重要概念

相圖：描述系統的狀態、溫度、壓力、成分之間關係的一種圖解。

狀態：指系統中的各相的凝聚狀態、相的類型等。

相變：合金中的相從一種類型轉變為另一種類型的過程。

特別提示

相圖是在熱力學平衡的條件下建立起來的。測定相圖最常用的辦法是熱分析法，它要求合金在冷卻時冷卻速度非常緩慢，從而能夠滿足惹咯學平衡的條件。因此相圖又被稱為平衡相圖，平衡圖。

相圖的作用

利用相圖，可以了解不同成份的材料在不同條件下：

1. 存在哪些相；

2. 各相的相對量；

3. 成分、溫度變化時材料中發生的相變。

二元相圖的建立 #

熱分析法 #

以 $ Cu-Ni $ 合金為例

1. 配製一系列不同的 $ Cu-Ni $ 合金（例如$ 100% Cu、80% Cu-20% Ni、60% Cu-40% Ni、40% Cu-60% Ni、20% Cu-80% Ni、100% Ni $等 6 个合金）；

2. 分別測定上述合金的冷卻曲線；

3. 在冷卻曲線上找出合金的各個臨界點（合金在凝固開始和凝固終了的溫度點）；

4. 將各臨界點標在相圖的座標平面上（二元相圖的座標平面，橫軸為成分，縱軸為溫度）；

5. 在相圖平面上將性質相同的臨界點分別連結起來，即建立起相圖。

二元相圖的基本類型與分析 #

二元勻晶相圖 #

勻晶反應（轉變） #

從液相中直接結晶出固溶體的反應（轉變）。 $ L \Rightarrow \alpha $

具有勻晶相圖的二元合金系：$Cu-Ni,Au-Ag,Fe-Ni,Cu-Au,Cr-Mo$等。

槓桿定律：用於二元合金處於兩相平衡時，兩個相的相對量的計算。

$Q_L=\frac{x_2-x}{x_2-x_1}\times 100\mathrm{\%}$

$Q_{\alpha }=\frac{x-x_1}{x_2-x_1}\times 100\mathrm{\%}$

枝晶偏析：合金在結晶時通常以樹枝狀形式長大，從而造成了樹幹和樹枝在成分上的差異，這就是枝晶偏析，是一種冶金缺陷。

處理辦法：一般可以通過鍛造和均勻化退火（或稱擴散退火）與以減輕或消除。

二元共晶相圖 #

共晶反應（轉變） #

從液相中同時結晶出兩種不同的固相的反應（轉變）。 $ L \Rightarrow \alpha+\beta $

共晶相圖 #

兩組元在野台無限互溶，固態有限互溶或完全不互溶，冷卻時發生共晶反應的相圖。

具有共晶相圖的二元合金系：$ Pb-Sn, Al-Ag, Al-Si, Pb-Bi 等。

二元包晶相圖 #

包晶反應（轉變） #

依從液相中結晶出的固相和液相作用，生成一種新的固相等反應。 $ L+\alpha \Rightarrow \beta $

包晶相圖 #

兩組元在液態無限互溶，固態有限互溶或完全不互溶，冷卻時發生包晶反應的相圖。

具有包晶反應的二元合金系：$ Pt-Ag, Sn-Sb, Cu-Sn, Cu-Zn $等。

形成穩定化合物的二元相圖 #

穩定化合物 #

具有一熔點，在溶點一下保持其固有結構而不發生分解的化合物。

行曾穩定化合物的二元合金系：$ Mg-Si, Mn-Si, Fe-P, Cu-Sb $等。

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具有共析反應的二元相圖 #

共析反應（轉變） #

一定成分的固相，一定溫度下，同時析出兩種化學成分和結構完全不同的新的固相的反應（轉變）。 $ \alpha \Rightarrow \beta_1+\beta_2 $

共析相圖和共晶相圖在形狀上很相似，但發生的反應完全不同。共析相圖的分析方法與共晶相圖類似。

鐵碳合金相圖 #

鐵碳合金：以鐵和碳爲基本組元的合金。

兩大類：碳鋼（$ C% < 2.11%$）、\mathrm{鑄}\mathrm{鐵}（$C% > 2.11% $）

碳在鐵碳合金中的存在形式：

1. C 溶入 Fe 的晶格間隙中形成間隙固溶體（鐵素體、奧式體）。

2. C 與 Fe 作用形成化合物（$F{e}_{3}C$）.

3. 以游離態（石墨）存在。

鐵碳合金中的基本相 #

鐵素體 #

符號：$ \alpha$\mathrm{或}$F $

定義：碳溶解在體心立方晶格的$ \alpha-Fe $形成的間隙固溶體。

碳溶解在體心立方晶格的$ \delta-Fe$\mathrm{中}\mathrm{形}\mathrm{成}\mathrm{的}\mathrm{間}\mathrm{隙}\mathrm{固}\mathrm{溶}\mathrm{體}\mathrm{也}\mathrm{是}\mathrm{鐵}\mathrm{素}\mathrm{體}，\mathrm{為}\mathrm{了}\mathrm{區}\mathrm{別}\mathrm{起}\mathrm{見}，\mathrm{故}\mathrm{稱}$\delta-鐵素體 $或高溫鐵素體。

性能：強度和硬度低，塑性和韌性高。

$HB=50-80, \delta = 30-50% $

奧式體 #

符號：$ \gamma$\mathrm{或}$A $

定義：碳溶解面心立方晶格的$ \gamma-Fe $形成的間隙固溶體。

性能：強度和硬度低，塑性和韌性高。

$HB=170-220, \delta = 30-50% $

相比鐵素體，奧式體可溶入更多的碳，強度和硬度更高。

滲碳體 #

符號：$ C_m$\mathrm{或}$Fe_3C $

定義：碳和鐵相互作用形成的間隙化合物。

性能：熔點高，硬度大，脆性大，塑性幾乎為零。

$HB=800, \delta\approx 0% $

鐵碳合金相圖分析 #

特徵點 #

特徵線 #

液、固相線 #

ABCD：液相線

AHJECF：固相線

三條水平線 #

HJB：包晶線（${1495}^{\circ }C$）

包晶反應：$L_{0.53}+{\delta }_{0.09}{\leftarrow }^{{1495}^{\circ }C}\to {\gamma }_{0.17}$

ECF：共晶線（${1148}^{\circ }C$）

包晶反應：$L_{4.3}{\leftarrow }^{{1148}^{\circ }C}\to {\gamma }_{2.11}+F{e}_{3}C$，形成萊氏體** $ L_d = \gamma_{2.11}+Fe_3C $ **

PSK：共析線（${727}^{\circ }C$）

共析反應：${\gamma }_{4.3}{\leftarrow }^{{727}^{\circ }C}\to {\alpha }_{0.0218}+F{e}_{3}C$，形成珠光體** $ P = \alpha_{0.0218}+Fe_3C $ **

三條固態轉變線 #

GS：$\gamma \leftarrow^{加熱}_{冷卻} \rightarrow \alpha $ 轉變溫度線，又稱為$ A_3 $線

ES：$\gamma \leftarrow^{加熱}{冷卻} \rightarrow Fe_3C{II} $ 碳在奧氏體（$\gamma$）中的固溶度曲線，又稱為$ A_{cm} $線

PQ：$\alpha \leftarrow^{加熱}{冷卻} \rightarrow Fe_3C{III} $ 碳在鐵素體（$\alpha$）中的固溶度曲線

五種型態不同的滲碳體

• 一次滲碳體（$F{e}_3{C}_I$）：從液相中析出的滲碳體。

• 共晶滲碳體：共晶反應中生成的滲碳體

• 二次滲碳體（$F{e}_3{C}_{II}$）：從奧氏體中析出的滲碳體

• 共析滲碳體：共析反應中生成的滲碳體

• 三次滲碳體（$F{e}_3{C}_{III}$）：從鐵素體中析出的滲碳體

典型鐵碳合金的平衡結晶過程分析 #

工業純鐵（$ \omega_c=0-0.0218%$）\mathrm{的}\mathrm{室}\mathrm{溫}\mathrm{組}\mathrm{織}：$F+Fe_3C_{III}$

亞共析鋼 （$ \omega_c=0.0218-0.77%$）\mathrm{的}\mathrm{室}\mathrm{溫}\mathrm{組}\mathrm{織}：$F+P$

共析鋼 （$ \omega_c=0.77%$）\mathrm{的}\mathrm{室}\mathrm{溫}\mathrm{組}\mathrm{織}：$P$

過共析鋼 （$ \omega_c=0.77-2.11%$）\mathrm{的}\mathrm{室}\mathrm{溫}\mathrm{組}\mathrm{織}：$P+Fe_3C_{II}$

亞共晶白口鑄鐵 （$ \omega_c=2.11-4.3%$）\mathrm{的}\mathrm{室}\mathrm{溫}\mathrm{組}\mathrm{織}：$P+Fe_3C_{II}+L_d’$

共晶白口鑄鐵 （$ \omega_c=0-4.3%$）\mathrm{的}\mathrm{室}\mathrm{溫}\mathrm{組}\mathrm{織}：$L_d’$

過共晶白口鑄鐵（$ \omega_c=4.3-6.69%$）\mathrm{的}\mathrm{室}\mathrm{溫}\mathrm{組}\mathrm{織}：$Fe_3C_{I}+L_d’$

含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響 #

對平衡組織的影響 #

**對相組成物（$ F$\mathrm{和}$Fe_3C$）\mathrm{的}\mathrm{影}\mathrm{響}\ast \ast ：\mathrm{隨}$C%$\mathrm{升}\mathrm{高}，$F$\mathrm{的}\mathrm{相}\mathrm{對}\mathrm{量}\mathrm{減}\mathrm{少}，$Fe_3C $的相對量增多。

**對組織組成物（$ F, Fe_3C_{III}, P, Fe_3C_{II}, L_d’, Fe3C_I$）\mathrm{的}\mathrm{影}\mathrm{響}\ast \ast ：\mathrm{隨}$C%$\mathrm{升}\mathrm{高}，$F$\mathrm{的}\mathrm{相}\mathrm{對}\mathrm{量}\mathrm{減}\mathrm{少}，$Fe_3C_I $的相對量增多，其餘組織的相對量在達到其特性成分點時達到最大值。

對力學性能的影響 #

鐵素體（$ F$）：\mathrm{軟}\mathrm{韌}\mathrm{相}；\mathrm{滲}\mathrm{碳}\mathrm{體}（$Fe_3C $）：硬脆相。

• 對硬度的影響：隨$ C% $升高，硬度逐漸增大。

• 對強度的影響：隨$ C% $升高，強度先增大、後降低。

• 對塑性和韌性的影響：隨$ C% $升高，塑性和韌性降低。

對工藝性能的影響 #

• 對切削加工性的影響：中碳鋼的切削加工性能最好。

• 對可鍛性的影響：低碳鋼比高碳鋼的可鍛性好。

• 對鑄造性的影響：共晶點附近的鑄鐵鑄造性好。

• 對焊接性的影響：低碳鋼比高碳鋼的焊接性好。