材料科学基础——三元合金相图.ppt

材料的结构,晶体缺陷,回答：1.凝固的热力学条件 2.凝固过程遵循的基本规律 3.如何控制使性能最佳,基本规律,凝固前的液体/晶胚,形核,长大 本质原子跨过界面；方式？界面/扩散控制？,类别 热力学条件（临界半径/形核功） 影响因素及控制,纯金属的凝固,二元相图,包晶相图,共晶相图,匀晶相图,平衡凝固,非平衡凝固,晶内偏析、枝晶偏析、成分过冷、伪共晶、离异共晶、包晶偏析,相图与性能：力学性能、加工性能、铸造性能、热处理可能性,铁碳相图,碳及元素对碳钢性能的影响,平衡凝固过程（纯铁、亚共析碳钢、共析碳钢、过共析碳钢、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁）,碳钢中主要的组元与相,碳钢分类及牌号,第五章 三元合金相图,Ternary alloy phase diagram,主要内容,5.1 三元合金相图表示方法 5.2 三元匀晶相图 5.3 三元共晶相图 5.4 其他形式的三元合金相图 5.5 三元合金相图总结 5.6 三元合金相图应用举例,根据相律，对于恒压三元系有： F = 3 -f +1 = 4 -f 最大可能的自由度数为3。可能出现最大的相数为4。 对于恒压三元相图，一般采用T、xA（或wA）和xB（或wB）3个强度量作为变量，这样的相图占一个三维空间。,三元系,二元相图与三元相图的关系：,二元相图,（二维平面图）,三元相图,（三维立体图）,1维,平面相区,立体相区,线,面,点,线,1维,1维,1维,5.1 三元合金相图表示方法,5.1.1 成分表示方法,等边三角型,顺时针坐标,1. 成分（浓度）三角形,确定O点的成分,1）过O作A角对边的平行线,2）求平行线与A坐标的截距得组元A的含量,3）同理求组元B、C的含量,课堂练习,确定合金I、II、III、IV的成分,标出 75%A+10%B +15%C的合金 50%A+20%B +30%C的合金,课堂练习,其它浓度三角形,1） 等腰浓度三角形,当合金中某一组元含量较少，而另两个组元含量较多时，可将成分三角形两腰放大成为等腰三角形,只取等腰梯形的部分即可。,2） 直角浓度三角形,当合金成分以某一组元为主，其它两组元含量很少时，合金成分将靠近等边三角形某一顶角，采用直角坐标，则可使该部分相图清楚地表示出来。,2 浓度三角形中具有特定意义的直线,1） 平行于某一 条边的直线,2） 过三角形顶点的直线,5.1.2 三元合金相图的建立,二元相图,（二维平面图）,三元相图,（三维立体图）,1维,平面相区,立体相区,线,面,点,线,1维,1维,1维,5.1.3 三元相图定量法则 1 直线法则,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。,直线法则,假设：合金O在一定温度下处于,两相平衡，成分点分别为及b, O, ,中A组元含量分别为Cf, Ce, Cg，B组元含量分别为Af, Ae, Ag, 合金O重量分数为1。,CeW+Cg (1-W)=(W+W)Cf AeW+Ag (1-W)= (W+W)Af W（ Af - Ae)=W（Ag - Af ) W（Cf - Ce)=W（Cg - Cf) 得出：fg/ef=fg/ef，正是解析几何中三点一线,杠杆定律,r,L,A,B,杠杆定律 由直线法则导出 即三元合金系中两相平衡的杠杆定律 应用条件 a,某一温度下，成分给定三元合金处于液固平衡，其中成分可知，可求另一成分 b,已知成分的固相在某一温度下析出一新相时，新相成分已知，可确定母相成分,2 重心定律,适用于三相平衡的情况,但是，作图求三相平衡不够准确而产生误差，用代数法求解，可避免误差。已知条件： R合金中A,B,C组元含量为xR,yR,zR 相中A,B,C组元含量为x,y,z 相中A,B,C组元含量为x,y,z 相中A,B,C组元含量为x,y,z,设三个平衡相的重量分数为W,W,W，则下式成立：,解上述三个方程得：,5.1.4 三元相图热力学 自由能- 成分曲线,匀晶相图,A,B,等边三角型,顺时针坐标,成分（浓度）三角形,内容回顾,共切面及连接线,共轭曲线,共轭连线,ab水平面与液相面交线 cd水平面与固相面交线 成分点： L、LS、S,三相平衡时的共切面,四相平衡时的共切面,5.2 三元匀晶相图,三元系中任意两个组元均可以无限互溶，它们组成的三元合金也可以形成无限固溶体。这样的相图称为三元匀晶相图。,固相面,液相面,由液相线演化而来,由固相线演化而来,单相区：,L、,双相区：,L + ,5.2.1 相图分析,5.2.2合 金 的 平 衡 结 晶 过 程,随着温度不断下降，液固两相成分将分别沿液相曲面和固相曲面变化。 根据直线法则，两平衡相成分点连线(共轭线)必定通过原合金成分点 液相成分点划过液相曲面，固相成分点划过固相曲面；轨迹是空间曲线 在成分三角形上的投影则呈蝶状。,合金的平衡结晶过程,5.2.3 截面图 1.等温截面图（水平截面图）,L,L + ,2. 变温截面图（垂直截面图）,类型一：,类型二：,注意,由变温截面图可以分析合金在加热或冷却过程中发生的相变，确定相变临界点，并可推测出不同温度下合金的组织。 但是，变温截面图不能反应相成分以及相对含量，直线法则和杠杆定律不能使用。,5.2.4 投影图,液相面等温线投影图,固相面及固溶度面等温线投影图,5.3 三元共晶相图,5.3.1 组元在固态互不相溶，具有共晶转变的相图,L A,L B,L C,L A + C,L A + B,L B + C,A + B + C,L A + B + C,单相区：,双相区：,三相区：,四相区：,L,L + A、L + B、L + C,L + A + B、L + B +C、 L + A + C、A + B + C,一个,三个,四个,一个,L + A + B + C,E,E3,E1,TA,E,E1,E2,TB,E,E3,E2,TC,L A,L B,L C,液相面, 初生相开始析出,L A + C,L A + B,L B + C,L A + B + C,固相面, 三相平衡共晶转变结束 四相平衡共晶,L A + C,L A + B,L B + C,E,A1,A2,B1,B2,E1,E,E3,C1,C3,A1,A3,E,E2,C1,C2,B1,B3,中间面, 三相平衡共晶转变开始,E,E3,E1,E2,L A + C,L A + B,L B + C, 三相平衡共晶线, 四 相 平 衡 共 晶 点,2.等温截面,L,L+C,L+C,L+A,L+B,L,L+A+C,L+A+C,L+B+C,L+A+B,L+A+B+C,L+C,L+A,L,L+A+C,L+A+B,L+B+C,L,L+A,L+B,L+C,A+B+C,3. 垂直截面,1） 等比截面,例一：,L,L+A,L+B,L+A+C,L+B+A,A+B+C,例二：,L,L+A,L+B,L+A+C,A+B+C,2） 定量截面,L,L+A,L+B,L+A+C,L+B+C,A+B+C,L,L+A,L+B,L+A+C,L+A+B,A+B+C,L+B+C,4. 投影图 为了简化和便于研究，可将空间模型图中各类区、面、线投影到成分三角形上，构成平面投图。,C,A,B,e1,e2,e3,E,A,B,C,L B,L,A + B + C,相组成：,组织组成：,A + B + C,B初+( A+B )+( A+B+C ),L A+B,L A+B+C,L A+B+C,e,1） E点合金,L,A + B + C,e1,e2,e3,相组成：,组织组成：,A + B + C,( A + B + C ),5. 结晶过程,e,2） e1-e 线上的合金,A + B + C,e1,e2,e3,相组成：,组织组成：,A + B + C,( A+B )+( A+B+C ),L A+B,L A+B+C,e,3） A-e 线上的合金,A + B + C,e1,e2,e3,相组成：,组织组成：,A + B + C,A初 + ( A+B+C ),L A,L A+B+C,L A,e,4） A-e-e1内合金,L,A + B + C,e1,e2,e3,相组成：,组织组成：,A + B + C,A初+( A+B )+( A+B+C ),L A+B,L A+B+C,5.3.2 固态有限溶解的三元共晶相图,1. 相图分析,三组元在液态完全互溶，在固态部分互溶或完全不互溶，冷却过程发生共晶反应。,点：熔点；二相共晶点；三相共晶点。,线：两相共晶线；液相面交线；两相共晶面交 线；液相区与两相共晶面交线；,液相面 固相面(组成) 面： 二相共晶面 三相共晶面 溶解度曲面：6个 两相区：6个 区： 单相区：4个 三相区：4个 四相区：1个,2. 等温截面图：,等温截面图： 应用：可确定平衡相及其成分；可运用杠杆定律和重心定律。 三相平衡区：是直边三角形； 两相区与之线接 （水平截面与棱柱面交线）； 单相区与之点接 （水平截面与棱边的交点，表示三个平衡相成分。）,3.垂 直 截 面 图,4.投 影 图,5. 凝固过程,I： L,相： 组织： ,II： L ,相：+ 组织： +,III： L +,相：+ 组织： +,IV： L L+,相：+ 组织： +（+）,V： L L+ ， ,相：+ + 组织： +（+）+ ,VI： L L+ L+,相：+ + 组织： +（+）+（+ ）,5.4 其他形式的三元合金相图,三相平衡 等压条件下相律：F=C-f+1 三相平衡时，自由度F=1 三个平衡相的成分各是一根随温度变化的线。 它们两两构成一个面，三个面围成的区域为三相区。,R、Q和U分别表示参与平衡的三个相，三根相线在空间的配置有两种方式：,1. 中间的相线R比两侧的相线（Q和U）高，这是共晶型的三相反应：RQ+U,2. 中间的相线U比两侧的相线（Q和R）低，这是包晶型的三相反应：Q+RU,考虑x成分合金： 在T2温度时，只有一个R相。 冷却到T2温度时，有两个相：Q+U，R相消失。 所以，合金x从T2冷却到T2过程中确实发生了RQ+U的共晶反应。,考虑x成分合金： 在T2温度时，有两个相：Q+R，U相为0。 冷却到T2温度时，只有一个U相。 所以，合金x从T2冷却到T2过程中确实发生了R+QU的包晶反应。,三相平衡区域在恒温截面和垂直截面图中的形状,I 三相平衡的空间结构表现为三根不共面的平衡相成分的变温线； II 三根相线两两组成的面围成三相区，三个相的平衡成分只由该温度的平衡相线来决定； III 共晶型三相平衡的三个相线，中间的相线位置比两边的相线高。包晶型的三相平衡的三根相线，中间的相线位置比两边的相线低； IV 三相区在恒温截面图上表现为直边三角形，垂直截面图上表现为曲边三角形，共晶型的三角形顶点朝上；包晶型的三角形顶点朝下。,5.5 三元合金相图的四相平衡转变,等压条件下自由度F=0 表现为在恒定温度下四个平衡相的成分点。 平面的四个点可以分别连成四个三角形，这四个三角形分别是与四相平衡面接触的四个三相区。 四个点又可以两两连成六条线，分别是六个两相平衡区与四相平衡接触的位置。,根据四个三相区与四相平面接触的情况，可以把四相反应分为三种类型（四个平衡相：R、U、V和Q）,I. 第一类四相反应：四相平面在高温与三个三相区相接触，低温与一个三相区相接触。RU+V+Q,II. 第二类四相反应：四相平面在高温和低温分别与两个三相区相接触。R+QU+V,III. 第三类四相反应：四相平面在高温与一个三相区相接触，低温与三个三相区相接触。R+U+QV,1.第一类四相反应,特征： 四个相点都与三根相线连接； 中间的相点的三根相线都从高温来； 外边的三个相点的三根相线都是两根从高温来，一根到低温去。,2.第二类四相反应,特征： 四个相点都与三根相线连接； 四相区中间与高温连接的两相区两个相点的三根相线有两根从高温来，一根往低温去； 另外的两个相点的三根相线一根从高温来，两根到低温去。,选择一个会发生四相反应的成分x，在Tp+dT温度时，存在Q、U、R三相。,在Tp-dT温度时，存在Q、U、V三相。,3.第三类四相反应,特征： 四个相点都与三根相线连接； 四相区外面的三个相点的三根相线有一根从高温来，两根往低温去； 四相区中心的相点的三根相线都往低温去。,由液相面投影图判断四相平衡反应类型,I. 四相平衡表现为一个等温面上的四个成分点，四个点组成的面为四相区。四个平衡成分点分别与四个单相区连接； II. 四个平衡成分点三三平衡，所以四相平面和四个三相区以面的方式连接； III. 四个平衡成分点两两平衡，所以四相平面和六个两相区以线的方式连接； IV. 四相平面与四个三相区连接的方式不同决定了三类四相反应； V. 根据上述关系，若在垂直截面截出四个三相区，则可以判断四相反应的类型和反应式，也可根据液相面的投影判别反应类型和反应式。,5.6 具有化合物的三元相图及三元相图的简化分割,若三元系中有t个三元稳定化合物。有b个二元稳定化合物，可以简化分割成简单三元系数目n为： n=2t+b+1,若有多个稳定化合物，从表面看，分割方式可能有多种，但是只有唯一的一种方式是正确的，需要有实验确定。,5.7 三元合金相图应用举例,5.7.1 Fe-C-Si三元系的垂直截面图,三个三相区： L+ L+C +C,5.7.2 Fe-Cr-C三元系的垂直截面图 C1：Cr7C3，C2：Cr23C6，C3：(Fe,Cr) 3C,8个两相区 8个三相区 3条水平线,1175oC：,7