材料科學與工程 材料科學基礎 二元相圖

第四章二元相圖本章要求1.幾種基本相圖：勻晶相圖（Cu-Ni合金相圖）、共晶相圖（Pb-Sn合金相圖）、包晶相圖（Pt-Ag合金相圖）。2.相律，杠桿定律及其應用。3.二元合金相圖中的幾種平衡反應：共晶反應、共析反應、包晶反應、包析反應、偏晶反應、熔晶反應、合晶反應。4.二元合金相圖中合金的結晶轉變過程及轉變組織。5.熟練掌握Fe-Fe3C相圖。熟悉Fe-C合金中各相與組織的結構。會幾種典型Fe-C合金的冷卻過程分析。熟練杠桿定律在Fe-C合金的應用。

4.1相圖的基本知識

4.1.1二元相圖的表示法

二元系（binarysystem）由于合金有成分（composition）變化，所以其相圖（phasediagram）需用縱、橫兩個坐標軸表示，縱軸表示溫度，橫軸表示成分。如果合金系由A、B兩組元組成，橫坐標一端為組元A，而另一端為組元B，那么體系中任一成分合金都可以在橫坐標上找到相應的點。根據國標，二元合金成分可以有兩種表示方法：質量分數(shù)(W)和摩爾分數(shù)(x)。但通常多數(shù)用質量百分數(shù)表示，在沒有特別注明，合金成分都是指質量百分數(shù)。若A、B為單質，質量百分數(shù)和摩爾分數(shù)之間換算。

在二元系中x<x1時Gm1<Gm2α相為穩(wěn)定相，體系為單相α態(tài)；x>x2時Gm1>Gm2β相為穩(wěn)定相，體系為單相β態(tài)；x1<x<x2時公切線上表示Gm低于Gm1或Gm2，故α相和β相共存時體系能量最低。杠桿法則(theleverrule):兩平衡相共存時，多相成分是切點所對應的成分x1和x2，即固定不變。即:n1/(n1＋n2)=（x2－x）/（x2－x1）

n2/(n1＋n2)=（x－x1）/（x2－x1）在α和β兩相共存時，可用杠桿法則求出兩相的相對量。

α相的相對量為:α%=(x2－x)/（x2－x1）

β相的相對量為:β%=（x－x1）/（x2－x1）應用(1)確定兩平衡相的成分(濃度)。

(2)確定兩平衡相的相對量。TLTSTnbac杠桿定理QS／Q0

=(bc／ab)100%

QL／Q0

=(ac／ab)100%QS+QL=Q0

aQS+bQL=Q0cABabLS溫度QLQs杠桿法則的證明與力學比喻設合金的總質量為Q0,t溫度時液相的質量應為ＱＬ，固相α的質量為Ｑα．液,固兩相的的質量之和應等于合金的總質量Q0

QS+QL=Q0液相中Ni的質量應為

bQL,固相中Ni的質量應為

aQS,合金中Ni的質量應為

Q0cQ0c=aQS+bQL=(Q0-QL)a+bQLQL／Q0

=(ac／ab)100%QS／Q0

=(bc／ab)100%QS(c-b)=QL(b-a)

組織組成物:F;Fe3CF;P

0.77-0.45F=

100%=43%0.77-0.02

0.45-0.02P=100%=57%0.77-0.02相組成物:

6.69-0.45F=100%=94%6.69-0.02P=1–WF=57%Fe3C=1-WF=6%0.020.450.776.69Cu—Ni相圖測定

下面以熱分析法為例說明如何測繪Cu—Ni相圖，其步驟如下：1.

按質量分數(shù)先配制一系列具有代表性成分不同的Cu—Ni合金。2.

測出上述所配合金及純Cu、純Ni的冷卻曲線。3.

求出各冷卻曲線上的臨界點。純Cu、純Ni的冷卻曲線上有一平臺，表示其在恒溫下凝固。合金的冷卻曲線上沒有平臺，而為二次轉折，溫度較高的折點表示凝固的開始溫度，而溫度低的轉折點對應凝固的終結溫度。4.將各臨界點分別投到對應的合金成分、溫度坐標中，每個臨界點在二元相圖中對應一個點。5.連接各相同意義的臨界點(開始點或終了點)就得到了Cu—Ni合金的二元相圖。4.1.2相圖的建立

二元相圖的測定是根據各種成分材料的臨界點（criticalpoint）繪制。臨界點是表示物質結構狀態(tài)發(fā)生本質變化的臨界相變點。測定材料臨界點有兩種方法類型：(1)動態(tài)法：熱分析法（thermalanalisismethod）、膨脹法、電阻法(2)靜態(tài)法：金相法、X－ray衍射分析法這些方法主要是利用合金在相結構變化時，引起物理性能、力學性能及金相組織變化的特點來測定。熱分析裝置示意圖

熱分析法測繪Cu—Ni相圖

4.1.3相平衡和相律

1.相平衡的條件

通過一些數(shù)學推導和系統(tǒng)平衡條件dG=0可得：處于平衡狀態(tài)下的多相(P個相)體系中，每個組元(共有C個組元)在各項中的化學勢（chemicalpotential）都彼此相等。相平衡(phaseequilibrium)是一種動態(tài)平衡。2.相律

相律(phaserule)是表示在平衡條件下，系統(tǒng)的自由度數(shù)、組元數(shù)和相數(shù)之間的關系，是系統(tǒng)的平衡條件的數(shù)學表達式。

相律數(shù)學表達式：f=c-p+2

式中p—平衡相數(shù)c—體系的組元數(shù)

f—體系自由度（degreesoffreedom）數(shù)2－溫度和壓力

自由度數(shù)f：是指在保持合金系平衡相的數(shù)目不變的條件下，合金系中可以獨立改變的、影響合金的內部及外部因素。

在恒壓下，相律表達式：f=c－p＋13.相律的應用

合金狀態(tài)，成分、溫度、壓力、二元系、三元系……①利用它可以確定系統(tǒng)中可能存在的最多平衡相數(shù)

例：單元系，因f≥0，故P≤1-0+1=2，平衡相最大為二個。注意：這并不是說，單元系中能夠出現(xiàn)的相數(shù)不能超過二個，而是說，某一固定T下，單元系中不同的相只能有兩個同時存在，而其它相則在別的條件下存在。②利用它可解釋純金屬與二元合金結晶時的差別。

純金屬結晶，液－固共存，f=0，說明結晶為恒溫。二元系金屬結晶兩相平衡，f=2－2+1=1，說明有一個可變因素（T），表明它在一定（T）范圍內結晶。二元系三相平衡，f=2－3+1=0，此時溫度恒定，成分不變，各因素恒定。

相律是檢驗、分析和使用相圖的重要工具。利用它可以分析和確定系統(tǒng)中可能存在的相數(shù)，檢驗和研究相圖。注意使用相律有一些限制：（1）只適用于熱力學平衡狀態(tài)，各相溫度相等（熱量平衡）、各相壓力相等（機械平衡）、各相化學勢相等（化學平衡）。（2）只表示體系中組元和相的數(shù)目，不能指明組元和相的類型和含量。（3）不能預告反應動力學（即反應速度問題）。（4）f≧04.1.4二元相圖的幾何規(guī)律二元相圖應遵循如下規(guī)律:(1)相圖中所有的線條都代表發(fā)生相轉變的溫度和平衡相的成分，所以相界線是相平衡的體現(xiàn)，平衡相的成分必須沿著相界線隨溫度而變化。

(2)兩個單相區(qū)之間必定有一個由該兩相組成的兩相區(qū)分開，而不能以一條線接界(即兩個單相區(qū)只能交于一點而不能交于一條線)。兩個兩相區(qū)必須以單相區(qū)或三相水平線分開。即:在二元相圖中，相鄰相區(qū)的相數(shù)差為1，這個規(guī)則為相區(qū)接觸法則。

(3)二元相圖中的三相平衡必為一條水平線，表示恒溫反應。在這條水平線上存在3個表示平衡相的成分點，其中兩點在水平線兩端，另一點在端點之間，水平線的上下方分別與3個兩相區(qū)相接。

(4)當兩相區(qū)與單相區(qū)的分界線與三相等溫線相交則分界線的延長線應進入另一兩相區(qū)內，而不會進入單相區(qū)。二元相圖的線、區(qū)

由凝固開始溫度連接起來的線成為液相線（liquidusline）。由凝固終了溫度連接起來的線成為固相線（solidusline）。相圖中由相界線劃分出來的區(qū)域稱為相區(qū)（phaseregions），表明在此范圍內存在的平衡相類型和數(shù)目。在二元合金系中有單相區(qū)（singlephaseregion）、兩相區(qū)（twophaseregion）、三相區(qū)（threephaseregion）。單相區(qū)內、f=2，T和成分都可變。雙相區(qū)內、f=1，T和成分只有一個可以獨立變化。若三相共存、f=0，T和成分都不變，屬恒溫轉變。4.2二元相圖的基本類型

勻晶相圖和固溶體凝固共晶相圖及合金凝固包晶相圖及其合金凝固其他類型的二元相圖復雜二元相圖的分析方法根據相圖推測合金的性能二元合金相圖分析實例

Fe—C合金的組織和性能

Al2O3—SiO2系的組織性能

Cu—Zn合金Cu—Sn合金

4.2.1勻晶相圖和固溶體凝固

勻晶相圖概念

由液相直接結晶出單相固溶體的過程稱為勻晶相變。完全具有勻晶轉變的相圖稱為勻晶相圖。它是兩組元在液態(tài)和固態(tài)都能無限相互溶解的二元合金系相圖。屬于二元勻晶相圖的二元合金有Cu－Ni、Au－Ag、Au－Pt、Fe－Cr、Cr－Mo、Fe－Ni、Gd－Mg、Mo－W等；屬于二元勻晶相圖的二元陶瓷有NiO－CoO、CoO－MgO、NiO－MgO等當兩個金屬組元之間形成無限固溶體時，其條件為：兩者的晶體結構相同，原子尺寸接近，△r<15%，兩者具有相同的原子價的電負性。對于以離子晶體化合物為組元的固溶體（solidsolution），要形成無限固溶體，上述規(guī)則也基本適用，只是上述規(guī)則中以離子半徑代替原子半徑。Cu—Ni相圖1.勻晶相圖的分析

如圖4.12為Cu—Ni相圖，它由一條液相線和一條固相線組成，在液相線以上區(qū)域，合金處于液態(tài)，稱為液相區(qū)(用L表示)；在固相線以下區(qū)域，合金處于固態(tài)，稱為固溶體區(qū)(用α表示)；在兩個單相區(qū)之間，合金處于液、固兩相平衡區(qū)，即結晶區(qū)間，(用L+α表示)，當系統(tǒng)處于兩相平衡時f=2－2＋1=1。注：在給定溫度下，處于平衡的兩個相的成分都已完全確定，不能任意的改變，此時液相和固相的成分應當分別是在此溫度剛開始凝固和開始熔化的成分。2.固溶體的平衡凝固－A

平衡凝固（equilibriumsolidification）是指凝固過程是在無限緩慢地冷卻，原子(組元)擴散能夠充分進行以達到相平衡的成分。這種凝固方式所得到的組織稱為平衡組織（equilibriummicrostructure）。

Cu—Ni合金冷卻曲線（coolingcurve）及結晶過程示意圖。圖4.15是該合金平衡結晶時的組織變化示意圖。固溶體的凝固過程也是一個形核和長大的過程。形核方式可以是均勻形核，也可以依靠外來質點非均勻形核。2.固溶體的平衡凝固－B

固溶體的凝固與純金屬的凝固相比有兩個顯著特點：⑴.固溶體合金凝固時結晶出來的固相成分與原液相成分不同。上述結晶出的晶體與母相化學成分不同的結晶稱為異分結晶(又稱選擇結晶)；純金屬凝固結晶時結晶出的晶體與母相化學成分完全一樣稱為同分結晶⑵.固溶體凝固需要一定的溫度范圍，在此溫度范圍內，只能結晶出一定數(shù)量的固相。2.固溶體的平衡凝固－C

把在某一溫度下，固溶體平衡凝固過程分為三個過程：[1].液相內的擴散過程。[2].固相的繼續(xù)長大。[3].固相內的擴散過程。固溶體的平衡冷卻結晶過程可歸納為：冷卻時遇到液相線開始結晶，遇到固相線結晶終止，形成單相均勻固溶體。在結晶過程中每一溫度，其液相、固相成分和相對量可由該溫度下作水平線與液相線、固相線的交點及杠桿定理得出。隨溫度下降，固相成分沿固相線變化，液相成分沿液相線變化，且液相成分減少，固相成分增加，直至結晶完畢。3.固溶體的不平衡結晶－A

工業(yè)生產中合金溶液澆注后的冷卻速度較快，在每一溫度下不能保持足夠的擴散時間，使凝固過程偏離平衡條件，稱為非平衡凝固(結晶)（non-equilibriumsolidification）。非平衡凝固(結晶)得到的組織稱為不平衡組織（non－equilibriummicrostructure）。

3.固溶體的不平衡結晶－B

通過對非平衡凝固分析得到如下結論：

(1)

固相、液相的平均成分分別與固相線、液相線不同，有一定的偏離。其偏離程度與冷卻速度有關。冷卻速度越大，其偏離程度越嚴重；冷卻速度越小，偏離程度越小，越接近于平衡條件。液相線的偏離程度較固相線小。

(2)

先結晶部分含有較多的高熔點組元(Ni)，后結晶部分含有較多的低熔點組元(Cu)。

(3)

非平衡結晶條件下，凝固的終結溫度低于平衡結晶時的終止溫度。

3.固溶體的不平衡結晶－C

固溶體非平衡結晶時，由于從液體中先后結晶出來的固相成分不同，結果使得一個晶粒內部化學成分不均勻，這種現(xiàn)象稱為晶內偏析。由于固溶體一般都以枝晶狀方式結晶，枝晶軸（干）含有高熔點組元多，而枝晶間含有低熔點的組元多，導致先結晶的枝干和后結晶的枝間成分不同，故稱為枝晶偏析（dendriticsegregation）。枝晶偏析屬于晶內偏析。枝晶偏析的合金對合金的力學性能（mechanicalproperty）影響較大。容易導致合金塑性（plasticity），韌性（toughness）下降；易引起晶間腐蝕（corrosion），降低合金的抗蝕性能。

3.固溶體的不平衡結晶－C

固溶體非平衡結晶時，由于從液體中先后結晶出來的固相成分不同，結果使得一個晶粒內部化學成分不均勻，這種現(xiàn)象稱為晶內偏析。由于固溶體一般都以枝晶狀方式結晶，枝晶軸（干）含有高熔點組元多，而枝晶間含有低熔點的組元多，導致先結晶的枝干和后結晶的枝間成分不同，故稱為枝晶偏析（dendriticsegregation）。枝晶偏析屬于晶內偏析。枝晶偏析的合金對合金的力學性能（mechanicalproperty）影響較大。容易導致合金塑性（plasticity），韌性（toughness）下降；易引起晶間腐蝕（corrosion），降低合金的抗蝕性能。

3.固溶體的不平衡結晶－D

枝晶偏析程度大小與鑄造時冷卻條件、原子的擴散能力，相圖形狀有密切關系:(1)在其它條件不變時，V冷越大，晶內偏析程度嚴重，但得到枝晶較小。如果冷速極大，致使偏析來不及發(fā)生，反而又能夠得到成分均勻的鑄態(tài)組織。

(2)偏析元素在固溶體中擴散能力越小，相圖上液、固相線間距離的間隔愈大，形成樹枝晶狀偏析的傾向愈大。要消除枝晶偏析采用均勻化退火(擴散退火)（diffusionannealing）。

固溶體合金不平衡結晶

4.勻晶相圖的其它類型

有些合金的勻晶相圖還有極點：在Au－Cu、Fe－Co、Ti－Zr等合金的相圖上有極小點；在Pb－Tl、Al－Mn等合金的相圖上有極大點。

4.2.2共晶相圖及合金凝固

共晶相圖的概念

組成共晶相圖（theeutecticphasediagram）的兩組元，其相互作用的特點是:液態(tài)下兩組元能無限互溶，固態(tài)下只能部分互溶(形成有限固溶體或化合物)，甚至有時完全不溶，并具有共晶轉變（theeutecticreaction）。所謂共晶轉變是在一條條件下(溫度、成分)，由均勻液體中同時結晶出兩種不同固相的轉變。所得到兩固相的混合物稱為共晶組織(體)。具有共晶轉變的相圖稱為共晶相圖。屬于二元共晶相圖的合金有：Pb－Sn、Pb－Sb、Al－Si、Al－Cu、Mg－Si、Al－Mg等。

1.共晶相圖分析

相圖中有三個基本相：液相（L）、固相α和β

相圖中有相線：液相線、固相線和共晶轉變線。共晶轉變線是一條水平線，是L、α和β三相共存的溫度和各相的成分。成分為E的液相在該溫度下發(fā)生共晶反應：LE→αM+βN

共晶組織（eutecticstructure）的特點是兩相細彌混合。發(fā)生共晶轉變的溫度稱為共晶溫度（theeutectictemperature）。發(fā)生共晶轉變的液相成分點E稱為共晶點（theeutecticpoint）或共晶成分。相圖中相區(qū)：三個單相區(qū)L相區(qū)、α相區(qū)和β相區(qū)；三個雙相區(qū)L+α相區(qū)、L+β相區(qū)、α+β相區(qū)；三相共存于MEN線L+α+β

Pb－Sn共晶相圖2.共晶系合金的平衡凝固－A

根據相變特點和組織特征將共晶系合金分為了四類：端部固溶體合金、亞共晶合金（hypoeutecticalloys）、過共晶合金（hypereutecticalloys）、共晶合金（eutecticalloy）。(1)

端部固溶體合金這類合金的冷卻曲線為：結晶過程：L→L+αⅠ→αⅠ→αⅠ+βⅡ

勻晶反應＋脫溶轉變室溫組織：α+βⅡ

合金Ⅰ的平衡結晶過程

合金Ⅰ的平衡結晶的顯微組織500×2.共晶系合金的平衡凝固－B(2)

共晶合金

該合金的冷卻曲線為：該合金發(fā)生共晶反應：LE→αM+βN

這一過程在恒溫下進行，直至凝固結束。形成共晶體（α+β）。兩個相的相對量可用杠桿法則求得：αM=EN/MNβN=ME/MN

其組織特征如圖4.22

結晶過程：L→L+（α+β）→(α+β)共共晶反應＋脫溶轉變室溫組織：(α+β)共共晶合金（Ⅱ）的平衡結晶過程

共晶合金（Ⅱ）的平衡結晶的顯微組織2.共晶系合金的平衡凝固－C（3）亞共晶合金

這類合金的冷卻曲線為：其組織變化示意圖如圖：其結晶過程：L→L+α→L+α+（α+β）共→α+(α+β)共→α+βⅡ+(α+β)

共

勻晶反應＋共晶反應＋脫溶轉變室溫組織：α+βⅡ+(α+β)

共在共晶轉變之前，從液態(tài)中先結晶出α相。先結晶出的相叫先共晶相（pro-eutecticphase）。先共晶相和液相比例可用杠桿法則求出亞共晶合金的平衡結晶過程

亞共晶合金的平衡結晶的顯微組織2.共晶系合金的平衡凝固－D(4)

過共晶合金過共晶合金的凝固過程和組織特征與亞共晶合金相類似，只是初生相(先共晶相)為β固溶體而不是α固溶體。這類合金的冷卻曲線為：

其結晶過程組織變化示意圖如圖：

結晶過程：L→L+β→L+β+（α+β）共→β+(α+β)共→β+αⅡ+(α+β)

共勻晶反應＋共晶反應＋脫溶轉變室溫組織：β+αⅡ+(α+β)

共2.共晶系合金的平衡凝固－E

通過以上分析共晶系合金的平衡凝固可分為兩類：固溶體合金和共晶型合金。前者的結晶過程主要為勻晶相變＋脫溶轉變，組織為初生固溶體和次生組織；后者的結晶過程主要為勻晶相變、共晶相變和脫溶相變，組織為初生固溶體、共晶體和次生組織。在適溫，F(xiàn)G范圍內的合金組織是由和兩個基本相構成。

需要指出的是在分析顯微組織時，應注意組織織成物和相組成的區(qū)別。組織組成物是在結晶過程中形成的，有清晰輪廓的獨立組成部分，如上述組織中α、αⅡ、β、βⅡ、(α+β)共都是組織組成物。而相組成物是指組成顯微組織的基本相，它有確定的成分及結構但沒有形態(tài)上的概念，上述各類合金在室溫的相組成物都是α相和β相。所以共晶合金都是由α相和β相組成的機械混合物（mechanicalmixture）。

3.共晶系合金的非平衡凝固-A(1)偽共晶

在非平衡凝固條件下，某些亞共晶和過共晶成分的合金獲得了全部的共晶組織。這種由非共晶成分合金所得到的共晶組織稱為偽共晶（pseudo-eutectic）。

將兩液相線延長形成影線區(qū)。對于那些具有非共晶型轉變的合金，當合金熔液快冷至由兩液相線延長線所包圍的區(qū)域，形成初生相的過程被抑制，發(fā)生同時結晶出α相和β相的共晶轉變，形成類似于共晶組織(偽共晶)。偽共晶區(qū)隨時冷卻增加而增大。若當合金中兩組元熔點相近時，偽共晶區(qū)呈對稱分布，即圖4.24所示情況；若合金中兩組元熔點相差很大時，偽共晶將偏向高熔點組元一側.3.共晶系合金的非平衡凝固-B(2)非平衡共晶組織

若某些合金在平衡結晶時獲得單相固溶體而不出現(xiàn)共晶組稱為不(非)平衡共晶組織。非平衡共晶組織分布在α相晶界和枝晶間。

由于非平衡共晶體數(shù)量較少，通常共晶體中α相依附于初生α相生長，將共晶體中另一相β推到最后凝固的晶界處從而使共晶體兩組成相間的組織特征消失，這種兩相分離的共晶體稱為離異共晶（divorcedeutectic）。

4.2.3包晶相圖及其合金凝固

包晶相圖概述

有些合金當凝固到一定溫度時，已結晶出來的一定成分的固相與剩余液相(有確定成分)發(fā)生反應生成另一種固相的恒溫轉變過程稱為包晶轉變（peritecticreaction）。兩組元在液態(tài)下無限互溶，固態(tài)下只能部分互溶并具有包晶轉變的相圖稱為二元包晶相圖（theperitecticphasediagram）。具有包晶轉變的二元合金有：Cu－Sn、Fe－C、Cu－Zn、Ag－Sn、Ag－Pt1.包晶相圖分析

線：固相線、液相線、水平線(DPC)為包晶轉變線，包晶線僅有DP為固相線，而PC為液相線，固溶度曲線。包晶轉變線上的合金在該溫度下發(fā)生包晶轉變：Lc+αD=βP

相區(qū)：三個單相區(qū)L相區(qū)、α相區(qū)和β相區(qū)；三個雙相區(qū)L+α相區(qū)、L+β相區(qū)、α+β相區(qū)；三相共存于DPC線L+α+β

包晶線與共晶線不同之處在于：共晶線為固相線，線上的合金在共晶溫度全部凝固完畢，其組織為兩相混合物。包晶線僅有DP為固相線，而DC為液相線。

Pt－Ag包晶相圖2.包晶系合金的平衡凝固－A

①包晶點（P）合金冷卻曲線如圖4.31：發(fā)生包晶反應：Lc+αD=βP為恒溫反應結晶過程：L→L+α→L+α+β→β→

αⅡ+β

勻晶反應＋包晶反應＋脫溶轉變室溫組織：αⅡ+β包晶轉變機理：(教材P79了解)2.包晶系合金的平衡凝固－B②包晶點（P）以右合金冷卻曲線如圖4.33：碰到PC發(fā)生包晶反應：Lc+αD=βP

為恒溫反應結晶過程：L→L+α→L+α+β→L+β

→β→αⅡ+β勻晶反應＋包晶反應＋勻晶反應＋脫溶轉變室溫組織：αⅡ+β2.包晶系合金的平衡凝固－C③包晶點（P）以左合金冷卻曲線如圖4.34：碰到DP發(fā)生包晶反應：Lc+αD=βP

為恒溫反應結晶過程：L→L+α→L+α+β→α+β

→α+β+αⅡ+βⅡ勻晶反應＋包晶反應＋脫溶轉變室溫組織：α+β+αⅡ+βⅡ3.包晶系合金的非平衡凝固

包晶轉變一般不易進行完全，即最終組織不易達到平衡狀態(tài)，且包晶反應速度較慢，形成非平衡組織。4.3二元相圖的分析和使用

4.3.1.其他類型的二元相圖

1.具有化合物的二元相圖2.具有偏晶轉變的相圖3.具有合晶轉變的相圖4.具有熔晶轉變的相圖5.具有固態(tài)轉變的二元相圖1.具有化合物的二元相圖

在某些二元系中，可形成一個或多個化合物，化合物一般處于相圖的中間位置，又稱為中間相（intermediatephase）。根據兩組元間形成化合物的穩(wěn)定性，可分為穩(wěn)定化合物和不穩(wěn)定化合物。(1).形成穩(wěn)定化合物的相圖穩(wěn)定化合物是指具有固定的熔點，且在熔點以下保持固有結構而不發(fā)生分解的化合物。

相圖特征：形成的沒有溶解度的化合物在相圖上表現(xiàn)為一條垂線?？梢园阉鳛橐粋€獨立的組元而把相圖分為兩部分。該類化合物成分是固定的，或在一定范圍內但有確定的熔點。形成穩(wěn)定化合物的二元相圖有：Mg－Si、Cu－Ti、Fe－P、Mg－Cu、Ag－Sr、Na2SiO3－SiO2、BeO－Al2O3、SiO2－MgO

(2).形成不穩(wěn)定化合物的相圖不穩(wěn)定化合物是指在加熱到一定溫度時會發(fā)生分解的化合物。相圖特征：化合物線在加熱到一定溫度化合物會分解。包晶反應所形成的中間相均屬于不穩(wěn)定化合物。它們不能視為獨立組元而把相圖劃分為簡單相圖。例如：K－Na相圖

1.具有熔晶轉變的相圖

在某些合金結晶過程中，當達到一定溫度會從一個固相分解為一個液相和另一個固相，即發(fā)生了固相的再熔現(xiàn)象，這種轉變稱為熔晶轉變（metatecticreaction）。即：δ→L+γ

具有熔晶轉變的合金很少，如Fe－S、Cu－Sb

2.具有偏晶轉變的相圖

偏晶轉變（monotecticreaction）相圖特點：在一定的成分和溫度范圍內，兩組元在液態(tài)下也只能有限溶解，存在兩種不同濃度的液相L1和L2。其轉變：是在一定溫度下從一個液相中同時分解出一個固相和另一成分的液相的過程，且固相的相對量總是偏多。即：L1→A+L2

具有偏晶轉變的二元系有：Cu－S、Cu－O、Mn－P3.具有合晶轉變的相圖

合晶轉變（syntecticreaction）相圖特點：二元組在液態(tài)下有限溶解，存在不熔合線，不熔合線以下的兩液相L1和L2。其轉變：在恒定溫度下，兩個成分不同的液相和相互作用形成一個固相的轉變稱為合金轉變。即L1+L2→β

具有偏晶轉變的二元系如：Na－Zn5.具有固態(tài)轉變的二元相圖

當合金中組元具有同素(分)異構變時，則其固溶體會出現(xiàn)三種情況：固溶體的多晶型轉變，共析轉變、包析轉變、偏析轉變（monotectoidreaction）。(1)具有固溶體多晶型轉變的相圖固溶體的多晶型轉變又稱為多形性轉變。具有這類轉變的合金有等，如Fe－C、Fe－Ti合金(2)具有共析轉變的相圖共析轉變（eutectoidreaction）是在一定溫度下一個固相轉變?yōu)榱韮蓚€固相的過程。共析轉變與共晶轉變相似，區(qū)別在于它是由一個固相在恒溫下轉變?yōu)榱硗鈨蓚€固相。共析轉變對熱處理強化意義很大。鋼的熱處理是以共析轉變?yōu)榛A的。共析合金（eutectoidalloy）、亞共析合金（hypoeutectoidalloy）、過共析合金（hypereutectoidalloy）(3)具有包析轉變的相圖包析轉變（peritectoidreaction）類似于包晶轉變，區(qū)別在于包析轉變是由兩個固相反應生成另外一個固相。(4)具有脫溶沉淀過程的相圖隨著溫度降低固溶體中溶解度下降，析出第二相的過程，稱為脫溶過程。(5)具有有序—無序轉變的相圖(6)具有固溶體形成中間相轉變的相圖(4)具有磁性轉變的相圖4.3.2．復雜二元相圖的分析方法

分析復雜二元相圖的步驟和方法如下：(1)首先看相圖中是否存在化合物，如有穩(wěn)定化合物，則以這些穩(wěn)定化合物為界(把化合物視為組元)，把相圖分成幾個區(qū)域(基本相圖)進行分析。(2)根據相區(qū)接觸法則，認清各相區(qū)的組成相。單相區(qū)：代表一種具有獨特結構和性質的相的成分和溫度范圍，若單相為一根垂線，則表示該相成分不變。雙相區(qū)：鄰區(qū)原則是含有P個相的相區(qū)的鄰區(qū)，只能含有P1個相。違背了這條原則，無法滿足相律的要求。兩相區(qū)中平衡相之間都有互溶度，只是互溶度大小不同而已。

(3)

找出所有的三相共存水平線，分析這些恒溫轉變的類型，寫出轉變式。表4.1列出了二元系各類三相恒溫反應(轉變)的類型，可借助于分析。(4)

應用相圖分析典型合金的組晶過程和組織變化規(guī)律。單相區(qū)；相成分、質量與原合金相同。

雙相區(qū)；在不同溫度下兩相成分沿相界線變化，各相的相對量可由杠桿法則求得。三相共存(平衡)時，三個相的成分固定不變，可用杠桿法則求出恒溫轉變前、后相組成的相對量。

(5)

在應用相圖分析實際情況時，切記相圖只給出體系在平衡條件下存在的相和相對量，并不能表達出相的形狀、大小和分布（這些只取決于相的本性及形成條件）；相圖只表示平衡狀態(tài)的情況，而實際生產條件下很難達到平衡狀態(tài)，因此要特別重視它們的非平衡條件下可能出現(xiàn)的相和組織。

（6）

相圖的正確與否可用相律來判斷。在分析和認識了相圖中的相、相區(qū)及相變線的特點之后，就可分析具體合金隨溫度改變而發(fā)生的相變及組織變化。4.根據相圖推測合金的性能

合金的性能取決于合金的組織，而合金組織與相圖有關，所以可根據相圖預測合金平衡狀態(tài)下的一些性能。包括：使用性能（力學性能、物理性能等）工藝性能（合金的鑄造、壓力加工、切削加工、熱處理強化性能）(1)使用性能(力學、物理性能)

一般形成兩相機械混合物的合金，其性能是各相性能的平均值，即性能與成分呈線性關系；形成固溶體合金時，其性能與成分呈曲線關系；形成穩(wěn)定化合物時，其性能在曲線上出現(xiàn)奇點。固溶體合金中溶質原子溶使使溶劑晶格發(fā)生變化(畸變)，使固溶體強度、硬度升高，而塑性降低，這一現(xiàn)象稱為固溶強化。固溶強化是提高合金強度的方法之一，在工業(yè)生產上得到廣泛應用。相圖與力學性能的關系相圖與使用性能的關系(2).判斷合金的工藝性能

合金的工藝性能與相圖也有一定的關系。

(1)合金鑄造性能：由于共晶合金熔點低，并且是恒溫轉變，溶液流動性好，凝固后容易形成集中縮孔，合金較為致密。因此鑄造合金宜選擇在接近共晶成分的合金。

(2)合金壓力加工性能：合金的壓力加工性能與合金的組織有關。單相固溶體由于其強度低，塑性好，變形均勻，壓力加工性能較好。所以需壓力加工的合金通常選擇單相固溶體或接近單相固溶體(含第二相應盡量少)成分的合金。

(3)合金切削加工性能：合金切削加工性能與合金的組織有關。塑性好的材料進行切削加工時，切削不易斷開且纏繞在刀具上，增加零件表面粗糙度，不易進行高速切削，因此單相固溶體型合金切削加工性能不夠好。而具有兩相組織的合金的切削加工性一般比較好。

(4)熱處理工藝性能:可借助于相圖判斷合金能否通過熱處理強化，并能為熱處理提供數(shù)據。相圖中無固態(tài)相變的合金不能進行熱處理強化，但能進行消除枝晶偏析的擴散退火。具有多晶型轉變的合金，可通過再結晶退火和正火處理使合金晶粒細化，以提高強度、硬度，稱為細晶強化。

具有溶解度(固溶度)變化的合金，可通過固溶處理以及后來進行的時效處理來提高合金的硬度、強度。具有共析轉變的合金，原則上可進行淬火處理。合金進行化學熱處理時，滲入元素必須在被滲金屬中具有一定的溶解度或者能形成化合物。相圖與工藝性能的關系4.4二元合金相圖分析實例重點：鐵碳相圖4.4.1二元合金相圖分析實例

Fe—C合金的組織和性能Al2O3—SiO2系的組織和性能Cu—Zn合金相圖Cu—Sn合金其他例子1.Fe—C合金的組織和性能

鋼(Steels)和鑄鐵(Castirons)是應用最廣的金屬材料，雖然它們的種類很多，成分不一，但是它們的基本組成都是鐵(Fe)和碳(C)兩種元素，故統(tǒng)稱為鐵碳合金（alloysoftheiron－carbonsystem）。因此，學習鐵碳相圖、掌握應用鐵碳相圖的規(guī)律解決實際問題是非常重要的。

鐵碳相圖(如圖4.42)是一個較復雜的二元合金相圖，它概括了鋼鐵材料的成分、溫度與組織之間的關系。在鐵碳合金中，F(xiàn)e與C可以形成一系列化合物：Fe3C、Fe2C、FeC。所以，F(xiàn)e-C相圖可以劃分成Fe-Fe3C,Fe3C-Fe2C,Fe2C-FeC和FeC-C四個部分。由于化合物是硬脆相，后面三部分相圖實際上沒有應用價值（工業(yè)上使用的鐵碳合金含碳量不超過5％），因此，通常所說的鐵碳相圖就是Fe-Fe3C部分。

Fe-Fe3C相圖第三節(jié)

Fe-Fe3C相圖的建立與分析一.Fe-Fe3C相圖的建立包晶反應相圖共晶反應相圖共析反應相圖

Fe-Fe3C

相圖FeT°Fe3C

Fe-Fe3C

相圖ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3C

T°(A+Fe3C)LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+

Fe3CⅡ(F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK共晶相圖共析相圖勻晶相圖(P+Fe3C)

Fe-Fe3C

相圖ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+A4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3C

T°LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FP0.77%CLd’K(P+Fe3C)P+Ld’+Fe3CⅡLd’+Fe3CⅠP+FP+Fe3CⅡ(F+Fe3C)A+Fe3CⅡL+Fe3CⅠ(A+Fe3C)Fe-Fe3C相圖二.Fe-Fe3C相圖的分析五個重要的成份點:P、S、E、C、K。四條重要的線:EF、ES、GS、FK。三個重要轉變:包晶轉變反應式、共晶轉變反應式、共析轉變反應式。二個重要溫度:1148℃、727℃。1.包晶轉變反應式:LB

+

H

AJ1495℃3.共析轉變反應式:AS

(

FP

+Fe3C)P

727℃2.共晶轉變反應式:LC

(

AE

+Fe3C)Le

1148℃1.Fe—C合金中的組元

鐵碳合金中組元：純鐵(Fe)滲碳體（Fe3C）

1.Fe—C合金中的組元

鐵碳合金中組元：純鐵(Fe)滲碳體（Fe3C）

(1)純鐵（Fe）

純鐵（pureiron）WFe>99.8%，原子序數(shù)26，原子相對質量55.85，純鐵的熔點1538℃，汽化點2438℃，密度4.84g/㎝3。純鐵固態(tài)下具有同素異構轉變（allotropictransformation）：912°C以下為體心立方(bcc)晶體結構，912°C到1394°C之間為面心立方(fcc)結構,1394°C到熔點之間為體心立方(bcc)結構。純鐵具有磁性轉變（468℃磁性轉變、magnetictransformation）。純鐵的強度低，塑性好(軟)，很少用于結構材料。主要利用鐵磁性（ferromagnetism）。純鐵的同素異構轉變純鐵的冷卻曲線及晶體結構變化純鐵的顯微組織(2)滲碳體(Fe3C)－A滲碳體（cementite）是Fe—C合金中碳以化合物(Fe3C)形式出現(xiàn)的。它具有復雜的晶格(正交晶系)，其晶體結構如圖4.49（P138）。Fe3C是由C原子構成的一個斜方晶格，原子周圍有六個Fe原子，構成一個八面體，而每個Fe原子屬于兩個八面體共有，F(xiàn)e:C=3:1。Fe3C熔點為1224℃，F(xiàn)e3c是一種亞穩(wěn)化合物，在一定條件下，滲碳體可以分解而形成石墨狀的自由碳：Fe3C→3Fe+C(石墨)。這一過程對于鑄鐵和石墨鋼具有重要意義。所以Fe—Fe3C相圖又叫介穩(wěn)定系相圖，F(xiàn)e－C相圖又叫穩(wěn)定系相圖，若把Fe—Fe3C相圖與Fe－C相圖畫在同一圖上，稱為Fe－C合金雙重相圖，如圖4.50。兩相圖各有不同適用范圍。滲碳體的晶格Fe-Fe3C雙重相圖－1Fe-Fe3C雙重相圖－2(2)滲碳體(Fe3C)-B

Fe3C在230℃以下具有鐵磁性，常用A0表示這個臨界點。

Fe3C在鋼和鑄鐵中呈現(xiàn)片狀，粒狀，網狀和板條狀。滲碳體硬而脆(HB800)，塑性極低，延伸率接近于0。它是鋼鐵材料中的主要強化相。Fe3C中碳和Fe可以被其它元素替代形成以Fe3C為基的固溶體。Fe被Cr、Mn等原子金屬置換，形成以Fe3C為基的固溶體，稱為合金滲碳體。滲碳體組織金相圖2.Fe—C合金中的基本相

－A

在Fe—Fe3C相圖中，F(xiàn)e—C合金在不同條件(成分，溫度)下，可有六個基本相：L相、δ相、γ相、α相、Fe3C相、石墨（C）（1）液相(L)Fe與C在高溫下形成的液體溶液。(ABCD線以上)

（2）δ相[高溫鐵素體（hightemperatureferrite）]C在δ－Fe的間隙固溶體。在1459℃時最大溶解量可達0.09%，為bcc結構，也稱高溫鐵素體（hightemperatureferrite）。（3）滲碳體（cementite）前面已討論過

Fe—C合金中的基本相

－B

（4）奧氏體（austenite）

奧氏體(γ或A)是C溶解于γ—Fe形成的間隙固溶體稱為奧氏體（austenite）。γ具有fcc結構。具有面心立方晶體結構的奧氏體可以溶解較多的碳，1148°C時最多可以溶解2.11%的碳，到424°C時含碳量降到0.8%。碳原子存在于面心立方晶格中正八面體的中心，單相γ區(qū)存在于NJBESGN區(qū)域內（424---1459℃）。奧氏體的硬度(HB140~220)較低，塑性(延伸率δ為40%~50%)高。奧氏體的顯微組織見下圖。γ是順磁性（paramagnetism），具有fcc結構。晶粒呈平直多邊形。

碳在γ－Fe晶格中的位置奧氏體的顯微組織奧氏體組織金相圖Fe—C合金中的基本相

－C

（5）鐵素體（ferrite）

鐵素體（α或F）是C溶于α－Fe形成的間隙固溶體稱為鐵素體（ferrite）。C原子溶于八面體間隙。單相α相在CPQ以左部分。鐵素體的含碳量非常低，在424℃時C在α－Fe中最大溶解量為0.0218%，室溫下含碳僅為0.005%，所以其性能與純鐵相似：硬度(HB50-80)低，塑性(延伸率δ為30%~50%)高。鐵素體的顯微組織與工業(yè)純鐵相同。晶粒常呈多邊形。是鐵磁性，具有bcc結構。（6）石墨（C）在一些條件下，碳可以以游離態(tài)石墨（graphite）(hcp)穩(wěn)定相存在。所以石墨對于Fe—C合金中鑄鐵也是一個基本相。鐵素體組織金相圖5.萊氏體(Ld)---Ledeburite奧氏體和滲碳體組成的機械混合物。3.Fe—Fe3C相圖分析

如圖4.56為Fe—Fe3C相圖全貌。根據分析圍繞三條水平線可把Fe—Fe3C相圖分解為三個部分考慮：左上角的包晶部分，右邊的共晶部分，左下角的共析部分。分析點、線、區(qū)特別是重要的點、三條水平恒溫轉變線、重要的相界線

（1）Fe—Fe3C相圖的點

Fe—Fe3C相圖相圖中的各特性點所對應的溫度、成分和意義如下表：

A、B、C、D、E、F、G、H、J、K、N、P、S、Q各點（2）Fe—Fe3C相圖的線

Fe—Fe3C相圖有一些特性線，它們是由不同成分合金具有相同意義的點連接起來的。有三條水平恒溫轉變線，二條磁性轉變線(水平)和三條重要的相界線。Fe—Fe3C相圖中各線的意義如表（講義P4－51）A.三條水平恒溫轉變線

①包晶線：HJB線（1459℃），J為包晶點，wc=0.09～0.53%的Fe、C合金緩冷到HJB線均發(fā)生包晶反應，即：

L0.53+δ0.09→α0.14

（LB+δH→αJ）

②共晶線：ECF水平線（1148℃），C點為共晶點，wc=2.11～6.69%的Fe、C合金緩冷到EFC線均發(fā)生共晶反應，即：

L4.30→γ2.11+Fe3C（LC→γE+Fe3C）轉變產物為γ和Fe3C組成的共晶混合物稱為萊氏體（ledeburite），用Ld表示。

③共析線：PSK水平線（424℃），S點為共析點。凡wc>0.0218%的Fe、C合金冷卻到PSK線均發(fā)生共析反應，即：γ0.44→α0.0218+Fe3C（γS→αP+Fe3C）轉變產物為α和Fe3C組成的機械混合物稱為珠光體（pearlite），用P表示。共析轉變溫度常用A1表示。

B.兩條磁性轉變線

①230℃為水平線為Fe3C的磁性轉變線，230℃以上Fe3C無磁性，230℃以下為鐵磁性。常用A0表示②440℃為α的鐵磁性轉變線。440℃以上無鐵磁性，440℃以下為鐵磁體。常用A2表示，又稱居里點。C.幾條重要的相界線(固態(tài)轉變線)①GS線：A中開始析出α或α全部溶入(升溫時)γ的轉變線。常用A3表示。因這條線在共析轉變線以上，故又稱為先共析α相開始析出線。常稱為A3線或A3溫度。②ES線：C在γ中溶解度曲線。常用Acm表示，稱為Acm溫度。低于此溫度，溶解度降低，將析出Fe3C。為了區(qū)別自液(CD線)態(tài)合金中直接析出的一次Fe3C，將γ中析出的Fe3C稱為二次Fe3C。③PQ線：C在α中溶解度曲線。在424℃時，C在α中的最大溶解度0.0218%，但溫度下降，C在中溶解度下降，會析出少量的滲碳體，，稱為三次Fe3C。以區(qū)別于沿CD線和ES線析出的Fe3C。（3）Fe—Fe3C相圖中的區(qū)

Fe—Fe3C相圖中的區(qū)：·4個單相區(qū)：L、δ、γ、α·4個兩相區(qū)：L+δ、L+γ、L+Fe3C、δ+γ、γ+Fe3C、γ+α、α+Fe3C·3個三相共存區(qū)：L+γ+Fe3C（ECF線）、L+δ+γ（HJB線）、γ+α+Fe3C（PSK線）4.Fe—C合金分類

Fe、C合金通常按其含碳量(Wc)及其室溫平衡組織分為三大類：工業(yè)純鐵（pureiron）、碳鋼（carbonsteel）、鑄鐵（castiron）。根據碳鋼和鑄鐵的相變、組織特征可把二者細分。即：

（1）工業(yè)純鐵：(Wc<0.0218%)顯微組織為固溶體。

（2）鋼鋼（steel）是含碳量在(Wc=0.0218～2.11%)之間的Fe、C合金。其特點是：

高溫組織為單相的γ，具有很好的塑性。因而可以進行鍛造、軋制等壓力加工。根據其室溫組織的不同，碳鋼（carbonsteel）又可分為：共析鋼（eutectoidsteel）：Wc=0.44%亞共析鋼（hypoeutectoidsteel）：Wc=0.0218～0.44%過共析鋼（hypereutectoidsteel）：Wc=0.44～2.11%（3）白口鑄鐵

白口鑄鐵（whitecastiron）是含碳量在Wc=2.11～6.69%之間的Fe、C合金。其特點液態(tài)合金結晶時都發(fā)生共晶反應，液態(tài)時有良好的流動性，因而鑄鐵都具有良好的鑄造性能。但因共晶產物是以Fe3C為基的萊氏體組織，所以性能很脆，不能鍛斷。它們的斷口呈銀白色，故稱為白口鑄鐵。根據白口鑄鐵室溫組織不同，可分為三種：共晶白口鑄鐵（eutectoidcastiron）：Wc=4.30%亞共晶白口鑄鐵（hypoeutectoidcastiron）：Wc=2.11～4.30%過共晶白口鑄鐵（hypereutectoidcastiron）：Wc=4.30～6.69%上述Wc=2.11%具有重要的意義，它是鋼和鑄鐵(生鐵)的理論分界線。6.Fe—C合金的平衡結晶過程及組織

（1）工業(yè)純鐵

以Wc=0.01%的合金為例室溫組織為：α+Fe3CⅢFe3CⅢ最多為0.33%如下圖轉變過程：L→L+δ→δ→δ+γ→γ

→α+γ→α→α+Fe3CⅢ

勻晶轉變＋多晶型轉變＋脫溶沉淀

工業(yè)純鐵室溫組織圖（200×）（2）共析鋼共析鋼（Wc=0.44%）冷卻曲線如圖：室溫組織為P（α+Fe3C），P呈層片狀，是α和Fe3C的層片交替重疊的機械混合物。如圖4.53圖中的白色片狀為α，黑色片狀為Fe3C。過程如下：L→L+γ→γ→P+γ→P（α+Fe3C）勻晶轉變＋共析轉變＋脫溶沉淀

共析鋼組織金相圖（3）亞共析鋼

亞共析鋼（Wc=0.0218～0.44%）冷卻曲線如圖：室溫組織為：α+P如圖4.56中的白色為α，黑色片狀為P。過程如下：

L→L+δ→L+δ+γ→L+γ→γ→α+γ

→α+P+γ→α+

+P（析出Fe3CⅢ）勻晶轉變＋包晶轉變＋共析轉變＋脫溶沉淀

特別需注意：①室溫組織為α+P，由于α是發(fā)生在共析轉變之前，我們稱為先共析鐵素體。②共析轉變之前α+γ和的相對量(即共析轉變后α和P的相對量)可通過杠桿法則來計算。

亞共析鋼的室溫組織（200×）（4）過共析鋼

過共析鋼（Wc=0