包晶反应
科技名词定义
中文名称：
包晶反应
英文名称：
peritectic reaction ，peritectic transformation
定义：
液相与一种或多种晶体相反应生成另一种晶体相的相变过程。
应用学科：
材料科学技术（一级学科）；材料科学技术基础（二级学科）；材料科学基础（二级学科）；材料组织结构（二级学科）
以上内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布
包晶反应peritectic reaction:在结晶过程进行到一定温度后新产生的固相大多包围在已有的旧固相周围生成。
包晶反应对铸坯表面质量影响严重，笔者针对邯钢CSP 生产线的表面纵裂问题，利用实验和生产数据研究了冷却速率和硅、锰合金元素对Fe-C 合金的包晶反应和包晶点位置的影响。研究结果表明：由于CSP 薄板坯冷却速率快，Fe-C 相图向左下方移动，包晶反应区域的碳含量为0．08%～0．20%；在钢中其它成分不变的条件下，硅含量增加，锰含量减少，包晶点处的碳含量提高。因此，对于CSP 工艺生产的低碳钢，碳含量应控制在下限，而中碳钢的碳含量应控制在中上限。
含碳量为0.08%~0.17%的碳钢从液相冷却到1495℃时发生包晶反应，δFe(固
体)+L(液体)→γFe(固体)，习惯上称含碳量在这一范围内的碳钢为包晶反应钢。由于发生δFe+L→γFe 转变时，线收缩系数为9.8×10-5/℃，而未发生包晶反应的δFe 线收缩系数为2×10-5/℃。因此包晶反应时线收缩量较大，坯壳与结晶器器壁容易形成气隙，气隙的过早形成会导致收缩不均和坯壳厚度不均，在薄弱处容易形成裂纹，容易发生漏钢事故和铸坯表面质量缺陷，是连铸生产中较难连铸的钢种之一。
习题集部分参考答案 4合金的结构与相图 思考题 1.何谓合金？合金中基本的相结构有哪些？ 答：合金是指两种或两种以上的金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。合金中基本的相结构有固溶体、金属化合物两类。 2.相组成物和组织组成物有何区别？ 答：相组成物是指组成合金中化学成分、结构和性能均匀一致的部分。 组织组成物是指显微组织中具有某种形貌特征的独立部分。 两者的区别在于相组成物是不涉及金相形态的。 3.固溶体合金和共晶合金的力学性能和工艺性能有什么特点？ 答：固溶体晶体结构与组成它的溶剂相同，但由于溶质原子的溶入，造成了晶格畸变，阻碍了晶体滑移，结果使固溶体的强度、硬度提高，且大多固溶体还保持着良好的塑性。而共晶合金组织为二相混合物时，合金的性能与成分呈直线关系。当共晶组织十分细密时，硬度和强度会偏离直线关系而出现峰值。共晶合金熔点低，流动性好，易形成集中缩孔，不易形成分散缩孔，铸造性能较好。 4.合金的结晶必须满足哪几个条件？ 答：合金的结晶需要满足结构、能量和化学成分三个条件（或者叫三个起伏）。 5.纯金属结晶与合金结晶有什么异同？ 答：相同点：形成晶核、晶核长大；能量和结构条件。 不同点：合金结晶还需要“化学成分条件”；从结晶的自由度看，纯金属结晶是一个恒温过程，而合金的结晶常常在某个温度范围内进行。 6.固溶体的主要类型有哪些?影响固溶体的结构形式和溶解度的因素有哪些？ 答：按溶质原子在固溶体(溶剂)晶格中的位置不同可分为置换固溶体和间隙固溶体；按固溶度可分为有限固溶体和无限固溶体；置换固溶体按溶质原子在溶剂晶格中的分布特点可分为无序固溶体和有序固溶体。影响固溶体的结构形式和溶解度的因素很多，目前比较公认的有①原子尺寸因素；②晶体结构因素；③电负性因素；④电子浓度因素。 7、试述固溶强化、加工硬化和弥散强化的强化原理，并说明三者的区别。 答：固溶强化是由于溶质原子的溶入，造成了晶格畸变，阻碍了晶体滑移，结果使固溶体的强度和硬度增加。 加工硬化是金属在冷塑性变形时，随着变形量的增加，出现位错的缠结，位错密度增加，造成材料的强度、硬度增加的现象。 弥散硬化是当超细第二相(强化相)大量均匀分布在材料基体中，造成位错运动受阻
包晶反应： 由一个液相与一个固相在恒温下生成另一个固相的转变称为包晶转变。两组元在液态无限溶解，在固态有限固溶，并且发生包晶反应的相图，称为包晶相图。 相图分析： Pt-Ag 相图 点： A 点：纯组元铂的熔点和凝固点，为1772℃ B 点：纯组元银的熔点和凝固点，为961.9℃ C 点：是包晶转变时，液相的平衡成分点。 D 点：是包晶点，具有该点成分的合金在恒温下发生包晶转变，，得到100%包晶产物。另外，D 点也是Pt 在Ag 中的最大溶解度点。 P 点：是Ag 在Pt 中的最大溶解度点，也是包晶转变时相的平衡成分点。 E 点：是室温时Ag 在Pt 中的溶解度，F 点：是室温时Pt 在Ag 的溶解度。 线： ACB 线为液相线，其中AC 线为冷却时L →的开始温度线，CB 线为冷却时L →的开始温度线。 β α?+L
APDB 线为固相线，其中AP 线为冷却时L →的终止温度线，DB 线为冷却时L →的终止温度线。 CDP 线是包晶转变线，成分在C~P 之间的合金在恒温tD 下都发生包晶转变，形成单相固溶体，可用相律证明在三相平衡时f = 0，该线是水平线。 PE 线为Ag 在Pt 中的固溶度曲线，冷却时→II ，DF 线为Pt 在Ag 中的固溶度曲线，冷却时→II 。 相区： 单相区：有三个L 、、，在ACB 液相线以上为单相的液相区，在APE 线以左为单相的固溶体区（是Ag 在Pt 中的置换固溶体），在BDF 线右下方为单相的固溶体区（是Pt 在Ag 中的置换固溶体）。 两相区：有三个L+、L+、+，在ACPA 区为L+相区，在BCDB 区为L+相区，在EPDFE 区为+相区。 三相线：CDP 线为L++三相平衡共存线。 含42.4%Ag 的Pt-Ag 合金的平衡凝固： 由于包晶转变时，L 和α相中的A 、B 组元的扩散都必须通过β相进行，而II L L αββα+???→????→?+???→?脱溶转变包晶转变多匀晶转变
1、画出纯金属的冷却曲线，解释其上各参数T0、 T1和?T 的含义。 答： T 0：理论结晶温度，即液体和晶体处于动平衡状态的温度。 T 1：实际结晶温度，晶体结晶的实际温度，结晶只有在T 0以下的实际结晶温度T 1才能进行。 ?T ：过冷度，即理论结晶温度与实际结晶温度之差，?T= T 0 –T 1。 2、晶核的形成和长大方式是什么？ 答：形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。 晶核的长大方式主要有两种，即均匀长大和树枝状长大。均匀长大：在正温度梯度下，晶体生长主要以平面状态向前推进。树枝状长大：在负温度梯度下，结晶主要以树枝状向前推进。 T
3、写出二元合金的匀晶、共晶、包晶、共析等典型转变的定义，并分析其相图。（我这里是以Pb、Sn 合金进行描述的） 答：从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶反应。匀晶相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。相图被分为三个相区，液相线以上为液相区(L)，固相线以下为固相区(固溶体α)，两线之间为两相区（两相共存L+α）。
在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作共晶转变或共晶反应. 相图分析 ① 相：相图中有L 、α、β 三种相, α 是溶质Sn 在 Pb 中的固溶体， β 是溶质Pb 在Sn 中的固溶体。② 相区：相图中有三个单相区： L 、α 、β ；三个两相区：L+α 、L+β 、α + β ；一个三相区：即水平线CED 。③ 液固相线: 液相线AEB, 固相线 L + α 温度液相线 固相线 B α α+L
一.名词解释 塑性韧性强度弹性比功分子键（空间）点阵固溶体间隙固溶体固溶强化位错多晶体单晶体反应扩散柯肯达尔效应二次结晶共晶转变包晶转变共析转变铁素体（非）均匀形核结构起伏成分过冷过冷度加工硬化再结晶淬透性（过）时效回火脆性调幅分解 二. 需掌握的知识点 1. 延性断裂和脆性断裂的区分标准—断裂前有无明显塑性变形。 2. 原子核外电子分布规律遵循的三个原则。 3. 金属键、离子键、共价键、分子键的特点。 4. 混合键比例计算与电负性差的关系。 5. fcc、bcc、hcp的常见金属、一个晶胞内原子数、配位数、致密度、常见滑移系等。 6. 固态合金相分为两大类：固溶体（间隙固溶体与置换固溶体）和中间相（区别 点）。 7.影响固溶体溶解度的因素。 8.间隙相和间隙化合物的区别。 9. 晶体缺陷几何特征分类-点、线、面缺陷。 10. 点缺陷的种类及其区别（肖脱基缺陷和弗兰克尔缺陷）。 11.获得过饱和点缺陷的方法及原因。 12. 各类位错运动方向与柏氏矢量、切应力、位错线的位向关系。 13. 位错的主要运动方式；常温下金属塑性变形的方式。 14. 位错的增殖机制：F-R位错增殖机制、双交滑移增殖机制的主要内容。 15.说明柏氏矢量的确定方法。掌握利用柏氏矢量和位错线的位向关系来判断位错 类型。 16.两根平行的螺型位错相遇时的相互作用情况。 17.刃型位错和螺型位错的不同点。 18. 大小角度晶界的位向差、常见类型、模型描述、能量等。 19. 扩散第一定律、第二定律的数学表达式及其字母的物理含义。 20. 体扩散的主要机制、适用对象、扩散激活能大小等；短路扩散等；反应扩散与原子扩散；多晶材料的三种扩散途径—晶内、晶界、表面扩散。 21.柯肯达尔效应的含义及说明的问题（重要意义）。 22. 上坡扩散：物质由低浓度→高浓度，说明扩散的真正原因是化学势梯度而非浓度梯度。 23. 反应扩散定义、特点、扩散层增厚速度的决定因素。 24. 影响扩散的主要因素简述及分别叙述。 25. 压力加工合金、铸造合金应选取何种成分的合金及原因。 26. 铁碳合金分类：三大类、七小类。 27. 亚、共、过共析钢的室温平衡组织组成、相组成及运用杠杆定律求相对含量。 28.结晶相变的热力学、动力学、能量及结构条件。 29.纯金属凝固时，正、负温度梯度与晶体生长形态的关系；实际合金凝固过程中 生长形态与成分过冷的关系。 30. 结晶的两个过程—晶核形成、晶核长大；纯金属结晶的三个必要条件—过冷、
共晶反应是指在一定的温度下，一定成分的液体同时结晶出两种一定成分的固相的反应.例如含碳量为2.11%--6.69%的铁碳合金，在1148℃的恒温下发生共晶反应，产物是奥氏体(固态)和渗碳体(固态)的机械混合物，称为“莱氏体”。在合金相图上，发生这个反应在图上表现为一点，那个点就是共一种液相在恒温下同时结晶出两种不同成分和不同晶体结构的反应叫做共晶反应。所生成的两种固相机械地混合在一起，形成有固定化学成分的基本组织，被统称为共晶体。晶点。 包晶反应peritectic reaction:有些合金当凝固到一定温度时，已结晶出来的一定成分的（旧）固相与剩余液相(有确定成分)发生反应生成另一种（新）固相的恒温转变过程称为包晶反应（peritectic reaction）。含碳量为0.08%~0.17%的碳钢从液相冷却到1495℃时发生包晶反包晶反应时线收缩量较大，坯壳与结晶器器壁容易形成气隙，气隙的过早形成会导致收缩不均和坯壳厚度不均，在薄弱处容易形成裂纹，容易发生漏钢事故和铸坯表面质量缺陷，是连铸生产中较难连铸的钢种之一。应，δFe(固体)+L(液体)→γFe(固体)，习惯上称含碳量在这一范围内的碳钢为包晶反应钢。 共析反应：由特定成分的单相固态合金，在恒定温度下，分解成两个新的，具有一定晶体结构的固相反应。 包析反应：二元系中出现的一种在恒温下发生的可逆相变—冷却时由两个固相相互作用其中一个固相包围着另一个固相形成一个新的成分确定的固相，加热时则反之。 再辉：熔融的金属或合金在凝固过程中，发生液相向固相的转变，这个过程伴随有放热，使得新相温度升高的现象。如果新相的温度不够低的话，这一升温很有可能使其再度部分熔化………… 准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶具有完全有序的结构，然而又不具有晶体所应有的平移对称性 偏晶转变：某些合金冷却到一定温度时，由一定成分的液相L1分解为一定成分的固相和另一成分的液相L2,这种转变称为偏晶转变。
包晶反应 科技名词定义 中文名称： 包晶反应 英文名称： peritectic reaction ，peritectic transformation 定义： 液相与一种或多种晶体相反应生成另一种晶体相的相变过程。 应用学科： 材料科学技术（一级学科）；材料科学技术基础（二级学科）；材料科学基础（二级学科）；材料组织结构（二级学科） 以上内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布 包晶反应peritectic reaction:在结晶过程进行到一定温度后新产生的固相大多包围在已有的旧固相周围生成。 包晶反应对铸坯表面质量影响严重，笔者针对邯钢CSP 生产线的表面纵裂问题，利用实验和生产数据研究了冷却速率和硅、锰合金元素对Fe-C 合金的包晶反应和包晶点位置的影响。研究结果表明：由于CSP 薄板坯冷却速率快，Fe-C 相图向左下方移动，包晶反应区域的碳含量为0．08%～0．20%；在钢中其它成分不变的条件下，硅含量增加，锰含量减少，包晶点处的碳含量提高。因此，对于CSP 工艺生产的低碳钢，碳含量应控制在下限，而中碳钢的碳含量应控制在中上限。 含碳量为0.08%~0.17%的碳钢从液相冷却到1495℃时发生包晶反应，δFe(固 体)+L(液体)→γFe(固体)，习惯上称含碳量在这一范围内的碳钢为包晶反应钢。由于发生δFe+L→γFe 转变时，线收缩系数为9.8×10-5/℃，而未发生包晶反应的δFe 线收缩系数为2×10-5/℃。因此包晶反应时线收缩量较大，坯壳与结晶器器壁容易形成气隙，气隙的过早形成会导致收缩不均和坯壳厚度不均，在薄弱处容易形成裂纹，容易发生漏钢事故和铸坯表面质量缺陷，是连铸生产中较难连铸的钢种之一。
包晶反应和包晶相变在金属凝固中是比较常见的，在Fe-C基合金，Fe-Ni基合金，Cu-Sn合金，Cu-Zn等合金中，都能见到包晶反应和包晶相变。 包晶反应相图 图为具有包晶反应的相图，这种相图是在Fe等合金中经常可以看到的相图。Ⅰ的左侧只有单相图的α凝固，Ⅲ的右面为单相的β相凝固，在Ⅰ与Ⅱ之间，先是α相凝固．如果温度下降到包晶反应温度T p，已经凝固出的α相与液相发生反应．形成P点成分的β相；Ⅱ与Ⅲ之间的合金α相析出后，马上就与液相在包晶反应温度T p下进行包晶反应，形成β相，包晶反应完成后还残余一些液体。 典型的包晶反应相图如图2所示。这是选择具有典型包晶凝固特征的w（Co）成分的合金作为研究对象，该合金首先析出α枝晶，在α枝晶的长大过程中，组元B在液相中富集，导致液相成分沿相图中的液相线变化。当温度降至Tp时，则发生包晶反应Lp+α=β。β相在α相表面发生异质形核，并很快沿表面生长，将α相包裹在中间。进—步的包晶反应通过β相内的扩散进行。组元B自β与L 界面向a与β界面扩散，导致α与β界面向α相—侧扩展，而组元A则自α与β界面向β与L界面扩散并导致该界面向液相扩展，最后完成包晶凝固反应。
图2 由于固相扩散速度比较缓慢，利于α相的大量形核。通常人们正是利用这一特点．进行细化晶粒的。例如AI台金液中加入少量Ti，可以形成TiAl3。 当Ti的质量分数超过0.15％时，将发生包晶反应：TIAl3+L→α，包晶反应产物α为A1台金的主体相，它作为一个包层，包围着非均质核心。由于包层对溶质元素扩散的屏障作用，使得包晶反应不易继续进行下去．也就是包晶反应产物α相不易继续长大，因而获得细小的晶粒组织. 在近平衡凝固条件下，凝固结束后的β相中心往往住存在近平衡的α相。但固相扩散系数较大的溶质组元，如钢中的碳元素，在包晶凝固时可以充分扩散。具有包晶反应的碳素钢，初生δ相在冷却到奥氏体区后完全消失。 一、包晶反应： 相图中包晶反应是α相与β相以及液相相互接触的条件下进行的，这中包晶反应是以两种方式进行的，即（1）在液体中β相形核、生长不与α相接触；（2）β相形核、生长与α相接触。 在第（1）种方式下，由于界面张力的影响，在液相中形成β相不与初生的α相接触，在液相中自由生长，这种形式的包晶反应在Al-Mn合金中的γ+l→β反应中可以看到。在第（2）种方式下的包晶反应是最普通的包晶反应，第二相β相的形核是在α相与液相之间进行的， 一、包晶相变： 包晶反应时形成的第二相β相，在后续的冷却过程中将继续生长，其生长方式有以下几种，即（1）通过β相的扩散；（2）从液相中直接析出；（3）从初生相α中直接析出。所以β相的生长依赖于扩散速度、相图以及冷却速度。
铁碳合金相图及结晶组织变化 铁碳合金的组元和相 一、基本概念 铁碳合金：碳钢和铸铁的统称，都是以铁和碳为基本组元的合金 碳钢：含碳量为0.0218%～2.11%的铁碳合金 铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金 铁碳合金相图：研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。 注：由于含碳量大于Fe3C的含碳量（6.69%）时，合金太脆，无实用价值，因此所讨论的铁碳合金相图实际上是F e-Fe3C 二、组元 1.纯铁 纯铁指的是室温下的α-Fe，强度、硬度低，塑性、韧性好。 2.碳 碳是非金属元素，自然界存在的游离的碳有金刚石和石墨，它们是同素异构体。 3.碳在铁碳合金中的存在形式有三种： C与Fe形成金属化合物，即渗碳体； C以游离态的石墨存在于合金中。 C溶于Fe的不同晶格中形成固溶体； A. 铁素体：C溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号“F”或“α”表示，铁素体是一种强度和硬度低，而塑性和韧性好的相，铁素体在室温下可稳定存在。 B. 奥氏体：C溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号“A”或“γ”表示，奥氏体强度低、塑性好，钢材的热加工都在奥氏体相区进行，奥氏体在高温下可稳定存在。 C. C与Fe形成金属化合物：即渗碳体Fe3C，Fe与C组成的金属化合物，Fe与C组成的金属化合物，含碳量为6. 69％。以“Fe3C”或“Cm”符号表示，渗碳体的熔点为1227℃，硬度很高(HB＝800)而脆，塑性几乎等于零。渗碳体在钢和铸铁中，一般呈片状、网状或球状存在。它的形状和分布对钢的性能影响很大，是铁碳合金的重要强化相。碳在a-Fe中溶解度很低，所以常温下碳以渗碳体或石墨的形式存在。 铁碳合金相图的分析 1.铁碳合金相图由三个相图组成：包晶相图、共晶相图和共析相图； 2.相图中有五个单相区：液相L、高温铁素体δ、铁素体α、奥氏体γ、渗碳体Fe3C；
包晶钢的连铸 （Continuous Casting of Peritectic Steel） Samyon Royzmen works at Wheeling, Pittsburgh, Virginia, U.S.A. 众所周知，包晶钢在连铸中会造成开裂和漏钢，但是这种缺陷有办法可以避免。包晶钢的范围包括碳含量为0.08~0.16%的碳素钢。δ—铁素体是在钢水低于1538℃时才有小量形成。在随后的冷却中，在δ—铁素体和液态钢之间发生包晶反应，在低于1493℃时，成固态γ-相。因此，在包晶线温度以下，钢是处于包晶区的固态，只含有两种相，其相对含量随含碳量和温度而改变。 δ—铁素体是体心立方结构，是所谓α—铁素体的变态，γ-奥氏体为面心立方结构，包晶区的温度范围为1493~1401℃。 在包晶钢中的δ—铁素体和γ-奥氏体 这个计算是根据渗碳体Fe3C的相组成，即三个原子的Fe，每个原子量为56 和一个原子的C，（原子量为12）。因此， Fe3C的分子量为Fe3C=3×56+1×12=180.渗碳体中的C%为(12/180)×100=6.67%。已知渗碳体含有 6.67%C，室温时，在钢的显微组织中的渗碳体的量就可以计算出来。例如，在共析碳含量（0.77%C）时，简单的计算是% Fe3C=（0.77/6.67）×100%=11.5%渗碳体。此计算法也可反过来用于对一定碳含量钢的铁素体的量。对于0.77%C的共析钢，计算结果为：%铁素体（6.77-0.77）/6.77×100%=88.5%铁素体。或者对于一个含0.12%C 的包晶钢，计算结果为：%铁素体（6.77-0.12）/6.77×100%=98.2%铁素体。其余的1.8%为奥氏体。因为钢的强度取决于成份，要能估算出在包晶钢是凝固温度下的每个相的比例是很重要的。 钢中相的强度特性 图1是钢中遇到的三种不同相的强度特性。铁素体在三种相中具有最低的强度值。要记住在所有包晶钢中包晶区主要的相，这就很清楚，在此区域钢的强度取决于铁素体的强度。 一般δ—铁素体+γ-奥氏体的组合的强度取决于强度较低的组分，也就是取决于δ—铁素体，这对包晶钢整体在模（结晶器）中凝固时极为重要，这时形成的薄壳暴露于热应力、收缩应力、相变应力和其它应力之下，铁素体的低强度经受不住这些应力，就产生薄壳开裂，在某些情况下，甚至发生漏钢。 图1 一个正在凝固的板坯顶端薄壳中的温度 但是铁素体一般有明显的塑性，特别是在包晶区。另一相γ-奥氏体比铁素体有较高的强度
《工程材料》 引言+授课思路（绪论） 1) 1.1 金属材料的结构与组织 2) 1.2 金属材料的性能 3) 2.1纯金属的结晶 4) 2.2.1-2合金的结晶与二元相图 5) 2.2.3铁碳相图和晶粒控制 6) 2.3塑性变形与再结晶 7) 2.4 钢的热处理 复习课串讲+复习题 补充内容： 8) 2.5钢的合金化 9) 2.6表面技术 10)3.1碳钢 11)3.2合金钢 12)3.3铸钢与铸铁 13)3.4有色金属及其合金 14)9工程材料的选择
绪论 1、材料是人类进化的里程碑。由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料将时代划分为? 2、材料的结合键？ 3、工程材料学？
第一讲金属材料的结构与组织（1.1） 知识点（板书）： 1、三种常见的金属晶体的晶胞特征 2、晶面与晶向：定义和标示 3、晶体缺陷的种类：点、线、面 4、固溶体与金属间化合物 复习题： 1、晶体与非晶体的本质区别是原子呈规则排列的固体____________。 2、列出三种金属常见晶体结构名称及晶胞特征（晶格常数、原子数、配位数、原子半径和致密度。 4、标出下列晶面和晶向。 [110]、[111]、[210]、[123]、[111]、[112] (110)、(100)、(120)、(112)、(101)、(112) 5、金属晶体缺陷包括________、________和________。 6、立方晶系中，截距为∝、1、∝晶面的指数_______。 7、某过原点晶向上一点的坐标为1、1、0，该直线的晶向指数_______。 8、实际金属中的晶格缺陷中，点、线、面缺陷有哪些类型。
二、铁碳合金相图的分析 Fe-Fe3C相图如图3-25所示。可以看出，Fe-Fe3C相图由三个基本相图（包晶相图、共晶相图和共析相图）组成。相图中有五个基本相：液相L，高温铁素体相δ，铁素体相α，奥氏体相γ和渗碳体相Fe3C。这五个基本相构成五个单相区（其中Fe3C为一条垂线），并由此形成七个两相区：L+δ、L+γ、L+ Fe3C、δ+γ、γ+ Fe3C 、γ+α和α+ Fe3C。 图3-25 以相组成物标注的铁碳合金相图 在Fe-Fe3C相图中，ABCD为液相线，AHJECF为固相线。相图中各特征点的温度、成分及其含义如表3-2所示。
Fe- Fe3C HJB水平线（1495?C）为包晶线，与该线成分（0.09%~0.53%C）对应的合金在该线温度下将发生包晶转变：L0.53 + δ0.09→γ0.17（式中各相的下角标为相应的含碳量），转变产物为奥氏体。 ECF水平线（1148?C）为共晶线，与该线成分（2.11%~6.69%C）对应的合金在该线温度下将发生共晶转变：L4.3→γ2.11 + Fe3C。转变产物为奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，用符号“Le”表示。莱氏体的组织特点为蜂窝状，以Fe3C为基，性能硬而脆。 PSK水平线（727?C）为共析线，与该线成分（0.0218%~6.69%C）对应的合金在该线温度下将发生共析转变：γ0.77→α0.0218 + Fe3C。转变产物为铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用符号“P”表示。珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布，性能介于两相之间。共析线又称为A1线。 此外，Fe- Fe3C相图中还有六条固态转变线： GS、GP为γ?α固溶体转变线，HN、JN为δ?γ固溶体转变线，例如，GS线是冷却时铁素体从奥氏体中析出开始、加热时铁素体向奥氏体转变终了的温度线。GS线又称为A3线，JN线又称为A4线。 ES线为碳在γ-Fe中的固溶线。在1148?C，碳的溶解度最大，为2.11%，随温度降低，溶解度下降，到727?C 时溶解度只有0.77%。所以含碳量超过0.77%的铁碳合金自1148?C 冷至727?C 时，会从奥氏体中析出渗碳体，称为二次渗碳体，标记为Fe3C II。二次渗碳体通常沿奥氏体晶界呈网状分布。ES线又称为A cm线。 PQ线为碳在α-Fe中的固溶线。在727?C，碳的溶解度最大，为0.0218%，随温度降低，溶解度下降，到室温时溶解度仅为0.0008%。所以铁碳合金自727?C向室温冷却的过程中，将从铁素体中析出渗碳体，称为三次渗碳体，标记为Fe3C III。因其析出量极少，在含碳量较高的合金中不予以考虑，但是对于工业纯铁和低碳钢，因其以不连续网状或片状分布于铁素体晶界，会降低塑性，所以对于Fe3C III的数量和分布还是要加以控制。 综上所述可见，铁碳合金中的渗碳体根据形成条件不同可分为一次渗碳体Fe3CⅠ（由液相直接析出的渗碳体）、二次渗碳体Fe3CⅡ、三次渗碳体Fe3CⅢ、共晶渗碳体和共析渗碳体五种。它们分属于不同的组织组成物，区别仅在于形态和分布不同，但都同属于一个相。由于它们的形态和分布不同，所以对铁碳合金性能的影响也不相同。 另外，Fe- Fe3C相图中还有两条物理性能转变线：MO线（770?C ）是铁素体磁性转变温度。在770?C以上，铁素体为顺磁性物质，在770?C以下，铁素体转变为铁磁性物质。此线又称为A2线；UV线（230?C）是渗碳体磁性转变温度，又称为A0线。
第四章二元相图 重点与难点 相图就是用来表示系统中相的状态与成分之间关系的综合图形，其中最简单、最基本的相图是二元相图。对材料工作者来说，相图是一种不可缺少的重要工具。 本章的重点，是较详细的介绍了匀晶、共晶、包晶三种基本相图和它们的平衡及不平衡结晶过程，结晶后的组织形态，相与组织的相对量计算，以及组织对性能的影响规律等。最后，通过对铁碳合金相图的讨论，进一步掌握二元相图的分析方法。 在介绍基本相图的同时，还介绍了其它类型的二元相图，包括包析、共析、形成化合物的相图及具有有序-无序转变的相图等；讨论了相图与合金性能之间的关系，包括使用性能和工艺性能。 本章的难点，一是固溶体合金凝固时的溶质分布，它把偏析的概念和合金凝固时界面前沿液相中溶质的混合程度从定性的分析走向半定量分析的方向；二是相图的热力学，试图通过相平衡时的自由能-成分曲线，来计算相图。 基本要求： 1.弄清相、组织、组织组成物等基本概念； 2. 熟悉匀晶、共晶、共析、包晶等相图，并能应用他们分析相应合金的结晶过程； 3. 能认识一般的二元相图，利用相图能分析任一合金平衡态的组织及推断不平衡态可能的组织变化； 4. 能利用相图与性能的关系，预测材料性能； 5. 理解成分过冷的形成及影响成分过冷的因素；成分过冷对组织形态的影响. 6. 熟悉铁碳合金平衡结晶过程及室温下所得到的组织； 7. 说明含碳量的改变怎样影响铁碳合金的组织和性能； 8. 熟悉下列概念及述语： 合金、组元、二元合金；相律、杠杆定律、相图；热分析法、平衡相；匀晶转变、共晶转变、包晶转变、共析转变、有序-无序转变、熔晶转变、偏晶转变、合晶转变；平衡凝固、不平衡凝固、正常凝固；枝晶偏析、比重偏析、晶界偏析、胞状偏析；共晶体、稳定化合物、不稳定化合物；共晶合金、亚共晶合金、过共晶合金、伪共晶、不平衡共晶、离异共晶；铁素体、奥氏体、莱氏体、珠光体、渗碳体。 相图就是表示物质的状态和温度、压力、成分之间的关系的简明图解。在热力学平衡条件下，各种成分的物质在不同温度、压力下的相组成、各种相的成分、相的相对量。
《工程材料及热处理》复习经典归纳 池茶永2011.01.02 ★基础部分（填空、选择及简答） 1、原子（离子、分子或原子团）在三维空间作有规则的周期性重复排列的物质叫晶体；在图示1的晶胞中，a、b、c称晶格常数。 （图示1）（图示2） 2、根据晶胞的几何形状或自身的对称性，可把晶体结构分为七大晶系、十四种空间点阵。 3、常见的金属晶体结构有_体心立方晶格(BCC)、面心立方晶格(FCC)和密排六方晶格(HCP)_三种。 4、下列晶面和晶向指数的表示方法正确的是（ B ） A、﹙h k l﹚﹙μ v w﹚ B、﹙h k l﹚[μ v w] C、﹙h, k, l﹚[μ, v, w] D、﹙-h k l﹚[-μ v w] (提示：晶面和晶向指数分别用圆括号和方括号表示，数值间不用标点断开，负号写在数值上方) 5、实际金属中存在有点缺陷、线缺陷和面缺陷三类晶体缺陷。位错和晶界分别属于（ C ） A、点缺陷，面缺陷 B、面缺陷，线缺陷 C、线缺陷，面缺陷 D、点缺陷，线缺陷 6、金属结晶的条件是其温度低于理论结晶温度，造成液体与晶体间的自由能差，即具有一定的结晶驱动力才行。那么由此产生的过冷度指的是理论结晶温度与实际结晶温度之差。 7、下图为金属结晶过程和奥氏体形成过程的示意图，填写下面的空白处。（1）金属结晶过程： 晶核的形成→晶核的成长→晶体互相接触并向液体伸展→结晶完毕 （2）奥氏体形成过程： 晶核的形成→晶核的长大→残余渗碳体的溶解→奥氏体成分的均匀化 8、观察图示2在显微镜下的组织为珠光体。 9、细化铸态金属晶粒主要采用增大金属的过冷度、变质处理的方法。 10、合金中的相结构分为固溶体和金属间化合物两类；前者有可分为置换固
2.1纯金属的结晶 条件：过冷 动力：自由能差 阻力：表面能/界面能 纯金属结晶为恒温过程； 总结：恒温过程&变温过程 恒温过程变温过程 纯金属结晶匀晶反应 共晶反应 包晶反应 共析反应 纯金属结晶过程： 自发形核：短程有序（迅速形成，迅速消失）；过冷度越大，临界晶核尺寸越小； 非自发形核：结构相似，尺寸相当；难溶杂质； 平面长大：过冷度较小；表面能最小原则；晶体表面为密排面；少见； 树枝状长大：过冷度较大；一次晶轴，二次晶轴；树枝晶是单晶体；大部分； 同素异构体转变（二次结晶/重结晶）：金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一 种晶格的现象；需较大过冷度；产生较大内应力； 铸锭——最典型的铸造结构 细等轴晶区；粗等轴晶区； 柱状晶区：接触面因杂质形成弱面，热轧、锻造易开裂；杂质多的金属，不希望生成柱状晶； 性能具有明显方向性； 柱状晶&等轴晶 柱状晶等轴晶 较大温度梯度温度均匀 冷却速度大冷却速度小 铸造温度高铸造温度低 浇注速度大机械振动（破坏柱状晶） 单向散热（定向结晶法）电磁搅拌（破坏柱状晶） 铸锭的缺陷：（1）缩孔（2）疏松（3）气孔
细化铸态金属晶粒：细晶强化 （1）增大过冷度（形核/长大增大，晶粒细化） （2）变质处理：在液体金属中加入孕育剂或变质剂 （3）机械震动：破碎树枝晶，细化晶粒； （4）电磁搅拌：破碎树枝晶，细化晶粒； 单晶的制取 2.2合金的结晶 相图使用前提：平衡状态（合金在极其缓慢冷却条件下的结晶过程）
四种反应定义： 匀晶反应从液相中逐渐结晶出固溶体液相→固相 共晶反应一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应液相→固相+固相包晶反应一种液相和一种固相在恒温条件下转变成另一种固相的反应液相+固相→固相共析反应一种固相转变成完全不同的两种相互关联的固相固相→固相+固相 1.匀晶反应（0-100%：无限固溶体）：L→α （1）类似纯金属结晶——形核长大；倾向树枝状长大； （2）变温结晶过程； （3）两相区内，温度一定时，两相的成分（质量分数）是确定的； （4）两相区内，温度一定时，两相的质量比是确定的（杠杆定律）； 【杠杆定律只适用于两相区&平衡状态】 （5）枝晶偏析现象：一个晶粒内化学成分分布不均（解决：扩散退火） 2.共晶反应（有限固溶体）：L dα+β
铁碳合金相图 一、选择题 1. 铁素体是碳溶解在（）中所形成的间隙固溶体。 A．α-Fe B．γ-Fe C．δ-Fe D．β-Fe 2.奥氏体是碳溶解在（）中所形成的间隙固溶体。 A．α-Fe B．γ-Fe C．δ-Fe D．β-Fe 3.渗碳体是一种（）。 A．稳定化合物 B．不稳定化合物 C．介稳定化合物 D．易转变化合物 4.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％ 5.莱氏体是一种（）。 A．固溶体B．金属化合物 C．机械混合物 D．单相组织金属 6.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 7.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 8. 在Fe-Fe3C相图中，共析线也称为（）。 A．A1线 B．ECF线 C．Acm线 D．PSK线 9.珠光体是一种（）。 A．固溶体 B．金属化合物 C．机械混合物 D．单相组织金属 10.在铁－碳合金中，当含碳量超过（）以后，钢的硬度虽然在继续增加，但强度却在明显下降。 A．0.8％ B．0.9％ C．1.0％ D．1.1％
11.通常铸锭可由三个不同外形的晶粒区所组成，其晶粒区从表面到中心的排列顺序为（）。 A．细晶粒区－柱状晶粒区－等轴晶粒区 B．细晶粒区－等轴晶粒区－柱状晶粒区 C．等轴晶粒区－细晶粒区－柱状晶粒区 D．等轴晶粒区－柱状晶粒区－细晶粒区 12.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 13.Fe-Fe3C相图中，共析线的温度为（）。 A．724℃ B．725℃ C．726℃ D．727℃ 14.在铁碳合金中，共析钢的含碳量为（）。 A．0.67％ B．0.77％ C．0.8％ D．0.87％ 二、填空题 1. 珠光体是（铁素体）和（二次渗碳体）混合在一起形成的机械混合物。 2. 碳溶解在（α-F e）中所形成的（固溶体）称为铁素体。 3. 在Fe-Fe3C相图中，共晶点的含碳量为（ 4.3% ），共析点的含碳量为（0.77% ）。 4. 低温莱氏体是（珠光体）和（二次渗碳体，一次渗碳体）组成的机械混合物。 5. 高温莱氏体是（奥氏体）和（共晶渗碳体）组成的机械混合物。 6. 铸锭可由三个不同外形的晶粒区所组成，即（细晶粒区），（柱状晶粒区）和心部等轴晶粒区。 7. 在Fe-Fe3C相图中，共晶转变温度是（1148 ），共析转变温度是（ 727 ）。 三、改正题(红色字体为改正后答案) 1. 在Fe-Fe3C相图中,GS斜线表示由奥氏体析出二次渗碳体的开始线，称为A3线。ES;A cm 2. 在铁碳合金相图中，PSK线是一条水平线（727℃），该线叫共晶线。共析线 3. 过共析钢缓冷到室温时，其平衡组织由铁素体和二次渗碳体组成。珠光体 4. 珠光体是由奥氏体和渗碳体所形成的机械混合物，其平均含碳量为0.77%。铁素体 5. 亚共晶白口铁缓冷到室温时，其平衡组织由铁素体，二次渗碳体和莱氏体组成。珠光体 6. 在亚共析钢平衡组织中，随含碳量的增加，则珠光体量增加，而二次渗碳体量在减少。铁素体 7. 过共晶白口铁缓冷到室温时，其平衡组织由珠光体和莱氏体组成。渗碳体 8. 在铁碳合金相图中，钢的部分随含碳量的增加，内部组织发生变化，则其塑性和韧性指标随之提高。降低
铁碳合金相图 3.3.1 铁碳合金的组元和相 一、基本概念 铁碳合金：碳钢和铸铁的统称，都是以铁和碳为基本组元的合金 碳钢：含碳量为0.0218%～2.11%的铁碳合金 铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金 铁碳合金相图：研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。 注：由于含碳量大于Fe3C的含碳量（6.69%）时，合金太脆，无实用价值，因此所讨论的铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C 二、组元 1.纯铁 纯铁指的是室温下的α-Fe，强度、硬度低，塑性、韧性好。 2.碳 碳是非金属元素，自然界存在的游离的碳有金刚石和 石墨，它们是同素异构体。 3.碳在铁碳合金中的存在形式有三种： C与Fe形成金属化合物，即渗碳体； C以游离态的石墨存在于合金中。 C溶于Fe的不同晶格中形成固溶体； A. 铁素体：C溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，体 心立方晶格，用符号“F”或“α”表示，铁素体是一种强度 和硬度低，而塑性和韧性好的相，铁素体在室温下可 稳定存在。 B. 奥氏体：C溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号“A”或“γ”表示，奥氏体强度低、塑性好，钢材的热加工都在奥氏体相区进行，奥氏体在高温下可稳定存在。 C. C与Fe形成金属化合物：即渗碳体Fe3C，Fe与C组成的金属化合物，Fe与C组成的金属化合物，含碳量为6.69％。以“Fe3C”或“Cm”符号表示，渗碳体的熔点为1227℃，硬度很高(HB＝800)而脆，塑性几乎等于零。渗碳体在钢和铸铁中，一般呈片状、网状
或球状存在。它的形状和分布对钢的性能影响很大，是铁碳合金的重要强化相。碳在a-Fe中溶解度很低，所以常温下碳以渗碳体或石墨的形式存在。 3.3.2 铁碳合金相图的分析 1.铁碳合金相图由三个相图组成： 包晶相图、共晶相图和共析相图； 2.相图中有五个单相区：液相L、 高温铁素体δ、铁素体α、奥氏体 γ、渗碳体Fe3C； 3.相图中有三条水平线： HJB水平线（1495℃）：包晶线， 发生包晶反应，反应产物为奥氏 体。 L0.53+δ0.09←→γ0.17 ECF水平线（1148℃）：共晶线， 发生共晶反应，反应产物为奥氏体 和渗碳体的机械混合物，称为莱氏 体，用“Le”表示。 L 4.3←→γ2.11+ Fe3C PSK水平线（727℃）：共析线，发生共析反应，反应产物为铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用“P”表示。共析线又称为A1线 γ0.77←→F0.0218+ Fe3C 4.图中的特性点 A点：纯铁的熔点 C点：共晶点 D点: Fe3C的熔点 E点：γ-Fe中的最大溶碳量 G点：α-Fe→γ-Fe的同素异构转变点 J点：包晶点 N点：γ-Fe→α-Fe的同素异构转变点 S点：共析点 5.图中的特性线 ABCD－液相线