金属材料液态成形基础解析——合金的结晶与二元合金相图（三）

(2) 发生共晶反应的合金的结晶

1) 共晶相图

两组元在液态无限互溶，在固态有限溶解（或不溶），并在结晶时发生共晶转变所构成的相图称为二元共晶相图。那么什么是共晶转变呢？

共晶转变是指具有一定成分的液态合金，在一定温度下，同时结晶出两种不同的固相的转变。其转变产物为共晶组织，或称共晶体。

现以简化后的高温部分Fe-Fe3C相图为例说明这类相图的一些特点。

图2-1-18高温部分的Fe-Fe3C相图

2) 相图分析

① 组元

该相图的组元为纯Fe和Fe3C。

② 相

合金系中有三种相，Fe和C形成的液相用“L”表示；C溶于γ-Fe中形成的有限固溶体叫奥氏体用“A”来表示；Fe3C是铁和碳形成的金属化合物，在冷却的过程中成分不变。

③ 相图中的点

A点为纯铁的熔点，D点Fe3C的熔点，E点为碳在A中最大溶解度为2.11%，F点为Fe3C在1148℃的成分，C点是共晶点。

具有C点成分的（碳含量4.3%）液相，冷却至1148℃时，会从液相同时结晶出两种不同固相（E成分的A和F点成分的Fe3C），发生共晶转变：
1148℃
LcAE+（Fe3C）F
1148℃
L4.3Ld4.3

这种共晶组织称莱氏体，用符号“Ld”表示。

④ 线

ACD线为液相线、AECF为固相线，ECF为共晶线，凡是ωc>2.11%的液态合金缓冷到该线时（1148℃）均要发生共晶转变，转变成莱氏体（Ld）。EEˊ线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。碳在奥氏体中的溶解度在1148℃时最大,随着温度的下降溶解度下降。

⑤ 相区

相图由七个区组成：三个单相区（L、A、Fe3C）；三个双相区（A+L、L+Fe3C、A+Fe3C）；一个三相共存区
1148℃
L4.3Ld4.3(A2.11+Fe3C6.69)

3)合金的结晶过程

①共晶成分合金ωc=4.3%结晶过程图2-37（动画2-22）

动画2-1-15共晶白口铸铁一次结晶过程

c点温度以上为液体，当温度降至与ECF线相交的C点温度）时，即
1148℃
L4.3Ld4.3(A2.11+Fe3C6.69)

形成莱氏体。由共晶转变形成的奥氏体和渗碳体又分别称为共晶奥氏体、共晶渗碳体。随着温度继续下降，共晶体Ld中的奥氏体成分会沿着EEˊ线变化并不断析出Fe3C，从奥氏体中析出的Fe3C叫Fe3CⅡ。因此，合金在2’点的组织Ld（A+Fe3CⅡ+Fe3C共晶）。二次渗碳体在组织中与莱氏体中的共晶渗碳体混为一体，难以辨认。

②亚共晶白口铁的结晶过程分析

图中合金为ωc=3.0%的亚共晶白口铁。合金在l点温度以上为液体，缓冷至l点温度时，从液体中开始结晶出奥氏体。随着温度继续下降，奥氏体量不断增多，成分沿AE线变化；液体量不断减少，成分沿AC线变化。温度降到与ECF线相交的2点时，剩余液体成分达到共晶成分（ωc=4.3%），于是这部分液体发生共晶转变，形成莱氏体。温度再继续下降，奥氏体的成分沿ES线变化，并不断析出二次渗碳体。合金在3ˊ点的组织为（A+Fe3CⅡ+Ld）。

动画18 亚共晶白口铸铁一次结晶过程

③过共晶白口铁结晶过程分析

动画19 过共晶白口铸铁一次结晶过程

图中合金为ωc=5.0%的过共晶白口铁。在l点温度以上为液相，当温度缓冷至1点时，从液相中开始结晶出条状一次渗碳（Fe3CⅠ）。温度不断下降，结晶出的一次渗碳体量不断增多，剩余的液体量不断减少，其成分沿CD线变化。当缓冷到与ECF线相交的2点温度时，液体中碳的含量达到共晶成分，于是这部分剩余的液体将发生共晶转变，形成莱氏体。在2点至3＇点温度间冷却时，同样由莱氏体中的奥氏体析出二次渗碳体，但莱氏体的组织中难以辨认。在3＇点合金的组织为（Ld+Fe3CⅠ）。