)，即临界点。
测量合金的冷却曲线
1) 冷却速度越慢，越接近平衡条件，测量结果越准确； 2) 纯金属在恒温下结晶，冷却曲线应有一段水平线。
•
共晶反应产物(+)称为
共晶体或共晶组织，具有共
晶反应的相图称为共晶相图。 • 成分低于共晶成分的合金 称为亚共晶合金；高于共晶 成分的合金称为过共晶合金。
（三）共析转变的相图
• 一个固相 在恒定温度 下同时析出 两个成分不 同固相的转 变，即:
• →＋。
包晶反应
包晶反应：一个液体L