4.相图中的点、线、区及其意义
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是固溶体区
3. NJESGE是奥氏体区A或
4. GPQG是铁素体区F或
5. DFKL是渗碳体区CFe3或者mC
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：CFeCFeCFeLL•L333,,,,，、
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CFeFe3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%09.0CW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%11.2CW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. CFeFe3相图上的共晶转变是在1148度的恒温下
2. 由%3.4CW的液相转变为%11.2CW的奧氏体和渗碳体组成的混合物
3. 其反应式CFeLEC3
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dL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。
铁碳合金相图名词含义解释
铁碳合金相图名词含义解释
铁碳合金相图是表明平衡状态下含C不大于6.69%的铁碳合金的成分、温度与组织之间关系,是研究钢铁的成分,温度和性能之间关系的基础,也是制定热加工工艺的基础。
含C>6.69%，在工业上无实际意义,而含C量在6.69%时，Fe与C形成Fe3C，故可看成一个组元,即铁碳合金状态图实际为Fe-Fe3C的状态图。
1 各特性点的含义
1)A: 纯铁熔点 含C: 0% 1538度
2)C: 共晶点 含C:4.3% 1148度
3)D: Fe3C熔点 含C:6.69% 1600度
4)E: C在A中最大溶解度 含C:2.11 1148度
5)F: Fe3C成分点 含C:6.69% 1148度
6)G: α-Fe与γ-Fe转变点 含C:0% 912度
7)K: Fe3C成分点 含C:6.6 727度
8)P: C在α-Fe中最大溶解度 含C:0.02% 727度
9)S: 共析点 含C:0.77% 727度
10) Q: C在α-Fe中溶解度 含C:0.0008% 室温
2 主要线的意义
1)ACD:液相线,液体冷却到此线开始结晶。
2)AECF:固相线 此线下合金为固态。
3)ECF:生铁固相线,共晶线,液体—Ld。
铁碳合金相图分析
第四章 铁碳合金相图
教学目的及其要求
通过本章学习，使学生们掌握铁碳合金的基本知识，学懂铁碳相图的特征点、线及其意义，了解铁碳相图的应用。
主要内容
1．铁碳合金的相组成
2．铁碳合金相图及其应用
3．碳钢的分类、编号及应用
学时安排
讲课4学时
教学重点
1．铁碳合金相图及应用
2．典型合金的结晶过程分析
教学难点
铁碳合金相图的分析和应用。
教学过程
第一节 纯铁、铁碳合金中的相
一、铁碳合金的组元
铁：熔点1538℃，塑性好，强度硬度极低，在结晶过程中存在着同素异晶转变。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体。
由于纯铁具有同素异构转变，在生产上可以通过热处理对钢和铸铁改变其组织和性能。
碳：在Fe－Fe3C相图中，碳有两种存在形式：一是以化合物Fe3C形式存在；二是以间隙固溶体形式存在。
二、铁碳合金中的基本相
相：指系统中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并以界面隔开的均匀组成部分。
铁碳合金系统中，铁和碳相互作用形成的相有两种：固溶体和金属化合物。固溶体是铁素体和奥氏体；金属化合物是渗碳体。这也是碳在合金中的两种存在形式。
1．铁素体 碳溶于Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用或者F表示，为体心立方晶格结构。塑性好，强度硬度低。
2．奥氏体
碳溶于Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用或者A表示，为面心立方晶格结构。塑性好，强度硬度略高于铁素体，无磁性。
3．渗碳体Fe3C：晶体结构复杂，含碳量6.69％，熔点高，硬而脆，几乎没有塑性。
渗碳体对合金性能的影响：
（1）渗碳体的存在能提高合金的硬度、耐磨性，使合金的塑性和韧性降低。
（2）对强度的影响与渗碳体的形态和分布有关：
以层片状或粒状均匀分布在组织中，能提高合金的强度；
以连续网状、粗大的片状或作为基体出现时，急剧降低合金的强度、塑性韧性。
二、两相机械混合物
珠光体：铁素体与渗碳体的两相混合物，强度、硬度及塑性适中。
第十七讲三元匀晶相图
第十七讲 三元匀晶相图
第三节 三元匀晶相图
一、主要内容：
相图分析
三元合金的结晶过程
等温界面图
变温截面图
投影图
二、要点：
三元匀晶相图的点、面、区的意义，三元匀晶相图的结晶过程的特点，与二元合金的相同点和不同点，蝴蝶形规律，等温截面图点、线、区的意义，直线法则杠杆定律在等温截面中的应用，变温截面图点、线、区的意义，变温截面图与二元合金相图的不同点，投影图的线、区的意义，
三、方法说明：
画三元匀晶相图的立体图形说明点、面、区的意义，从立体图形中截取等温截面图和垂直截面图进行说明，说明直线法则和杠杆定律只能在等温截面图上应用
授课内容：
三个组元在液态及固态均无限互相溶解的相图叫三元匀晶相图。
一、相图分析
三元匀晶相图立体模型如图：
三个组元的熔点：
液相面，固相面。
液相区，固相区，液固两相共存区。
二、三元固溶体合金的结晶过程
随着温度的不断下降液相的数量不断的减少，固相的数量不断的增多。固相的成分沿着固相面变化，液相的成分沿着液相面变化。由于液相面和固相面都是空间曲面，所以固相的成分变化线和液相的成分变化线，不处于同一个垂直平面上，也不处于同一个水平平面上，它们在成分三角形上的投影很像一只蝴蝶，所以，成为蝴蝶规律。
三、等温截面（水平截面）
整个截面可以分为三个不同的相区：液相区（L），固相区（α），液固两相区（L＋α）。
曲线L1L2为液相线，曲线S1S2为固相线。
在两相区，可以利用杠杆定律计算两平衡相的含量。
四、变温截面图（垂直截面图）
变温截面图相当于在三元相图的立体模型重插入一个垂直于成分三角形的截面。
变温截面有两种：一种是平行于成分三角形的一边所做的垂直截面。
另一种是通过成分三角形的某一顶点所做的截面。
变温截面图可分为：固相区，液相区，液固两相区
利用变温截面图可以分析合金的结晶过程，确定相变温度，了解合金在不同温度下所处的状态。
相图概论
相图概述
相图是研究和解决相平衡问题的重要工具。水盐体系相图在许多化学肥料和精细化工产品的生产盐湖和碱湖的开发利用及工业废水的处理中都具有十分重要的指导作用。
所谓相图，就是体系在平衡时各相组成与条件的关系图，它是以实验测定溶解度数据为基础绘制成的。通过相图，可以了解某一体系在指定的条件下达到平衡时，该系统存在的相数；各相的组成以及相对的含量；还可以了解在不同的温度及组成条件下，盐类溶解或析出的先后次序及对应溶液组成的变化规律，从而为制定工艺流程确定工艺条件提供依据。
相图的特点是直观，没有抽象的概念。由于相图的作出是依赖于大量的实验数据，因此其结论是可靠的。
相律
相律就是相平衡定律，它反映了多相系统处于相平衡状态的规律性是一项应用相当广泛的定律。盐类在水中达到平衡时亦受“相律”支配。根据相律，系统中的相数（P）和构成系统的独立组分数（C）与自由度（f）的关系式为：
f=C-P+n
即 自由度数=独立组分数-相数+外界影响因素
式中，n表示能够影响系统平衡的外界因素，一般指系统的温度及压力，故此时n=2。在对仅研究液-固平衡的体系——凝聚体系，因一般不考虑气相，故压力对体系平衡的影响可忽略，也就是说，压力可以不做为一个变量去考虑。因而，在水盐体系的相律公式中，n=1，即相律公式可写作：
f=C-P+1
P为相数，即是指由相界面区分开的均匀部分（物理性质及化学性质完全相同），这里不仅指气、固、液三相，亦包括固态中包括的二相或三相。如盐和冰虽同是固相，但相数P=2。通常在平衡体系中，有n种固态物质就存在n个固相，对于液体，通常为一相，但也有不互溶的两种液体形成两相的情况（如NH4COONH2与NH3就可形成不互溶的两个液相）。
C为独立组分数，即能够表示形成该平衡体系中各种组分所需要的最小的化学纯物质的数目。如果各组分不发生化学反应，则独立组分数就等于组分的数目。如果个组分中发生化学反应，则独立组分数应为物质数减去能够形成的独立反应数。如Na2SO4的水溶液显然是一个二元体系；若体系中有Na2SO4·10H2O、析出时，该体系的组分数变成3。但因为有Na2SO4+10H2O===Na2SO4·10H2O的反应式存在，故独立组分数仍是2。
铁碳相图分析
铁碳相图分析
一、点、线、区及其含义
（一）点
各特征点温度、碳的浓度及意义。各特征点符号是国际通用的，不能随意更换。
（二）线
液相线是ABCD，固相线是AHJECF。两条磁性转变线
MO和230 ℃虚线。
（三）区
单相区－5个
相图中有5个基本的相，相应的有5个相区：
液相区(L)－ABCD以上区域
δ固溶体区－ AHNA
奥氏体区(γ)－NJESGN
铁素体区(α)－GPQG以左
渗碳体区(Fe3C)－DFK直线14
两相区－7个
7个两相区分别存在于两个单相区之间：
L+δ－AHJBA
L+γ－BJECB
L+ Fe3C－DCFD
δ+γ－HNJH
γ+α－GPSG
γ+ Fe3C－ESKFCE
α+ Fe3C－PQLKSP
三相区（三条水平线）－3个
包晶线－水平线HJB(L+δ+γ) 共晶线－水平线ECF(L+γ+Fe3C)
共析线－水平线PSK(γ+α+ Fe3C)
二、包晶转变（水平线HJB）
在1495℃的恒温下，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：
包晶转变刚要开始时， δH 和γJ相对含量 计算如下：
0.09％至 0.53％，都要经历此过程，且不论包晶转变前后转变过程如何，都要获得单相的奥氏体。含碳量2.11％以下，都有获得单相γ过程。
由于温度高，碳原子扩散较快，所以包晶偏析并不严重。但高合金钢，合金元素扩散较慢，可能造成严重的包晶偏析。
三、共晶转变（水平线ECF）
共晶转变是在1148℃恒温下，由 4.3％液相转变为2.11％的奥氏体和6.69％的渗碳体。其反应式为：
LC γE＋ Fe3C
鉄碳合金晶相组织图组成及区域、点、线的意义
鉄碳合金金相组织图组成及区域、点、线的意义
铁碳合金相图是表示在缓慢冷却(或缓慢加热)的条件下，不同成份的铁碳合
金的状态或组织随温度变化的图形。
（一）铁碳合金相图的组成
铁碳合金中，铁和碳可以形成一系列的化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等。
而工业用铁碳合金的含碳量一般不超过5％。因此，我们研究的铁碳合金只限于Fe—Fe3C(C＝6．69％)范围内。故铁碳合金相图也可认为是Fe-Fe3C相图。图
3-24是Fe-Fe3C相图。
图中纵坐标为温度，横坐标为含碳量的质量百分数。为了便于掌握和分析Fe-Fe3C相图，将相图上实用意义不大的左上角部分(液相向δ—Fe及δ—Fe向
γ—Fe转变部分)以及左下角GPQ线左边部分予以省略。
图3-25简化Fe-Fe3C相图
（二）Fe—Fe3C相图中点、线的含义1、Fe—Fe3C相图中几个主要特性点的温度、含碳量及其物理含义见表3-3。
2、Fe—Fe3C相图的特性线在Fe—Fe3C相图上，有若干合金状态的分界线，它是不同成份合金具有相同含义的临界点的连线。几条主要特性线的物理含义如下：
Fe—Fe3C相图中的几个特性点
（1）ACD线为液相线。此线以上区域全部为液相，用L来表示。金属
液冷却到此线开始结晶，在AC线以下从液相中结晶出奥氏体，在CD线以下结
晶出渗碳体。
（2）AECF线为固相线。金属液冷却到此线全部结晶为固态，此线以下
为固态区。在液相线与固相线之间为金属液的结晶区域。这个区域内金属液与固
相并存，AEC区域内为金属液与奥氏体；DCF区域内为金属液与渗碳体。
（3）GS线冷却时奥氏体向铁素体转变的开始线（或加热时铁素体转变
成奥氏体的终止线)，常用符号A3表示。奥氏体向铁素体的转变是铁发生同素异
构转变的结果。当铁中溶入碳后，其同素异构转变开始温度则随溶碳量的增加而
降低。
（4）ES线是碳在奥氏体中的溶解度线，常用符号Acm表示。在1148℃
时，碳在奥氏体中的溶解度为2.11％(即E点含碳量)、在727℃时碳降到0.77％(相
相图中的点、线、区及其意义
一，相图中的点、线、区及其意义
两条线：
液相线ABC和固相线AHJECF
五个单相区
1. ABCI以上是液相区L
2. AHN是 固溶体区
3. NJESG是奥氏体区 或A
4. GPQ是铁素体区或F
5. DFK是渗碳体区FeaC或者Cm
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： ?L 、L ，L Fe3C, , , Fe3C, Fe3C
两条磁性转变线：
1. MC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. EC是共晶转变线
3. PSK1共析转变线
事实上Fe Fe3C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S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S相与液相的界面生核，并向S相和液相两个方向长
大
包晶反应终了时
S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%＞间的合金，由于S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S铁素体。这部分S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%＞间的合金，由于反应前的S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WC 0.09%的合金，在按匀晶转变结晶为S固溶体之后，继续冷却时 将在NHW 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。
Fe-C相图知识
铁碳相图和铁碳合金(一)
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。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。
Fe和C能够形成Fe3C, Fe2C 和FeC等多种稳定化合物。所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, 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。
化合物Fe3C称为渗碳体(Cementite)，是一种亚稳定的化合物，在一定条件下可以分解为Fe和C，C原子聚集到一起就是石墨。因此，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图（图1）。Fe-Fe3C相图主要用于钢，而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。这里主要分析讨论Fe-Fe3C相图，Fe-石墨相图与此类似，只是右侧的单相是石墨而不是Fe3C。
图1 铁碳双重相图
【说明】
图1中虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。
铁具有异晶转变，即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。纯铁的同素异晶转变如下：
由于Fe的晶体结构不同，C在Fe中的溶解度差别较大。碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。
纯铁
纯铁的熔点1538℃，固态下具有同素异晶转变：912℃以下为体心立方(BCC)晶体结构，912℃到1394℃之间为面心立方(FCC), 1394℃到熔点之间为体心立方。工业纯铁的显微组织见图2。
图2 工业纯铁的显微组织 图3 奥氏体的显微组织
关于金相组织的基本知识
精品文档
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首先金相人员进行试样组织分析时候，必须了解铁碳相图Fe-C（Fe-Fe₃C）的意义和特点，以及点、线、区的之间意义；大家可以参考资料铁碳相图的原理和知识基础。
图中ABCD为液相线，AHJECF为固相线；
相图中有五个单相区，它们是：ABCD以上--液相区（用L符号表示）；
AHNA--固溶体区 （用θ表示）
NJESGN—奥氏体区（用A或表示） 精品文档
. GPQG—铁素体区 （用F表示）
DFKZ—渗碳体区 （用Fe3C或Cm表示）
相图中有七个两相区，分别是：L+γ，L+δ，L+Fe3C，γ+δ，γ+α，γ+Fe3C，α+Fe3C
鉄碳相图中的特性点；
A点 1538℃ ｗ（C） 0% 纯铁的熔点； B点 1495℃ ｗ（C）0.53% 包晶转变时液态合金的成分；
C点 1148℃ ｗ（C） 0.43% 共晶点； D点 1227℃ ｗ（C）6.69%
渗碳体的熔点；
E点 1148℃ ｗ（C） 2.11% 碳在γ-Fe中的最大溶解度； G点
912℃ ｗ（C） 0% α-Fe<=>γ-Fe 转变温度；
H点 1495℃ ｗ（C） 0.09% 碳在γ-Fe中的最大溶解度； J点 1495
ｗ（C） 包晶点；
K点 727 ℃ ｗ（C） 6.69% 渗碳体的成分； M点 700 ｗ（C） 0%纯铁的磁性转变点；
第五章 相平衡(10个)
1 第五章 相平衡
一、本章基本要求
1．掌握相、组分数和自由度的意义。
2．了解相律的推导过程及其在相图中的应用。
3．了解克劳修斯-克拉珀龙方程式的推导，掌握其在单组分两相平衡系统中的应用。
4．掌握各种相图中点、线及面的意义。
5．根据相图能够画出步冷曲线，或由一系列步冷曲线绘制相图。
6．掌握杠杆规则在相图中的应用。
7．结合二组分气液平衡相图，了解蒸馏与精馏的原理。
8．对三组分系统，了解水盐系统的应用，相图在萃取过程中的应用及分配定律的应用。
二、 基本公式和内容提要
（一）基本公式
相律的普遍形式：fKn
克拉珀龙方程：mmdlndVTHTp
克劳修斯-克拉珀龙方程的各种形式：
微分式： 2mvapdlndRTHTp
vapmH与温度无关或温度变化范围较小vapmH可视为常数，
定积分：vapm211211ln()HppRTT
不定积分式：vapmlnHpCRT
特鲁顿规则：K)J/(mol88bmvapTH
杠杆规则：以系统点为支点，与之对应的两个相点为作用点，有如下关系：
1122()()nxxnxx
其中n1 、n2 分别表示平衡两相的摩尔数，x、x1、x2分别表示系统的组成及其对应的平衡两相的组成。
（二）内容提要
1．单组分系统 单组分系统相律的一般表达式为：f=1－Φ+2=3－Φ
2 图5-1 水的相图 可见单组分系统最多只能有三相平衡共存，并且最多有两个独立变量，一般可选择温度和压力。
水的相图为单组分系统中的最简单相图之一。图5-1中三条曲线将平面划分成固、液及气相三个区。单相区内f=2。AB、AD和AE分别表示气液、气固和固液两相平衡线。两相共存时f=1。虚线AC表示应该结冰而未结冰的过冷水与水蒸气平衡共存。A点为三相点，这时f=0，水以气、液、固三相共存。水的三相点与水的冰点不同，冰点与压力有关。