相图中的点、线、区及其意义
铁碳合金相图
含碳量越高，钢的强度、
硬度越高，而塑性、韧性 越低，这在钢经过热处理 后表现尤为明显。
四、Fe－Fe3C相图的应用
在焊接工艺上的应用
1、在钢铁材料选用方面的应用
Fe－Fe3C相图反映了铁碳合金的组织、性能随成分的变化规律，为钢铁材 料的选用提供了依据。如各种型钢及桥梁、船舶、各种建筑结构等，都需要强度 较高、塑性及韧性好、焊接性能好的材料，故一般选用含碳量较低（WC＜0.25％） 的钢材；各种机械零件要求强度、塑性、韧性等综合性能较好的材料，一般选用 碳含量适中（WC＝0.30％～0.55％）的钢；各类工具、刃具、量具、模具要求硬 度高，耐磨性好的材料，则可选用含碳量较高（WC＝0.70％～1.2％）的钢。纯 铁的强度低，不宜用作工程材料。白口铸铁硬度高、脆性大，不能锻造和切削加 工，但铸造性能好，耐磨性高，适于制造不受冲击、要求耐磨、形状复杂的工件， 如冷轧辊、球磨机的铁球等。
二、选择题 1、奥氏体是具有（ ）晶格的铁。 A 体心立方 B 面心立方 C密排六方 D 无规则几何形状 2、合金发生固溶强化的主要原因（ ）。 A晶格类型发生了变化 B 晶粒细化 C 晶格发生畸形 D 晶界面积发生变化 3、铁碳合金相图上的共析线是（ ）。 A、ACD B、ECF C、PSK 4、组成合金的最基本的独立物质称为（ ）。 A、相 B、组元 C、组织 5、单晶体的滑移变形是在（ ）的作用下发生的。 A、切应力 B、拉应力 C、压力
第三章
铁碳合金
学习目标：
一、铁碳合金相图的组成
二、Fe－Fe3C相图中特性点的含义
三、铁碳合金相图中特征线的含义及各区域内
的组织。
三、单相区、二相区和三相区分析
一、铁碳合金相图的组成
铁碳合金相图——表示在缓慢冷却（或缓慢加热）的条件下，
第三章二元合金相图及应用
F
第三节
二元共晶相图
注意：在共晶线ECF上属于三相平衡区
该合金系有两类合金： 固溶体合金 共晶型合金
E点以左，F点以右的合金属于固溶体型合 金；EF 之间的合金为共晶型合金，其中， C点以左为亚共晶合金，C点以右为过共晶 合金，C点合金为共晶合金。
二、典型合金的结晶过程分析
第三节
二元共晶相图
共晶相图：共晶、亚共晶、 过共晶、固溶体合金
Cu-Ni合金枝晶偏析示意图
第二节
二元匀晶相图
Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
平衡组织
枝晶偏析组织
第三节
二元共晶相图
当合金的二组元在液态时无限互溶， 在固态时有限互溶，且发生共晶反应， 此合金系的相图为二元共晶相图。 属于此类相图的合金系有： Pb-Sn, Al-Si, Al-Sn, Zn- Sn等。
1、配制不同成分的合金（选 择合金系中有代表性的成分） 2、分别测出美中合金的冷却 曲线，得到相变临界点 3、将临界点对应地绘在成分-
温度图上.
4、将同类临界点连接起来， 即可绘出该合金系的相图。
注意：利用热分析法测定相图时，冷却速度应 非常缓慢（平衡结晶）
第二节 一、相图分析
二元匀晶相图
当两组元在液相和固相均无限互溶时， 构成的合金系相图为二元匀晶相图。 属于此类的合金系有：Cu-Ni, Cu-Au, Au-Ag, Fe-Ni, W-Mo, Bi- Sb 等。
第二节
二元匀晶相图
三、固溶体合金中的偏析
合金相图中，合金的凝 固过程是在无限缓慢的冷 却条件下进行的，但实际 上合金不可能无限缓慢冷 却，一般冷却速度较快， 由于原子来不及充分扩散， 会出现先结晶出来的合金 含Ni量高的现象，对于一 个晶粒，心部含Ni量高， 表层含Ni量低。
第四章：二元相图
2.杠杆定律： 问题提出： ①当二元合金（成分已知）由两相组成时两相的相对重量是多少？
例：45钢（含C=0.45%）,铁素体（F）和Fe3C两相各占多少？ ②当二元合金两相相对重量已知时，合金成分是多少？
例：金相观察：F:95%; Fe3C：5%；求钢的含碳量？ 杠杆定律可以解决此类问题。
以Cu-Ni二元合金相图说明：
第四章：二元相图
4．1相图的基本知识 4．1．3相律及杠杆定律 2.杠杆定律：
以Cu-Ni二元合金相图说明：
计算成分为x的合金在t1℃时，L和两相的相对重量。
根据相律：在t1℃时，L和α两相成分分别为CL,C α.。 设：合金总重量为1，液相重为WL, α相重Wα 则有：WL+Wα=1
第四章：二元相图
4.2.2共晶相图
1.相图分析
以Pb-Sn二元合金相图为例：
最大特征：三相水平线：
f=2-3+1=0
温度恒定，三相成分固定。 E点：共晶点
第四章：二元相图
4.2.2共晶相图
2．典型合金平衡结晶及组织
（1）固溶体合金的结晶 M点以左（α），N点以右（β）
以含Sn=10%的合金为例
1-2点，与匀晶结晶一样。 2-3点，为单相α。 3点以下：从含Sn过饱和的α中析出βII。
第四章：二元相图
复习合金、组元、相、相结构（固溶体、化合物） 纯金属结晶→单相。
相图：以温度为纵坐标，成分为横坐标，反映不同成分的合金 在任意温度下所处的平衡相状态的图解。 相图→状态图，平衡状态图 。 平衡：合金从液态（高温）到室温是在极其缓慢的条件下完成的。 相图用途：①帮助认识相的变化规律
②计算任意合金在不同温度下相和组织含量。 ③ 帮助制定热加工工艺：
一元相图
（二）同质多晶现象
同质多晶现象：同一化学成分，由于形成的条件不同，晶体结构上有很大差别，这种 现象叫同质多晶现象。 多晶转变：当温度和压力的条件产生变化时，同质多晶间会发生相互转变，这种现象 叫多晶转变。 如金刚石和石墨，α石英和β石英等。这些虽然都是在熔点之下产生的，但在相图中是 很明确地表示出来的。
P/kPaCFra bibliotek液A
固
101.325/kPa 0.610/kPa D B 273.16K 273.25K T/K K G O
汽
图1-2-1
（2）相图中各曲线的斜率及位置的规律 相会于三相点的各单变量平衡曲线的相互排列规律是：其中任一个单变量平衡曲线在三相点 外的延长部分必须在其它二曲线之间通过，或必须服从克—克方程。
101325
N’ D’ D
M
O
C
β-石英
N
（a)
时间
L
393 436 603 846 1143 1743 1873 1943 1986
T/K
T/K T/K 石英玻璃 1986
图1-2-6 SiO2系统相图
T/K 1986 α方石英
1743
ΔV=0.2% ΔV=2.8% 603 (b) 时间 (c) β-方石英 436 393 时间 (d) 时间 ΔV=0.2%
图1-2-1 这就证明了平衡曲线位置的排列顺序。
（3）亚稳区和亚稳相 过冷现象：如果实验时小心控制条件，可使水冷至 273.15K以下仍无冰出现，这种现象称为过冷现象。
亚稳区：这时图1-2-1中的AO线可延伸到D点。OD线
在OB线之上，这表示过冷水的蒸汽压要比同温度下的冰 的蒸汽压大。过冷水不如冰稳定，因此，在OD线上水和 蒸汽是处于亚稳的平衡状态。过冷水可作为亚稳相，同样
第4章 铁碳合金相图与碳钢
1227
(I)
亚共析钢
过共析钢
工业纯铁
共析钢
亚共晶白口铁
过共晶白口铁
共晶白口铁
0.02% 0.40% 0.77% 1.2%
2.11%
3.0% 4.3%
5.0%
1227
(I)
0.01%
1227
(I)
(1)工业纯铁（C＝0.01%）： L→L+δ →δ →δ +A→A→A+F→F→F+Fe3CⅢ
WF= （6.69-0.01） /6.69=99.85%
L+Fe3C
6.69
莱氏体( Ld)-奥氏体和渗碳体混合物 珠光体（P）-铁素体和渗碳体层片 状混合物
区的意义：
1495
（1）单相区：L、δ 、A、F；
（2）两相区：L+δ 、L+A、
L+Fe3CⅠ、δ +A、A+F、A+Fe3C F+Fe3C （3）三相共存点：
J点：(L+δ +A)
C点：（L+A+ Fe3C）； S点：（A+F+ Fe3C）；
4.3%
1227
(I)
共晶白口铁（C＝4.3%） L→Ld→Ld′
相组成：WF=(6.69-4.3)/6.69 =35.7% 组织组成：Ld’=100%
5.0%
1227
(I)
过共晶白口铁（C＝5.0%）：
L→L+ Fe3CⅠ→Ld+ Fe3CⅠ→Ld′+ Fe3CⅠ
相组成：WF=(6.695.0)/6.69=25.3% 组织组成 WLd’=(6.69-5.0)/(6.69-4.3)=70.7% WFe3CI=29.3%
三元相图基本知识
第二节 三元匀晶相图
5 投影图 （1）等温线投影图：可确定合金结晶开始、结束温度。 （图4-87） （2）全方位投影图：匀晶相图不必要。
第三节 三元共晶相图
一 组元在固态互不相溶的共晶相图 （1）相图分析 点：熔点；二元共晶点；三元共晶点。
线：EnE
两相共晶线 液相面交线 两相共晶面交线 液相单变量线
第一节 相图基本知识
5 共线法则与杠杆定律 （1）共线法则：在一定温度下，三元合金两相平衡时，
合金的成分点和两个平衡相的成分点必然位于成分三角形的 同一条直线上。
（由相率可知，此时系统有一个自由度，表示一个相的 成分可以独立改变，另一相的成分随之改变。）
（2）杠杆定律：用法与二元相同。
第一节 相图基本知识
两相共晶线 液相面交线 线：EnE 两相共晶面交线 液相单变量线 液相区与两相共晶面交线 固相单变量线
第三节 三元共晶相图
二 组元在固态有限溶解的共晶相图 （1）相图分析
液相面 固相面(组成) 面： 二相共晶面 三相共晶面 溶解度曲面：6个 两相区：6个 区： 单相区：4个 三相区：4个 四相区：1个
3 等温界面（水平截面） （1）做法：某一温度下的水平面与相图中各面的交线。 （2）截面图分析 3个相区：L, α, L+α; 2条相线：L1L2, S1S2（共轭曲线）; 若干连接线：可作为计算相对量的杠杆（偏向低熔
点组元；可用合金成分点与顶点的连线近似代替，过给定合 金成分点，只能有唯一的共轭连线。）
5 共线法则与杠杆定律
两条推论 （1）给定合金在一定温度下处于两相平衡时，若其中一 个相的成分给定，另一个相的成分点必然位于已知成分点连 线的延长线上。 （2）若两个平衡相的成分点已知，合金的成分点必然位 于两个已知成分点的连线上。
材料科学基础--铁碳合金相图
Fe3CI+Ld’
性 能 铁含量wFe 抗拉强度σb 屈服强度σ0.2 伸长率δ 断面收缩率ψ 冲击吸收功aK 硬度 纯 铁 99.8~99.9% „ 176~274MPa 98~166MPa 30~50% 70~80% 160~200J/cm2 50~80HBW ≤197HBW 45钢(退火) 99.55%左右 ≥600 (MPa) ≥355 (MPa) ≥16% ≥40%
LL↓+δ ↑ δ
(1↓2) (3↓4) (5↓6)
匀晶转变
δ δ ↓ +γ↑ γ
同素异晶转变，晶界优先形核
γ γ ↓+ α↑ α
同素异晶转变，晶界优先形核
α α ↓ +Fe3CIII↑ (7↓)
脱溶转变，晶界上片状析出
室温组织：α+Fe3C Fe3CIII最大量计算：0.326%
Ld(γ+ Fe3C)Ld’(P+ Fe3CII+ Fe3C)
白色-共晶渗碳体 黑色-珠光体
4. 3.3 白口铸铁
亚共晶白口铸铁（2.11%<Wc<4.3%）
匀晶转变
共晶转变 脱溶转变 共析转变
4. 3.3 白口铸铁-亚共晶（2.11%<Wc<4.3%）
室温组织
P+Ld’
相组成 α+ Fe3C 组织组成物含量计算(以wC=3.0%为例)
1148℃ E Fe3C LC
转变为wc=2.11%的奥氏体γ
和渗碳体Fe3C组成的混合
物莱氏体Ld
莱氏体中，颗粒状奥氏体
分布在渗碳体基底上，渗 碳体很脆，故莱氏体塑性 很差
4. 2.4 共析转变（水平线PSK）
金属共晶相图
5.3.2 二元共晶相图①共晶相图：当两组元在液态能无限互溶,在固态只能有限互溶,并具有共晶转变,这样的二元合金系所构成的相图称为二元共晶相图。
如Pb-Sn，Pb-Sb，Cu-Ag，Al-Si等合金的相图都属于共晶相图。
Pb-Sn合金相图是典型的二元共晶相图,见图, 下面以它为例进行讲解。
首先分析相图中的点,线和相区。
图铅锡相图一、相图分析1、点：t A，t B点分别是纯组元铅与锡的熔点，为和。
M点：为锡在铅中的最大溶解度点。
N点：为铅在锡中的最大溶解度点。
E点：为共晶点，具有该点成分的合金在恆温183℃时发生共晶转变L E→αM+βN共晶转变：是具有一定成分的液相在恆温下同时转变为两个具有一定成分和结构的固相的过程。
F点：为室温时锡在铅中的溶解度。
G点：为室温时铅在锡中的溶解度。
2、t A Et B线：为液相线，其中t A E线：为冷却时L→α的开始温度线，Et B线：为冷却时L→β的开始温度线。
t A MENt B线：为固相线，其中t A M线：为冷却时L→α的终止温度线，t B N线：为冷却时L→β的终止温度线。
MEN线：为共晶线，成分在M~N之间的合金在恒温183℃时均发生共晶转变L E→（αM+βN）形成两个固溶体所组成的机械混合物，通常称为共晶体或共晶组织。
MF线：是锡在铅中的溶解度曲线。
NG线：是铅在锡中的溶解度曲线。
3、相区（1）单相区：在t A Et B液相线以上,为单相的液相区用L表示，它是铅与锡组成的合金溶液。
t A MF线以左为单相α固溶体区，α相是Sn在Pb中的固溶体。
t B NG线以右为单相β固溶体区，β相是Pb在Sn中的固溶体。
（2）两相区：在t A EMt A区为L+α相区，在t B ENt B区为L+β相区。
在FMENGF区为α+β相区。
（3）三相线：MEN线为L+α+β三相共存线。
由相律可知三相平衡共存时，f=2-3+1=0，只能在恒温下实现。
具有共晶相图的二元系合金，通常可以根据它们在相图中的位置不同，分为以下几类：①成分对应于共晶点（E）的合金称为共晶合金，如Pb-Sn相图中含%的合金。
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一，相图中的点、线、区及其意义
两条线：
液相线ABCD 和固相线AHJECF
五个单相区
1. ABCD 以上是液相区L
2. AHNA 是δ固溶体区δ
3. NJESGE 是奥氏体区A 或γ
4. GPQG 是铁素体区F 或α
5. DFKL 是渗碳体区C Fe 3或者m C
七个两相区：
1. 相图中有七个两相区，它们分别存在于相邻两个单相区之间
2. 这些两相区分别是：C Fe C Fe C Fe L L •
L 333,,,,+++++++αγαγγδγδ，、 两条磁性转变线：
1. M0为铁素体的磁性转变线
2. 230度虛线为渗碳体的磁性转变线
三条水平线：
1. HJB 是包晶转变线
2. ECF 是共晶转变线
3. PSK 是共析转变线
事实上C Fe Fe 3-相图即由包晶反应共晶反应和共析反应三部分连接而成
二，
包晶转变即水平线HJB 包晶反应反应物反应产物反应温度：
在1495度的恒温下，成分为0.53%的液相与0.09%的δ铁素体发生包晶反应，形成0.17%的奥氏体，其反应式为
包晶转变形核长大特点：
进行包晶反应时，奥氏体沿δ相与液相的界面生核，并向δ相和液相两个方向长大
包晶反应终了时
δ相与液相同时耗尽，变为单相奥氏体。
含碳量小于2.11%的合金在冷却过程中获得单相奥氏体：
● 含碳量在0.09%~0.17%之间的合金，由于δ铁素体的量较多，当包晶反应结
束后，液相耗尽，仍残留一部分δ铁素体。
这部分δ相在隨后的冷却过程中，通过同素异构转变而变成奥氏体。
● 含碳量在0.17%~0.53%之间的合金，由于反应前的δ相较少，液相较多，所
以在包晶反应结束后，仍残留一定量的液相，这部分液相在随后冷却过程中结晶成奥氏体。
● 含碳量%09.0<C W 的合金，在按匀晶转变结晶为δ固溶体之后，继续冷却时
将在NH 与NJ 线之间发生固溶体的同素异构转变，变为单相奥氏体。
含碳量在0.53%~2.11%之间的合金，按匀晶转变凝固后，组织也是单相奥氏体。
● 总之，含碳量%11.2<C W 的合金在冷却过程中，都可在一定的温度区间内得
到单相的奥氏体组织。
铁碳合金和高合金钢的包晶偏析：
1. 应当指出，对于铁碳合金来说，由于包晶反应温度高，碳原子的扩散较快，
所以包晶偏析并不严重。
2. 但对于高合金钢来说，合金元素的扩散较慢，就可能造成严重的包晶偏析
三，
共晶转变即水平线ECF 共晶反应温度反应物反应产物和反应式：
1. C Fe Fe 3-相图上的共晶转变是在1148度的恒温下
2. 由%
3.4=C W 的液相转变为%11.2=C W 的奧氏体和渗碳体组成的混合物
3. 其反应式C Fe L E C 3+⇔γ
4. 共晶转变所形成的奥氏体和渗碳体的混合物，称为莱氏体，以符号d L 表示。
莱氏体中的相分布：
在莱氏体中，渗碳体是连续分布的相，奥氏体呈颗粒状分布在渗碳体的基底上。
莱氏体塑性很差
由于渗碳体很脆，所以莱氏体是塑性很差的组织。