二元相圖及應用

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：

存在哪些相；

各相的相對量；

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

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）；

分別測定上述合金的冷卻曲線；

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）；

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）；

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。

$Q_L=\frac{x_2-x}{x_2-x_1}\times100%$

$Q_\alpha=\frac{x-x_1}{x_2-x_1}\times100%$

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。

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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%$）、鑄鐵（$ C%> 2.11% $）

碳在鐵碳合金中的存在形式：

C 溶入 Fe 的晶格間隙中形成間隙固溶體（鐵素體、奧式體）。

C 與 Fe 作用形成化合物（$Fe_3C$）.

以游離態（石墨）存在。

鐵碳合金中的基本相

鐵素體

符號：$ \alpha $ 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 $ 中形成的間隙固溶體也是鐵素體，為了區別起見，故稱 $ \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 $ 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 $ 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

符號 | 溫度 | $C% $ | 說明
A | 1538 | 0 | 純鐵的熔點
B | 1495 | 0.53 | 包晶轉變時液態合金的成分（$C%$）。
C | 1148 | 4.3 | 共晶點
D | 1227 | 6.69 | 滲碳體的熔點
E | 1148 | 2.11 | 碳在 $ \gamma-Fe $ 中的最大溶解度
F | 1148 | 6.69 | 滲碳體的成分
G | 912 | 0 | $ \alpha-Fe \leftrightarrow \gamma-Fe $ 的轉變溫度（A3）
H | 1495 | 0.09 | 碳在 $\delta-Fe$ 中的最大溶解度
J | 1495 | 0.17 | 包晶點
K | 727 | 6.69 | 滲碳體的成分
N | 1394 | 0 | $\gamma-Fe \leftrightarrow \delta-Fe$ 的轉變溫度（A4）
P | 727 | 0.0218 | 碳在 $ \alpha-Fe $ 中的最大溶解度
S | 727 | 0.77 | 共析點（A1）
Q | 室温 | 0.0008 | 室溫時碳在 $ \alpha-Fe $ 中的溶解度

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：$L_{0.53} +\delta_{0.09} \leftarrow^{1495^\circ C}\rightarrow \gamma_{0.17}$

ECF：共晶線（$1148^\circ C$）

包晶反應：$L_{4.3} \leftarrow^{1148^\circ C}\rightarrow \gamma_{2.11}+Fe_3C$ ，形成萊氏體 ** $ L_d = \gamma_{2.11}+Fe_3C $ **

PSK：共析線（$727^\circ C$）

共析反應：$\gamma_{4.3} \leftarrow^{727^\circ C}\rightarrow \alpha_{0.0218}+Fe_3C$ ，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（$Fe_3C_I$）：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（$Fe_3C_{II}$）：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（$Fe_3C_{III}$）：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

分類 | C%
工業純鐵 | ＜0.0218
亞共析鋼 | 0.0218～0.77
共析鋼 | ＝0.77%
過共析鋼 | 0.77～2.11
亞共晶白口鑄鐵 | 2.11～4.3
共晶白口鑄鐵 | ＝4.3%
過共晶白口鑄鐵 | 4.3～6.69

工業純鐵（$ \omega_c=0-0.0218% $）的室溫組織：$F+Fe_3C_{III}$

亞共析鋼 （$ \omega_c=0.0218-0.77% $）的室溫組織：$F+P$

共析鋼 （$ \omega_c=0.77% $）的室溫組織：$P$

過共析鋼 （$ \omega_c=0.77-2.11% $）的室溫組織：$P+Fe_3C_{II}$

亞共晶白口鑄鐵 （$ \omega_c=2.11-4.3% $）的室溫組織：$P+Fe_3C_{II}+L_d'$

共晶白口鑄鐵 （$ \omega_c=0-4.3% $）的室溫組織：$L_d'$

過共晶白口鑄鐵（$ \omega_c=4.3-6.69% $）的室溫組織：$Fe_3C_{I}+L_d'$

含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響

含碳量對鐵碳合金平衡組織的影響

對相組成物的影響

鐵碳合金室溫下的相組成物：$ F $ 和 $ Fe_3C $。

隨 $ C% $ 升高，$ F $ 的相對量減少，$ Fe_3C $ 的相對量增多。

對組織組成物的影響

鐵碳合金室溫下的組織組成物：$ F, Fe_3C_{III}, P, Fe_3C_{II}, L_d', Fe3C_I $。

隨 $ C% $ 升高，$ F $ 的相對量減少，$ 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。

含碳量對鐵碳合金力學性能的影響

鐵素體（$ F $）：軟韌相；滲碳體（$ 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。

含碳量對鐵碳合金工藝性能的影響

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。

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