浅析合金相图的形成及杠杆定律的应用

摘 要：工程材料当中铁碳合金相图是一个重点内容，了解合金相图中相变过程及形成的组织成分并计算其含量百分比，是掌握合金的性能的主要依据。

关键词：合金相图；杠杆定律；结晶；组织组成物；相组成物

普通高等教学中，《工程材料及成形技术基础》这一门课程主要是以合金相图表达了合金相变后达到平衡状态的过程，初学者在学铁碳合金相图时，对不同含量的合金在不同温度下，相变过程没有深刻的了解掌握，因此容易混淆相变后形成的组织组成物，也就很难正确计算组织组成物相对量和相组成物相对量。铁碳合金相图主要由共晶相图、包晶相图和共析相图等基本相图组成的。下边分别解析各相图。

一、二元匀晶相图解析

匀晶相图是两组元在液态和固态均能无限互溶所构成的相图。

如图1所示，A-B二元匀晶相图中，A组元熔点比B组元的低，因此，A-B合金中随着B组元量的增加合金熔点逐渐上升的，曲线a321b为液相线，a3`2`1`b为固相线，液相线以上为合金液相域区；固相线以下为合金固相区域；液相线与固相线之间区域为液、固两相混合区，在此区域某一合金的结晶过程是随着温度的降低，液相逐渐减少，固相逐渐增加，所以液、固两相的相对量是变化的，若要求某一温度下液、固两相的相对量可用杠杆定律来计算。现在通过以下例题解析匀晶合金相变及各相相对量的计算过程。

例如图1：设A-B合金的含B量为K，质量为1，从t1降到t3过程，在某温度t2时，求液相的相对量为QL，固相的相对量为Qa。

从图中可得：在温度t2时，液相的含B量为X；固相的含B量为Y（解析：温度为t2时，作出一条该温度的横线，与A-B匀晶相图的液相线交与点2上，点2的横坐标为X，说明该温度下，含B量为X的A-B合金应该100%为液相，还没结晶出固相，所以含B量为K的A-B合金在该温下液相中含B量也应该是点2的横坐标值X；同理，温度为t2时，这条横线，与A-B匀晶相图的固相线交与点2`上，点2`的横坐标为Y，说明该温度下，含B量为Y的A-B合金应该100%为固相，已全部结晶为固相，所以含B量为K的A-B合金该温下固相中含B量也应该是点2`的横坐标值Y），根据质量守恒定律得下列方程：

由此解得液相的相对量QL，从t1降到t3时，液相的相对量逐渐减少,液相中含B的量也越来越少，此时若存在液相，合金中含B量为3点的横坐标值，但是K合金此时的液相相对量为零，故不存在液相了；而固相在此过程中的相对量Qa。是逐渐增加的，直至到t3时，固相的相对量达到100%，此时A-B合金中含量B为3`点的横坐标值K。

二、铁碳合金相图

图2 铁碳合金相图，是由五个单相区，七个两相区和三个三相区构成。表达了铁碳合金在不同的温度下，不同含碳量时的组织状态。

常温下，铁碳相图中组织组成物在不同的含碳量时对应不同组织见图3（a）；详细分布情况及相对量如图3（b）；相组成物为铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）相对量分布如图3（C）。

1、分析铁碳相图

常温下的组织组成物的形成，要分以下主要的两个点和五个区域：

（1）首先见图2第一点S：含碳量0.77%的铁碳合金，将温度冷却到727℃恒温下会发生共析转变，即在PSK共析线上含碳量0.77%的面心立方晶格奥氏体发生共析转变生成含碳量0.0218%的铁素体和渗碳体的有机混合物，称为珠光体（P）。

A077%TS=F0.0218%+Fe3C

生成的珠光体继续降温，珠光体中不断析出三次渗碳体，但是因数量极少可忽略，故室温下0.77%铁碳合金平衡组织视为100%珠光体 P，称为共析钢。

（2）图3（a）中0.0218%~0.77%区域（第Ⅱ区），铁碳合金含碳量少于0.77%，称为亚共析钢，由于含碳量少于0.77%，含铁量多，多余的部分先由奥氏体中开始析出铁素体，直至剩余奥氏体成分达到了0.77%，奥氏体将发生共析转变生成珠光体，故室温下亚共析钢的平衡组织为铁素体F和珠光体P。且随着含碳量的增加珠光体逐渐增加，铁素体逐渐减少。

（3）图3（a）中小于0.0218%区域（第Ⅰ区），倘若铁碳合金含碳量少到小于0.0218%时，即不会发生共析转变了，奥氏体析出铁素体，继续降温铁素体中析出少量的三次渗碳体Fe3CⅢ，至室温下工业纯铁的平衡组织视为铁素体F（200℃含碳量为7×107%）和三次渗碳体。

（4）同理，图3（a）中0.77%~2.11%区域(第Ⅲ区），含碳量多于0.77%的铁碳合金称为过共析钢，即由于含碳量多于0.77%，多余的部分碳由奥氏体中以二次渗碳体Fe3CⅡ的形式开始先析出，直至剩余奥氏体成分达到了0.77%，奥氏体将发生共析转变生成珠光体，故室温下过共析钢的平衡组织为二次渗碳体Fe3CⅡ和珠光体P，且随着含碳量的增加珠光体逐渐减少，渗碳体逐渐增加。

（5）见图2第二点C，含碳量在4.3%点时，将液相铁碳合金温度冷却到在1148℃恒温下（在ECF共晶线）会开始发生共晶转变，即生成含碳量2.11%奥氏体和一次渗碳体的有机混合物，称为高温莱氏体Ld。

L4.3%TSA2.11%+Fe3CⅠ

生成的高温莱氏体继续降温到727℃恒温下开始发生共析转变，即奥氏体发生共析转变生成珠光体P，珠光体和一次渗碳体Fe3CⅠ的有机混合物，称为低温莱氏体Ld`。故室温下4.3%铁碳合金平衡组织视为100%低温莱氏体Ld`，称为共晶白口铸铁。

(6) 图3（a）中2.11%~4.3%区域（第Ⅳ区），铁碳合金含碳量少于4.3%，称为亚共晶白口铸铁，由于含碳量少于4.3%，含铁量多，多余的部分液相铁先先转变为奥氏体，直至1148℃恒温下剩余液相成分达到了4.3%，液相合金将发生共晶转变生成高温莱氏体Ld，此时平衡组织为奥氏体A和高温莱氏体Ld，继续降温时，奥氏体A中含碳量随着固溶线ES降低，析出二次渗碳体Fe3CⅡ，直至727℃恒温下时含碳量达到0.77%奥氏体A开始发生共析转变，生成珠光体P，此时高温莱氏体Ld中的奥氏体A也转变生成珠光体P，珠光体P和一次渗碳体Fe3CⅠ的有机混合物，形成低温莱氏体Ld`。故室温下亚共晶白口铸铁平衡组织为低温莱氏体Ld`、珠光体P和二次渗碳体Fe3CⅡ。且随着含碳量的增加珠光体和二次渗碳体逐渐减少，低温莱氏体逐渐增加。

(7) 图3（a）中大于4.3%~6.69%区域（第Ⅴ区），铁碳合金含碳量大于4.3%，称为过共晶白口铸铁，由于含碳量大于4.3%，含碳量多，多余的部分碳由液相中以一次渗碳体Fe3CⅠ的形式开始先析出，直至1148℃恒温下剩余液相成分达到了4.3%，液相合金将发生共晶转变生成高温莱氏体Ld，此时平衡组织为一次渗碳体Fe3CⅠ和高温莱氏体Ld，继续降温时，直至727℃恒温下时含碳量达到0.77%时高温莱氏体Ld中的奥氏体A发生共析转变生成珠光体P，珠光体P和一次渗碳体Fe3CⅠ的有机混合物，形成低温莱氏体Ld`。故室温下过共晶白口铸铁平衡组织为低温莱氏体Ld`、和一次渗碳体Fe3CⅠ。且随着含碳量的增加低温莱氏体逐渐减少，一次渗碳体逐渐增加，含碳量增加到6.69%时，形成100%一次渗碳体。

2、应用铁碳相图计算钢铁中的相及组织含量

计算铁碳相图常温下的组织组成物的相对量，见以下五个区域：

（1）图3（b）中小于0.0218%区域（第Ⅰ区），因析出的三次渗碳体量非常少，基本视为100%铁素体属于工业纯铁区域。

（2）图3（b）中0.0218%~0.77%区域（第Ⅱ区），属于亚共析钢，随着含碳量的增加珠光体P逐渐增加，铁素体F逐渐减少的，铁碳合金的含碳量为K时，设珠光体的量Qp，求组织组成物的相对量。

按相似三角形P11`∽PSS`得Qp

11`――SS`――=P1――PS―― QP100%=K-0.02180.77-0.0218;

即铁素体含量：QF=1-QP

（3）图3（b）中0.77%~2.11%区域(第Ⅲ区），属于过共析钢，随着含碳量的增加珠光体P逐渐减少，二次渗碳体Fe3CⅡ逐渐增加, 若不计含碳量增加时发生共晶转变，二次渗碳体Fe3CⅡ的量应一直增加至含碳量6.69%时，达到100%的二次渗碳体，铁碳合金的含碳量为K时，设珠光体的量Qp，求组织组成物的相对量。

按相似三角形K2`2∽KSS`得Qp

在此区域二次渗碳体Fe3CⅡ能达到的最大百分含量为合金含量2.11%时，计算得：

综上所述，通过杠杆定律在合金相图上的应用可计算任意K合金的组织成分和相的相对量。

参考文献：

〔1〕吕广庶，张远明.工程材料及成形技术基础〔M〕.北京：高等教育出版社，2011.

〔2〕 王纪安.工程材料与材料成形工艺〔M〕.北京：高等教育出版社，2004.