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第3章二元合金相圖與鐵碳合金

本章目錄3.1二元合金相圖的建立及意義3.2二元合金相圖的基本類型3.3合金性能與相圖之間的關(guān)系3.4鐵碳合金的基本組織3.5Fe-Fe3C相圖3.6鋼鐵材料生產(chǎn)簡介3.7碳鋼2第3章二元合金相圖與鐵碳合金

3.1二元合金相圖的建立及意義3.1.1二元合金相圖的建立相——合金中具有同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)和原子聚集狀態(tài)、并以明顯的界面互相分開的、均勻的組成部分。相圖——表示合金系中合金的狀態(tài)與溫度、成分間的關(guān)系的圖解。

（1）二元相圖的表示方法純金屬相圖——用一條表示溫度的縱坐標(biāo)把其在不同溫度下的組織狀態(tài)表示出來，如圖3-1純銅的冷卻曲線及相圖。二元合金相圖——以溫度為縱坐標(biāo)、以合金成分為橫坐標(biāo)的平面圖，如圖3-2所示Cu-Ni合金相圖。33.1二元合金相圖的建立及意義3.1.1二元合3.1.1二元合金相圖的建立圖3-1純銅的冷卻曲線及相圖圖3-2Cu-Ni合金相圖43.1.1二元合金相圖的建立圖3-1純銅的冷卻曲線及相圖（2）二元相圖的建立方法以Cu-Ni二元合金系為例，說明應(yīng)用熱分析法測定其臨界點(diǎn)及繪制相圖的過程。1）配制一系列成分不同的Cu-Ni合金：①100%Cu；②80%Cu+20%Ni；③60%Cu+40%Ni；④40%Cu+60%Ni；⑤20%Cu+80%Ni；⑥100%Ni。2）用熱分析法測出所配制的各合金的冷卻曲線，如圖3-3a所示。3）找出各冷卻曲線上的臨界點(diǎn)，如圖3-3a所示。4）將各個(gè)合金的臨界點(diǎn)分別標(biāo)注在溫度—成分坐標(biāo)圖中相應(yīng)的合金線上。5）連接各相同意義的臨界點(diǎn)，所得的線稱為相界線。這樣就獲得了Cu-Ni合金相圖，如圖3-3b所示。這樣就獲得了Cu-Ni合金相圖，如圖3-3b所示。圖中各開始結(jié)晶溫度連成的相界線tALtB線稱為液相線，各終了結(jié)晶溫度連成的相界線tAαtB線稱為固相線。3.1.1二元合金相圖的建立5（2）二元相圖的建立方法3.1.1二元合金相圖的建立53.1.1二元合金相圖的建立圖3-3用熱分析法測定Cu-Ni合金相圖63.1.1二元合金相圖的建立圖3-3用熱分析法測定Cu-（3）相律按照熱力學(xué)條件，這種限制可用吉布斯相律表示，即：式中，f為體系的自由度數(shù)．它是指不影響體系平衡狀態(tài)的獨(dú)立可變參數(shù)（如溫度、壓力、濃度等）的數(shù)目；C為體系的組元數(shù)；P為相數(shù)。對于不含氣相的凝聚體系，壓力在通常范圍的變化對平衡的影響極小，一般可認(rèn)為是常量。因此相律可寫成下列形式：3.1.1二元合金相圖的建立7（3）相律3.1.1二元合金相圖的建立7（4）杠桿定律杠桿定律就是確定兩相區(qū)內(nèi)兩個(gè)組成相（平衡相）在某一溫度時(shí)兩相的成分以及相的相對量的重要法則。下面以Cu-Ni合金為例進(jìn)行說明。

圖3-4杠桿定律的證明圖3-5杠桿定律的力學(xué)比喻3.1.1二元合金相圖的建立8（4）杠桿定律圖3-4杠桿定律的證明圖3-5杠桿定律的力下面計(jì)算液相和固相在溫度t1時(shí)的相對含量。設(shè)合金的總質(zhì)量為1，液相的質(zhì)量為，固相的質(zhì)量為，則有此外，合金Ⅰ中的含鎳量等于液相和固相中鎳的含量之和，即由以上兩式可以得出

或3.1.1二元合金相圖的建立9下面計(jì)算液相和固相在溫度t1時(shí)的相對含量。設(shè)合金的總質(zhì)量為1如果將合金I成分C的r點(diǎn)看作支點(diǎn)，將和看作是作用于a和b的力（見圖3-5)，則按力學(xué)杠桿原理可得出：故稱為杠桿定律。據(jù)此可求得兩平衡相的相對量分別為：3.1.1二元合金相圖的建立10如果將合金I成分C的r點(diǎn)看作支點(diǎn)，將和看作是作用于a和b的力

建立和利用合金相圖，可以知道各種成分的合金在不同溫度下存在哪些相、各個(gè)相的成分及其相對含量。不同合金系的合金，在固態(tài)下具有不同的顯微組織，對于同一合金系的合金，由于合金的成分不同，以及所處的溫度不同，在固態(tài)下也會(huì)形成不同的顯微組織。相圖是研究合金中各種組織形成和變化規(guī)律的有效工具，也是生產(chǎn)實(shí)踐中正確制訂冶煉、鑄造、鍛壓、焊接、熱處理工藝的重要依據(jù)。掌握相圖的分析和使用方法，對于了解合金的化學(xué)成分、組織與性能之間的關(guān)系，以提高和改善合金的性能、研究和開發(fā)新的合金材料，具有重要的指導(dǎo)意義。3.1.2二元合金相圖的意義11建立和利用合金相圖，可以知道各種成分的合金在不同溫度下3.2二元合金相圖的基本類型3.2.1勻晶相圖及杠桿定律3.2.2共晶相圖3.2.3包晶相圖3.2.4具有共析反應(yīng)的相圖3.2.5含有穩(wěn)定化合物的相圖123.2二元合金相圖的基本類型3.2.1勻晶相圖及凡是二元合金系中兩組元在液態(tài)下可以任何比例均勻相互溶解，在固態(tài)下能形成無限固溶體時(shí)，其相圖屬于二元?jiǎng)蚓鄨D。例如Cu-Ni、Fe-Cr、Au-Ag等合金系都屬于這類相圖。由液相結(jié)晶出均一固相的過程就稱為勻晶轉(zhuǎn)變。下面就以Cu-Ni合金相圖為例，對勻晶相圖進(jìn)行分析。3.2.1勻晶相圖及杠桿定律圖3-6Cu-Ni合金相圖及典型合金平衡結(jié)晶過程分析13凡是二元合金系中兩組元在液態(tài)下可以任何比例均勻相互溶解，在固（1）相圖分析圖3-6a所示為Cu-Ni合金相圖，點(diǎn)——圖中tA=1083℃為純銅的熔點(diǎn)；tB=1455℃為純鎳的熔點(diǎn)。線——tAL3L2L1tB為液相線，代表各種成分的Cu-Ni合金在冷卻過程中開始結(jié)晶、或在加熱過程中熔化終了的溫度；tAα3α2α1tB為固相線，代表各種成分的合金冷卻過程中結(jié)晶終了、或在加熱過程中開始熔化的溫度。相區(qū)——液相線與固相線把整個(gè)相圖分為三個(gè)不同相區(qū)。在液相線以上是單相的液相區(qū)，合金處于液體狀態(tài)，以“L”表示；固相線以下是單相的固溶體區(qū)，合金處于固體狀態(tài)，為Cu與Ni組成的無限固溶體，以“α”表示；在液相線與固相線之間是液相+固相的兩相共存區(qū)，即結(jié)晶區(qū)，以“L+α”表示。3.2.1勻晶相圖及杠桿定律14（1）相圖分析3.2.1勻晶相圖及杠桿定律143.2.1勻晶相圖及杠桿定律（2）典型合金結(jié)晶過程分析現(xiàn)以含40%Ni的Cu-Ni合金為例，分析其結(jié)晶過程，如圖3-6b所示。由圖3-6a可見，該合金的合金線與相圖上液相線、固相線分別在t1、t3溫度時(shí)相交，這就是說，該合金是在t1溫度時(shí)開始結(jié)晶，在t3溫度時(shí)結(jié)晶結(jié)束。因此，當(dāng)合金自高溫液態(tài)緩慢冷卻到t1溫度時(shí)，開始從液相中結(jié)晶出α固溶體，隨著溫度的下降，α固溶體量不斷增多，剩余液相量不斷減少。直到溫度降到t3溫度時(shí)，合金結(jié)晶終了，獲得了Cu與Ni組成的α固溶體。圖3-7Cu-Ni合金固溶體的顯微組織圖3-7Cu-Ni合金固溶體的顯微組織153.2.1勻晶相圖及杠桿定律（2）典型合金結(jié)晶（3）杠桿定律的應(yīng)用如圖3-8中，任一含x%Ni的Cu-Ni合金，在t溫度時(shí)，液相成分為x1%Ni，固相成分為x2%Ni。在這一溫度下，已結(jié)晶出的固相α和剩余液相L的相對量分別是：3.2.1勻晶相圖及杠桿定律或圖3-8杠桿定律的應(yīng)用16（3）杠桿定律的應(yīng)用3.2.1勻晶相圖及杠桿定律或圖3-共晶轉(zhuǎn)變——二元合金系中，一定成分的液相，在一定溫度下同時(shí)結(jié)晶出兩種不相同的固相的轉(zhuǎn)變，稱為共晶轉(zhuǎn)變。二元共晶相圖——凡二元合金系中兩組元在液態(tài)下能完全互溶，在固態(tài)下形成兩種不同固相，并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的的相圖屬于二元共晶相圖。3.2.2二元共晶相圖17共晶轉(zhuǎn)變——二元合金系中，一定成分的液相，在一定溫度下同3（1）相圖分析①簡單共晶相圖在液態(tài)下能完全互溶，在固態(tài)下彼此互不溶解的共晶相圖，如圖3-9中A、B兩組元組成的二元相圖，稱為簡單共晶相圖。共晶轉(zhuǎn)變，其反應(yīng)式為：

3.2.2二元共晶相圖圖3-9簡單共晶相圖

LcA+Bt℃ 18（1）相圖分析3.2.2二元共晶相圖圖3-9簡單共晶相

②一般共晶相圖兩組元在液態(tài)下能完全互溶，在固態(tài)下互相有限溶解的共晶相圖，稱為一般共晶相圖。圖3-12是由A、B兩組元組成的一般共晶相圖。3.2.2二元共晶相圖圖3-12Pb-Sn合金相圖19②一般共晶相圖3.2.2二元共晶相圖圖3-12Pb-3.2.2二元共晶相圖圖3-14＜19.2%Sn的Sn--Pb組織(200×)圖3-13合金I的冷卻曲線及結(jié)晶過程（2）典型合金的結(jié)晶過程分析①含Sn量小于D點(diǎn)的合金的結(jié)晶過程（合金Ⅰ）合金Ⅰ含Sn量小于D點(diǎn)，其冷卻曲線及結(jié)晶過程如圖3-13所示。合金Ⅰ的室溫組織如圖3-14。203.2.2二元共晶相圖圖3-14＜19.2%Sn的Sn-3.2.2二元共晶相圖合金Ⅰ在室溫時(shí)，α與βⅡ的相對量，可用杠桿定律計(jì)算：

或α=（1-βⅡ）×100%213.2.2二元共晶相圖合金Ⅰ在室溫時(shí)，α與βⅡ的相對量，可②含Sn量為C點(diǎn)成分的合金的結(jié)晶過程（合金Ⅱ）共晶合金Ⅱ的冷卻曲線及結(jié)晶過程如圖3-15所示。

共晶合金Ⅱ的室溫組織應(yīng)為（αF+βG）共晶體，如圖3-16所示。

3.2.2二元共晶相圖圖3-15合金Ⅱ的冷卻曲線及結(jié)晶過程圖3-16Pb--Sn共晶合金的室溫組織(100×)22②含Sn量為C點(diǎn)成分的合金的結(jié)晶過程（合金Ⅱ）3.2.2合金Ⅱ共晶轉(zhuǎn)變的反應(yīng)式為：共晶體中αD與βE的相對量可用杠桿定律計(jì)算如下：βE=(1-αD)×100%≈54.6%3.2.2二元共晶相圖LcαD+βEt℃ 23合金Ⅱ共晶轉(zhuǎn)變的反應(yīng)式為：3.2.2二元共晶相圖Lc

③含Sn量在C、D點(diǎn)間的合金的結(jié)晶過程（合金Ⅲ）合金成分在C點(diǎn)與D點(diǎn)之間的合金，稱為亞共晶合金?，F(xiàn)以合金Ⅲ為例進(jìn)行分析。圖3-17為合金Ⅲ的冷卻曲線及結(jié)晶過程。3.2.2二元共晶相圖圖3-17合金Ⅲ的冷卻曲線及結(jié)晶過程圖3-18Pb--Sn亞共晶合金的室溫組織(100×)24③含Sn量在C、D點(diǎn)間的合金的結(jié)晶過程（合金Ⅲ）3.2.④含Sn量在C、E點(diǎn)間的合金的結(jié)晶過程（合金Ⅳ）合金成分C點(diǎn)與E點(diǎn)之間的合金稱為過共晶合金。現(xiàn)以合金Ⅳ為例進(jìn)行分析。圖3-19為合金的冷卻曲線及結(jié)晶過程。3.2.2二元共晶相圖圖3-20Pb--Sn過共晶合金的室溫組織(100×)圖3-19合金Ⅳ的冷卻曲線及結(jié)晶過程25④含Sn量在C、E點(diǎn)間的合金的結(jié)晶過程（合不同的合金中，由于形狀條件不同，各種相將以不同的數(shù)量、形狀、大小互相組合，而在顯微鏡下可觀察到不同的組織。以組織組成物填寫的Pb-Sn合金相圖如圖3-21所示。3.2.2二元共晶相圖圖3-21以組織組成物填寫的Pb-Sn合金相圖26不同的合金中，由于形狀條件不同，合金中相組成物和組織組成物的相對量，均可利用杠桿定律來計(jì)算。合金Ⅲ在183℃（共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束后）時(shí)由α、β兩相組成，其相對量為：合金Ⅲ在183℃（共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束后）時(shí)由初晶αD與共晶體（αD+βB）兩種組織組成物組成，其相對量為：可見，如合金成分已知，即可根據(jù)相圖，利用杠桿定律，分別計(jì)算出其相組成或組織組成物的相對量。3.2.2二元共晶相圖27合金中相組成物和組織組成物的相對量，均可

3.2.3包晶相圖在一定溫度下，由一定成分的固相與一定成分的液相作用，形成另一個(gè)一定成分的固相的轉(zhuǎn)變過程，稱之為包晶轉(zhuǎn)變或包晶反應(yīng)。兩組元在液態(tài)下相互無限互溶、在固態(tài)下相互有限溶解，并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的二元合金系相圖，稱為包晶相圖。

3.2.3包晶相圖圖3-22Pt-Ag合金相圖283.2.3包晶相圖3.2.3包晶相圖圖3-22Pt-

（1）相圖分析合金系中有三個(gè)相：液相L及固相α、β。其中α相是銀溶于鉑中的固溶體，β相是鉑溶于銀中的固溶體。三個(gè)單相區(qū)即L、α和β之間有三個(gè)兩相區(qū)，即L+α，L+β和α+β。兩相區(qū)之間還有一個(gè)三相共存的水平線，即PDC線。在水平線PDC上，液相L、固相α和β三相共存。處于P點(diǎn)與C點(diǎn)之間范圍內(nèi)的合金在此溫度都將發(fā)生三相平衡的包晶轉(zhuǎn)變。其轉(zhuǎn)變的反應(yīng)式為LC+αPβD包晶轉(zhuǎn)變的特征是：反應(yīng)相是一個(gè)液相和一個(gè)固相，其成分點(diǎn)位于水平線的兩端，所形成的固相位于水平線中間的下方。相圖中的D點(diǎn)稱為包晶點(diǎn)，D點(diǎn)所對應(yīng)的溫度（tD=1186℃。）稱為包晶溫度，PDC線稱為包晶線。3.2.3包晶相圖tD

29（1）相圖分析3.2.3包晶相圖tD 29

（2）典型合金的平衡結(jié)晶分析①含銀量為42.4％的Pt-Ag合金（合金Ⅰ，成分為D），其平衡結(jié)晶過程示意圖如圖3-23所示。3.2.3包晶相圖圖3-23合金Ⅰ的平衡結(jié)晶過程30（2）典型合金的平衡結(jié)晶分析3.2.3包晶相圖圖3-23合金Ⅰ發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變時(shí)，P點(diǎn)成分的α相與C點(diǎn)成分的液相的相對含量可分別由杠桿定律求出：3.2.3包晶相圖31合金Ⅰ發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變時(shí)，P點(diǎn)成分的α

②含銀量為10.5％～42.4％的Pt-Ag合金（合金Ⅱ）合金的平衡結(jié)晶過程示意圖如圖3-24所示。

3.2.3包晶相圖圖3-24合金Ⅱ的平衡結(jié)晶過程32②含銀量為10.5％～42.4％的Pt-Ag合金（合金Ⅱ）合金Ⅱ當(dāng)溫度降低至tD（2點(diǎn)）時(shí)，α相和液相L的成分分別為P點(diǎn)和C點(diǎn)，兩者的含量分別為3.2.3包晶相圖33合金Ⅱ當(dāng)溫度降低至tD（2點(diǎn)）時(shí)，α相和液相L的成

③含銀量為42.4％～66.3％的Pt-Ag合金（合金Ⅲ）合金的平衡結(jié)晶過程示意圖如圖3-25所示。圖3-25合金Ⅲ的平衡結(jié)晶過程3.2.3包晶相圖34③含銀量為42.4％～66.3％的Pt-Ag合金（合金Ⅲ

3.2.4具有共析反應(yīng)的相圖在一定溫度下，由一定成分的固相分解為另外兩個(gè)一定成分的固相的轉(zhuǎn)變過程，稱之為共析轉(zhuǎn)變或共析反應(yīng)。在相圖上，這種轉(zhuǎn)變與共晶轉(zhuǎn)變相似，都是由一個(gè)相分解為兩個(gè)相的三相恒溫轉(zhuǎn)變，三相成分點(diǎn)在相圖上的分布也一樣，反應(yīng)相成分分布在兩轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的中間。所不同的是共析轉(zhuǎn)變的反應(yīng)相是固相，而不是液相。例如Fe-Fe3C相圖（如圖3-32所示）上的PSK線即為共析線，S點(diǎn)是共析點(diǎn)，其反應(yīng)式為727℃γsαp+Fe3C由于是固相分解，其原子擴(kuò)散比較困難，容易產(chǎn)生較大的過冷，所以共析組織遠(yuǎn)比共晶組織細(xì)密。共析相變對合金的熱處理強(qiáng)化有重大意義，鋼鐵及鐵合金的熱處理就是建立在共析轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)上。共析相變及其特征將在下節(jié)鐵碳合金相圖中詳細(xì)介紹。3.2.4具有共析反應(yīng)的相圖727℃

353.2.4具有共析反應(yīng)的相圖3.2.4具有共析反應(yīng)的3.2.5含有穩(wěn)定化合物的相圖在某些二元系合金中，組元間可能形成一些穩(wěn)定的金屬化合物。穩(wěn)定化合物是指具有一定熔點(diǎn)，在熔點(diǎn)以下保持其固有結(jié)構(gòu)而不發(fā)生分解的化合物。Mg-Si二元合金相圖（如圖3-26)就是一種形成穩(wěn)定化合物的相圖。當(dāng)含硅量為36.6％時(shí)，Mg與Si形成穩(wěn)定的化合物Mg2Si，它具有一定的熔點(diǎn)，在熔點(diǎn)以下能保持其固有的結(jié)構(gòu)。圖3-26Mg-Si合金相圖363.2.5含有穩(wěn)定化合物的相圖在某些二元3.3合金性能與相圖之間的關(guān)系3.3合金性能與相圖之間的關(guān)系合金的性能取決于合金的化學(xué)成分和組織。在一定的條件下，一定成分的合金具有一定的組織，表現(xiàn)出一定的性能，因而相圖與合金的性質(zhì)必然存在一定的聯(lián)系。3.3.1合金的使用性能與相圖之間的關(guān)系合金的使用性能包括合金有力學(xué)性能、物理性能及其它性能等。圖3-28表示了各類合金的相圖和合金力學(xué)性能及物理性能之間的關(guān)系。373.3合金性能與相圖之間的關(guān)系3.3合金性能與相圖之間的圖3-28相圖與合金的硬度、強(qiáng)度及電導(dǎo)率之間的關(guān)系3.3.1合金的使用性能與相圖之間的關(guān)系38圖3-28相圖與合金的硬度、強(qiáng)度及電導(dǎo)率之間的關(guān)系3.3.13.3.2合金的工藝性能與相圖之間的關(guān)系3.3.2合金的工藝性能與相圖之間的關(guān)系圖3-29相圖與合金鑄造性能之間的關(guān)系393.3.2合金的工藝性能與相圖之間的關(guān)系3.3.2合金的3.4鐵碳合金的基本組織

由于鋼鐵材料的基本組元是鐵和碳，故統(tǒng)稱為鐵碳合金。鐵碳合金的基本組織有鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體和萊氏體。

(1)鐵素體概念：碳溶入α-Ｆe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用符號(hào)F表示。晶格：鐵素體仍具有α-Fe的體心立方晶格。溶解度：碳在α-Fe中的溶解度小，727℃時(shí)溶解度最大為0.0218%，室溫時(shí)幾乎位零。403.4鐵碳合金的基本組織由于鋼3.4鐵碳合金的基本組織性能：鐵素體的性能與純鐵相似，塑性、韌性好，而強(qiáng)度、硬度低。組織：多邊形晶粒。

（2）奧氏體概念：碳溶入γ-Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，用符號(hào)A表示。奧氏體存在于727℃以上。晶格：奧氏體具有γ-Fe的面心立方晶格。

413.4鐵碳合金的基本組織性能：鐵素體的性能與純鐵相似，塑

溶解度：γ-Fe的溶碳能力比α-Fe大，727℃時(shí)溶解度為0.77%，隨著溫度的升高，溶碳量增多，1148℃時(shí)其溶解度最大為2.11%。

性能：奧氏體的強(qiáng)度和硬度不高，塑性和韌性很好，易鍛壓成形。

組織：多邊形晶粒，晶粒內(nèi)有孿晶。3.4鐵碳合金的基本組織42溶解度：γ-Fe的溶碳能力比α-Fe大，727℃時(shí)溶解

（3）滲碳體概念：滲碳體是鐵和碳形成的一種具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的金屬化合物，用化學(xué)式Fe３C表示。性能：滲碳體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.69%，熔點(diǎn)為1227℃，硬度很高(800HBW)，塑性和韌性很低，脆性大。作用：滲碳體是鋼中主要的強(qiáng)化相，它的數(shù)量、形狀、大小及分布狀況對鋼的性能影響很大。3.4鐵碳合金的基本組織43（3）滲碳體3.4鐵碳合金的基本組織43

（4）珠光體概念：珠光體由鐵素體和滲碳體組成的多相組織，用符號(hào)P表示。成分與性能：珠光體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為0.77%，其性能介于鐵素體和滲碳體之間，即具有較高的強(qiáng)度和塑性，硬度適中。組織：在顯微鏡放大倍數(shù)較高時(shí)，能清楚地看到鐵素體和滲碳體呈片層狀交替排列的情況。由于珠光體中滲碳體量較鐵素體少，因此滲碳體層片較鐵素體層片薄。3.4鐵碳合金的基本組織44（4）珠光體3.4鐵碳合金的基本組織

（5）萊氏體

概念：碳含量為4.3%的液態(tài)鐵碳合金冷卻到1148℃時(shí)，同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的多相組織稱為萊氏體，用符號(hào)Ld表示。在727℃以下萊氏體變成由珠光體和滲碳體組成，稱為變態(tài)萊氏體，用符號(hào)Ld′表示。性能：萊氏體的性能與滲碳體相似，硬度很高，塑性很差。3.4鐵碳合金的基本組織45（5）萊氏體3.4鐵碳合金的基本組織453.5Fe-Fe3C相圖

鐵碳合金相圖是指在極其緩慢的加熱或冷卻的條件下，不同成分的鐵碳合金，在不同溫度下所具有的狀態(tài)或組織的圖形，是研究鐵碳合金成分、組織和性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)，也是選材、制定熱加工工藝及熱處理工藝的重要依據(jù)。463.5Fe-Fe3C相圖3.5.1相圖分析（1）相圖中的主要特性點(diǎn)

A點(diǎn)：純鐵的熔點(diǎn)C點(diǎn)：共晶點(diǎn)D點(diǎn)：滲碳體的熔點(diǎn)E點(diǎn)：碳在γ-Fe中的最大溶解度G點(diǎn)：純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)P點(diǎn)：碳在α-Fe中的最大溶解度S點(diǎn)：共析點(diǎn)Q點(diǎn)：碳在α-Fe中的溶解度3.5Fe-Fe3C相圖473.5.1相圖分析3.5Fe-Fe3C相圖47

（2）相圖中的主要特性線ACD線：液相線，在ACD線以上合金為液態(tài)，用符號(hào)L表示。液態(tài)合金冷卻到此線時(shí)開始結(jié)晶，在AC線以下結(jié)晶出奧氏體，在CD線以下結(jié)晶出滲碳體，稱為一次滲碳體（Fe３CⅠ）。AECF線：固相線，在此線以下合金為固態(tài)。液相線與固相線之間為合金的結(jié)晶區(qū)域，這個(gè)區(qū)域內(nèi)液體和固體共存。ECF線：共晶線，溫度為1148℃。液態(tài)合金冷卻到該線溫度時(shí)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變,即C點(diǎn)成分的液態(tài)合金緩慢冷卻到共晶溫度(1148℃)時(shí)，從液體中同時(shí)結(jié)晶出E點(diǎn)成分的奧氏體和滲碳體。共晶轉(zhuǎn)變后的產(chǎn)物稱為萊氏體，C點(diǎn)稱為共晶點(diǎn)。凡是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.11%～6.69%的鐵碳合金均會(huì)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。3.5Fe-Fe3C相圖48（2）相圖中的主要特性線3.5Fe-

PSK線：共析線，又稱A１線，溫度為727℃。鐵碳合金冷卻到該線溫度時(shí)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，即S點(diǎn)成分的奧氏體緩慢冷卻到共析溫度時(shí)，同時(shí)析出P點(diǎn)成分的鐵素體和滲碳體。轉(zhuǎn)變后的產(chǎn)物稱為珠光體，S點(diǎn)稱為共析點(diǎn)。凡是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0218%～6.69%的鐵碳合金均會(huì)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。ES線：碳在γ－Fe中的溶解度曲線，又稱Acm線。溶解度隨溫度的下降而減小，在1148℃時(shí)溶解度為2.11%(E點(diǎn))，到727℃時(shí)降為0.77%(S點(diǎn))。因此，凡碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.77%以上的鐵碳合金由1148℃冷卻到727℃的過程中，都有滲碳體從奧氏體中析出，稱為二次滲碳體（Fe３CⅡ）。GS線：又稱A3線。是冷卻時(shí)由奧氏體中析出鐵素體的開始線。3.5Fe-Fe3C相圖49PSK線：共析線，又稱A１線，溫度為727℃。

PQ線：碳在α-Fe中的溶解度曲線。碳在α-Fe中的溶解度隨溫度的下降而減小，在727℃時(shí)溶解度為0.0218%(P點(diǎn))，到600℃時(shí)降為0.008%(Q點(diǎn))。因此，鐵碳合金從727℃向下冷卻時(shí)，多余的碳從鐵素體中以滲碳體的形式析出，這種滲碳體稱為三次滲碳體。用符號(hào)Fe３CⅢ表示。因其數(shù)量極少，常予以忽略。

（3）相圖中的相區(qū)單相區(qū)：L、F、A、Fe3C。兩相區(qū)：L+A、L+Fe3C、F+A、A+Fe3C、F+Fe3C。三相區(qū)（三相平衡線）：ECF、PSK。3.5Fe-Fe3C相圖50PQ線：碳在α-Fe中的溶解度曲線。碳在α-Fe3.5.2鐵碳合金的分類513.5.2鐵碳合金的分類513.5.3典型鐵碳合金的結(jié)晶過程及組織

（1）共析鋼：室溫組織為珠光體(P)。

（2）亞共析鋼：室溫組織為鐵素體和珠光體(F+P)。隨著含碳量的增加，珠光體量增多，而鐵素體量減少。

523.5.3典型鐵碳合金的結(jié)晶過程及組織（1）共析鋼3.5.3典型鐵碳合金的結(jié)晶過程及組織（3）過共析鋼：室溫組織為珠光體和網(wǎng)狀二次滲碳體(P+Fe3CⅡ)。隨著合金中含碳量的增加，組織中網(wǎng)狀二次滲碳體的量增多。

（4）共晶白口鐵：共晶白口鐵的室溫組織為變態(tài)萊氏體(Ld′)。

533.5.3典型鐵碳合金的結(jié)晶過程及組織（3）過共析3.5.3典型鐵碳合金的結(jié)晶過程及組織（5）亞共晶白口鐵：室溫組織為珠光體、二次滲碳體和變態(tài)萊氏體(P+Fe3CⅡ+Ld′)。隨著含碳量的增加，組織中變態(tài)萊氏體量增多。

（6）過共晶白口鐵：室溫組織為一次滲碳體和變態(tài)萊氏體(Ld′+Fe3CⅠ)。隨著含碳量的增加，組織中一次滲碳體量增多。543.5.3典型鐵碳合金的結(jié)晶過程及組織（5）亞共3.5.4碳含量對鐵碳合金室溫平衡組織及力學(xué)性能的影響

（1）碳含量對室溫平衡組織的影響：不同成分的鐵碳合金室溫下均由鐵素體和滲碳體兩相組成。隨著含碳量的增加，滲碳體量增加，鐵素體量減小，而且滲碳體的形態(tài)和分布情況也發(fā)生變化。

（2）含碳量對力學(xué)性能的影響：鋼中滲碳體量愈多，其強(qiáng)度、硬度愈高，而塑性、韌性相應(yīng)降低。當(dāng)鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.9%時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大值，當(dāng)鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.9%時(shí)，強(qiáng)度也明顯下降。553.5.4碳含量對鐵碳合金室溫平衡組織及力學(xué)性能的影響3.5.5鐵碳相圖的應(yīng)用

（1）選材需要塑性、韌性好材料，應(yīng)選用低碳鋼；需要強(qiáng)度、塑性及韌性都較好的材料，應(yīng)選用中碳鋼；需要硬度高、耐磨性好的材料，應(yīng)選用高碳鋼。

（2）制訂熱加工工藝鐵碳相圖可作為制定鑄造、鍛造、焊接、熱處理等熱加工工藝的重要依據(jù)，如確定澆注溫度、確定鍛造溫度范圍及熱處理的加熱溫度等。563.5.5鐵碳相圖的應(yīng)用（1）選材563.6鋼鐵材料生產(chǎn)簡介

鋼鐵材料是工程實(shí)踐中應(yīng)用最廣泛的金屬材料，是現(xiàn)代工業(yè)特別是機(jī)械制造業(yè)的重要支柱。鋼鐵材料的生產(chǎn)過程，一般是由鋼鐵廠先用鐵礦石等原料經(jīng)過高爐冶煉成生鐵，再用生鐵或加入廢鋼等在煉鋼爐內(nèi)冶煉成鋼液，將鋼液澆注成鋼錠，最后通過軋制等壓力加工方法制成各種鋼材。

（1）煉鐵鐵是組成鐵碳合金的組元，是鋼鐵材料的基本組成元素。自然界中的鐵以各種化合物的形式存在，并同其他元素的化合物混合在一起形成礦石，煉鐵的過程實(shí)質(zhì)上就是將鐵從其化合物中還原出來，并同其他元素相分離的過程。573.6鋼鐵材料生產(chǎn)簡介鋼鐵3.6鋼鐵材料生產(chǎn)簡介

煉鐵的基本過程：煉鐵的主要原料是鐵礦石、燃料和熔劑。鐵礦石主要有赤鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦等；熔劑燃料主要是焦炭；熔劑主要是富含堿性氧化物的石灰石等。在煉鐵過程中要將鐵礦石、燃料和熔劑等爐料按照一定的比例加入到煉鐵高爐中，經(jīng)過一系列的冶煉過程即可得到鐵的系列產(chǎn)品。583.6鋼鐵材料生產(chǎn)簡介3.6鋼鐵材料生產(chǎn)簡介

煉鐵過程中所采用的燃料主要是焦炭。焦炭燃燒所產(chǎn)生的熱量為鉄的冶煉提供了所需的熱量；同時(shí)，高溫下的焦炭及其燃燒后生成的CO氣體還起到還原劑的作用，前者稱為直接還原，后者稱為間接還原。高爐煉鐵時(shí)，高溫焦炭和CO不斷地把鐵從鐵礦石中還原出來，并將碳滲入鐵中，同時(shí)爐料中的Si、Mn、S、P等雜質(zhì)元素也會(huì)溶入鐵中，形成的最終產(chǎn)品稱為生鐵。高爐煉鐵的主要產(chǎn)品為生鐵，根據(jù)生鐵中硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同可將其分為煉鋼生鐵和鑄造生鐵兩類。高爐冶煉的副產(chǎn)品主要有爐渣和高爐煤氣。爐渣是制造水泥的主要原料；高爐煤氣經(jīng)過凈化處理后可作為氣體燃料使用。593.6鋼鐵材料生產(chǎn)簡介煉鐵過程中所采用的燃料主要是焦3.6鋼鐵材料生產(chǎn)簡介

（2）煉鋼煉鋼的實(shí)質(zhì)就是利用氧化和脫氧的方法，清除生鐵中多余的C以及Si、Mn、S、P等雜質(zhì)元素，使化學(xué)成分達(dá)到鋼標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的基本要求，從而獲得所需的性能。目前，主要的煉鋼方法有轉(zhuǎn)爐煉鋼法和電爐煉鋼法。在煉鋼的脫氧過程中，通過控制脫氧劑的種類和加入量可以控制鋼的脫氧程度，通常根據(jù)鋼的脫氧程度不同可將其分為鎮(zhèn)靜鋼、沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜鋼三種。

在煉鋼過程完成后，通常將其澆注成鋼錠或鋼坯，以便進(jìn)行加工和使用。

603.6鋼鐵材料生產(chǎn)簡介（2）煉鋼3.6鋼鐵材料生產(chǎn)簡介

（3）鋼材生產(chǎn)

型材和板材：在實(shí)際生產(chǎn)中，通常是將鋼錠通過一系列軋機(jī)軋制成型材和板材進(jìn)行使用。若軋機(jī)的軋輥設(shè)計(jì)為光滑的表面，軋制出的產(chǎn)品為鋼板或鋼帶；若軋機(jī)的軋輥上存在各種孔型，則軋制出的產(chǎn)品即為各種型材。

613.6鋼鐵材料生產(chǎn)簡介（3）鋼材3.6鋼鐵材料生產(chǎn)簡介

（3）鋼材生產(chǎn)

管材：根據(jù)管材的形成方法不同，可將其分為有縫管材和無縫管材兩種。通過成型輥將鋼帶彎成管形，再通過焊接輥焊接成形的管材稱為有縫管材或焊縫管材；先用斜軋穿孔機(jī)在實(shí)心管坯上進(jìn)行穿孔，再通過后期的特殊軋制形成所需尺寸的管材稱為無縫管材。623.6鋼鐵材料生產(chǎn)簡介（3）3.6鋼鐵材料生產(chǎn)簡介

（3）鋼材生產(chǎn)

線材：直徑在6mm以下的線材多采用拉絲機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)，使坯料通過一個(gè)帶漏斗形模孔的拉絲模具，在拉力作用下拉拔成所需尺寸的線材。在拉拔過程中金屬材料會(huì)產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，通常采用中間的再結(jié)晶退火使之軟化，以便進(jìn)行下次的拉拔加工。

633.6鋼鐵材料生產(chǎn)簡介（3）3.7碳鋼

碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2.11%,并且含有少量的錳、硅、硫、磷等雜質(zhì)元素的鐵碳合金稱為碳素鋼，簡稱碳鋼。其中，硅和錳是有益元素，而硫和磷是有害元素。

（1）碳鋼的分類①根據(jù)鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同可分為：低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼三類。低碳鋼：碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于或等于0.25%；中碳鋼：碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25～0.60%；高碳鋼：碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.60%。②根據(jù)鋼中有害雜質(zhì)元素硫、磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的多少可分為三類：普通質(zhì)量鋼；優(yōu)質(zhì)鋼；高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼。643.7碳鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2.11%,

③根據(jù)鋼的用途不同可分為：碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼和碳素鑄鋼三類。

碳素結(jié)構(gòu)鋼：主要用于制造工程結(jié)構(gòu)和各種機(jī)械零件。

碳素工具鋼：主要用于制造各種刃具、模具和量具。

碳素鑄鋼：主要用于制作形狀復(fù)雜、難以用鍛壓等方法成形的鑄鋼件。

3.7碳鋼65③根據(jù)鋼的用途不同可分為：碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工

(2)碳鋼的牌號(hào)、性能及用途

①碳素結(jié)構(gòu)鋼：碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)由代表鋼材屈服點(diǎn)的字母、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)、脫氧方法符號(hào)四部分按順序組成。其中質(zhì)量等級(jí)共有四級(jí)，分別用A、B、C、D表示?！癋”表示沸騰鋼；“b”表示半鎮(zhèn)靜鋼；“Z”表示鎮(zhèn)靜鋼；“TZ”表示特殊鎮(zhèn)靜鋼，在鋼號(hào)中“Z”和“TZ”符號(hào)可省略。例如：Q235-A·F，牌號(hào)中“Q”代表屈服點(diǎn)“屈”字的漢語拼音首位字母，“235”表示屈服點(diǎn)σS≥235MPa，“A”表示質(zhì)量等級(jí)為A級(jí)，“F”表示沸騰鋼(冶煉時(shí)脫氧不完全)。3.7碳鋼66(2)碳鋼的牌號(hào)、性能及用途3.7碳鋼6

常用鋼及應(yīng)用：

Q195、Q215、Q235屬低碳鋼，有良好的塑性和焊接性能，并具有一定的強(qiáng)度，通常軋制成型材、板材和焊接鋼管等用于橋梁、建筑工程結(jié)構(gòu)，在機(jī)械制造中用作受力不大的零件，如螺釘、螺帽、墊圈、地腳螺釘、法蘭以及不太重要的軸、拉桿等，其中以Q235應(yīng)用最廣。Q235C、Q235D質(zhì)量好，用作重要的焊接結(jié)構(gòu)件。Q255、Q275強(qiáng)度較高，可用作受力較大的機(jī)械零件。碳素結(jié)構(gòu)鋼一般不進(jìn)行熱處理，以供應(yīng)狀態(tài)直接使用。但也可根據(jù)需要進(jìn)行熱加工和熱處理。

3.7碳鋼67常用鋼及應(yīng)用：3.7碳

②優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼其牌號(hào)用兩位數(shù)字表示，表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬倍數(shù)。例如45鋼，表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45%。若鋼中錳的含量較高，則在兩位數(shù)字后面加錳元素的符號(hào)“Mn”。例如65Mn鋼，表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.65%，含錳量較高(為0.9%~1.2%)。若為沸騰鋼，在兩位數(shù)字后面加符號(hào)“F”，例如08F鋼。

08F鋼：是一種含碳量很低的沸騰鋼，強(qiáng)度很低，塑性很好。一般由鋼廠軋成薄鋼板或鋼帶供應(yīng)。主要用于制造冷沖壓件，如外殼、容器、罩子等。

3.7碳鋼68②優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼3.7碳鋼68

10~25鋼：屬低碳鋼，強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性好，并具有良好的冷沖壓性能和焊接性能。常用于制造冷沖壓件和焊接構(gòu)件，以及受力不大、韌性要求高的機(jī)械零件，如螺栓、螺釘、螺母、軸套、法蘭盤、焊接容器等。還可用作尺寸不大，形狀簡單的滲碳件。

30~55鋼：屬中碳鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，具有良好的綜合力學(xué)性能，主要用于制造齒輪、連桿、軸類零件等，其中以45鋼應(yīng)用最廣。

60、65鋼：屬高碳鋼，經(jīng)適當(dāng)熱處理后，有較高的強(qiáng)度和彈性，主要用于制作彈性零件和耐磨零件，如彈簧、彈簧墊圈、軋輥等。3.7碳鋼6910~25鋼：屬低碳鋼，強(qiáng)度、

③碳素工具鋼質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.65%~1.35%。根據(jù)有害雜質(zhì)硫、磷含量的多少不同又分為優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼(簡稱為碳素工具鋼)和高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼兩類。碳素工具鋼的牌號(hào)冠以“碳”的漢語拼音字母“T”，后面加數(shù)字表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千倍數(shù)，如為高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，則在后面再加上“A”。例如T8鋼表示平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。T10A鋼表示平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。

3.7碳鋼70③碳素工具鋼3.7碳鋼70

常用鋼及其應(yīng)用：T7、T8鋼適于制造承受一定沖擊而要求韌性較高的工具，如大錘、沖頭、鑿子、木工工具、剪刀等。T9、T10、T11鋼用于制造沖擊較小而要求高硬度和較高耐磨性的工具，如絲錐、板牙、小鉆頭、冷沖模、手工鋸條等。T12、T13鋼的硬度和耐磨性很高，韌性較差，用于制造不受沖擊的工具，如銼刀、刮刀、剃刀、量具等。3.7碳鋼71常用鋼及其應(yīng)用：3.7碳鋼71

④碳素鑄鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.15~0.6%。其牌號(hào)用“鑄鋼”兩字漢語拼音的第一個(gè)字母“ZG”，后面加兩組數(shù)字表示，第一組表示最小屈服強(qiáng)度值，第二組表示最小抗拉強(qiáng)度值。例如，ZG310-570表示最小屈服強(qiáng)度為310MPa，最小抗拉強(qiáng)度為570MPa的鑄鋼。ZG200-400：有良好的塑性、韌性和焊接性。用于受力不大、要求韌性好的各種機(jī)械零件，如機(jī)座、變速箱殼電。

3.7碳鋼72④碳素鑄鋼3.7碳鋼7

ZG230-450：有一定的強(qiáng)度和較好的塑性、韌性，焊接性良好。用于受力不大、要求韌性好的各種機(jī)械零件，如砧座、外殼、軸承蓋、底板、閥體、犁柱等。

ZG270-500：有較高的強(qiáng)度和較好的塑性，鑄造性良好，焊接性尚好，切削性好。用作軋鋼鋼機(jī)機(jī)架、軸承座、連桿、箱本、曲軸、缸體等。

ZG310-570：強(qiáng)度和切削性良好，塑性、韌性較低。用于載荷較高的零件，如大齒輪、缸體、制動(dòng)輪、輥?zhàn)拥取?/p>

ZG340-640：有高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，切削性好，焊接性較差，流動(dòng)性好，裂紋敏感性大。用作齒輪、棘輪等。3.7碳鋼73ZG230-450：有一定的強(qiáng)度和較好的塑性、

機(jī)械工程材料MechanicalEngineeringMaterials74機(jī)械工程材料MechanicalEngineerin

第3章二元合金相圖與鐵碳合金

本章目錄3.1二元合金相圖的建立及意義3.2二元合金相圖的基本類型3.3合金性能與相圖之間的關(guān)系3.4鐵碳合金的基本組織3.5Fe-Fe3C相圖3.6鋼鐵材料生產(chǎn)簡介3.7碳鋼75第3章二元合金相圖與鐵碳合金

3.1二元合金相圖的建立及意義3.1.1二元合金相圖的建立相——合金中具有同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)和原子聚集狀態(tài)、并以明顯的界面互相分開的、均勻的組成部分。相圖——表示合金系中合金的狀態(tài)與溫度、成分間的關(guān)系的圖解。

（1）二元相圖的表示方法純金屬相圖——用一條表示溫度的縱坐標(biāo)把其在不同溫度下的組織狀態(tài)表示出來，如圖3-1純銅的冷卻曲線及相圖。二元合金相圖——以溫度為縱坐標(biāo)、以合金成分為橫坐標(biāo)的平面圖，如圖3-2所示Cu-Ni合金相圖。763.1二元合金相圖的建立及意義3.1.1二元合3.1.1二元合金相圖的建立圖3-1純銅的冷卻曲線及相圖圖3-2Cu-Ni合金相圖773.1.1二元合金相圖的建立圖3-1純銅的冷卻曲線及相圖（2）二元相圖的建立方法以Cu-Ni二元合金系為例，說明應(yīng)用熱分析法測定其臨界點(diǎn)及繪制相圖的過程。1）配制一系列成分不同的Cu-Ni合金：①100%Cu；②80%Cu+20%Ni；③60%Cu+40%Ni；④40%Cu+60%Ni；⑤20%Cu+80%Ni；⑥100%Ni。2）用熱分析法測出所配制的各合金的冷卻曲線，如圖3-3a所示。3）找出各冷卻曲線上的臨界點(diǎn)，如圖3-3a所示。4）將各個(gè)合金的臨界點(diǎn)分別標(biāo)注在溫度—成分坐標(biāo)圖中相應(yīng)的合金線上。5）連接各相同意義的臨界點(diǎn)，所得的線稱為相界線。這樣就獲得了Cu-Ni合金相圖，如圖3-3b所示。這樣就獲得了Cu-Ni合金相圖，如圖3-3b所示。圖中各開始結(jié)晶溫度連成的相界線tALtB線稱為液相線，各終了結(jié)晶溫度連成的相界線tAαtB線稱為固相線。3.1.1二元合金相圖的建立78（2）二元相圖的建立方法3.1.1二元合金相圖的建立53.1.1二元合金相圖的建立圖3-3用熱分析法測定Cu-Ni合金相圖793.1.1二元合金相圖的建立圖3-3用熱分析法測定Cu-（3）相律按照熱力學(xué)條件，這種限制可用吉布斯相律表示，即：式中，f為體系的自由度數(shù)．它是指不影響體系平衡狀態(tài)的獨(dú)立可變參數(shù)（如溫度、壓力、濃度等）的數(shù)目；C為體系的組元數(shù)；P為相數(shù)。對于不含氣相的凝聚體系，壓力在通常范圍的變化對平衡的影響極小，一般可認(rèn)為是常量。因此相律可寫成下列形式：3.1.1二元合金相圖的建立80（3）相律3.1.1二元合金相圖的建立7（4）杠桿定律杠桿定律就是確定兩相區(qū)內(nèi)兩個(gè)組成相（平衡相）在某一溫度時(shí)兩相的成分以及相的相對量的重要法則。下面以Cu-Ni合金為例進(jìn)行說明。

圖3-4杠桿定律的證明圖3-5杠桿定律的力學(xué)比喻3.1.1二元合金相圖的建立81（4）杠桿定律圖3-4杠桿定律的證明圖3-5杠桿定律的力下面計(jì)算液相和固相在溫度t1時(shí)的相對含量。設(shè)合金的總質(zhì)量為1，液相的質(zhì)量為，固相的質(zhì)量為，則有此外，合金Ⅰ中的含鎳量等于液相和固相中鎳的含量之和，即由以上兩式可以得出

或3.1.1二元合金相圖的建立82下面計(jì)算液相和固相在溫度t1時(shí)的相對含量。設(shè)合金的總質(zhì)量為1如果將合金I成分C的r點(diǎn)看作支點(diǎn)，將和看作是作用于a和b的力（見圖3-5)，則按力學(xué)杠桿原理可得出：故稱為杠桿定律。據(jù)此可求得兩平衡相的相對量分別為：3.1.1二元合金相圖的建立83如果將合金I成分C的r點(diǎn)看作支點(diǎn)，將和看作是作用于a和b的力

建立和利用合金相圖，可以知道各種成分的合金在不同溫度下存在哪些相、各個(gè)相的成分及其相對含量。不同合金系的合金，在固態(tài)下具有不同的顯微組織，對于同一合金系的合金，由于合金的成分不同，以及所處的溫度不同，在固態(tài)下也會(huì)形成不同的顯微組織。相圖是研究合金中各種組織形成和變化規(guī)律的有效工具，也是生產(chǎn)實(shí)踐中正確制訂冶煉、鑄造、鍛壓、焊接、熱處理工藝的重要依據(jù)。掌握相圖的分析和使用方法，對于了解合金的化學(xué)成分、組織與性能之間的關(guān)系，以提高和改善合金的性能、研究和開發(fā)新的合金材料，具有重要的指導(dǎo)意義。3.1.2二元合金相圖的意義84建立和利用合金相圖，可以知道各種成分的合金在不同溫度下3.2二元合金相圖的基本類型3.2.1勻晶相圖及杠桿定律3.2.2共晶相圖3.2.3包晶相圖3.2.4具有共析反應(yīng)的相圖3.2.5含有穩(wěn)定化合物的相圖853.2二元合金相圖的基本類型3.2.1勻晶相圖及凡是二元合金系中兩組元在液態(tài)下可以任何比例均勻相互溶解，在固態(tài)下能形成無限固溶體時(shí)，其相圖屬于二元?jiǎng)蚓鄨D。例如Cu-Ni、Fe-Cr、Au-Ag等合金系都屬于這類相圖。由液相結(jié)晶出均一固相的過程就稱為勻晶轉(zhuǎn)變。下面就以Cu-Ni合金相圖為例，對勻晶相圖進(jìn)行分析。3.2.1勻晶相圖及杠桿定律圖3-6Cu-Ni合金相圖及典型合金平衡結(jié)晶過程分析86凡是二元合金系中兩組元在液態(tài)下可以任何比例均勻相互溶解，在固（1）相圖分析圖3-6a所示為Cu-Ni合金相圖，點(diǎn)——圖中tA=1083℃為純銅的熔點(diǎn)；tB=1455℃為純鎳的熔點(diǎn)。線——tAL3L2L1tB為液相線，代表各種成分的Cu-Ni合金在冷卻過程中開始結(jié)晶、或在加熱過程中熔化終了的溫度；tAα3α2α1tB為固相線，代表各種成分的合金冷卻過程中結(jié)晶終了、或在加熱過程中開始熔化的溫度。相區(qū)——液相線與固相線把整個(gè)相圖分為三個(gè)不同相區(qū)。在液相線以上是單相的液相區(qū)，合金處于液體狀態(tài)，以“L”表示；固相線以下是單相的固溶體區(qū)，合金處于固體狀態(tài)，為Cu與Ni組成的無限固溶體，以“α”表示；在液相線與固相線之間是液相+固相的兩相共存區(qū)，即結(jié)晶區(qū)，以“L+α”表示。3.2.1勻晶相圖及杠桿定律87（1）相圖分析3.2.1勻晶相圖及杠桿定律143.2.1勻晶相圖及杠桿定律（2）典型合金結(jié)晶過程分析現(xiàn)以含40%Ni的Cu-Ni合金為例，分析其結(jié)晶過程，如圖3-6b所示。由圖3-6a可見，該合金的合金線與相圖上液相線、固相線分別在t1、t3溫度時(shí)相交，這就是說，該合金是在t1溫度時(shí)開始結(jié)晶，在t3溫度時(shí)結(jié)晶結(jié)束。因此，當(dāng)合金自高溫液態(tài)緩慢冷卻到t1溫度時(shí)，開始從液相中結(jié)晶出α固溶體，隨著溫度的下降，α固溶體量不斷增多，剩余液相量不斷減少。直到溫度降到t3溫度時(shí)，合金結(jié)晶終了，獲得了Cu與Ni組成的α固溶體。圖3-7Cu-Ni合金固溶體的顯微組織圖3-7Cu-Ni合金固溶體的顯微組織883.2.1勻晶相圖及杠桿定律（2）典型合金結(jié)晶（3）杠桿定律的應(yīng)用如圖3-8中，任一含x%Ni的Cu-Ni合金，在t溫度時(shí)，液相成分為x1%Ni，固相成分為x2%Ni。在這一溫度下，已結(jié)晶出的固相α和剩余液相L的相對量分別是：3.2.1勻晶相圖及杠桿定律或圖3-8杠桿定律的應(yīng)用89（3）杠桿定律的應(yīng)用3.2.1勻晶相圖及杠桿定律或圖3-共晶轉(zhuǎn)變——二元合金系中，一定成分的液相，在一定溫度下同時(shí)結(jié)晶出兩種不相同的固相的轉(zhuǎn)變，稱為共晶轉(zhuǎn)變。二元共晶相圖——凡二元合金系中兩組元在液態(tài)下能完全互溶，在固態(tài)下形成兩種不同固相，并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的的相圖屬于二元共晶相圖。3.2.2二元共晶相圖90共晶轉(zhuǎn)變——二元合金系中，一定成分的液相，在一定溫度下同3（1）相圖分析①簡單共晶相圖在液態(tài)下能完全互溶，在固態(tài)下彼此互不溶解的共晶相圖，如圖3-9中A、B兩組元組成的二元相圖，稱為簡單共晶相圖。共晶轉(zhuǎn)變，其反應(yīng)式為：

3.2.2二元共晶相圖圖3-9簡單共晶相圖

LcA+Bt℃ 91（1）相圖分析3.2.2二元共晶相圖圖3-9簡單共晶相

②一般共晶相圖兩組元在液態(tài)下能完全互溶，在固態(tài)下互相有限溶解的共晶相圖，稱為一般共晶相圖。圖3-12是由A、B兩組元組成的一般共晶相圖。3.2.2二元共晶相圖圖3-12Pb-Sn合金相圖92②一般共晶相圖3.2.2二元共晶相圖圖3-12Pb-3.2.2二元共晶相圖圖3-14＜19.2%Sn的Sn--Pb組織(200×)圖3-13合金I的冷卻曲線及結(jié)晶過程（2）典型合金的結(jié)晶過程分析①含Sn量小于D點(diǎn)的合金的結(jié)晶過程（合金Ⅰ）合金Ⅰ含Sn量小于D點(diǎn)，其冷卻曲線及結(jié)晶過程如圖3-13所示。合金Ⅰ的室溫組織如圖3-14。933.2.2二元共晶相圖圖3-14＜19.2%Sn的Sn-3.2.2二元共晶相圖合金Ⅰ在室溫時(shí)，α與βⅡ的相對量，可用杠桿定律計(jì)算：

或α=（1-βⅡ）×100%943.2.2二元共晶相圖合金Ⅰ在室溫時(shí)，α與βⅡ的相對量，可②含Sn量為C點(diǎn)成分的合金的結(jié)晶過程（合金Ⅱ）共晶合金Ⅱ的冷卻曲線及結(jié)晶過程如圖3-15所示。

共晶合金Ⅱ的室溫組織應(yīng)為（αF+βG）共晶體，如圖3-16所示。

3.2.2二元共晶相圖圖3-15合金Ⅱ的冷卻曲線及結(jié)晶過程圖3-16Pb--Sn共晶合金的室溫組織(100×)95②含Sn量為C點(diǎn)成分的合金的結(jié)晶過程（合金Ⅱ）3.2.2合金Ⅱ共晶轉(zhuǎn)變的反應(yīng)式為：共晶體中αD與βE的相對量可用杠桿定律計(jì)算如下：βE=(1-αD)×100%≈54.6%3.2.2二元共晶相圖LcαD+βEt℃ 96合金Ⅱ共晶轉(zhuǎn)變的反應(yīng)式為：3.2.2二元共晶相圖Lc

③含Sn量在C、D點(diǎn)間的合金的結(jié)晶過程（合金Ⅲ）合金成分在C點(diǎn)與D點(diǎn)之間的合金，稱為亞共晶合金?，F(xiàn)以合金Ⅲ為例進(jìn)行分析。圖3-17為合金Ⅲ的冷卻曲線及結(jié)晶過程。3.2.2二元共晶相圖圖3-17合金Ⅲ的冷卻曲線及結(jié)晶過程圖3-18Pb--Sn亞共晶合金的室溫組織(100×)97③含Sn量在C、D點(diǎn)間的合金的結(jié)晶過程（合金Ⅲ）3.2.④含Sn量在C、E點(diǎn)間的合金的結(jié)晶過程（合金Ⅳ）合金成分C點(diǎn)與E點(diǎn)之間的合金稱為過共晶合金。現(xiàn)以合金Ⅳ為例進(jìn)行分析。圖3-19為合金的冷卻曲線及結(jié)晶過程。3.2.2二元共晶相圖圖3-20Pb--Sn過共晶合金的室溫組織(100×)圖3-19合金Ⅳ的冷卻曲線及結(jié)晶過程98④含Sn量在C、E點(diǎn)間的合金的結(jié)晶過程（合不同的合金中，由于形狀條件不同，各種相將以不同的數(shù)量、形狀、大小互相組合，而在顯微鏡下可觀察到不同的組織。以組織組成物填寫的Pb-Sn合金相圖如圖3-21所示。3.2.2二元共晶相圖圖3-21以組織組成物填寫的Pb-Sn合金相圖99不同的合金中，由于形狀條件不同，合金中相組成物和組織組成物的相對量，均可利用杠桿定律來計(jì)算。合金Ⅲ在183℃（共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束后）時(shí)由α、β兩相組成，其相對量為：合金Ⅲ在183℃（共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束后）時(shí)由初晶αD與共晶體（αD+βB）兩種組織組成物組成，其相對量為：可見，如合金成分已知，即可根據(jù)相圖，利用杠桿定律，分別計(jì)算出其相組成或組織組成物的相對量。3.2.2二元共晶相圖100合金中相組成物和組織組成物的相對量，均可

3.2.3包晶相圖在一定溫度下，由一定成分的固相與一定成分的液相作用，形成另一個(gè)一定成分的固相的轉(zhuǎn)變過程，稱之為包晶轉(zhuǎn)變或包晶反應(yīng)。兩組元在液態(tài)下相互無限互溶、在固態(tài)下相互有限溶解，并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的二元合金系相圖，稱為包晶相圖。

3.2.3包晶相圖圖3-22Pt-Ag合金相圖1013.2.3包晶相圖3.2.3包晶相圖圖3-22Pt-

（1）相圖分析合金系中有三個(gè)相：液相L及固相α、β。其中α相是銀溶于鉑中的固溶體，β相是鉑溶于銀中的固溶體。三個(gè)單相區(qū)即L、α和β之間有三個(gè)兩相區(qū)，即L+α，L+β和α+β。兩相區(qū)之間還有一個(gè)三相共存的水平線，即PDC線。在水平線PDC上，液相L、固相α和β三相共存。處于P點(diǎn)與C點(diǎn)之間范圍內(nèi)的合金在此溫度都將發(fā)生三相平衡的包晶轉(zhuǎn)變。其轉(zhuǎn)變的反應(yīng)式為LC+αPβD包晶轉(zhuǎn)變的特征是：反應(yīng)相是一個(gè)液相和一個(gè)固相，其成分點(diǎn)位于水平線的兩端，所形成的固相位于水平線中間的下方。相圖中的D點(diǎn)稱為包晶點(diǎn)，D點(diǎn)所對應(yīng)的溫度（tD=1186℃。）稱為包晶溫度，PDC線稱為包晶線。3.2.3包晶相圖tD

102（1）相圖分析3.2.3包晶相圖tD 29

（2）典型合金的平衡結(jié)晶分析①含銀量為42.4％的Pt-Ag合金（合金Ⅰ，成分為D），其平衡結(jié)晶過程示意圖如圖3-23所示。3.2.3包晶相圖圖3-23合金Ⅰ的平衡結(jié)晶過程103（2）典型合金的平衡結(jié)晶分析3.2.3包晶相圖圖3-23合金Ⅰ發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變時(shí)，P點(diǎn)成分的α相與C點(diǎn)成分的液相的相對含量可分別由杠桿定律求出：3.2.3包晶相圖104合金Ⅰ發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變時(shí)，P點(diǎn)成分的α

②含銀量為10.5％～42.4％的Pt-Ag合金（合金Ⅱ）合金的平衡結(jié)晶過程示意圖如圖3-24所示。

3.2.3包晶相圖圖3-24合金Ⅱ的平衡結(jié)晶過程105②含銀量為10.5％～42.4％的Pt-Ag合金（合金Ⅱ）合金Ⅱ當(dāng)溫度降低至tD（2點(diǎn)）時(shí)，α相和液相L的成分分別為P點(diǎn)和C點(diǎn)，兩者的含量分別為3.2.3包晶相圖106合金Ⅱ當(dāng)溫度降低至tD（2點(diǎn)）時(shí)，α相和液相L的成

③含銀量為42.4％～66.3％的Pt-Ag合金（合金Ⅲ）合金的平衡結(jié)晶過程示意圖如圖3-25所示。圖3-25合金Ⅲ的平衡結(jié)晶過程3.2.3包晶相圖107③含銀量為42.4％～66.3％的Pt-Ag合金（合金Ⅲ

3.2.4具有共析反應(yīng)的相圖在一定溫度下，由一定成分的固相分解為另外兩個(gè)一定成分的固相的轉(zhuǎn)變過程，稱之為共析轉(zhuǎn)變或共析反應(yīng)。在相圖上，這種轉(zhuǎn)變與共晶轉(zhuǎn)變相似，都是由一個(gè)相分解為兩個(gè)相的三相恒溫轉(zhuǎn)變，三相成分點(diǎn)在相圖上的分布也一樣，反應(yīng)相成分分布在兩轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的中間。所不同的是共析轉(zhuǎn)變的反應(yīng)相是固相，而不是液相。例如Fe-Fe3C相圖（如圖3-32所示）上的PSK線即為共析線，S點(diǎn)是共析點(diǎn)，其反應(yīng)式為727℃γsαp+Fe3C由于是固相分解，其原子擴(kuò)散比較困難，容易產(chǎn)生較大的過冷，所以共析組織遠(yuǎn)比共晶組織細(xì)密。共析相變對合金的熱處理強(qiáng)化有重大意義，鋼鐵及鐵合金的熱處理就是建立在共析轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)上。共析相變及其特征將在下節(jié)鐵碳合金相圖中詳細(xì)介紹。3.2.4具有共析反應(yīng)的相圖727℃

1083.2.4具有共析反應(yīng)的相圖3.2.4具有共析反應(yīng)的3.2.5含有穩(wěn)定化合物的相圖在某些二元系合金中，組元間可能形成一些穩(wěn)定的金屬化合物。穩(wěn)定化合物是指具有一定熔點(diǎn)，在熔點(diǎn)以下保持其固有結(jié)構(gòu)而不發(fā)生分解的化合物。Mg-Si二元合金相圖（如圖3-26)就是一種形成穩(wěn)定化合物的相圖。當(dāng)含硅量為36.6％時(shí)，Mg與Si形成穩(wěn)定的化合物Mg2Si，它具有一定的熔點(diǎn)，在熔點(diǎn)以下能保持其固有的結(jié)構(gòu)。圖3-26Mg-Si合金相圖1093.2.5含有穩(wěn)定化合物的相圖在某些二元3.3合金性能與相圖之間的關(guān)系3.3合金性能與相圖之間的關(guān)系合金的性能取決于合金的化學(xué)成分和組織。在一定的條件下，一定成分的合金具有一定的組織，表現(xiàn)出一定的性能，因而相圖與合金的性質(zhì)必然存在一定的聯(lián)系。3.3.1合金的使用性能與相圖之間的關(guān)系合金的使用性能包括合金有力學(xué)性能、物理性能及其它性能等。圖3-28表示了各類合金的相圖和合金力學(xué)性能及物理性能之間的關(guān)系。1103.3合金性能與相圖之間的關(guān)系3.3合金性能與相圖之間的圖3-28相圖與合金的硬度、強(qiáng)度及電導(dǎo)率之間的關(guān)系3.3.1合金的使用性能與相圖之間的關(guān)系111圖3-28相圖與合金的硬度、強(qiáng)度及電導(dǎo)率之間的關(guān)系3.3.13.3.2合金的工藝性能與相圖之間的關(guān)系3.3.2合金的工藝性能與相圖之間的關(guān)系圖3-29相圖與合金鑄造性能之間的關(guān)系1123.3.2合金的工藝性能與相圖之間的關(guān)系3.3.2合金的3.4鐵碳合金的基本組織

由于鋼鐵材料的基本組元是鐵和碳，故統(tǒng)稱為鐵碳合金。鐵碳合金的基本組織有鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體和萊氏體。

(1)鐵素體概念：碳溶入α-Ｆe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用符號(hào)F表示。晶格：鐵素體仍具有α-Fe的體心立方晶格。溶解度：碳在α-Fe中的溶解度小，727℃時(shí)溶解度最大為0.0218%，室溫時(shí)幾乎位零。1133.4鐵碳合金的基本組織由于鋼3.4鐵碳合金的基本組織性能：鐵素體的性能與純鐵相似，塑性、韌性好，而強(qiáng)度、硬度低。組織：多邊形晶粒。

（2）奧氏體概念：碳溶入γ-Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，用符號(hào)A表示。奧氏體存在于727℃以上。晶格：奧氏體具有γ-Fe的面心立方晶格。

1143.4鐵碳合金的基本組織性能：鐵素體的性能與純鐵相似，塑

溶解度：γ-Fe的溶碳能力比α-Fe大，727℃時(shí)溶解度為0.77%，隨著溫度的升高，溶碳量增多，1148℃時(shí)其溶解度最大為2.11%。

性能：奧氏體的強(qiáng)度和硬度不高，塑性和韌性很好，易鍛壓成形。

組織：多邊形晶粒，晶粒內(nèi)有孿晶。3.4鐵碳合金的基本組織115溶解度：γ-Fe的溶碳能力比α-Fe大，727℃時(shí)溶解

（3）滲碳體概念：滲碳體是鐵和碳形成的一種具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的金屬化合物，用化學(xué)式Fe３C表示。性能：滲碳體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.69%，熔點(diǎn)為1227℃，硬度很高(800HBW)，塑性和韌性很低，脆性大。作用：滲碳體是鋼中主要的強(qiáng)化相，它的數(shù)量、形狀、大小及分布狀況對鋼的性能影響很大。3.4鐵碳合金的基本組織116（3）滲碳體3.4鐵碳合金的基本組織43

（4）珠光體概念：珠光體由鐵素體和滲碳體組成的多相組織，用符號(hào)P表示。成分與性能：珠光體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為0.77%，其性能介于鐵素體和滲碳體之間，即具有較高的強(qiáng)度和塑性，硬度適中。組織：在顯微鏡放大倍數(shù)較高時(shí)，能清楚地看到鐵素體和滲碳體呈片層狀交替排列的情況。由于珠光體中滲碳體量較鐵素體少，因此滲碳體層片較鐵素體層片薄。3.4鐵碳合金的基本組織117（4）珠光體3.4鐵碳合金的基本組織

（5）萊氏體

概念：碳含量為4.3%的液態(tài)鐵碳合金冷卻到1148℃時(shí)，同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的多相組織稱為萊氏體，用符號(hào)Ld表示。在727℃以下萊氏體變成由珠光體和滲碳體組成，稱為變態(tài)萊氏體，用符號(hào)Ld′表示。性能：萊氏體的性能與滲碳體相似，硬度很高，塑性很差。3.4鐵碳合金的基本組織118（5）萊氏體3.4鐵碳合金的基本組織453.5Fe-Fe3C相圖

鐵碳合金相圖是指在極其緩慢的加熱或冷卻的條件下，不同成分的鐵碳合金，在不同溫度下所具有的狀態(tài)或組織的圖形，是研究鐵碳合金成分、組織和性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)，也是選材、制定熱加工工藝及熱處理工藝的重要依據(jù)。1193.5Fe-Fe3C相圖3.5.1相圖分析（1）相圖中的主要特性點(diǎn)

A點(diǎn)：純鐵的熔點(diǎn)C點(diǎn)：共晶點(diǎn)D點(diǎn)：滲碳體的熔點(diǎn)E點(diǎn)：碳在γ-Fe中的最大溶解度G點(diǎn)：純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)P點(diǎn)：碳在α-Fe中的最大溶解度S點(diǎn)：共析點(diǎn)Q點(diǎn)：碳在α-Fe中的溶解度3.5Fe-Fe3C相圖1203.5.1相圖分析3.5Fe-Fe3C相圖47

（2）相圖中的主要特性線ACD線：液相線，在ACD線以上合金為液態(tài)，用符號(hào)L表示。液態(tài)合金冷卻到此線時(shí)開始結(jié)晶，在AC線以下結(jié)晶出奧氏體，在CD線以下結(jié)晶出滲碳體，稱為一次滲碳體（Fe３CⅠ）。AECF線：固相線，在此線以下合金為固態(tài)。液相線與固相線之間為合金的結(jié)晶區(qū)域，這個(gè)區(qū)域內(nèi)液體和固體共存。ECF線：共晶線，溫度為1148℃。液態(tài)合金冷卻到該線溫度時(shí)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變,即C點(diǎn)成分的液態(tài)合金緩慢冷卻到共晶溫度(1148℃)時(shí)，從液體中同時(shí)結(jié)晶出E點(diǎn)成分的奧氏體和滲碳體。共晶轉(zhuǎn)變后的產(chǎn)物稱為萊氏體，C點(diǎn)稱為共晶點(diǎn)。凡是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.11%～6.69%的鐵碳合金均會(huì)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。3.5Fe-Fe3C相圖121（2）相圖中的主要特性線3.5Fe-

PSK線：共析線，又稱A１線，溫度為727℃。鐵碳合金冷卻到該線溫度時(shí)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，即S點(diǎn)成分的奧氏體緩慢冷卻到共析溫度時(shí)，同時(shí)析出P點(diǎn)成分的鐵素體和滲碳體。轉(zhuǎn)變后的產(chǎn)物稱為珠光體，S點(diǎn)稱為共析點(diǎn)。凡是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0218%～6.69%的鐵碳合金均會(huì)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。ES線：碳在γ－Fe中的溶解度曲線，又稱Acm線。溶解度隨溫度的下降而減