《材料科学基础》课件-第五章相平衡与相图第一节第二节第三节第四节VIP

《材料科学基础》第五章相平衡与相图教学内容：第五章相平衡与相图相的概念，相图的概念，相图的重要性第一节相与相平衡组元的概念，相的多样性，相平衡，自由度与相律，相平衡的条件第二节单元系相图单元系相图的一般概念，两相区的存在第三节二元系相图，概念，相图的建立，杠杆定律二元相图的类型：匀晶，共晶相图，平衡凝固，共晶合金，包晶相图，形成化合物的相图，含有双液共存区的相图，熔晶相图等，二元相图的几何规律，单相，双相及三相共存区，相图特征，二元系相图的分析，分析的方法与步骤，分析举例。教学目的：

学习相平衡与相图的基本知识，了解相图在材料科学学习中的重要性，学会相图的使用。掌握匀晶，包晶，共晶相图的特点，进而了解二元合金的一些平衡凝固，固相转变的规律。重点难点：

二元系相图的建立，杠杆定律包晶相图，共晶相图，共晶合金相图分析，各种液固，固相转变的判断

材料的性能决定于内部的组织结构，而组织结构又由基本的相所组成。相：均匀而具有物理特性的部分，并和体系的其他部分有明显界面。相的种类、数量、尺寸、形状和分布决定着材料的性能。相图：平衡条件下材料的相平衡态与成分、温度、压力等外部条件之间的关系图解。——状态图、平衡图。

由相图可知在不同T、P下有几种相、相的成分、各相的相对数量。相图是材料制备、加工工艺的重要理论依据，是新型材料设计研制、开发的重要理论基础。第一节相图知识二元相图：当存在两个组元时，成分也是变量，但一种组元的含量为独立，另一组元则为余下部分。为在二维平面上表示，通常只考虑在常压下，取两个变量温度和成分。横座标用线段表示成分，纵座标表示温度。平面上以按这时平衡状态下存在的相来分隔。(如图)

相图用途：1.由材料的成分和温度预知平衡相；2.材料的成分一定而温度发生变化时其他平衡相变化的规律；3.估算平衡相的数量。预测材料的组织和性能第五章相平衡与相图第一节相和相平衡一、组元是构成材料最简单、最基本可以独立存在的物质。在一个给定系统中，组元就是构成系统的各种化学元素或化合物。按组元数的不同，系统可分为一元系、二元系、三元系和多元系。1、金属材料：作组元的一般是元素。如纯铁、黄铜（铜、锌）、铁碳硅等，既不分解也不发生化学反应的稳定化合物也视一种组元，如FeC3。2、无机非金属材料：组元常是一种元素的氧化物、相和相平衡碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等。如SiO2、Al2O3、Si3N4、B4C、SiC等。3、聚合物：（1）均聚物、共聚物：单体（2）均聚物或共聚物混合而成，则组元为均聚物、共聚物。二、相1、相的定义：成分、结构相同、性能一致，不同相间有界面，在界面处性能发生突变。相和相平衡2、组成相成分类型：单质、溶液、化合物3、物质三态成相规律（1）气体只能单相（2）液体：单相——可溶，两相——不溶（3）固体：单相——固溶体，一种物质；多相——不溶，同素异晶。界面：相界，晶界（同相晶粒间界面）4、组织：由不同形貌及含量的相或组元所构成的微观图像。相和相平衡三、相平衡1、平衡：机械平衡（F合=0），热平衡（△T=0），化学平衡（△μ=0）。化学热力学平衡。2、平衡条件：G=H-TSdG<0，自发进行dG=0，达到平衡dG>0，非自发进行相和相平衡相和相平衡—组元i的偏摩尔自由能，化学势，代表系统内物质传递的驱动力。在恒温恒压下，每一组元在各相中化学势相等，则多相系统就处于热力学平衡状态。四、自由度与相律1、自由度：平衡系统中独立可变的因素自由度数：独立可变的强度变量的最大数目(强度变量与广度变量的区别）2、相律：自然规律在平衡系统中由于受平衡条件的制约，系统内存在的相数有一定限制。吉布斯相律：f=c-p+n通常外界影响因素只考虑T、P，所以f=c-p+2而对凝聚系统P影响不大，f=c-p+1相和相平衡不可为负数相数P≥1组元数外界影响因素第五章相平衡与相图第二节单元系相图f=c-p+2=1-p+2=3-p,1≤p≤3T、P一定时，f=1-p，所以f=0，系统状态固定。一、相图的表示及测定方法如右图水的相图。二、相图分析1、每一点对应某种状态，—状态点、表象点或示态点。2、单相区：c=1,p=1,则f=2，所以T、P可在一定范围内任意变化。单元系相图单元系相图3、两相平衡线：c=1,p=2,则f=1，T、P中只有一个是独立的。4、三相共存点：c=1,p=3,则f=0，T、P都不可随意变动。5、p固定为1个大气压时：c=1,p=1，则f=1，只有T可变；Tm、Tb为两相共存点，前者为冰点，后者为沸点，f=0，T不可变，转变为一恒温过程。f=c-p+1=1-p+1=2-p,则p≤2。三、有晶型变化的单元系相图同素异晶转变，同素异晶体，有晶型转变的单元系统，在相图上增加点或线。1、纯铁相图α-Fe和δ-Fe都是体心立方，点阵常数不同；γ-Fe是面心立方，P=1.013×105Pa时（1）Tm=1538℃，熔点或凝固点单元系相图（2）A4=1394℃，δ-Fe、γ-Fe两相点（3）A3=912℃，α-Fe、γ-Fe两相点（4）A2=768℃，磁性转变点晶型转变过程都是在恒温下进行，并伴随有体积、密度的变化。2、SiO2系统相图α-石英与β-石英相变相当慢，β-石英常因冷却过快而被保留到室温，在常压下，低于573℃单元系相图β-石英很稳定，所以自然界或低温时最常见的是β-石英。晶型转变时，体积效应特别显著。Al2O3、ZrO2也具有多晶型转变。3、聚合物相图（1）状态由分子间作用力决定，分子间约束力弱的为无定型态，玻璃态；约束力强的为晶相、结晶态。（2）难形成气相，气化前就会发生分解。（3）相对分子质量是决定物理状态的基本参数之一单元系相图相图：常压下，T~相对分子质量。（4）状态类型：玻璃态、高弹态、粘流态，前者之间是Tg，后者间为Tm。单元系相图第五章相平衡与相图第三节二元系相图f=c-p+2=4-p，当p=1时，f=3，说明除T、P独立可变外，还有组元浓度也独立可变，ωa+ωb=1。若T、P、ωa（ωb）都可变则相图成为一个三维立体图形，对凝聚系统，f=c-p+1=3-P，最大f=2，即T、ωa（ωb）。一、二元系相图的建立1、方法：（1）实验测定：测相变临界点（热分析法、金相法、膨胀法、磁性法、电阻法、X射线结构分析二元系相图法等），常几种方法配合使用。（2）理论计算2、实例：Cu-Nif=2-p+1液相线，固相线L—f=2α—f=2L+α—f=1二元系相图二、杠杆定律结晶过程，相的成分及各自的含量都在不断发生变化。相的成分——相图，相的含量——杠杆定律1、适用范围：两相。单相没意义；三相区，f=0，成分不变，相的数量无法确定，可以任何比例平衡；两相，f=1，只有一个独立变数。液相线、固相线分别是液相、固相成分随温度变化而变化的平衡曲线，T一定，f=0，成分就固定不变。二元系相图2、表达式：二元系相图三、二元系相图的类型分类以发生变化来分类，不以物质分类，因变化相似，相图就相似。1、匀晶相图——互溶相图在液态、固态均能完全互溶的两组成构成的相图。匀晶转变：液相→单相固溶体（1）相图分析：如Cu—Ni相区：L、α、L+α相线：液相线、固相线二元系相图（2）平衡凝固极其缓慢冷却条件下的凝固t1：刚开始结晶出α1,含量少t2:L2、α2

，一定数量t3

：最后一滴液体结晶成固溶体，凝固终了，成分与液态合金相同。二元系相图具有匀晶相图的：二元合金：氧化物：二元系相图（3）有极值匀晶相图（有最高点或最低点）切点：液固两相成分相同，是一个没有温度间隔的恒温结晶过程。f=2-2+0=0二元系相图

有极值存在的二元合金相图：Fe-Co、Co-Pd、Fe-Ni、Fe-V、Fe-W、Mn-Co、Mn-Ni、Pd-Ti、V-W、Ti-Zr等。二元系相图（4）有晶型转变的匀晶相图纯物质：晶型转变温度为恒温；固溶体为一个温度范围。Nd-Pr、Sc-Zr、Sc-YHf-Ti、Ca-Sr等二元系相图纯铁2、共晶相图L→α+β；共晶转变或共晶反应；产物为共晶组织或共晶体。发生条件：液态无限互溶，固态互不相溶或有限互溶。（1）相图分析：①相线：液相线、固相线、固溶度曲线②相区：3个单相区（L、α、β）,f=2；3个两相区（L+α、L+β、α+β）,f=1；1个三相共存区（ced水平线，处于两相区之间）L→α+β,f=0。二元系相图二元系相图③共晶线：ced水平线，e点为共晶点，共晶温度、共晶合金；c至e为亚共晶合金；e至d为过共晶合金。三相平衡时，任意两相之间必然相互平衡，也可用杠杆定律计算各相的含量。（2）平衡凝固及其组织二元系相图①w(Sn)≤19%合金：→1：L1~2：L+α2~3：α3~4：α+βⅡ，脱溶（二次结晶）室温下：二元系相图次生相（二次相），优先沿α相晶界析出，其次从晶粒内缺陷部位析出②共晶合金：Ⅱ温度高于te：Lte：低于te：α→βⅡ，β→αⅡ二元系相图α与αⅡ

，β与βⅡ混在一起难以分辨，不作具体分析，α+β。黑色为α相，白色为β相。二元系相图组织特点:常见的形态有针状、骨肋状、蜘蛛网状、螺旋状等。

③亚共晶合金：c~eⅢ→1：L1~2：L+α2：2~3：α→βⅡ，β→αⅡ二元系相图初晶，或先共晶相室温时组织：α+（α+β）+βⅡ室温时组织：α+（α+β）+βⅡ二元系相图④过共晶合金：e~d，Ⅳ→1：L1~2：L+β2：2~3：α→βⅡ，β→αⅡ3：β+（α+β）+αⅡ二元系相图二元系相图⑤与Ⅰ类相似。L→L+β→β→β+αⅡ。α、β、αⅡ、βⅡ、（α+β）在显微镜下能清楚区分，是组成显微组织的独立部分，称为组织组成物。二元系相图

从相的本质看，它们都是由α和β两相组成，所以α、β称为合金的相组成物。其含量都可由杠杆定律求得。属共晶系统材料很多：金属：Pb-Sn、Pb-Sb、Bi-Sn、Cd-Zn、Ni-Cr、Ag-Pb、Ag-Bi等氧化物：MgO-CaO、CaF2-Al2O3、SiO2-Al2O3、Al2O3-ZrO2、Al2O3-TiO2、NaNbO3-LiNbO3等二元系相图（3）共析转变相图F=2-3+1=0恒温过程，共析点，共析线如铁碳合金中的珠光体转变：转变温度较低，扩散较困难所以共析组织比共晶细致均匀得多。二元系相图3、包晶相图包晶转变或包晶反应βp通过消耗原固相α和液相而长大。（1）相图分析在包晶转变时，f=2-3+1=0，所以为恒温过程，三个共存相成分固定不变，L成分为c点，α成分为d点，β成分为p点。①相线：液相线、固相线、溶解度曲线、包晶转变线二元系相图②相区：3个单相区（L、α、β），3个两相区（L+α、L+β、α+β），1个三相共存区：（L+α+β）二元系相图（2）平衡凝固①w(Ag)=42.4%，合金Ⅰ2：二元系相图②合金Ⅱ：d~p2:α相超过包晶反应所需的量二元系相图③合金Ⅲ：W(Ag)=42.4%~66.3%2：2~3：L→β二元系相图

具有包晶转变的二元系统：Cu-Co、Pt-Re、Pt-W、Al-Ti、Pt-Ru、MgSO3-MnSiO3、CaSiO3-MnSiO3、FeO-MnO等。（3）包析转变相图包析转变与包晶转变类似，只因它是发生在固态。二元系相图二元系相图4、形成化合物的相图（1）形成稳定化合物的相图稳定化合物：有一定熔点，且在熔点下不发生分解二元系相图二元系相图二元系相图（2）形成不稳定化合物的相图不稳定化合物：加热时发生分解，一般为包晶转变的产物。不能用虚线将γ截然分开，也可看成1个包晶与1个共晶并列而成，但不能分成两独立相图二元系相图5、含有双液共存的相图两个组元在液态并不完全互溶。（1）具有偏晶转变的相图。2：偏晶转变3：共晶转变二元系相图L1、L2差别消失，f=0，双液共存的最高温度—临界温度双液共存区，共轭溶液4：材料组织：具有偏晶相图的合金系统有：Au-Rb、B-Ge、Cu-Pb、Li-Na、Bi-Zn等。（2）具有合晶转变的相图合晶线：cfd，这种合金不多，如：Na-ZnK-Zn、Cr-Pt、Mn-Y等。二元系相图

还有一些二元合金的组元在液态几乎互不溶解，而且在固态下溶解度也很小，一般可忽略不计．这些二元合金相图中只有两条水平线，即两组元各自在其凝固点温度进行结晶如：Bi-Cr、Fe-Pb、W-Cu、W-Ag等。二元系相图6、其他二元相图（1）熔晶相图1381℃：Fe-S、Ga-Mn、Cu-Sn二元系相图（2）固溶体形成中间相的相图

α→σ二元系相图（3）固溶体发生有序—无序转变的相图β：无序β`：有序，两种原子规则排列，属超结构。二元系相图（4）聚合物二元相图高分子合金：多种聚合物共聚和共混所得材料。无规共聚物可视为固溶体，交替共聚物则可视为有序固溶体。若以均聚物为一个组元，则两个均聚物在不同温度下的组合状态就可视为聚合物的二元相图。二元系相图四、二元相图的几何规律（1）两个单相区只能交于一点。（2）两单相区间必有由这两单相构成的两相区。（3）三相共存区必为一条水平线，与三个相组合成的3个两相区相连。所有水平线都表示三相平衡的恒温转变。f=0，三相浓度固定不变，只发生相对数量的变化。各种恒温转变在相图上的特征如（4）两恒温转变中有两个相同的相，在两水平线间一定是由这两相组成的两相区。二元系相图（5）两相区与单相区的分界线与三相等温水平线相交，分界线的延长线应进入另一个两相区，不会进入单相区。（6）相邻相区中相的数目只能相差一个（点接触情况除外），这就是相区接触法则。二元系相图二元系相图二元相图中可能发生的转变

1二元系相图五、二元系统相图的分析固态下基本相为固溶体和化合物。1、分析方法（1）有无稳定化合物，稳定化合物作独立组元。（2）据相区接触法则，弄清各个相区。（3）据与三相共存线相连的3个单相区在三相共存线的位置，判断三相平衡反应式。（4）分析典型合金随温度改变而发生的转变和变化规律。单相内成分与原合金相同；两相区内成分由相界确定，各相含量由杠杆定律求得；三相二元系相图平衡时，成分固定，含量也由杠杆定律求得。2、分析实例（1）Ni-Be系：二元系相图以NiBe为基的固溶体以NiBe21为基的固溶体L=α+γL=δ+γL=δ+β（Be）β(Be)=α(Be)+δ（2）Cu-Zn系二元系相图L+α=βL+β=γL+γ=δδ=ε+γL+δ=εL+ε=η二元系相图CaO+Ca2SiO4=Ca3SiO5L=CaO+Ca2SiO4LB=LA+SiO2L+Ca2SiO4=Ca3Si2O7L=CaSiO3+Ca3Si2O7LE=CaSiO3+SiO2Ca3SiO5=CaO+Ca2SiO4方石英=鳞石英六、相图与材料性能的联系1.力学、物理性能2.加工的工艺性能第五章相平衡与相图第四节铁碳相图铁碳相图

铁碳合金，铁作基体，碳作溶质形成间隙固溶体，超过固溶度形成渗碳体（Fe3C，亚稳定相6.69%）或石墨（C）。通常是形成渗碳体，只在冷却极为缓慢或加促墨化元素时才形成石墨。钢中碳含量不超过2.11%，铸铁不超过5%，在Fe-Fe3C成分范围内，所以只需研究Fe-Fe3C部分。Fe-C和Fe-Fe3C综合在一起绘成双重相图，能较全面反映铁碳合金。铁碳相图一、组元及基本相1、纯铁：（1）同素异晶转变（2）铁素体与奥氏体铁素体：C溶于α-Fe中的间隙固溶体，体心立方晶格，用F或α符号表示。奥氏体：C溶于γ-Fe中的间隙固溶体，面心，用A或γ表示。重结晶磁性转变点，铁的居里点，晶格类型不变铁碳相图

溶碳能力铁素体比奥氏体小得多，奥氏体达2.11%，铁素体只达0.0218%，在室温铁不超过0.008%.原因奥氏体间隙大,950℃,a=0.36563nm，八面体间隙半径0.0535nm；铁素体，20℃，a=0.28663nm，八面体间隙半径：0.01862nm。δ铁素体，碳含量不超过0.09%。铁素体性能与纯铁基本相同，居里点也是770℃,奥氏体的塑性很好，易于塑性变形，具有顺磁性。铁碳相图（3）纯铁的性能与应用。

工业纯铁的力学性能特点是强度、硬度低，塑性、韧性好。 抗拉强度σb＝180－230Mpa

延伸率δ＝30－50％ 断面收缩率ψ＝70－80％ 冲击韧性ak＝160－200J/cm2

硬度50－60HB2、渗碳体Fe3C是铁与碳形成的间隙化合物，w（C）=6.69%用符号：Cm表示，基本相，熔点为1227℃。属正交晶系，一个晶胞含有12个铁原子和4个碳原子，硬度很高，800HB，塑性很差，延伸率接近于零，具有一定铁磁性，居里点为230℃，磁性转变,称A0转变。铁碳相图3、石墨六方晶格，是灰口铸铁中的一个基本组成相，硬度低塑性几乎为零，用C或G表示。同一晶面碳原子间距0.142nm，层间距为0.34nm。长大时，层面的扩大快而层的加厚慢，导致其结晶形态通常发展成片状。特点为耐高温，可导电，有一定的润滑性，但其强度、硬度、塑性和韧性都极低。

二、Fe-Fe3C相图分析1、特性点温度、碳浓度及意义，液相线，固相线，5个单相区，7个两相区，3条水平线，2条磁性转变线。2、3条重要的固溶度曲线：GS、ES、PQ铁碳相图LB+δH=γJLC=γE+Fe3CγS=αP+Fe3C铁素体磁性转变线渗碳体磁性转变线γ→Fe3CⅡγ→αα→Fe3CⅢ铁碳相图铁碳相图三、铁碳合金及平衡结晶1、铁碳合金：液态结晶+固态重结晶据有无共晶分：碳钢（0.0218%~2.11%，不发生共晶转变），铸铁（2.11%~6.69%，发生共晶转变，白口铸铁—白口铁）。小于0.0218%，只发生同素异晶转变，称工业纯铁，强度低，少用作结构材料。据碳含量及组织特征分：铁碳相图铁碳相图2、平衡结晶（1）工业纯铁：0.01%铁碳相图铁碳相图（2）共析钢:0.77%最后共析转变生成珠光体第七节铁碳合金系相图之平衡冷却分析相转变过程组织转变过程LL+AP

第七节铁碳合金系相图之平衡冷却分析

共析转变全部生成共析组织，两相一般为层片状分布，组织为单一的珠光体。两相的重量比≈两相的厚度比≈8:1

铁碳相图

共析铁素体随温度下降，在共析铁素体与共析渗碳体的相界面上会析出Fe3CⅢ，其与共析渗碳体连在一起，显微镜下难分辨，且数量少，对珠光体组织和性能无明显影响，可忽略铁碳相图（3）亚共析钢：0.40%组织转变L－……－AF+AF+P

先共析铁素体和珠光体相组成含量：铁碳相图铁碳相图（4）过共析钢：1.2%组织转变：LL＋AAA＋Fe3CIIP＋Fe3CII铁碳相图

当w(C)=2.11%时二次渗碳体数量达最大值，为说明：脆性的渗碳体以网分隔了材料，所以材料的性能特点很脆，工程中使用并不希望出现这种组织。铁碳相图（5）亚共晶白口铸铁：3%第七节铁碳合金系相图之平衡冷却分析组织转变

LL＋AA＋LdA＋Fe3CII＋LdP＋Fe3CII＋L’d

铁碳相图从初晶奥氏体中析出Fe3CⅡ：铁碳相图（6）共晶白口铁：组织转变L(L＋Ld)LdL’dLd：莱氏体（γ+Fe3C）Ld`：低温莱氏体，珠光体+Fe3C+Fe3CⅡ，保持了高温莱氏体特征，只是组成物变化铁碳相图铁碳相图（7）过共晶白口铁：5.0%组织转变LL+Fe3CIFe3CI+LdFe3CI+L’d

铁碳相图Fe3C的形式一次渗碳体Fe3CI二次渗碳体Fe3CII

三次渗碳体Fe3CIII (共析)珠光体中(共晶)莱氏体中铁碳相图113114115123124126铁碳相图铁碳相图四、碳对铁碳合金组织与性能的影响1、碳对铁碳合金平衡组织的影响室温平衡组织：铁素体和渗碳体碳的变化造成合金组成相的相对含量发生变化，从而引起不同性质的结晶过程，最终生成不同组织：铁碳相图

碳的变化引起相组成物和组织组成物的数量变化及铁素体和渗碳体的形态与分布发生变化。（1）对铁素体的影响：碳很低时，铁素体为基体组织，在0.0218%~0.77%先共析铁素体是连续块状组织，近0.77%先共析铁素体沿奥氏体晶界呈网状分布，0.77%铁素体和渗碳体层状交替分布，所以碳含量越高，铁素体数量越少，至6.69%铁素体不存在。铁碳相图（2）对渗碳体的影响：小于0.0218%，铁素体中析出少量片状渗碳体（Fe3CⅢ），大于0.0218%就有层片状共析渗碳体和共析铁素体，含量随碳的增多而增多，到0.77%层片状珠光体，大于0.77%时奥氏体晶界析出网状二次渗碳体，网厚度随碳含量增加而增厚，直到2.11%；大于2.11%莱氏体中渗碳体为连续的基体组织，到4.3%是以渗碳体为基的共晶莱氏体，大于4.3%，结晶出粗大长条状的一次渗碳体。铁碳相图2、碳对机械性能的影响（1）塑性、韧性、硬度、强度：铁素体软而韧，渗碳体硬而脆。片状珠光体可提高材料的强度、硬度，所以珠光体越多，强度、硬度增大，0.77%时兼有铁素体和渗碳体的优点；高于0.77%渗碳体网状分布于珠光体边界，塑性、韧性下降；以渗碳体为基的低温莱氏体，塑性、韧性大大下降，强度也下降。铁碳相图

合金塑性由铁素体提供，白口铸铁脆性很大，强度很低，使用价值不大。（2）冲击韧性：对组织十分敏感，网状渗碳体出现后αk急降，所以在钢中不允许网状渗碳体存在。铁碳相图（3）硬度：对组织不敏感，取决于组成相的硬度和数量。工业用的铁合金要求具有足够的强度和适当的塑性及韧性。碳钢，普通低、中合金钢，含碳量一般要求小于1.3%。3、碳对工艺性能的影响（1）切削加工性：化学成分、组织结构、硬度、韧性及加工硬化程度等对切削加工性都有影响。碳的变化会改变化学成分、钢的组织结构。铁碳相图低碳钢：切削热较大，易粘刀，不易断屑，表面较粗糙，切削加工性不好。高碳钢：硬度高，刀具磨损严重，切削性能不好。中碳钢：适中，切削加工性能较好。常硬度在230HBS左右加工性能较好。渗碳体形态对钢的切削加工性能也有很大影响，过共析钢组织为片状渗碳体和二次渗碳体，加工性能差，经球化退火成粒状珠光体，就可大大提高切削加工性能。铁碳相图（2）可锻性：经受压力加工改变形状，但不产生裂纹的性能。碳含量增加，可锻性下降，单相奥氏体有良好可塑性，所以钢的始锻温度选在固相线以下100~200℃范围内，终锻温度不能过低，以免产生锻造裂纹，亚共析钢终锻温度控制在稍高于GS线（即A3线），过共析钢控制在稍高于PSK线（即A1线）。白口铸铁不可锻造。（3）铸造性：金属的流动性、收缩性和偏析。流动性：指液态金属充满铸型型腔的能力。影响因素——化学成分和浇铸温度铁碳相图碳含量增加，钢结晶温度间隔变大，流动性将逐渐变差，但液相线温度下降，当浇铸温度一样时，碳含量增加，液相线温度与钢液温度相差大，即过热度较大，对钢流动有利，起主导作用，所以碳含量增加钢液流动性增加，浇铸温度越高，流动性越好，当浇铸温度一定，过热度大，流动性增强。铸铁液相线比钢低得多，所以流动性总比钢好；亚共晶铸铁，碳含量增加结晶温度间隔下降，流动性增强；共晶铸铁结晶温度最低，流动性最好；过共晶铸铁，随碳增加，流动性下降。铁碳相图收缩性：熔体从浇铸温度冷至室温时，其体积和线尺寸减少的现象。是合金本身的物理性质，是产生缩孔、疏松、残余应力、变形和裂纹等缺陷的基本原因。影响主要因素——化学成分和浇铸温度。

对钢来说，浇铸温度一定时，碳含量增加，液态收缩增大，同时凝固温度范围变宽，凝固收缩也增大；化学成分一定，浇铸温度越高，液态收缩越大。铁碳相图晶内偏析：固相线与液相线水平距离和垂直距离越大，晶内偏析越严重。越接近共晶成分点，偏析越少；反之离共晶点越远，则偏析越严重。五、碳钢1、碳钢中的常存元素碳钢中的常存元素是指除Fe、C外，因冶金必然带来的材料中存在，且对性能有一定影响其他元素，在碳钢中一般指：

Si、Mn冶金时自然存在对性能无不利影响而保留

S、P冶金时难以彻底清除而存在于钢中一般钢中大致含量：Si0.25~0.30%Mn0.25~0.50%S<0.05%P<=0.0452、钢的冶炼过程对性能的影响(1)钢锭中的组织缺陷缩孔：大多材料凝固后体积收缩留下的空腔。力图让缩孔集中在冒口，可切去。

疏松：微小分散的收缩孔，树枝间或晶粒间凝固的封闭而得不到液体补充而留下得缺陷。轧制可减小或消除其部分不利的影响。气孔：凝固中未排出的气体在凝固体而形成的缺陷。气体的来源析出和反应型。夹杂物：与基体要求成分和组织都不相同多余颗粒，外来夹杂物有浇铸中冲入的其它固体物，如耐火材料、破碎铸模物等。成分偏析：成分不均匀叫做偏析。有宏观偏析和微观偏析第四节碳钢(2)常存元素对性能的影响磷：P可溶入铁素体，提高强度和硬度，但显著降低了塑性和韧性，特别是低温下会使性能恶化－－冷脆性。硫：S在钢中生成的FeS和Fe的共晶熔点仅988℃，在此温度以上工作和锻造时因晶界熔化而开列－－热脆。适量的S可改善钢的切削性能。硅：Si溶入铁素体，可提高强度和硬度。锰：Mn与S、C的结合力比Fe强，可生成MnS，塑性和熔点比FeS高，消除S的不利影响，但MnS会降低疲劳强度和断裂韧性，所以依然要控制含硫量。Si、Mn含量以自然出现为原则，人为专门加入组成合金钢。3、碳钢的分类按含碳量分：低碳钢WC

0.25％ 中碳钢0.25％<WC

0.6％ 高碳钢WC>0.6％按用途分：普碳钢普通碳素结构钢 碳结钢优质碳素结构钢 碳工钢碳素工具钢按质量分：普通碳素钢WP

0.045％WS

0.055％

优质碳素钢WP

0.040％WS

0.040％ 高级优质碳素钢WP

0.035％WS

0.030％冶炼方法：沸腾钢

半镇定钢镇定钢4、普通碳素结构钢牌号早期牌号：A1、A2、A3、……A7数字越大，强度越高，相应塑性就低一些。近代推荐：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275Q的含义为“屈”，数字为钢的屈服强度MPa。特点：检查标准为仅检查材料的力学性能，不考察其成分，大多为轧制的型材(钢板、圆、扁、管、角……)。钢厂出厂状态为热轧制后在空气中自然冷却(正火)。性能标准参阅GB700－88教材有择录用途：合适的强度，一定的塑性和韧性，价格较低，大量用于普通简单结构零件。5、优质碳素结构钢牌号08、08F、10、15、20、……45、50、……65数字为钢中C的含量(万分之几)基本范围，0.05％一档。对其中含S、P较低的优质钢后加字母A，如45A。特点：出厂检验要求保证化学成分为主，力学性能为辅助检验项目。钢厂出厂时保证碳的含量，为达到相应的力学性能指标，其他元素各厂有少量的差异。

性能标准参阅GB699－88教材有择录用途：优质碳素结构钢主要用来制造机器零件，一般都要热处理以提高其力学性能。随着C含量的增加，材料的强度和硬度愈高，塑性相应会降低。而以45钢附近的韧性较好。

此外，铸钢的成分参照相同标准，牌号ZGxxx－xxx，性能一般比钢厂标准略低，用于形状复杂性能要求较高的零件。6、碳素工具钢牌号T8、(T9)、T10、T10A、(T11)、T12、T12A、T13T的表示为“碳工钢”，数字为钢的含碳量(千分之几)。后缀A为低杂质的优质钢特点：钢厂出厂状态为热轧制后进行球化退火，组织为颗粒状的碳化物＋球化珠光体，可以直接进行机械加工。性能标准参阅GB1298－86用途：碳素工具钢经过热处理(淬火＋低温回火)后具有高的硬度，用来制造尺寸较小、简单量具，低速加工用的刃具和模具，如具锯、手工工具、木工工具、简单的冲压模具等。铁碳相图六、铁—石墨相图1、Fe-C相图点、线走向与Fe-Fe3C基本相同，只是某些特性点温度和含碳量略有不同。线条位于Fe-Fe3C相图上方，表明Fe-C更稳定，在极为缓慢冷却下，先通过Fe-C相图进135铁碳相图行结晶。液相线：ABC`D`，固相线：AHJE`C`F`。石墨代替渗碳体构成相应的相区，析出渗碳体的点线成为析出石墨，只是位置稍有变化。C`D`析出一次石墨，E`S`析出二次石墨，P`Q`析