“铁碳相图”与“固态相变”

本文从固态相变的角度，系统地分析铁碳相图中固相线以下的相变，进而加深对相变线(相区的分界线)的认识，来理解其多重含义。另一方面，从固态相变的角度理解铁碳合金的多种状态，为建立材料微观组织结构与宏观性能之间的内在联系提供一种思路，为“铁碳相图”与“固态相变”的教学过程提供一

相图作为学习或研究金属材料的必备工具，通常用于确定在不同的成分与不同的温度条件下的合金状态。合金由一种相区(状态)进入另一种相区(状态)，即为发生了相变，如果在固相线以下发生的相变， 则属于固态相变。在学习或讲授相图及其合金的结晶过程中对固态相变的阐述不够突出。减弱了相图这一重要工具对理解或掌握固态相变过程与机理的作用[1] [2]。本文以“铁碳相图”为例，深入解析相图中的点线区与组元Fe 的相变点之间的联系、相图中的点线区与固态相变之间的关系， 将金属材料的结晶(凝固)及其后续冷却过程中发生的固态相变合为一个整体，使得相图的工具作用同样发挥于学习或研究“固态相变”过程中。

2. 二元相图中的相变点、相变线和相区 相图中的任意点称为表象点[1]。从数学的角度的理解二元相图中的表象点，相当于x-y 二维坐标系中的坐标点。表象点落在某个相区内，代表合金的某个状态，此时可以确定其x-y 坐标，也即合金的成分和温度。反之，已知合金的成分和温度，即可确定对应的表象点(合金状态)。相变点可理解为发生相变的表象点，对于不同成分(x 坐标)的合金，对应不同的相变点(y 坐标)，而不同的相变点构成不同相变线， 将合金状态区分为单相区、两相区和三相区。

从平面几何的角度考察二元相图中各个相区特点可知，单相区可以是任意形状，如图1 中的ABCF线之上的部分；两相区为共轭曲线组成，如图1 中的HE 与BC 两条共轭曲线围成的HBCE 区域；三相区的形状是一条等温线， 如图1 中的三条水平线。

再根据二元相图在常压条件下的相律F = 3 − P (F = C – P + 1; C = 2)可知[2]：① 单相区(P = 1, F = 2)中的任意一点的成分和温度都可以独立变化而不影响系统的状态、恒压下，Fmax = 2，成分、温度均可变；② 两相区(P = 2, F = 1)中只有一个独立变量，温度一定成分一定，反之亦然。③ 三相区(P = 3, F = 0)中没有独立变量，温度与每一相的成分均不能变，端点和中间点分别表示三个相的成分。

3. 铁碳相图中的相变点、相变线和相区 3.1. 纯铁的相变点 如图2 所示，关于纯铁(对应相图左侧的纵坐标)，就有四个相变点。① A 点为纯铁的熔点，其对应的温度为1538℃，温度高于熔点，则纯铁以液态形式存在，温度低于熔点，则纯铁以固态形式存在，所以熔点是固液两相的相变点。② A4 为δ-Fe 与γ-Fe 二者之间的相变点，对应的温度为1394℃，温度高于1394℃，则纯铁以δ-Fe 的形式存在，具有体心立方晶体结构，温度低于1394℃，则纯铁以γ-Fe 的形式存在具有面心立方晶体结构，所以A4 点是纯铁的同素异构相变点。③ A3 是γ-Fe 与α-Fe 二者之间的相