相变、相平衡和相图解析

（1）相变当外界施加的约束条件（如温度、压强、磁场强度等）改变时，会引起系统中相的数目或相的性质发生变化，这就是相变。

（2）相平衡如果系统中各相经历很长时间而不相互转化，则是处于平衡状态。实际上，相平衡是一种动态平衡。从系统内部来看，分子或原子仍在相界处不停转换，只不过同一时间内各相之间的转化速度相同。

（3）相图表示多元平衡系统中，成分、相、温度（特殊情况下尚有压力）间相互关系的几何图形，又称平衡图或状态图。在冶金学中，根据相图可了解各相随温度、成分的变化。根据平衡系统的组元数，可将相图分为一元、二元和多元三类，其中，以二元和三元相图应用最多。

（4）二元相图对于二元相图，仅就铁碳相图（铁碳平衡图）进行简单分析，因为碳钢和铸铁是使用最广泛的金属材料。随着科学技术的发展，铁碳相图不断得到修订，日臻完善。目前采用的铁碳相图如图10.1-8所示。

图10.1-8 铁碳相图

ABCD为液相线，而AHJECF则为固相线，因为铁与碳能形成Fe₃C化合物外，尚有两个同素异形体：在912℃以下为体心立方的α-Fe；在912～1394℃为面心立方的γ-Fe；在1394～1538℃（熔点）又呈体心立方结构，即δ-Fe，所以有下列相存在：

1）液相。碳在铁中的液体溶液，在液相线以上存在，以L表示。

2）渗碳体。Fe₃C，即垂线DFKL，以C表示。

3）铁素体。亦即α-Fe铁，高温态以δ-Fe表示，其位置在GPQ和AHN线的左方。

4）奥氏体。碳在γ-Fe铁内固溶体，区域在HJESG，以字母γ表示。

碳含量超过铁的溶解度后，剩余的碳可能以稳定态石墨形式存在，也可能以亚稳态渗碳体（Fe₃C）形式存在。Fe₃C有可能分解成铁和石墨稳定相，但这过程在室温下是极其缓慢的，即便加热到700℃，Fe₃C分解成稳定相也需几年（合金中含有硅等促进石墨化元素时，Fe₃C稳定性减弱）；石墨虽然在铸铁[w（C）=2%～4%]中大量存在，但在一般钢[w（C）=0.03%～1.5%]中却较难形成这种稳定相。图10.1-8中用实线绘出的亚稳Fe-Fe₃C系相图有重要意义并得到广泛的应用，虚线和相应的一部分实线则表示稳定的Fe-C（石墨）系。相图上的三条平行线指三个恒温转变。

1）HJB线（1495℃）发生包晶转变，L_B+δ_H→γ_J，转变产物是奥氏体，此转变仅发生在w（C）=0.09%～0.53%的铁碳合金中。

2）ECF线（1148℃）发生共晶转变，L_C→γ_B+Fe₃C，转变产物为奥氏体与渗碳体的共晶（机械）混合物，称为莱氏体。w（C）=2.11%～6.69%的铁碳合金都发生这个转变。

3）PSK线（727℃）发生共析转变，γ_s→α_p+Fe₃C，转变产物是铁素体与渗碳体相间排列的组织，称为珠光体，以字母P表示。共析转变温度常标为A₁温度。

此外，在铁碳相图中还有几条重要的固态转变线。

1）GS线：奥氏体中开始析出铁素体或铁素体全部溶入奥氏体的转变线，常称为A₃温度。

2）ES线：碳在奥氏体中的溶解限度线，低于此温度时，奥氏体将析出渗碳体，称为二次渗碳体Fe₃C_Ⅱ，以区别从液体经CD线析出的一次渗碳体Fe₃C_Ⅰ。

3）PQ线：碳在铁素体中的溶解限度线，铁素体从727℃冷却下来也将析出渗碳体，称为三次渗碳体Fe₃C_Ⅲ。

4）NJ线：奥氏体转变为δ铁素体，称为A₄温度，纯铁为1394℃，此温度随碳含量增加而提高。

5）770℃水平线表示铁素体的磁性转变温度，常称为A₂温度，在此温度以下铁素体呈铁磁性。230℃水平线则表示渗碳体的磁性转变温度。磁性转变时，不发生晶体结构的变化，渗碳体在230℃以下呈铁磁性。

作为示例，图10.1-9用于分析铁碳相图左上方w（C）为0.05%的K₁合金冷却时的转变过程。(www.xing528.com)

图10.1-9 铁碳相图左上部w（C）为0.05%的K₁合金冷却时的转变

1）合金在点1处开始结晶，析出δ固溶体的晶体。在结晶过程中，液体的成分沿液相线而变，固相成分沿固相线而变，位于点a处时，液体成分由点c的投影确定，而固相的成分则由点b的投影确定，固体、液体的量分别由线段比与确定。

2）在点2处，液相的量变为零，结晶过程告终，形成δ单相固溶体。

3）合金重新在3、4之间发生相变，此时δ固溶体转变为γ固溶体。

4）在点4处，合金全部具有了γ固溶体的构造。

5）在点J处，浓度为B的液体与浓度为H的δ相开始形成浓度为J的γ相；当w（C）低于或超过0.15%时，包晶反应后尚有过剩的δ相或液体存在，进一步冷却时转变为γ相。转变在JN及JE处告终，最后形成γ的单相组织。

图10.1-10为铁碳相图的左下部固态下发生的转变示例。

图10.1-10 为铁碳相图的左下部K₁、K₂合金冷却时的转变

1）K₁合金在1000℃时呈奥氏体组织，因铁在室温时呈α相，故在点1～2之间，合金由浓度不同的γ与α相所构成。

2）在点2以下，合金全部由α固溶体组成。

3）K₂合金经3～4区的γ→α转变再继续冷却时，与PQ线交于点5。

4）点5以下时，合金已不能再保持原来碳的溶解度，渗碳体开始析出，一直延续至α固溶体的w（C）减至0.01%时为止。

图10.1-11为K₁成分[w（C）=0.05%]合金结晶过程示意图，铁碳相图其他部分的转变过程分析与此类似。

图10.1-11 K₁成分铁碳合金的结晶过程示意图

（5）三元相图三元相图与二元相图比较，组元数增加了一个，即成分变量是两个，故表示成分的坐标轴应为两个，需要用一个平面来表示。这样，其温度轴就必须取垂直于平面的位置，使之成为一个在三维空间的立体图形。测定复杂的三元相图是很困难的，使用起来也很不方便，所以实际使用的往往是三元相图中某些有用的断面图和投影图，如图10.1-12所示。

图10.1-12 铁-铬-镍三元相图（850℃断面）