二元合金进行共晶反应

教学情境三　铁碳合金相图

学习与训练子目标

熟悉状态图的坐标及所表达的意义

掌握铁碳合金状态图中各种特性线和特性点的意义

相图是用来表示合金系中合金的组织、成分、温度之间的关系的简明图表。也就是表示合金系在不同的温度、成分时，合金中各相的状态，所以相图又称状态图。由于合金的相变化过程是在极缓慢的冷却条件下（即平衡条件下）完成的，故相图还称平衡图。相图的纵坐标表示温度，横坐标表示成分，横坐标两端点表示两个纯组元。

知识点一　铁碳合金相图分析

铁碳合金相图是用来研究铁碳合金的组织、成分、温度之间关系的图形。不同成分的铁碳合金在不同温度下具有不同的组织，因而表现出不同的性能。现在所用的铁碳合金相图，含碳量并非为0～100%，而只是6.69%以下的部分，因为含碳量超过6.69%的铁碳合金脆性大，没有使用价值，而Fe₃C的含碳量为6.69%，所以我们研究的铁碳合金相图只有Fe-Fe₃C这一部分，通常称为Fe-Fe₃C相图，如图4-6所示。

图4-6　Fe-Fe₃C相图

为了便于分析铁碳合金相图，将图中实用意义不大的左上角部分简化，经简化后的Fe-Fe₃C相图如图4-7所示。

图4-7　简化的Fe-Fe₃C相图

一、相图中的特性点

Fe-Fe₃C相图中的特性点温度、含碳量及其物理含义如表4-1所示。各特性点符号为通用符号，不可随意改变，其中C、S、E最为重要。

表4-1　Fe-Fe₃C相图中的特性点

续表

C点为共晶点。液态合金缓慢冷却到1 148℃时，在C点发生共晶反应，生成奥氏体和渗碳体的共晶混合物，即高温莱氏体。

共晶反应是指在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分一定的两个固相的转变过程，共晶反应的产物称为共晶体或共晶组织。这种反应是可逆的，并在恒温下进行。铁碳合金中共晶反应式为：

S点为共析点。合金缓慢冷却到727℃时，在S点发生共析反应，生成铁素体和渗碳体的共析混合物，即珠光体。

共析反应是指在一定温度下，由一定成分的固相同时转变为成分一定的两个固相的过程，共析反应的产物称为共析体或共析组织。这种反应也是可逆的，并在恒温下进行。与共晶反应不同的是，共析反应的母相是固相而不是液相，而固态下原子的扩散较困难，因此共析反应需要较大的过冷度，其组织更细密。但因反应前后的固相具有不同的晶格类型，所以共析反应会引起内应力。铁碳合金中共析反应式为：

E点为碳在奥氏体中的最大溶解度点。含碳量小于E点的铁碳合金，不存在共晶反应，并且高温时呈单相奥氏体。含碳量大于E点的铁碳合金结晶时将产生共晶反应。E点是钢与铸铁的分界点。

二、相图中的特性线

在简化的Fe-Fe₃C相图中各特性线含义如下：

（一）ACD线——液相线

此线以上区域全部为液相，用符号L表示。液态合金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，为一次渗碳体Fe₃C_Ⅰ。

（二）AECF线——固相线

液态合金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液态合金的结晶区域，这个区域内液相与固相共存。

（三）ECF线（1 148℃）——共晶转变线

碳含量在2.11%～6.69%之间的铁碳合金冷却到此线时，都将发生共晶反应，同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，即高温莱氏体。

（四）ES线

碳在奥氏体中的溶解度曲线，常用符号A_cm表示。1 148℃时奥氏体的最大溶碳量为2.11%，随温度降低溶碳量不断减小，至727℃时达最小溶碳量0.77%。在温度从1 148℃缓慢冷却到727℃的过程中，碳在奥氏体中的溶解度减小，多余的碳以渗碳体的形式从奥氏体中析出，即二次渗碳体Fe₃C_Ⅱ。

（五）GS线

冷却时奥氏体向铁素体转变的开始线，常用符号A₃表示。奥氏体向铁素体转变是纯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随含碳量增加而降低。

（六）GP线

冷却时奥氏体转变为铁素体的终了线，该线也是发生同素异构转变的线。

（七）PSK线（727℃）——共析转变线

共析转变线常用符号A₁表示。凡含碳量在0.021 8%～6.69%的铁碳合金冷却到727℃时，都将发生共析反应，从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，即珠光体。

（八）PQ线——碳在铁素体中的溶解度曲线

727℃时铁素体的最大溶碳量为0.021 8%，随着温度降低溶碳量不断减小，室温时达最小溶碳量，仅为0.000 8%。在温度从727℃缓慢冷却到室温的过程中，碳在铁素体中的溶解度减小，多余的碳以渗碳体的形式从铁素体中析出，即三次渗碳体Fe₃C_Ⅲ。由于Fe₃C_Ⅲ的数量极少，一般忽略不计。

Fe-Fe₃C相图中的特性线如表4-2所示。

表4-2　Fe-Fe₃C相图中的特性线

三、相图中相区

Fe-Fe₃C相图形成3个单相区，即L、A和F相区；5个两相区，即L+A、L+Fe₃C_Ⅰ、A+Fe₃C_Ⅰ、F+A、F+Fe₃C_Ⅱ相区。在共晶线ECF和共析线PSK上形成三相共存区，分别为L+A+Fe₃C和A+F+Fe₃C三相共存。

四、铁碳合金的分类

在铁碳合金相图中，根据含碳量和组织的不同，铁碳合金可分为3类：

（一）工业纯铁

含碳量＜0.021 8%的铁碳合金，其特点是呈单相铁素体及少量Fe₃C_Ⅲ（可忽略不计） 。

（二）碳钢

含碳量为0.021 8%～2.11%的铁碳合金，其特点是高温时都有单相奥氏体。根据含碳量及室温组织的不同又可分为：

1.亚共析钢 　　0.021 8%＜C＜0.77. 　　组织为F+P

2.共析钢 　　　 C = 0.77. 　　　　 组织为P

3.过共析钢　　　 0.77%＜C＜2.11. 　　 组织为P+ Fe3CⅡ

（三）白口铸铁

含碳量为2.11%～6.69%的铁碳合金，其特点是结晶时都发生共晶反应生成莱氏体。根据含碳量及室温组织的不同又可分为：

1.亚共晶白口铸铁 　　　2.11%＜C＜4.3. 　　组织为P+ Fe3CⅡ+d L′

2.共晶白口铸铁 　　　 C = 4.3. 　　　　　组织为d L′

3.过共晶白口铸铁 　　　 4.3%＜C＜6.69. 　　组织为d L′ + Fe3CⅠ

思考与训练

复习本教学情境的基本知识，思考选择正确答案。

一、匀晶相图

1.能够无限互溶的两组元素所构成的二元合金相图必定是＿＿。

A.匀晶相图 　　B.共晶相图 　　C.包晶相图 　　D.共析相图

2.下列二元合金的恒温转变中，＿＿是匀晶转变。

A.L+α→α　　 B.L→α+β　　 C.γ→α+β 　　D.α+β→γ

3.生产上采用＿＿扩散退火来消除。

A.晶内偏析 　　B.偏析　　 C.枝晶偏析或晶内偏析 　　D.比重偏析

4.生产上采用＿＿来消除枝晶偏析。

A.再结晶退火 　　B.正火　　 C.扩散退火　　 D.等温退火

二、共晶相图

1.下列二元合金的恒温转变中，＿＿是共晶转变。

A.L+α→α 　　B.L→α+β 　　C.γ→α+β　　 D.α+β→γ

2.在一定的温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分一定的的转变过程，

称为共晶＿＿转变或共晶反应。

A.一个固相 　　B.两个固相 　　C.一个固相和一个液相 　　D.两个液相

三、共析相图

1.下列二元合金的恒温转变中，＿＿是共析转变。

A.L+α→α 　　B.L→α+β　　 C.γ→α+β　　 D.α+β→γ

2.共析转变和共晶转变的根本区别是＿＿。

A.共析转变前的母相是固相，而共晶转变前的母相是液相

B.共析转变前的母相是液相，而共晶转变前的母相是固相

C.共析转变后的产物是固相，而共晶转变后的产物是液相

D.共晶转变后的产物是固相，而共析转变后的产物是液相

3.关于共析转变的特性，下列说法错误的是＿＿。

A.共析转变是固相转变成固相，而固态下的原子扩散比液态下扩散困难得多，

所以发生共析转变需要较大的过冷度

B.由于共析转变时的过冷度大，所以共析产物的组织要比共晶组织细密

C.因共析转变前后均为固相，各自具有不同类型的晶格，所以共析转变会引起内应力

D.共析转变会出现枝晶偏析

四、杠杆定理

1.用杠杆定理可计算出珠光体中的F与Fe3C的相对含量为＿＿。

A.88%和12%　　 B.93%和7%　　 C.52%和48%　　 D.96%和4%

2.依杠杆定理计算出含碳量为0.45%的亚共析钢中的F和Fe₃C的相对含量为。

A.88%和12%　　 B.93%和7% 　　C.52%和48% 　　D.96%和4%

3.利用杠杆定理计算Ld中的A和Fe3C共晶的相对量为＿＿。

A.88%和12% B.93%和7% C.52%和48% D.96%和4%

4.依杠杆定理计算出含碳量为1.0%的过共析钢中的P和Fe₃C的相对含量为。

A.88%和12%　　 B.93%和7%　　 C.52%和48%　　 D.96%和4%

知识点二　典型铁碳合金的结晶过程及组织

一、共析钢的结晶过程及组织

共析钢的含碳量为0.77%，如图4-8所示的合金I。当此合金在1点以上温度时，全部为液态，温度降至1点并稍微过冷时，开始从液态合金中结晶出奥氏体。再降温至1～2点间，从液态合金中继续结晶出奥氏体，奥氏体的初次结晶体在液态合金中自由长大，一般呈树枝状。继续降温至2点后，全部变成单相奥氏体组织，在2～3点间仍为单相奥氏合金的成分不变。温度下降至3点时，奥氏体发生共析转变，形成珠光体，这个转变过程如图4-9所示。此后温度再降至室温时，组织不再发生变化。因此，共析钢缓冷至室温时，其组织是珠光体。

二、亚共析钢的结晶过程及组织

如图4-8所示的合金Ⅱ，当合金Ⅱ冷至1点后，开始从液态合金中结晶出奥氏体，随着温度的逐渐下降，结晶出的奥氏体数量愈来愈多，剩余的液体愈来愈少。温度降至2点后，合金全部结晶，变为单相奥氏体，在2～3点区间，是单相奥氏体区。温度降至3点后，则由奥氏体中不断析出铁素体，此后剩余奥氏体量逐渐减少，但奥氏体中的碳浓度增高。当温度降至4点时，剩余奥氏体含碳量达到0.77%，则发生共析转变，这些剩余的奥氏体将全部转变为珠光体，4点以下至室温，合金的组织不再发生变化。所以，此合金的室温组织是铁素体和珠光体。其组织转变过程如图4-9所示。所有的亚共析钢，其室温组织都是由铁素体和珠光体组成，不同之处仅在于，铁素体与珠光体的相对量不同，含碳量愈高，铁素体量愈少，而珠光体量则愈多。图4-10和图4-11分别为亚共析钢、过共析钢的结晶过程显微组织，图中黑色部分为珠光体，为层片状，白色部分为铁素体。

图4-8　典型铁碳合金在Fe-Fe₃C相图中的位置

图4-9　共析钢的结晶过程示意图

图4-1.　亚共析钢的结晶过程示意图

图4-1.　过共析钢的结晶过程示意图

三、过共析钢的结晶过程及组织

如图4-8所示的典型合金Ⅲ，当合金在1点以上时为液态，冷至1点开始从液体中结晶出奥氏体，直到2点结晶完毕，合金组织为单相奥氏体。2～3点区间组织没有变化。到3点时开始从奥氏体中沿晶界析出渗碳体，在3～4点区间，随着温度的降低，析出的渗碳体量不断增加，奥氏体的数量与含碳量却逐渐减少。4点时剩余奥氏体中的含碳量降为0.77%，则发生共析转变，剩余的奥氏体全部转变为珠光体，4点以下至室温，合金的组织不再发生变化。其组织转变过程如图4-11所示。因此，合金的室温组织为渗碳体+珠光体。图4-12为含碳量为1.2%的碳钢的显微组织。

必须指出，从奥氏体中析出的渗碳体，即二次渗碳体（Fe₃C_Ⅱ） ，一般易于沿奥氏体晶界生核长大并呈网状。同时，随着钢中的含碳量增加，沿奥氏体晶界析出的二次渗碳体量也会增加。当合金的含碳量达到2.11%时，二次渗碳体的数量也达到最大。

关于共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁的结晶过程及组织请读者自行分析。

图4-1.　含碳量为1.2%的碳钢的显微组织

思考与训练

复习本教学情境的基本知识，思考选择正确答案。

一、铁碳合金相图中的特性点和特性线

1.在铁碳合金相图上，温度为1 148℃，含碳4.3%的C点称＿＿。

A.共析点　　 B.共晶点　　 C.熔点 　　D.晶格转变点

2.在铁碳合金相图上，温度为727℃、含碳量为0.77%的S点称＿＿。

A.共析点 　　B.共晶点　　 C.熔点　　 D.晶格转变点

3.由A转变为P是属于＿＿。

A.同素异构转变 　　B.共析转变 　　C.共晶转变　　 D.匀晶转变

4.铁碳相图上的727℃线称＿＿。

A.共析线　　 B.固溶线　　 C.共晶线 　　D.晶格转变线

5.铁碳相图上的1 148℃线称为＿＿。

A.共析线　　 B.固溶线 　　C.共晶线　　 D.晶格转变线

6.在Fe-Fe₃C状态图上，钢在平衡条件下加热和冷却时，平衡组织转变的温度称为＿＿。

A.转变点 　　B.加热点　　 C.冷却点 　　D.临界点

7.在Fe-Fe3C状态图上，A1是＿＿临界点。

A.F→A　　 B.P→A 　　C.F+A→A 　　D.P+Fe3C→A

8.在铁碳合金相图上，A3是＿＿临界点。

A.F→A 　　B.P→A　　 C.F+A→A 　　D.P+Fe3C→A

9.在铁碳合金相图上，Acm＿＿是临界点。

A.F→A 　　B.P→A 　　C.F+A→A 　　D.A+Fe3C→A

10.在铁碳合金相图上，A1、A3、Acm＿＿是临界温度。

A.理论　　 B.实际 　　C.实际加热 　　D.实际冷却

11.在铁碳合金相图上，ES固溶线是碳在中的溶解度曲线。

A.F 　　B.P 　　C.A　　 D.Fe3C

12.在铁碳合金相图上，PQ固溶线是碳在＿＿中的溶解度曲线。

A.F 　　B.P 　　C.A　　 D.Fe3C

13.凡含碳量大于＿＿的液态合金冷至1 148℃时，均发生共晶转变。

A.2.11%　　 B.0.77%　　 C.4.3%　　 D.6.69%

14.凡含碳量大于＿＿的铁碳合金，冷至727℃时均发生共析转变。

A.0.77% 　　B.0.021 8%　　 C.4.3%　　 D.2.11%

15.在Fe-Fe3C相图中，ES线也称为＿＿。

A.共晶线　　 B.共析线 　　C.A3线 　　D.Acm线

16.在Fe-Fe3C相图中，GS线也称为＿＿。

A.共晶线　　 B.共析线　　 C.A3线　　 D.Acm线

17.在Fe-Fe3C相图中，共析线也称为＿＿。

A.A1线　　 B.ECF线 　　C.Acm线　　 D.PSK线

18.在Fe-Fe3C相图中，PSK线也称为＿＿。

A.共晶线　　 B.共析线 　　C.A3线　　 D.Acm线

19.Fe-Fe3C相图中，共析线的温度为＿＿。

A.724℃ 　　B.725℃　　 C.726℃　　 D.727℃

二、铁碳合金的分类

1.含碳量＿＿的钢称为亚共析钢。

A.＜0.02%　　 B.＜0.77%　　 C.＞0.77%　　 D. = 0.77%

2.含碳量为＿＿的铸铁称为共晶白口铸铁。

A.0.02%　　 B.0.77%　　 C.2.11% 　　D.4.3%

3.共析钢的室温平衡组织是＿＿。

A.F B.A C.P D.F+P

4.过共析钢的室温平衡组织是＿＿。

A.F 　　B.P　　　 C.F+P　　 D.P+Fe3C

5.含碳量＿＿的钢称为共析钢。

A.＜0.02%　　 B.＜0.77% 　　C.＞0.77%　　 D. = 0.77%

6.含碳量＿＿的钢称为过共析钢。

A.＜0.02%　　 B.＜0.77%　　 C.＞0.77% 　　D. = 0.77%

7.含碳量为＿＿的铸铁称为亚共晶白口铸铁。

A.＜0.77.　　　　　B.0.77%～2.11%

C.2.11%～4.3.　　　D.4.3%～6.69%

8.含碳量为＿＿的铸铁称为过共晶白口铸铁。

A.＜0.77% 　　　　 B.0.77%～2.11%

C.2.11%～4.3%　　　 D.4.3%～6.69%

9.亚共析钢的室温平衡组织是＿＿。

A.F 　　B.P　　 C.F+P 　　D.P+Fe3C

10.亚共晶白口铸铁的室温平衡组织是＿＿。

A.P+Fe3 CII+Ld′ 　　B. Ld′　　 C.Ld′ +Fe3CI　　 D.P+Fe3C

11.共晶白口铸铁的室温平衡组织是＿＿。

A.P+Fe3 CII+Ld′ 　　B. Ld′　　 C.Ld′ +Fe3CI 　　D.P+Fe3C

12.过共晶白口铸铁的室温平衡组织是＿＿。

A.P+Fe3 CII+Ld′ 　　B. Ld′ 　　C.Ld′ +Fe3CI 　　D.P+Fe3C

13.在Fe-Fe3C相图中，钢与铁的分界点的含碳量为＿＿。

A.2%　　 B.2.06% 　　C.2.11% 　　D.2.2%

14.在Fe-Fe3C合金中，其平衡组织中含有二次渗碳量最多的合金的含碳量为＿＿。

A.0.000 8%　　 B.0.021% 　　C.0.77% 　　D.2.11%

15.在Fe-Fe3C合金的退火组织中，含珠光体量最多的合金的碳含量为＿＿。

A.0.02% 　　B.0.77% 　　C.2.11% 　　D.4.3%

16.亚共晶白口铸铁的退火组织中，不可能有下列中的＿＿组织。

A.二次渗碳体 　　　　B.共析渗碳体

C.一次渗碳体 　　　　D.共晶渗碳体