大学材基-杠杆定理计算铁碳合金

二元相图的计算

3.3.1 工业纯铁

1、以含碳0.01％的铁碳合金为例，其冷却曲线（如图3.2）和平衡结晶过程如下。

合金在1点以上为液相L 。冷却至稍低于1点时，开始从L 中结晶出δ，至2点合金全部结晶为δ。从3点起，δ逐渐转变为A ，至4点全部转变完了。4-5点间A 冷却不变。自5点始，从A 中析出F 。F 在A 晶界处生核并长大，至6点时A 全部转变为F 。在6-7点间F 冷却不变。在7-8点间，从F 晶界析出III C Fe 3。因此合金的室温平衡组织为F +III C Fe 3。F 呈白色块状；III C Fe 3量极少，呈

小白片状分布于F 晶界处。若忽略III C Fe 3，则组织全为F 。

图3.2工业纯铁结晶过程示意图

3.3.2 共析钢

2、含碳0.77%，其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.3所示。

合金冷却时，于1点起从L 中结晶出A ，至2点全部结晶完了。在2-3点间A 冷却不变。至3点时，A 发生共析反应生成P 。从3点继续冷却至4点，P 皆不发生转变。因此共析钢的室温平衡组织全部为P ，P 呈层片状。

共析钢的室温组织组成物也全部是P ，而组成相为F 和C Fe 3，它们的相对质量为：碳含量2.11～6.69％

%%%881006.690.77

6.69=×−=

F ;

%%%3121=−

=F C Fe

图3.3 共析钢结晶过程示意图

3、以含碳0.4％的铁碳含金为例。

合金冷却时，从1点起自L 中结晶出δ，至2点时，L 成分变为0.53％C ，δ变为0.09％C ，发生包晶反应生成17.0A ，反应结束后尚有多余的L 。2点以下，自L 中不断结晶出A ，至3点合金全部转变为A 。在3-4点间A 冷却不变。从4点起，冷却时由A 中析出F ，F 在A 晶界处优先生核并长大，而A 和F 的成分分别沿GS 和GP 线变化。至5点时，A 的成分变为0.77％C ，F 的成分变为0.0218％C 。此时A 发生共析反应，转变为P ，F 不变化。从5点继续冷却至6点，合金组织不发生变化，因此室温平衡组织为F +P 。F 呈白色块状；P 呈层片状，放大倍数不高时呈黑色块状。碳含量大于0.6％的亚共析钢，室温平衡组织中 的F 常呈白色网状，包围在P 周围。

图3.4 亚共析钢结晶过程示意图

含0.4％C 的亚共析钢的组织组成物（F 和P ）的相对质量为：发生共析反应的那一段直线碳含量0.0218～0.77％

%%%511000.02

0.770.02

0.4=×−−=

P ；%%%

49511=−=F

组成相（F 和C Fe 3）的相对质量为：碳含量0.0218～6.69％

%%%%;%%36941941006.69

0.4

6.69=−==×−=

C Fe F

由于室温下F 的含碳量极微，若将F 中的含碳量忽略不计，则钢中的含碳量全部在P 中，所以亚共析钢的含碳量可由其室温平衡组织来估算。即根据P 的含量可求出钢的含碳量为：%%%0.77×=P C 。由于P 和F 的密度相近，钢中P 和F 的含量（质量百分数）可以近似用对应的面积百分数来估算。

4、以碳含量为1.2％的铁碳合金为例。 合金冷却时，从1点起自L 中结晶出A ，至2点全部结晶完了。在2-3点间A 冷却不变，从3点起，由A 中析出II C Fe 3，II C Fe 3呈网状分布在A 晶界上。至4点时A 的碳含量降为0.77％，4-4点发生共析反应转变为P ，而 II C Fe 3不变化。在4点-5点间冷却时组织不发生转变。因此室温平衡组织为II C Fe 3+P 。在显微镜下，II C Fe 3呈网状分布在层片状P 周围。

图3.5 过共析钢结晶过程示意图

含1.2％C 的过共析钢的组成相为F 和C Fe 3；

★★★★组织组成物为II C Fe 3和P ，它们的相对质量为：

%%%%;%%C Fe II 3937171000.77

6.690.77

1.2=−==×−−=

P

3.3.5 共晶白口铸铁

5、以碳含量为4.3％的铁碳合金为例，共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡结晶过程如图3.6所示。

合金在1点发生共晶反应，由L 转变为（高温）莱氏体Le （A +C Fe 3）。在1-2点间，Le 中的A 不断析出II C Fe 3。II C Fe 3与共晶C Fe 3无界线相连，在显微镜下无法分辨，但此时的莱氏体由A +II C Fe 3+C Fe 3组成。由于II C Fe 3的析出，至2点时A 的碳含量降为0.77％，并发生共析反应转变为P ；高温莱氏体Le 转变成低温莱氏体Le ′(P +II C Fe 3+C Fe 3)。从2-3点组织不变化。所以室温平衡组织仍为

Le ′，由黑色条状或粒状P 和白色C Fe 3基体组成（见图3.12）

。 共晶白口铸铁的组织组成物全为Le ′，而组成相还是F 和C Fe 3，它们的相对重量可用杠杆定律求出。

图3.6 共晶白口铸铁结晶过程示意图

★★★3.3.6 亚共晶白口铸铁

6、以碳含量为3％的铁碳合金为例。

合金自1点起，从L 中结晶出初生A ，至2点时L 的成分变为含4.3％C （A 的成分变为含2.11％），发生共晶反应转变为Le ，而A 不参与反应。在2-3点间继续冷却时，初生A 不断在其外围或晶界上析出II C Fe 3，同时Le 中的A 也析出II C Fe 3。至3点温度时，所有A 的成分均变为0.77％，初生A 发生共析反应转变为P ；高温莱氏体Le 也转变为低温莱氏体Le ′。在3点以下到4点，冷却不引起转变。因此室温平衡组织为P +II C Fe 3+Le ′。网状II C Fe 3分布在粗大块状P 的周围，Le ′则由条状或粒状P 和C Fe 3基体组成。

图3.7 亚共晶白口铸铁结晶过程示意图

亚共晶白口铸铁的组成相为F 和C Fe 3。组织组成物为P 、II C Fe 3、和Le ′。它们的相对质量可以两次利用杠杆定律求出。

先求合金钢冷却到2点温度时初生11.2A 和3.4L 的相对质量：

%%%%;%%3.411.241591591002.11

4.33

4.3=−==×−−=

L A

3.4L 通过共晶反应全部转变为Le ，并随后转变为低温莱氏体Le ′，所以Le ′％ = Le ％ = 3.4L ％ = 41％。

再求3点温度时（共析转变前）由初生11.2A 析出的II C Fe 3及共析成分的77.0A 的相对质量：

%

%%%;%%77.0346590.77

6.69 2.11

6.6913590.776.690.772.11=×−−==×−−=

A C Fe II

由于77.0A 发生共析反应转变为P

，所以P 的相对质量就是46％。