材料基礎(chǔ)第七章熱力學(xué)及其相圖第1頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五7.2相圖建立的基本方法1.相圖

相圖是用圖解方法描述在平衡條件下相的狀態(tài)和轉(zhuǎn)變與成分、溫度、壓力的相互關(guān)系。

相圖有二元相圖、三元相圖和多元相圖。二元相圖是相圖的基礎(chǔ)，應(yīng)用最廣泛。通過相圖分析，可以了解：(1)不同條件下材料的相轉(zhuǎn)變及相平衡的狀態(tài);(2)預(yù)測(cè)材料的性能;(3)為新材料研制提供依據(jù)。第2頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.相律相律是描述系統(tǒng)的組元數(shù)、相數(shù)和自由度之間關(guān)系的法則。吉布斯（Gibbs）相律是最基本的相律。通式為：

f=C－P＋2（7－1）式中，C為系統(tǒng)組元數(shù)，P為平衡共存相的數(shù)目，f為自由度。自由度是在平衡相數(shù)不變的前提下確定系統(tǒng)可以獨(dú)立變化的數(shù)目。相律可以了解系統(tǒng)在平衡共存下的相的數(shù)目。第3頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五(7－1)式表示，自由度越小，平衡共存相就越大。自由度f(wàn)為零時(shí)，(7－1)式變?yōu)椋?/p>

P＝C＋2（7－2）再壓力給定去掉一個(gè)自由度,(7－2)式變?yōu)?P＝C＋1（7－3）表明系統(tǒng)中平衡相數(shù)最多比組元數(shù)多一個(gè)一元系：C＝1,P＝2，最多二相平衡共存。例如，純Fe結(jié)晶時(shí)，同時(shí)存在的平衡共存相僅為液相和固相。第4頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

二元系：C＝2，P＝3，最多三相平衡共存。3.相圖的建立二元相圖采用兩個(gè)坐標(biāo)軸描述。圖7－1所示的是三種不同類型的二組元相圖。用縱坐標(biāo)表示溫度、橫坐標(biāo)表示成分，并且A、B代表合金的兩個(gè)組元，橫坐標(biāo)左邊為純組元A，右邊為純組元B。因而，任何一個(gè)由A、B二組元組成的合金，其成分都可以在橫坐標(biāo)上找到，合金的成分可以用質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（％）表示。第5頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

圖7－1

三個(gè)不同類型的二元相圖

第6頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

圖7－2相圖建立的方法

一定成分的合金在加熱、冷卻時(shí)，相圖上表示的是與溫度線平行的縱向線的上下移動(dòng)，曲線交點(diǎn)是該合金從一種相的組成狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的組成狀態(tài)時(shí)的溫度，稱為臨界點(diǎn)或臨界溫度，見圖7－2。第7頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

建立相圖的方法主要有：熱分析、差熱分析、金相分析、X射線、電阻、熱膨脹、力學(xué)等。也可以用計(jì)算法建立，依據(jù)合金熱力學(xué)的基本原理及熱力學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算確定。比較簡(jiǎn)單的二元合金通過計(jì)算模擬可得到很精確的結(jié)果。4.杠桿定律

根據(jù)相律,二元系統(tǒng)兩相平衡共存時(shí)的自由度為f＝1

若溫度一定，自由度f(wàn)＝0，表明此溫度下，兩平衡相的成分也隨之已定。第8頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五圖7－3二元相圖的杠桿定律

合金結(jié)晶過程中，其各相的成分及其相對(duì)量在不斷地變化。不同條件下相的成分及相對(duì)量，可通過杠桿定律求得。圖7－3所示的鎳合金相圖。第9頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

分析步驟如下：(1)確定兩平衡相的成分（濃度）如圖7－3所示，沿合金O點(diǎn)在t溫度時(shí)表象點(diǎn)O’作水平線，水平線與液相線、固相線分別交于a、b兩點(diǎn)。點(diǎn)a、b在成分軸上的投影點(diǎn)，表示此溫度下液相L及固相a的成分或質(zhì)量分?jǐn)?shù)。(2)確定兩平衡相的相對(duì)量設(shè)合金總重量為Q0、溫度t下的液相重量為QL、固相重量為Qa。第10頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

固液兩相的質(zhì)量和等于合金總質(zhì)量Q0,即

Q0

＝QL

＋

Qa

（7－4）

設(shè)液相中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為、固相中鎳的質(zhì)量為,合金中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為，則整理后得：

（7－5）第11頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

把（7－5）式中的重量比變換，則有：（7－6）

對(duì)比圖7－3b，可以看出(7－6)式的形式與力學(xué)的杠桿原理相似，故稱杠桿定律，或稱線段法則。如上所述，杠桿定律說(shuō)明平衡條件下二元合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比等于各自相區(qū)距離較遠(yuǎn)的線段（即反線段）之比。

需要指出，杠桿定律只適用兩相共存時(shí)組元質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計(jì)算，對(duì)三相共存時(shí)并不適用。

第12頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五7.3

二元相圖的基本類型和分析7.3.1均晶相圖凡二元系中兩個(gè)組元在液態(tài)、固態(tài)下均能無(wú)限互溶時(shí)，其相圖稱為勻晶相圖。二元合金中，如Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Fe-Ni及W-Mo等屬此類相圖。以Cu-Ni合金相圖為例進(jìn)行分析。1.相圖分析圖7-4為Cu-Ni合金的均晶相圖。圖中只有兩條曲線，其中曲線Al1B稱為液第13頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

圖7－4Cu-Ni合金的均晶相圖

相線，是各種成分Cu-Ni合金冷卻時(shí)開始結(jié)晶或加熱時(shí)結(jié)束熔化溫度的連結(jié)線。曲線Aa4B稱為固相線，是各種成分合金在冷卻時(shí)結(jié)晶終了或加熱時(shí)開始熔化溫度的連結(jié)線。第14頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

液相線以上為液相L，稱液相區(qū)；固相線以下為固相a，稱固相區(qū)。液相線與固相線之間，則為液、固兩相區(qū)（L+a）。左軸A點(diǎn)為Cu的熔點(diǎn)（1083℃）；右軸B點(diǎn)為Ni的熔點(diǎn)（1452℃）。2.合金的結(jié)晶過程以合金I為例，討論合金的結(jié)晶過程。當(dāng)合金自高溫液態(tài)緩慢冷卻至液相線上t1溫度時(shí)，開始從液相中結(jié)晶出固溶體a，此時(shí)a的成分為a1。隨溫度的下降，固溶體a量逐漸增多，剩余的液相L量逐漸減少。第15頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

當(dāng)溫度冷卻至t2時(shí)，固溶體的成分為a2，液相的成分為l2；當(dāng)最后一滴成分為l4的液相也轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘荏w時(shí)完成結(jié)晶，此時(shí)固溶體成分為合金成分a4。結(jié)晶過程中，液相成分沿液相線l1→l2→l3→l4變化，固溶體成分沿固相線a1→a2→a3→a4，由高鎳量向低鎳量變化。液相和固相在結(jié)晶過程中，其成分在變化過程中逐步均勻化，在緩慢冷卻的條件下，不同成分的液相與液相、液相與固相、以及先后析出的固相與固相之間，原子得到了充分的擴(kuò)散和遷移。

第16頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五7.3.2二元共晶相圖兩個(gè)組元液態(tài)下能無(wú)限互溶，固態(tài)下只能有限互溶且發(fā)生共晶反應(yīng)時(shí)，其相圖稱為二元共晶相圖。

Pb-Sn,Al-Si,Sb-Sn,Ag-Cu等二元合金屬于此類相圖。以Pb-Sn合金為例來(lái)說(shuō)明。相圖分析(1)相及相區(qū)

圖7-5表示一般共晶型Pb-Sn相圖。圖中有α、β、L三個(gè)相。a是以Pb為溶劑第17頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五圖7－5Pb-Sn合金相圖

Sn為溶質(zhì)的有限固溶體；β是以Sn為溶劑、Pb為溶質(zhì)的有限固溶體。圖中有a、β、L三個(gè)單相區(qū)，還有L+a

，L+β

，a+β三個(gè)雙相區(qū)。第18頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

(2)合金結(jié)晶過程1）合金I的結(jié)晶過程（wsn＝10％）由圖7－5可見，成分為I（ws=0.1）的合金在緩冷至液相線1點(diǎn)時(shí)，發(fā)生勻晶反應(yīng)，開始析出a相，稱為一次晶。隨溫度下降，a相不斷增多，液相減少，固相成分沿AM線變化，液相沿AE線變化，冷至2點(diǎn)，結(jié)晶完畢。溫度在2、3點(diǎn)之間，合金為a單相組織。當(dāng)溫度降至3點(diǎn)時(shí)，碰到a固相線MF，過飽和狀態(tài)的a相不斷析出富β相，這種析出過程稱為脫溶過程或稱二次析出反應(yīng)，析出的βII相叫二次晶，其結(jié)晶過程和冷卻曲線第19頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

圖7－6合金I冷卻曲線及組織（wsn＝10％）

的組織變化分別見圖7－6a、b。利用杠桿定律，可以分別計(jì)算出a相、βII相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。第20頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

由式（7－5），可以計(jì)算如下：

二次晶在晶界上析出，也可在晶內(nèi)缺陷處析出。二次晶由于析出溫度較低不易長(zhǎng)大，一般都十分細(xì)小。二次晶是從固相中析出，相間圓滑，呈細(xì)小顆粒的形態(tài)，見圖7－7。

合金I在結(jié)晶過程中的反應(yīng)：勻晶反應(yīng)＋二次析出，室溫下的顯微組織為

a+β

II。第21頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五400×

圖7－7合金I冷卻后的室溫組織形態(tài)

第22頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2）合金II的結(jié)晶過程（wsn＝61.9％）

合金II具有共晶成分E（61.9%Sn），冷卻曲線如圖7－8所示。

由圖7－5可見，此緩冷至tE溫度時(shí)，也就是共晶溫度時(shí)，成分為E的液相L發(fā)生共晶反應(yīng)，同時(shí)析出成分為M的a相和成分為N的β相，獲得a＋β

的共晶組織。其反應(yīng)式為：

根據(jù)杠桿定律可知，共晶組織中a相和β相的質(zhì)量比為：

第23頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

圖7-8合金II冷卻曲線（wsn＝61.9％）

共晶反應(yīng)在恒溫條件下經(jīng)過一定時(shí)間后才能完成，得到的a

、β二相的機(jī)械混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可用杠桿定律計(jì)算：第24頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

共晶反應(yīng)完成后，在溫度下降過程中，a固溶體和β固溶體分別沿MF線和NG線不斷變化，合金II從a相中析出二次晶βII，從β相中析出二次晶aII，可用杠桿定律計(jì)算。由于aII和βII量小，在組織中不易分辨，一般不予區(qū)別。所以，合金II在結(jié)晶過程中的反應(yīng)為共晶反應(yīng)＋二次析出，其室溫組織為(a＋β)共晶，其形態(tài)見圖7－9。第25頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

（a＋β

)片狀共晶400×

圖7－9Pb-Sn二元合金的共晶顯微組織

圖中黑色為Pb的

a相，白色為Sn的β相

,

a相、β相呈片層狀相間分布，稱片層狀共晶。

第26頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3）合金III的結(jié)晶過程（wsn＝50％）

合金III的成分在M、E點(diǎn)之間，稱為亞共晶合金。圖7-10為其冷卻曲線及組織變化。當(dāng)緩冷到1點(diǎn)時(shí)，結(jié)晶出一次晶a相，溫度在1、2點(diǎn)之間為勻晶反應(yīng)。溫度降到2點(diǎn)共晶溫度tE時(shí)，液相L具有共晶成分E，發(fā)生共晶反應(yīng)。共晶反應(yīng)后的組織為a+(a＋β)共晶。隨溫度下降，a相成分沿MF線改變，此時(shí)勻晶和共晶中的a相都要析出βII，室溫組織為a+(a＋β)共晶＋β

II

，顯微組織見圖7－11。圖中黑色粗大樹枝狀組織為一次晶a相，粗黑色間的白色顆粒狀組織為二次晶βII，其余黑白相間部分為共晶組織(a＋β)共晶。第27頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

圖7-10亞共晶合金III冷卻曲線及組織

（wsn＝0.5％）

第28頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五200×

圖7-11亞共晶合金III的室溫組織

（wsn＝0.5％）

第29頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

由上述可見，合金III在結(jié)晶過程中的反應(yīng)為：勻晶反應(yīng)+共晶反應(yīng)+二次析出。其組成物的相對(duì)量可用杠桿定律求出。室溫時(shí)wsn＝50％的Pb-Sn亞共晶合金組織組成物的相對(duì)量為也可以按三相總量進(jìn)行計(jì)算。第30頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

同例，對(duì)于過共晶合金IV，其結(jié)晶過程與合金III（即亞共晶合金）類似，有勻晶反應(yīng)+共晶反應(yīng)+二次析出，不同的是勻晶反應(yīng)的一次晶為β；二次晶為aII。所以，其室溫組織為:

β+(a＋β)共晶+a

II

。從相的角度來(lái)看，Pb-Sn合金的結(jié)晶產(chǎn)物只有a、β兩相。室溫下各合金結(jié)晶得a相、β相、aII二次晶、βII二次晶和共晶相(a+β)共晶，在顯微鏡下可以看到各個(gè)具有一定組織的特征，它們稱為組織組成物。按組織來(lái)填寫，其相圖如圖7-12所示，這樣填寫的合金組織與顯微鏡看到的金相組織是一致的。

第31頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

圖7-12相圖的組織組成物第32頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五7.3.3二元包晶相圖

兩組元在液態(tài)下無(wú)限互溶，固態(tài)下有限互溶或不互溶，并發(fā)生包晶反應(yīng)的二元相圖，稱為包晶相圖。包晶反應(yīng)的二元合金系有Pt-Ag,Cu-Sn,Cu-Sn，F(xiàn)e-Fe3C等,以及某些陶瓷如ZrO2-CaO等。1.相圖分析以Fe-Fe3C系相圖中包晶反應(yīng)為例來(lái)說(shuō)明。

由圖7-13可見，這一包晶相圖是由三個(gè)局部的勻晶相圖，其中包括一個(gè)固相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟膭蚓鄨D和一條水平線組成。勻晶部分與前述相同，按兩側(cè)的單相區(qū)即可進(jìn)行分析。第33頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五圖7－13包晶相圖圖7－14包晶反應(yīng)示意圖（Fe-Fe3C）第34頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

共晶反應(yīng)是液相中同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)固相。包晶反應(yīng)則在某一溫度(1495℃)上液相成分與固相成分發(fā)生相互作用生成另一固相：即成分B(0.53%C)的液相LB與成分H(0.09%C)的初晶相互作用，形成成分J(0.017%C)的固溶體。

包晶反應(yīng)的結(jié)晶過程如圖7-14所示。反應(yīng)產(chǎn)物是在液相L與固相的交界面上形核和長(zhǎng)大，形成一層外殼,三相共存。新相對(duì)外消耗液相向液相內(nèi)長(zhǎng)大，對(duì)內(nèi)不斷“吃掉”固相向內(nèi)擴(kuò)張，直到液相和固相任一方消耗為止。由于是一相包著另一相反應(yīng)，故稱包晶反應(yīng)。第35頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五7.3.4其它類型的二元合金反應(yīng)及其相圖熔晶反應(yīng)一個(gè)固相在某一恒溫下，分解成一個(gè)固相與另一個(gè)液相的反應(yīng)稱為熔晶反應(yīng)（見圖7－15a）：2.合晶反應(yīng)由兩個(gè)不同成分的液相L1、L2在某一恒溫下相互作用，生成一個(gè)一定成分的固相反應(yīng)，稱為合晶反應(yīng)（圖7－15b）：第36頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五圖7－15具有熔晶、合晶、偏晶、共析、包析反應(yīng)相圖a.熔晶反應(yīng)；b.合晶反應(yīng)；c.偏晶反應(yīng)；d.共析反應(yīng)；e.包析反應(yīng)第37頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.偏晶反應(yīng)在某一恒溫下，由兩個(gè)不同成分的液相L1分解出另一液相L2，同時(shí)結(jié)晶出一定成分的固相的反應(yīng)（圖7－15c）：4.共析反應(yīng)在某一恒溫下，一定成分的固相，同時(shí)分解出兩個(gè)成分與結(jié)構(gòu)均不相同的固相的反應(yīng)（圖7－15d）：5.包析反應(yīng)

兩個(gè)不同成分的固相，在某一恒溫下相互作用生成另一固相的反應(yīng)（圖7－15e）：第38頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五7.4相圖與合金性能之間的關(guān)系合金的各項(xiàng)性能起決于成分和組織。相圖與合金性能之間存在一定的聯(lián)系。掌握這些規(guī)律，對(duì)選用或配研制新的合金是重要的。1.根據(jù)相圖判斷材料的力學(xué)、物理性能圖7－16表示具有均晶相圖、共晶相圖的合金的機(jī)械性能和物理性能隨成分而變化的一般規(guī)律。固溶體的性能與溶質(zhì)元素溶入量有關(guān)。溶質(zhì)的溶入量越多，晶格畸變?cè)酱螅?dāng)成分達(dá)50％時(shí)，存在性能的極限值。第39頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

圖7－16合金的使用性能與相圖的關(guān)系一般情況下，合金的強(qiáng)度、硬度等隨含碳量的增加而增加，如10鋼、20鋼、40鋼(工具鋼)。像硬度，基本上可以依據(jù)二組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)而求出。

第40頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.根據(jù)相圖判斷材料的工藝性能圖7－17表示合金的鑄造工藝性能與相圖的相互關(guān)系。純組元和共晶成分的合金流動(dòng)性最好。縮孔集中，鑄造性能好。相圖中液相線和固相線的距離越短，液體合金結(jié)晶的溫度范圍越窄，對(duì)鑄造質(zhì)量和澆鑄越有利。若液相線和固相線的距離越遠(yuǎn)，則會(huì)出現(xiàn)枝晶偏析。所以，鑄造合金選共晶或接近共晶的成分。第41頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

圖7-17合金鑄造性能與相圖的關(guān)系第42頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五7.5鐵-碳合金相圖

碳鋼和鑄鐵是工業(yè)中用量最多的金屬材料，是以鐵、碳為基本組元的合金，稱為鐵碳合金。鐵是鐵碳合金的基本成分，碳是影響鐵碳合金性能的主要成分。含碳量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.0218-2.11%的鐵碳合金叫鋼。含碳量大于2.11%的叫鑄鐵。含碳量大于5％的鑄鐵，性能變脆，無(wú)實(shí)用價(jià)值。鋼和鑄鐵都是鐵碳合金，但性能差別很大。鐵碳相圖是研究鐵碳合金性能的工具，是研究碳鋼、鑄鐵的成分、溫度、組織和性能之間關(guān)系的基礎(chǔ),是制定各種熱加工工藝的依據(jù)。

第43頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五1.鐵碳合金相圖

鐵碳合金相圖中，左邊組元為Fe，右邊組元為Fe3C，相圖如圖7－18。鐵與碳組成的合金相主要有鐵素體相、奧氏體相、滲碳體和石墨相。室溫下的鐵素體形態(tài)如圖7－19所示。鐵在不同溫度下有不同的晶體結(jié)構(gòu)。碳溶于α-Fe和δ-Fe中形成的間歇固溶體叫鐵素體，晶體具有體心立方結(jié)構(gòu)。碳溶于γ－Fe中形成的間歇固溶體稱為奧氏體，晶體具有面心立方結(jié)構(gòu)。

在鐵碳合金相圖中，鐵碳合金在相圖中的各點(diǎn)溫度、碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)及含義見表7－1。第44頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

圖7-18鐵碳合金相圖第45頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

圖7-19鐵素體的顯微結(jié)構(gòu)金相圖第46頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五表7－1Fe－Fe3C相圖中各點(diǎn)的溫度碳含量及含義第47頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

鐵素體用符號(hào)“F”或“α”表示，顯微組織如圖7－20所示。鐵素體是一種強(qiáng)度、硬度低，但塑性、韌性好的相結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能一般和晶粒度大小有關(guān)。奧氏體用符號(hào)“A”或“γ”表示，是一種塑性和韌性均很高的相結(jié)構(gòu)。滲碳體是一種具有復(fù)雜晶格的間隙化合物，用“Fe3C”或“Cm”符號(hào)表示。滲碳體含碳量為6.69%，熔點(diǎn)為1227℃，硬度很高（HB=800）但性脆，塑性幾乎為零。滲碳體在鋼和鑄鐵中，一般呈片狀、網(wǎng)狀或球狀存在。它的形狀和分布對(duì)鋼的性能影響第48頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五很大，是鐵碳合金的重要強(qiáng)化劑。它是一種亞穩(wěn)定化合物，在一定條件下能分解成石墨狀的游離碳：Fe3C→3Fe+C(石墨)。碳鋼材料的脆化和劣化與此相關(guān)。

圖7-20鐵素體的顯微結(jié)構(gòu)400第49頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.鐵碳相圖中重要的點(diǎn)和線

圖中J、C、S為三個(gè)重要的點(diǎn)。

J點(diǎn)為包晶點(diǎn)合金在平衡結(jié)晶過程中冷卻到14950C時(shí)，B點(diǎn)成分的液相L與H點(diǎn)成分的固相δ發(fā)生包晶反應(yīng)，生成J點(diǎn)成分的固相A，

C點(diǎn)為共晶點(diǎn)合金在平衡結(jié)晶過程中冷卻到11480C時(shí)，C點(diǎn)成分的液相L發(fā)生共晶反應(yīng)，生成E點(diǎn)成分的A點(diǎn)、Fe3C的固相。共晶反應(yīng)時(shí)L、A、Fe3C三相共存，反應(yīng)式為：第50頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

共晶反應(yīng)的產(chǎn)物是奧氏體與滲碳體的混合物，稱為萊氏體，用Le表示。

S點(diǎn)為共析點(diǎn)合金在平衡結(jié)晶過程中冷卻到7270C時(shí)，S點(diǎn)成分的固相A發(fā)生共析反應(yīng)，生成P點(diǎn)成分的F和Fe3C。共析反應(yīng)在恒溫下進(jìn)行，反應(yīng)過程中A、F、Fe3C三相共存，反應(yīng)式為：

HJB為包晶反應(yīng)線碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.09%-0.53%的鐵碳合金在平衡結(jié)晶過程中均發(fā)生包晶反應(yīng)。第51頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

ECF為共晶反應(yīng)線碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.11%-6.69%之間的鐵碳合金，在平衡結(jié)晶過程中均發(fā)生共晶反應(yīng)。

PSK為共析反應(yīng)線碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.0218%-6.69%之間的鐵碳合金，在平衡結(jié)晶過程中均發(fā)生共析反應(yīng)。PSK稱為A1線。

GS線合金冷卻時(shí)自A相中開始析出F相的臨界溫度線，通常叫A3線。第52頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

ES線碳在A相中的固溶線叫Acm線。在11480C時(shí)A相中溶碳量很大，可達(dá)2.11%，在7270C時(shí)僅0.77%。從11480C冷卻到7270C時(shí)，將從A相中析出Fe3C，稱為二次滲碳體Fe3CII。

PQ線

碳在F相中的固溶線。在7270C時(shí)F相中溶碳量最大，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)0.0218%,室溫時(shí)僅為0.0008%,因此碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.0008%的鐵碳合金自7270C冷卻到室溫時(shí)，從F相中析出Fe3C，析出的滲碳體為三次滲碳體Fe3CIII

。

PQ線是從F相中析出Fe3CIII的臨界線。第53頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.含碳量對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響(1)含碳量對(duì)力學(xué)性能的影響

根據(jù)前述可知，鐵素體是軟韌相，滲碳體是硬脆的強(qiáng)化相。滲碳體含量越多，分布越均勻，材料的硬度和強(qiáng)度越高，塑性和韌性越低。當(dāng)滲碳體分布在晶界或作為基體存在時(shí)，材料的塑性和韌性大為下降,強(qiáng)度也隨之降低。這就是過共析鋼和白口鑄鐵脆性高的原因。

當(dāng)含碳量大于1.0%時(shí)，因出現(xiàn)網(wǎng)狀，導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度下降，但硬度仍保持直線上升。第54頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五(2)含碳量對(duì)工藝性能的影響1）切削加工性一般認(rèn)為中碳鋼的塑性比較適中，硬度在HB200左右，切削加工性能最好，含碳量過低和過高，都會(huì)降低其切削加工性能。2）鑄造性鑄鐵的流動(dòng)性比鋼好，易于鑄造，特別是靠近共晶成分的鑄鐵，其結(jié)晶溫度低，流動(dòng)性好，具有良好的鑄造性能。由于含碳量不同，相圖上的凝固溫度區(qū)間大小也不同，此區(qū)間越大，越容易形成分散縮孔，流動(dòng)性越低，而且越容易產(chǎn)生嚴(yán)重偏析。第55頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3)焊接性鋼的塑性越好，焊接性能越好。所以，低碳鋼比高碳鋼易于焊接。4)熱處理性

鋼中組織轉(zhuǎn)變的規(guī)律稱為熱處理原理。根據(jù)熱處理原理而制定的溫度，時(shí)間，介質(zhì)等參數(shù)稱為熱材料工藝，如普通熱處理的退火、正火、淬火和回火等、表面熱處理的表面淬火和化學(xué)處理以及特殊氣氛處理等。根據(jù)鋼中的含碳量不同，制定相關(guān)的熱處理工藝。第56頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五7.6相圖熱力學(xué)基礎(chǔ)

相圖是描述系統(tǒng)中各相的存在條件及相與相之間平衡關(guān)系的一種圖解.

系統(tǒng)的不同狀態(tài)對(duì)應(yīng)于一定的成分、溫度及壓力范圍，超過這個(gè)范圍，會(huì)發(fā)生狀態(tài)或相的轉(zhuǎn)變，處于范圍內(nèi)，就呈穩(wěn)定范圍或相平衡。系統(tǒng)的相平衡與其它物理化學(xué)的平衡，如力平衡、熱平衡、化學(xué)平衡一樣，遵循一般的熱力學(xué)規(guī)律。相圖是以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，因而熱力學(xué)理論對(duì)于相圖的建立、理解、分析及應(yīng)用等方面具有重要意義。第57頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五1.吉布斯（Gibbs）自由能與成分關(guān)系

在一個(gè)給定系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生任意無(wú)限小可逆變化時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)能的變化可用通式表示為：由熱力學(xué)基本理論，吉布斯自由能

第58頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

對(duì)（7－8）式作全微分，得

dG=dU+pdV＋Vdp－TdS－SdT（7－9）將（7－7）式代入（7－9）式得：此式即為可變體系的吉布斯自由能的微分式，是熱力學(xué)的基本方程式。顯然，溫度和壓力一定時(shí)，吉布斯自由能主要受成分控制。第59頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

以二元系為例。當(dāng)A、B兩種金屬組元混合形成固溶體時(shí)，自由能發(fā)生變化。取熱力學(xué)溫度為T，吉布斯自由能的改變?yōu)椋?/p>

第60頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

由（7－11）、（7－12）式得按照熵的統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)定義：

第61頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

利用Stering公式:lnN！＝NlnN－N，簡(jiǎn)化上式得：

第62頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

第63頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

如果是理想溶體，由于形成時(shí)沒有熱效應(yīng)，因而熱焓的增量所以理想溶體的吉布斯自由能

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圖7－21表示了三種情況下固溶體的吉布斯自由能－成分曲線。對(duì)于的情況，在某一溫度范圍內(nèi)自由能－成分曲線出現(xiàn)兩個(gè)極小值，如圖7－21c，說(shuō)明此種固溶體有一定的溶解度間隙，在兩個(gè)極小值成分范圍內(nèi)合金分解成兩個(gè)成分不同的固溶體。一般而言，稀薄固溶體可以當(dāng)作理想溶體。在稀薄固溶體中，溶質(zhì)的微量增加對(duì)內(nèi)能的影響很小，但可以使熵值增加，從（7－16）式看出，xA等于0.5時(shí)混合熵最大，xA接近于1時(shí)，曲線斜率很大，見圖7－22。第65頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

圖7-21二元溶體的三種吉布斯自由能－成分曲線第66頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

圖7-22混合熵和濃度的關(guān)系第67頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.克勞修斯－克萊普隆方程某物質(zhì)在一定溫度和壓力下處于兩相平衡狀態(tài)，若溫度改變dT，壓力相應(yīng)地改變dp，兩相仍呈平衡狀態(tài)。根據(jù)等溫等壓下平衡條件;考慮1摩爾物質(zhì)吉布斯自由能變化，由于平衡狀態(tài)，

第68頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

因?yàn)檫^程是在恒溫恒壓下進(jìn)行

此式即為克勞修斯－克萊普隆方的程，適用于任何物質(zhì)的兩相平衡體系。

第69頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.相平衡方程（1）化學(xué)位化學(xué)位也稱為偏摩爾吉布斯自由能，它是溫度、壓力和成分的函數(shù)。對(duì)于一個(gè)多組元多相系統(tǒng)，組元i在相j中的化學(xué)位可表示為：

第70頁(yè)，共81頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

化學(xué)位的物理意義是指某組元從某相中逸出的能力，是一種勢(shì)能函數(shù)。組元i在某相中的化學(xué)位越高，該組元向化學(xué)位低的一相轉(zhuǎn)移的傾向越大；當(dāng)組元i在各相的化學(xué)位相等時(shí)，即處于平衡狀態(tài)，因此化學(xué)位可作為系統(tǒng)狀態(tài)是否平衡或不可逆過程的依據(jù)。若二元系統(tǒng)的溶體吉布斯自由能－成分曲線已知，就可用切線法求取兩個(gè)組元的化學(xué)位（圖7－23）。例如，溶體成分為x，在曲線上成分點(diǎn)x處作一切線，切線與縱軸的