相图----材料科学基础课件.ppt

1,第四章 相图,相图(Phase diagram )描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的图解。 表征材料系统中相的状态与温度及成分之间关系的一种图形。,水的P-T相图,2,一 相 体系热力学所研究的原子、分子等集体称为系统或体系。 相在一个系统中，具有同一聚集状态的均匀部分称。 二 相律 1 相律 热力学平衡条件下，系统的组元数、相数和自由度数之间的关系。,第一节 相图的基本知识,3,2 表达式 温度和压力都变化时：f=c-p+2; 压力一定时，f=c-p+1。 3 应用 确定系统中可能存在的最多平衡相数。如单元系2个，二元系3个。 解释纯金属与二元合金的结晶差别。 纯金属结晶恒温；二元合金变温。,4,二元相图的表示方法,1 状态与成分表示法 温度成分坐标系。 坐标系中的点表象点。 成分表示：质量分数或摩尔分数。,三、 相图的表示与建立,5,2 相图的建立 方法：实验法和计算法。 过程：配制合金测冷却曲线确定转变温度填入坐标绘出曲线。,用热分析法建立Cu-Ni相图,6,3 杠杆定律 1）平衡相成分的确定（根据相律，若温度一定，则自由度为0，平衡相成分随之确定。）,7,2）数值确定：直接测量计算或投影到成分轴测量计算。 3）注意：只适用于两相区；三点（支点和端点）要选准。,8,第二节 二元匀晶相图,一 匀晶相同及其分析 1 匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的转变。 2 匀晶相图： 具有匀晶转变特征的相图。,9,3 相图分析 两点：纯组元的熔点； 两线：L, S相线； 三区：L, , L+。,10,二、 固溶体合金的平衡结晶 1 平衡结晶：每个时刻都能达到平衡的结晶过程。 2 平衡结晶过程分析 冷却曲线：温度时间曲线；,11, 相（组织）与相变（各温区相的类型、相变反应式，杠杆定律应用。）； 组织示意图； 成分均匀化： 每时刻结晶出的固溶体的成分不同。,12,3 与纯金属结晶的比较 相同点：基本过程：形核长大； 热力学条件：T0； 能量条件：能量起伏； 结构条件：结构起伏。 不同点：合金在一个温度范围内结晶（可能性：相律分析；必要性：成分均匀化。） 合金结晶是选分结晶：需成分起伏。,13,三、 固溶体的不平衡结晶 1 原因：冷速快（假设液相成分均匀、固相成分不均匀）。 2 结晶过程特点：固相成分按平均成分线变化（但每一时刻符合相图）； 结晶的温度范围增大； 组织多为树枝状。,14,15,3 成分偏析： 晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀现象。 枝晶偏析：树枝晶的枝干和枝间化学成分不均匀的现象。 消除扩散退火,16,晶内偏析组织及其示意图,17,4 稳态凝固时的溶质分布 1）稳态凝固：从液固界面输出溶质速度等于溶质从边界层扩散出去速度的凝固过程。 2）平衡分配系数：在一定温度下，固、液两平衡相中溶质浓度的比值。 k0=Cs/Cl,18,19,3 溶质分布： 液、固相内溶质完全混合（平衡凝固）a; 固相不混合、液相完全混合b; 固相不混合、液相完全不混合c； 固相不混合、液相部分混合d。,20,21,4 区域熔炼（上述溶质分布规律的应用）,22,5 成分过冷及其对晶体生长形态的影响 1) 成分过冷：由成分变化与实 际温度分布共同决定的过冷。 2) 形成：界面溶质浓度从高 到低液相线温度从低到高。 （图示：溶质分布曲线匀晶相图 液相线温度分布曲线实际温度分 布曲线 成分过冷区。）,23,3) 成分过冷形成的条件和影响因素 条件： G/RmC0(1-k0)/Dk0 合金固有参数：m, k0; 实验可控参数：G, R。,24,4 成分过冷对生长形态的影响 （正温度梯度下）G越小，成分过冷越大生长形态：平面状胞状-树枝状。,25,第三节 二元共晶相图,共晶转变：由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相的转变。 共晶相图：具有共晶转变特征的相图。 （液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶，且发生共晶反应的相图。,26,共晶组织：共晶转变产物。（是两相混合物）,27,一、 相图分析（相图三要素） 1 点：纯组元熔点；最大溶解度点；共晶点（是亚共晶、过共晶合金成分分界点）等。 2 线：液相线（结晶开始）、固相线（结晶结束线）；溶解度变化曲线。,Pb-Sn相图,28,3 区： 3个单相区（L、） ； 3个两相区（L+、L+、+） ； 1个三相线（区）。,29,共晶转变： E共晶点成分的液相在恒温下同时结晶出两个成分不同的固相（m点成分的和n点成分的 ）的转变。,共晶产物的成分是否稳定？ 共晶反应前液相有什么要求？,30,共晶转变得到的新生成的两相混合物叫共晶体或者共晶组织（+）。水平线men为共晶反应线，简称共晶线。,共晶相图中的合金：e点合金共晶合金； 共晶线上e点以左亚共晶合金； 共晶线上e点以右过共晶合金；,31,成分位于m点以左和n点以右的合金端部固熔体合金,mf线为Sn在Pb中的溶解度线（或相的固熔线）。温度降低，固溶体的溶解度下降。从固态相中析出的相(Sn析出时不是以单质的形式析出，而是以固熔体的方式析出)称为二次，常写作。 二次结晶可表示为： 。,32,ng线为Pb在Sbn中溶解度线（或相的固熔线)。Sn含量小于g点的合金，冷却过程中同样发生二次结晶，析出二次；即。,33,二、合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例）,34,1 Wsn10的合金（端际固溶体的结晶） 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）,35,脱溶转变：二次相（次生相）从过饱和的固熔体中析出。 室温组织（） 其中一般分布于相界面上，有时也在晶内析出，呈细小颗粒状。 相对量计算：,36,2共晶合金的结晶过程 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。,37, 组织： 共晶转变刚好结束后的组织:(mn) 室温组织:()(二次相为脱熔转变产物） （因为二次相依附共晶体中的 同类相析出，因此难以辨别） 通常室温组织： （）共晶体,38,共晶合金结晶过程中的相的相对量计算。,恰好要发生共晶反应时：L相，相对量：100； 共晶反应过程中：三相（L+）,不适用杠杆定律； 共晶反应刚好结束：两相（mn）,39,室温下：两相（fg ）,室温下组织 （）如何计算,分析： 、由共晶反应刚好结束的两相（ mn ）中分别析出。 即： m ， n ,40,以m 为例计算 设m为100， 由m点成分的的m脱熔析出，根据端部固熔体脱熔产物的计算来看：,实际m不是100，而是,最终得到的 的相对量为,41,请思考有没有其他的计算方法,问题：用下式计算？,42,3 亚共晶合金 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。,43, 结晶过程中的组织 匀晶转变过程：L+初(或者I)） 共晶转变中：L+初（或者I） 共晶转变刚结束:(）+ 初（或者I） 室温下：初（或者I）（）,上面这些组织中的相同的相其成分有什么特点？,44, 组织中相组成物计算,共晶转变前：L+初（或者I），用杠杆定律。 共晶转变中：L+初（或者I），不能运用杠杆定律 共晶转变刚结束：（）+ 初（或者I）,45,室温下：初（或者I）（）,46,4 过共晶成分合金的结晶 过程与亚共晶成分合金的结晶基本一致，二者组织组成物恰好相反。 室温下：初（或者 I） （） 采用杠杆定理计算和分析与亚共晶合金一样。 要求：自己试着推导和分析,47,共晶系合金的平衡凝固可分为两种类型： 固溶体合金：匀晶转变+脱熔转变，室温组织：初生固溶体+次生组织 共晶型合金：位于MEN线范围内的合金，都属于共晶型合金。其凝固时均有共晶转变发生，形成共晶体。,48,5 组织组成物与组织图 组织：金属中的组织指不同形状、大小、数量和分布的相组合而成的综合体。 组织组成物：组成材料的中各个不同本质和形态的部分。 组织图：用组织组成物填写的相图。,49,50,相组成物的相图,组织组成物的相图,51,三、 不平衡结晶及其组织 1 伪共晶 伪共晶：由非共晶成分的合金所得到的完全的共晶组织。 形成原因：不平衡结晶；成分位于共晶点附近。,52,条件：快速冷却到相和相的液相线下，初晶的析出被抑制，同时两相都呈饱和状态同时析出，形成共晶转变，得到伪共晶。,53,伪共晶区取决于相接构和固液界面形态： 伪共晶区偏向晶体结构复杂且具有平滑界面的相的一边。,54, 不平衡组织 由非共晶成分的合金得到的完全共晶组织。 共晶成分的合金得到的亚、过共晶组织。（伪共晶区偏移）,55,3 离异共晶（平衡和非平衡都可以得到） 离异共晶：两相分离的共晶组织。 形成原因,56,平衡条件下：成分位于共晶线上两端点附近。 不平衡条件下：成分位于共晶线外两端点附。 消除：扩散退火。,57,四、共晶组织的形成 1 共晶体的形成 成分互惠交替形核 片间搭桥促进生长 两相交替分布 （共晶组织）,58,2 共晶体的形态 粗糙粗糙界面：层片状（一般情况）、棒状、纤维状（一相数量明显少于另一相） 粗糙平滑界面：具有不规则或复杂组织形态（由于两相微观结构不同） 所需动态过冷度不同，金属相任意长大，另一相在其间隙长大。可得到球状、针状、花朵状、树枝状共晶体。 非金属相与液相成分差别大。形成较大成分过冷，率先长大，形成针状、骨骼状、螺旋状、蜘蛛网状的共晶体。,59,典型共晶组织形态,60,3 初生晶的形态： 金属固溶体：粗糙界面树枝状； 非金属相：平滑界面规则多面体。,61,第四节 二元包晶相图,包晶转变：由一个特定成分的固相和液相生成另一个特点成分固相的转变。 包晶相图：具有包晶转变特征的相图。,62,点、线、区。,一、 相图分析,63,二、 平衡结晶过程及其组织 1 包晶合金的结晶 结晶过程：包晶线以下，L, 对过饱和界面生成三相间存在浓度梯度扩散长大全部转变为 室温组织： 或。,64,结晶过程：包晶线以下，L, 对过饱和界面生成三相间存在浓度梯度扩散长大全部转变为。,室温组织： 或。,65,2 成分在C-D之间合金的结晶 结晶过程：剩余； 室温组织：。,66,3 其他平衡结晶过程及其组织,67,三、不平衡结晶及其组织 异常相导致包晶偏析包晶转变要经扩散。包晶偏析：因包晶转变不能充分进行而导致的成分不均匀现象。,异常相由不平衡包晶转变引起。成分在靠近固相、包晶线以外端点附近。,68,四、 包晶转变的应用 1 组织设计：如轴承合金需要的软基体上分布硬质点的组织。 2 晶粒细化。,69,第五节 二元相图的分析方法,一、铁碳相图分析,70,71,72,1.铁碳合金的组元 1）Fe铁是过渡族元素，熔点1538，密度7.87g/cm3。 工业纯铁的力学性能特点： 强度低、硬度低、塑性好。,纯铁的力学性能,73,2）Fe3C 用Cm表示。 力学性能特点:硬而脆,渗碳体的力学性能,74,2 铁碳合金中的相 液相L铁与碳的液溶体。 固溶体相 相高温铁素体：碳在Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格，在1495时溶碳量最大，为0.09% 相铁素体，用符号F或表示。体心立方晶格铁素体中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008%，在727时碳溶量最大，为0.0218%。性能特点是强度低、硬度低、塑性好,75,固溶体相 相奥氏体，用符号A或表示。面心立方晶格。 化合物相 Fe3C相 化合物相，渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态，对铁碳合金的力学性能有很大影响。,76,3.相图中重要的点和线,1） J为包晶点,2） C点为共晶点 。,共晶反应的产物Ld（莱氏体）（A+Cm)共晶混合物 显微镜下形态：块状或粒状A（室温时转变成珠光体）分布在渗碳体基体上。,77,3）S共析点 生成P点成分P(F+Fe3C)。,显微镜下：呈片状。在放大倍数很高时，可清楚看到相间分布的渗碳体片（窄条）与铁素体（宽条）。 性能：强度很高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间,78,5）水平线HJB包晶反应线 碳的质量分数0.09%0.53%的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生包晶反应。,6）水平线ECF共晶反应线 碳的质量分数在2.11%6.69%之间，在平衡结晶过程中均发生共晶反应。,79,7)水平线PSK共析反应线 碳的质量分数0.0218%6.69%的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。PSK线亦称A1线。 8)GS线合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线，通常称A3线。,80,9)ES线碳在A中的固溶线 通常叫做Acm线。 碳的质量分数大于0.77%的铁碳合金自1148冷至727的过程中，将从A中析出Fe3C，称为二次渗碳体（Fe3C）。 10)PQ线碳在F中固溶线。 铁碳合金自727冷至室温的过程中，将从F中析出Fe3C，称为三次渗碳体（Fe3C）。Fe3C数量极少，往往予以忽略。,81,二、典型铁碳合金的平衡结晶过程,根据FeFe3C相图，铁碳合金可分为三类： 工业纯铁wc 0.0218% 钢0.0218% wc 2.11% （亚共析钢，共析钢，过共析钢） 白口铸铁2.11% wc 6.69% 亚共晶白口铸铁，共晶白口铸铁，过共晶白口铸铁,82,下面对三种典型碳钢的平衡结晶过程进行分析。 1.共析钢wc =0.77% 共析钢的室温组织组成物全部是P，而组成相为F和Fe3C,83,2.亚共析钢0.0218% wc 0.77% 含0.4%的亚共析钢的组织组成物为F和P。 相组成物为F和Fe3C,84,3.过共析钢 过共析钢的组成物为F和Fe3C；组织组成物为Fe3C和P,85,4.白口铸铁的结晶 共晶白口铸铁室温平衡组织为Ld，由黑色条状或粒状P和白色Fe3C基体组成，而组成相还是F和Fe3C。 亚共晶白口铸铁的室温平衡组织为P+ Fe3C+ Ld。 过共晶白口铸铁的室温平衡组织为Fe3C+Ld 。 Fe3C呈长条状 。白口铸铁室温平衡组织中含有莱氏体（Ld），硬度高、脆性大，应用较少。,86,5 不同类型的铁碳合金的平衡组织,87,三 铁碳合金的成分-组织-性能关系 铁碳合金在室温下的组织皆由F和Fe3C两相组成。随碳含量的增加，F的含量逐渐变少，由100%按直线关系减少到0%，Fe3C的含量则由0%增加到100%。铁碳合金碳含量增加，组织按下列顺序变化： F、F+P、P、P+Fe3C、P+ Fe3C+ Ld、Ld、Ld+ Fe3C、Fe3C,88,硬度主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和质量分数，随碳含量的增加，合金的硬度呈直线关系增大。,89,铁碳合金的性能与成分的关系,强度对组织形态很敏感。随碳含量的增加，亚共析钢中P增多而F减少。P的强度比较高，所以亚共析钢的强度随碳含量的增大而增大。到约wc 0.9%时，Fe3C沿晶界形成完整的网，强度迅速降低。,90,合金的塑性变形全部由F提供。所以随碳含量的增大F量不断减少时，合金的塑性连续下降。 对于应用最广的结构材料亚共析钢，合金的硬度强度和塑性可根据成分或组织作如下估算： 硬度80F%+180P%(HB) 或硬度80F%+800Fe3C%(HB) 强度230F%+770P%(MPa) 延伸率()50F%+20P%(%),91,四、Fe-Fe3C相图的应用 1.在钢铁材料选用方面的应用,建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，因此选用碳含量较低的钢材。 各种机械零件需用强度、塑性及韧性都较好的材料。应选用碳含量适中的中碳钢。各种工具需用硬度高和耐磨性好的材料，则选碳含量高的钢种。 白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。,2.在铸造工艺方面的应用 根据FeFe3C相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上50100。,92,3.在热缎、热轧工艺方面的应用 锻造或轧制单相奥氏体区内进行。 一般始锻、始轧温度控制在固相线以下100200范围内 终缎、终轧温度不能过低 亚共析钢热加工终止温度多控制在GS线以上一点，过共析钢变形终止温度应控制在PSK线以上一点,93,锻造工艺温度：一般始锻温度为11501250，终缎温度为800850。 4.在热处理工艺方面的应用 FeFe3C相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。一些热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据FeFe3C相图确定的。,94,三、相图与合金性能的关系 根据相图判断材料的力学和物理性能,不同类型的合金成分和性能的关系,95, 根据相图判断材料的工艺性能,相图和合金工艺之间的关系,96,四、二元系自由能曲线与相图的关系,匀晶相图不同温度下的吉布斯自由能曲线,97,简单共晶相图吉布斯自由能变化曲线,98,一、铸锭的组织 (1)铸锭三区：表层细晶区、柱状晶区、中心等轴晶区。,第六节 铸锭组织和偏析,99,(2)凝固组织区控制：影响因素，浇铸温度、冷却速度、化学成分、变质处理、机械振动与搅拌等。 (3)铸锭缺陷 二、宏观偏析 定义：整个铸锭范围内的成分不均匀现象. 典型的铸锭宏观偏析：正偏析 反偏析 密度偏析,100,第六节 三元相图,一、三元相图的几何特性,101,1 成分表示法 成分三角形（等边、等腰、直角三角形）:三元相图的成分采用两个成分变量坐标构成的三角形表示。 依据成分三角形： 1）已知点确定成分； 2）已知成分确定点。 等边成分三角形,102,等边成分三角形的几何特性： 1）由其中任意一点向三边所引垂线之和等于三角形的高。,2）由其中由其中任意一点顺序作各边的平行线所得三条线段之和等于三角形的变长。,103,成分三角形中特殊的线 1）平行于某条边的直线 2）通过某一顶点的直线。 图中CE上的合金， 其A、B组元的质量分数比 BE/AE,104,成分三角形的应用 1）已知成分点，读出合金的成分,基本步骤： 已知点x,过该点作合金三边的平行线； 2）在三角形的三边上按照一定的顺序（逆时针或顺时针）确定组元的变化方向，箭头所指方向为合金组元变化方向。 在平行线与边的交点位置标出相应的合金含量。,105,2）已知合金含量，在相图上标出位置 举例：请标出A20%,B40%的三元合金成分点 标出A60，B40%的三元合金成分点。 等腰浓度三角形 若合金中某一组元含量过少，其成分点位于接近该组元对边附件的狭长地带，为此人为的将该组元顶点相邻的两边放大得到的成分三角形。 适用：研究微量第三组元的影响。 直角浓度三角形,106,107,2 直线（共线）法则与杠杆定律 共线法则 在一定温度下，三元合金两相平衡时，合金的成分点和两个平衡相的成分点必然位于成分三角形内的同一条直线上。,108,杠杆定律,根据直线法则： 三元合金中，某一成分的合金在某一温度下存在两相共存，则合金成分与两相的成分位于一条直线上且符合杠杆定律。,109,两条推论 (1)给定合金在一定温度下处于两相平衡时，若其中一个相的成分给定，另一个相的成分点必然位于已知成分点连线的延长线上。,(2)若两个平衡相的成分点已知，合金的成分点必然位于两个已知成分点的连线上。,110,3 重心定律 在一定温度下，三元合金三相平衡时，合金的成分点为三个平衡相的成分点组成的三角形的质量重心。（由相律可知，此时系统有一个自由度，温度一定时，三个平衡相的成分是确定的。） 平衡相含量的计算：所计算相的成分点、合金成分点和二者连线的延长线与对边的交点组成一个杠杆。,111,4 相邻相区规则 相邻的相区相数相差1，为通用原则。,112,1 相图分析及投影图 1)相图分析,二、 三元匀晶相图,点：Ta, Tb, Tc-三个纯组元的熔点； 面：液相面、固相面； 区：L, , L+。,113,2 ）投影图： 三元匀晶相图液固面上无任何点线，因此其在浓度三角形上的投影即为其本身。 做法：一系列某一温度下的水平面与相图中各面的交线投影到浓度三角形上。 用途：可确定合金结晶开始、结束温度。 （2）全方位投影图：匀晶相图不必要。,114,2 三元固溶体合金的结晶规律 液相成分沿液相面、固相成 分沿固相面，呈蝶形规律变化。 （立体图不实用） 共轭线：平衡相成分点的连线。,115,3 等温界面（水平截面） （1）做法：某一温度下的水平面与相图中各面的交线。 （2）截面图分析 3个相区：L, , L+; 2条相线：L1L2, S1S2（共轭曲线）,116,4 变温截面（垂直截面） 1）二种常用变温截面 经平行于某条边的直线做垂直面获得； 经通过某一顶点的直线做垂直面获得。 2）结晶过程分析 成分轴的两端不一定是纯组元； 注意 液、固相线不一定相交； 不能运用杠杆定律（液、固相线不是成分变化线）。,117,118,平行某边的垂直截面图,119,过某一顶点的垂直截面图,120,三 三元共晶相图 1 组元在固态互不相溶的共晶相图 1 ）相图分析 点：熔点；(3个) 二元共晶点；（3个） 三相共晶点。 （1个）,121,液相面：3个 固相面：A1B1C1。,两相共晶曲线（E1E2，E2E3，E1E3） 三元相图中由于第三组元的加入，两相共晶转变可以在一定温度范围产生。,122,二元共晶曲面