相图分析

铁碳合金相图
上共析点以右的合金)。
共析反应的产物是共析体
铁碳合金中的共析体称珠光体，也是两相的机械
混合物(铁素体+渗碳体)。

与共晶反应不同的是，共
析反应的母相是固相，而
不是液相。

固态转变过冷度大，因而 共析组织比共晶组织细。
珠光体
共析钢的结晶过程
1-2 点 间 转 变 为 。 到S点发生共析 转变：
相区：即水平线CED。
液固相线：液相线AEB，固相线ACEDB。A、B分 别为Pb、Sn的熔点。 固溶线: 溶解度点 的连线称固溶线。 相图中的CF、DG线分 别为 Sn在Pb中和 Pb 在 Sn中的固溶线。 固溶体的溶解度随温度 降低而下降。
A
B
共晶线：水平线CED。 在共晶线对应的温度下（183 ℃），E点成分 的合金同时结晶出C点成分的 固溶体和D点成 分的 固溶体，形成这两个相的机械混合物： LE ⇄(C + D)
包晶线LB+δH⇄ J
J N
L
L+

G
+
L+Fe3 C
+Fe3C

+Fe3C
ECF：
共晶线LC⇄ E+Fe3C
共晶产物是 与Fe3C的 机械混合物，称作莱氏 体， 用Le表示。为蜂窝 状， 以Fe3C为基，性能
J N
L
L+

G
+
L+Fe3C
+Fe3C
+Fe3C
硬而脆。
共晶相图
当两组元在液态
下完全互溶，在
固态下有限互溶，
并发生共晶反应 时所构成的相图 称作共晶相图。
Pb 成分（wt%Sn） Sn
Pb-Sn合金相图
⑴ 相图分析 相：相图中有L、、 三种相。
A B
相区：相图中有三个单
A B
相区： L、、；三
个两相区： L+、
L+、+ ；一个三
S⇄（P+Fe3C）,
全部转变为珠
光体P。
共析刚结束时，珠光体中
相的相对重量百分比为：
珠光体

珠光体中的渗碳体称共析 渗碳体。 S点以下，共析 中析出 Fe3CⅢ，与共析Fe3C结合


不易分辨。室温组织为P。
室温下，珠光体中两相 的相对重量百分比是多 少？
3
1 2
Q
4
9
亚共析钢的结晶过程
PSK：共析线
L+δ
S ⇄FP+ Fe3C
共析转变的产物是 与 Fe3C的机械混合物，称作 珠光体，用P表示。
δ+
L+ L+ Fe3C
2.14
+ + Fe3C
F+ Fe3C

珠光体的组织特点是
两相呈片层相间分布,
性能介于两相之间。
珠பைடு நூலகம்体
PSK线又称A1线。
其它相线
GS,GP— ⇄ 固溶体转
由 析出的二次 用Ⅱ 表示。

结晶过程中，各相溶质浓度(成分)，各相的含量 是多少？？？

随温度下降， 和 相的成分分别沿CF线和DG 线变化， Ⅱ的重量增加。
室温下Ⅱ的相对重量百分比为：QⅡ
F4 100% FG
由于二次 相析出温 度较低， 一般十分 细小。
Ⅰ合金室温组织 为 + Ⅱ 。
CD CD
温度继续下降，将从一次 和 共晶 中析出Ⅱ，从共晶 中 析出Ⅱ。其室温组织为Ⅰ+ ( + ) + Ⅱ 。
亚共晶合金 的结晶过程
过共晶合金结晶过程 与亚共晶合金相似，不同 的是一次相为 , 二次相 为 Ⅱ 。 室温组织为Ⅰ+(+)+Ⅱ。
Pb-Sn合金的结晶过程
(2)PD成分合金：匀晶包晶二次析出。 室温组织为 +βII+β + II
时间
(3) DC成分合金：匀晶包晶匀晶二次析出。 室温组织为β +II。
时间
形成稳定化合物的二元相图 稳定化合物是指在熔化前不发生分解的化合物 (如Mg-Si系的Mg2Si和Fe-C系的Fe3C) 。 其成分固定，在相图中是一条垂线(代表一个单相 区)。
工 业 纯 铁 亚共 共析 析钢 钢 过 共 析 钢 亚 共 晶 白 口 铁 共 晶 白 口 铁 过 共 晶 白 口 铁
2.14
(三)白口铸铁 (2.14~6.69%C) 铸造性能好, 硬而脆 ① 亚共晶白口铸铁 (2.14~4.3%C) ② 共晶白口铸铁 (4.3%C) ③ 过共晶白口铸铁 (4.3~6.69%C)
⑶ 三个三相区：

三条水平线
HJB (L++)、
ECF(L++Fe3C)、
PSK(++ Fe3C)
二、Fe-Fe3C合金的平衡结晶过程

铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：
(一)工业纯铁(<0.02% C) 组
织为单相铁素体 (二)钢(0.02~2.14%C)高温组 织为单相 ①亚共析钢 (0.02~0.77%C) ② 共析钢 (0.77%C) ③ 过共析钢 (0.77~2.14%C)
变线， GS又称A3 线 HN,JN—δ⇄ 固溶体转
2.14
变线 ES—碳在 -Fe中的固溶
线。又称Acm线

⒊ 相区

⑴ 六个单相区：
L+ L
Fe、Fe3C、L、、、
+
+

L+
L+Fe3C

⑵ 七个两相区:
+Fe3C +Fe3C
L+、L+、L+Fe3C、
+、+Fe3C、+ 、 +Fe3C
金；位于共晶点以右的合金称过共晶合金。
凡具有共晶线 成分的合金液 体冷却到共晶 温度时都将发 生共晶反应。
C A
L+
D
B
合金的结晶过程
含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程在3 点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种直 接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。
.2
温度降到3点以下， 固溶体中的Sn过饱 和，由于晶格不稳，开始析出（相变过程 也称析出）新相— 相。由已有固相析出 的新固相称二次相或次生相。
共晶结束后，随温度下降， 和 的成分分别沿 CF线和DG线变化，并从共晶 中析出Ⅱ ，从共 晶 中析出Ⅱ ，由于共晶组织细， Ⅱ与共晶 结合， Ⅱ与共晶 结合，共晶合金的室温组织仍 为 ( + ) 共晶体。
Pb-Sn共晶合金组织
室温下两相的相对重量百分比是多少？
E' G FE' Q , Q FG FG

⒈ 组元：Fe、 Fe3C
1539 1538 1392 1394
温度/℃
液态
δ-Fe 体心 立方
γ-Fe 面心立方 无磁性的 α-Fe 体心立方 有磁性的 α-Fe 体心立方 时间/min
912 911 770 768
0
当碳在铁中的含量超过溶解度时，多余碳以Fe3C 形式存在于铁碳合金，称为渗碳体。
两相机械混合物的合金: 性能与合金成分呈直线关 系，是两相性能的算术平 均值。 混= ∙Q + β∙Qβ HB混=HB ∙Q
+HBβ∙Qβ
(Q 、Qβ为两相相对重量)
相图铸造性能的关系

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.
在一定温度下，由一
定成分的液相同时结
A
B
晶出两个成分和结构
都不相同的新固相的
转变称作共晶转变或
共晶反应。
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。
具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线 上，凡成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合

L L+ L+ +
水平线PDC称包晶线。 与该线成分对应的合金在该温度下发生包晶反应： LC+P⇄βD 。
该反应是液相L包着固相, 新相 β 在L与α的界 面上形核，并向L和两个方向长大。
合金的结晶过程 (1)包晶成分合金：匀晶包晶二次析出。 室温组织为β + II
状。
共晶组织形态
Pb-Sn共晶组织
在共晶转变过程中，L、 、 三相共存, 三个相 的量在不断变化，但各自 成分固定。
C(19.2) E(61.9) D(97.5)
共晶组织中的相称共晶相。
共晶转变结束时， 和 相的相对重量百分比为：
Q Q ED 97.5 61.9 100% 100% 45.4% CD 97.5 19.2 100% Q 54.6%
A
B
成分大于 D点合金结晶 过程与Ⅰ合金相似，室
C
E
D
F
G
温组织为 + Ⅱ 。
合金的结晶过程
共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程 液态合金冷却到E 点时，Pb和Sn同时饱和， 发 生共晶反应：LE ⇄(C+D) 。
1’
19.2
wt%Sn
析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长
大，因而共晶组织较细，呈片、棒、点球等形
Ⅲ
A
H
J
1
B
1-2：匀晶反应 2-3：包晶反应 3-4：匀晶反应
G
4
S P +Fe3C
全部转变为。
Ⅲ A H B J
到4点，由 中析出。 到5点, 成分沿GS 线变到S点，发生共 析反应转变为珠光体。
G
4
S P +Fe3C
温度继续下降， 中析出Fe3CⅢ，由于与共析
奥氏体
奥氏体溶碳能力比铁素体大，1147℃时最大为 2.14%。
γ

特性点
J N
L
L+
⇄

G ⇄ ⇄ ⇄ ⇄
+
L+Fe3C
+Fe3C
+Fe3C
特征线 液相线—ABCD， 固相线—AHJECF
G J N
L
L+

+
L+Fe3C
+Fe3C
+Fe3C
三条水平线：
HJB：
.2
E′
合金的结晶过程
亚共晶合金(Ⅲ合金)的结晶过程 合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到2点， 固相成分变化到C点，液相成分变化到E点。 此时两相的相对重量为：
C2 2E QL ( QE ) 100%, Q 100% CE CE
在2点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应： L ⇄( + ) ，QE =QL 反应结束后，在共晶温度下、 两相的相对重 量百分比为： Q 2 D 100%, Q C 2 100%
分析方法：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。
Mg2Si
L+ Si L+ Mg2Si L+ Mg2Si L+ Mg Mg+ Mg2Si
Mg2Si+Si
Si
4、根据相图判断合金性能
相图机械性能的关系
单相固溶体的合金：
性能随成分呈抛物线变化。
形成稳定化合物的合金： 性能-成分曲线出现拐点。 共晶合金

Fe3C硬度高、强度低(b35MPa), 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。

⒉ 碳在铁中的固溶度
铁素体
奥氏体
(1)铁素体：
碳在-Fe中的固溶体称
铁素体, 用F或表示。
铁素体
碳在δ-Fe中的固溶体称δ-铁素体，用δ表示。
组织组成物之间的差别主要在形态上。如Ⅰ 、 Ⅱ和共晶 的结构成分相同，属同一个相，但 它们的形态不同，分属不同的组织组成物。 组织组成物：组成合金显微组织的独立部分。
3、二元包晶相图
当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶， 并发生包晶反应时所构成的相图称作包晶相图。 在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另 一新固相的反应称包晶转变或包晶反应。 单相区：L、、β 二相区：L+、 L+、+ 三相区：L++ （水平线PDC）
2.14
工业纯铁的结晶过程
1-2点间转变为，
3-4点间→，
N
L+ H B
J
+
5-6点间→,
7点开始，从中析出
+
S
Fe3C。
2.14
共析相图与共晶相图相似 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

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。
相图与铸造性能的关系
缩孔
显微缩松
使用性能与相图的关系
工艺性能与相图的关系
第三节 铁碳合金相图
铁碳合金—碳钢和 铸铁，是工业应用 最广的合金。
含碳量为0.02% ~2.14%的称碳 钢 含碳量> 2.14% 的称铸铁。
一、Fe-Fe3C相图分析
都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力
很低,在727℃时最大为0.02%，室温下仅为 0.008%。
δ-铁素体
0.02%
α-铁素体
0.008%
(2)奥氏体: 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。 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。