杠杆定律在典型Fe—Fe3C合金中的应用与实践

陈熙 吴道懿

【摘要】Fe-Fe3C合金相图作为《工程材料及热处理》课程的重点内容，而不同含碳量的Fe-Fe3C合金在不同温度下出现的相组分和组织组分各不相同，并且相组分和组织组分的含量也不尽相同。相组分和组织组分含量的各异性直接影响Fe-Fe3C合金的使用性能和工艺性能。本文充分利用杠杆定律确定不同成分的Fe-Fe3C合金下相组分和组织组分的含量从而判定Fe-Fe3C合金的使用性能和工艺性能。

【关键词】Fe-Fe3C合金相图；杠杆定律；相组分；组织组分；工艺性能

一、引言

在《工程材料与热处理》【1】这门课程中，Fe-Fe3C合金相图的分析无疑是作为重点和难点进行引导。对于初学者来讲，要在短时间内掌握Fe-Fe3C合金相图提出了较大的难度，并且对FFe-Fe3C合金相图在不同温度、不同含碳量下的相组分和组织组分的掌握就更需要一定的技巧性。为了快速掌握不同成分的Fe-Fe3C合金在不同温度点各相组分、组织组分的含量，这就需要应用杠杆定律。因此，可利用杠杆定律来解决给定含碳量的Fe-Fe3C合金在给定温度下处于两相平衡状态时，各相组分、组织组分所占的比率，并分析得出一定规律。

二、Fe-Fe3C合金相图简介

Fe-Fe3C合金相图是研究铁碳合金的基础。当碳含量Wc<0.0218%（Wc>6.69%）时，室温下的相组分为单相F（Fe3C）对杠杆定律不起作用。因此，本文讨论的Fe-Fe3C合金相图实际是简化后的Fe-Fe3C合金相图（如图1所示），相图中的两个组元是Fe和Fe3C。

在图1中特性点A（Wc=0，1538℃）为纯铁的熔点。点C（Wc=4.3%，1148℃）称为共晶点。点D（Wc=6.69%，1227℃）为Fe3C的熔点。点E（Wc=2.11%，1148℃）为碳在A中的最大溶解度。点F（Wc=6.69%，1148℃）为Fe3C的成分。点G（Wc=0%，929℃）为同素异构转变点。点K（Wc=6.69%，727℃）为Fe3C的成分。点P（Wc=0.0218%，727℃）为碳在F中的最大溶解度。点S（Wc=0.77%，727℃）称为共析点。点Q（Wc=0.0057%，600℃）碳在F中的溶解度。

在图1中典型的特性线有如下：AC线称为铁碳合金的液相线，液态合金开始结晶出A。CD线称为铁碳合金的液相线，液态合金开始结晶出Fe3C。AE线称为铁碳合金的固相线，即A的结晶终了线。ECF线称为铁碳合金的固相线，即共晶转变现。GS线又称A3线，A转变为F的开始线。GP线为A转变为F的终了线，ES线又称Acm线，碳在A（或γ-Fe）中固溶线。PQ线为碳在F中固溶线。PSK又称A1线，共析转变线。

三、杠杆定律概述

1.两平衡相及其成分的确定如图2所示，若要确定成分为WNi=x%的Cu-Ni合金，在t温度下是由哪两个相组成以及各相的成分时，可通过该合金线上相当于t温度的c点作水平线acb，水平线两端所接触的两个单相区L和α，就是该合金在t温度时共存的两个相。水平线两端与液相线及固相线的交点a、b在成分坐标上的投影，分别表示t温度下液相和固相的成分，即液相L的成分为WNi=x1%，固相α的成分为WNi=x2%。

2.两平衡相相对量的确定，设图2所示的WNi=x%的合金的总质量为m，在t温度时，合金中液相质量为mL，固相质量为mα。通过计算，可求得此时合金中液相与固相的质量比和水平线acb被合金线分成两线段的长度成反比，即

五、结论

1、杠杆定律只能用于成分确定、温度确定下合金中各相组分和组织组分的相对含量；

2、杠杆定律只适用于两相区；

3、杠杆定律在使用时应该准确找到支点和合金的成分点；

4、必须分清相组分和组织组分两个概念。

参考文献

[1]何人葵，刘树.工程材料与热处理[M].北京：冶金工业出版社，2015.

[2]陈婕，柏子刚.杠杆定律在铁碳合金相图中的应用[J].青年与社会，2010.7：96-97.