材料科学基课件-之合金的结构二元系相图三元系相图全套课件PPT专业课件.ppt

材料科学基础,FundamentalsofMaterialsScience,第三章合金相结构二元和三元相图,.,1,3.1合金相结构3.2液态合金固化3.3二元相图的建立3.4二元匀晶相图3.5二元共晶相图,3.6二元包晶相图3.7其它类型二元相图3.8相图与性能3.9二元相图热力学初步3.10三元相图,主要内容,.,2,为何工业上很少使用纯金属，而多使用合金？纯金属性能有限。合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔炼或烧结，或用其他方法组合而成的具有金属特性的物质。组元：组成合金最基本的、独立的物质。(如二元、三元、多元合金)可以是纯元素，也可以是化合物。,合金相结构,3.1,.,3,合金相结构,相(phase)：合金中具有同一聚集状态、成分和性能均一，并以界面分开的组成部分。合金相由固溶体和中间相两大类相组成。,.,4,3.1.2固溶体SolidSolution,固溶体：溶质原子完全溶入固态溶剂中，并能保持溶剂元素的晶格类型所形成的合金相。1.分类：,A为纯金属：第一类固溶体A为化合物：第二类固溶体,.,5,置换固溶体(SubstitutionalSS)间隙固溶体(InterstitialSS),.,6,有限固溶体(FinitudeSS)无限固溶体(InfinitudeSS),有序固溶体(OrderedSS)无序固溶体(RandomSS),.,7,.,8,2.置换固溶体(SubstitutionalSS),溶质原子取代了溶剂原子在结构中的位置所形成的固溶体。,.,9,影响固溶度的因素,(1)尺寸因素(SizeFactor),溶质和溶剂的相对尺寸差别r(r质-r剂)/r剂必须小于15%，才可能有比较大的固溶度。,点阵畸变：rbra膨胀rbra收缩,.,10,(2)电负性因素(ElectronegativityFactor),电负性：原子吸引电子形成负离子的倾向。,影响固溶度的因素,.,11,(3)电子浓度因素(ElectronconcentrationFactor),电子浓度：合金相中各组元价电子总数与原子总数之比。,溶剂原子与溶质原子的电负性差越大，固溶度越小。,影响固溶度的因素,.,12,尺寸因素有利情况下，溶质元素的原子价越高，固溶度越小。,Zn,Ga,Ge,As在一价铜中最大溶解度分别为38%,20%,12%,7%;溶剂元素为1价面心立方时，C电子极限1.36溶剂元素为1价体心立方时，C电子极限1.48溶剂元素为1价密排六方时，C电子极限1.75,.,13,(4)晶体结构因素(StructureFactor),溶质原子与溶剂原子的晶体结构不同时，一般是有限固溶体。晶体结构相同并同时满足电负性和尺寸相近的条件下可能形成无限固溶体。Ni-Cu,Fe-Cr,Au-Ag,影响固溶度的因素,.,14,3.间隙固溶体(InterstitialSS),尺寸很小的溶质原子，在固溶体中处在晶胞的间隙位置，形成间隙固溶体。,r0.41,.,15,间隙固溶体都是有限固溶体。,间隙固溶体的固溶度还与晶格类型有关。面心立方：八面体间隙四面体间隙体心立方：更容易进入到八面体间隙,.,16,碳和氮与铁形成的间隙固溶体是钢中的重要合金相。面心立方的-Fe,C,N在八面体间隙。体心立方的-Fe,C,N在八面体间，尽管四面体间隙大。,.,17,(1)晶格畸变,溶质溶剂原子大小不同局部晶格畸变弹性应力场晶格常数变化。,补充：固溶体的微观不均匀性,.,18,固溶体中的溶质原子分布可分为无序分布、偏聚分布和短程有序分布。,(2)偏聚与有序,.,19,溶质原子和溶剂原子分别占居固定位置，而且晶胞中溶质和溶剂原子之比都是一定的，又称有序固溶体。,(3)有序固溶体,.,20,.,21,固溶强化：间隙原子造成的点阵不对称畸变，产生一个强应力场，该应力场与位错产生强烈的交互作用。,固溶体的性能,马氏体转变：马氏体具有较高的强度。,.,22,3.1.3金属间化合物/中间相,定义：不和相图端际相连接的相。成分处在A于B中和B于A中的最大溶解度之间。可以是化合物，也可以是以化合物为基的固溶体。结构不同于组成化合物的组元。主要为金属键，兼有离子键、共价键。具有金属的性质，又称为金属间化合物。,.,23,中间相的分类,正常价化合物(ValenceCompoud)：电负性控制，符合原子价规律电子化合物(ElectronCompound)：电子浓度控制，电子浓度与晶体结构有关尺寸因素化合物(Size-FactorCompound)：间隙相，间隙化合物，r41%结构简单，r0.59,如硼化物与硅化物(Cr,Mn,Fe,Al的碳化物),则会形成复杂的结构,.,30,.,31,(1)间隙相,结合一般是共价键和金属键，一般可用简单化学式表示，并且一定化学式对应一定的晶体结构。,具有极高硬度和熔点，多数具有金属性，是合金工具钢及硬质合金中的强化相。,.,32,(2)间隙化合物,Fe3C,种类多，结构复杂。熔点和硬度均比间隙相略低，是钢中最常见的强化相。,.,33,4.拓扑密堆相(TopologicallyClose-PackedPhase),拓扑学形成空间利用率很高配位数大的一类结构。利用两种尺寸不同原子的配合，尽是成四面体堆垛(为主)。密堆结构配位数很高，都大于12，可为14、15、16。拓扑密堆结构可用配位多面体来描述：原子为中心，周围原子用直线连接构成的多面体。多面体的面为三角形，称为三角形配位多面体，如此类推,.,34,拓扑密堆相(TopologicallyClose-PackedPhase),.,35,配位多面体的几何特性,拓扑结构也可以看作层状结构，主要原子层通常由较小的原子所组成。具有一定的形状，常常包含有六角形、四角形和三角形的图案。次层由大原子组成并分布于主层的大空隙中。拓扑密堆结构相通常有下面几种：拉弗斯(Laves)相、相、R相和P相。Laves：MgZn2型结构,MgCu2结构,MgNi2相,.,36,MgCu2,每个单胞：16个Cu原子8个Mg原子,.,37,相,相比较稳定，引起钢中脆性，特别在不锈钢中,.,38,合金相结构总结,合金相,固溶体,中间相/金属间化合物,置换固溶体,间隙固溶体,正常价化合物,电子化合物,间隙相与间隙化合物,拓扑密堆相,.,39,当二组元的电负性差别较大时，可能形成正常价化合物。当电子浓度是控制因素，并达到21/12、21/13、21/14时，可能形成电子化合物。当尺寸因素为主要因素时，还要看电子浓度因素与电化学因素：1.当二组元的原子半径差r8-15%，结构类型相同、电负性相差很小、价电子数相等时，可能形成无限固溶体；如果，r15%，但结构不同，或15%r41%，电负性相差不大，可能形成间隙固溶体。,合金相结构总结,.,41,由一种元素或化合物构成的晶体称为单组元晶体或纯晶体，该体系称为单元系。,3.3二元相图的建立,.,42,对于不含气相的凝聚体系，相律可写成：,.,43,二元合金相图的基本知识,.,44,相图的物理意义,二元相图通常用纵坐标表示温度，横坐标表示成分,a.已知合金成分，根据相图找出不同温度下合金所处的状态和相变点。b.温度一定，合金所处的状态以及合金随成分发生的相转变。,.,45,c.相图表明的是热力学的平衡状态。d.相图并未表明各相的分布状态。如弥散度、晶粒大小，与形状。e.许多理论研究和实际生产工艺都是从相图出发或以此为依据的。f.不同温度时组织状态随成分而改变的规律-金相分析的重要依据。(新合金的研制-熔铸-加工-热处理工艺规范),.,46,47,PhaseDiagrams,IndicatephasesasafunctionofTemp,CompandPressure.Focuson:-binarysystems:2components.-independentvariables:TandC(P=1atmisalmostalwaysused).,Cu-Nisystem,2phases:,L,(liquid),a,(FCCsolidsolution),3differentphasefields:,L,L+,a,a,.,47,48,ChangingTcanchange#ofphases:pathAtoB.ChangingCocanchange#ofphases:pathBtoD.,EffectofTemperatureV原子间的结合能。),.,177,第七节相图的热力学基础,2化学位与相平衡条件（1）化学位：偏摩尔吉布斯自由能。用表示。化学位的确定：在自由能成分曲线上，过成分点的切线与两纵轴的交点。（2）相平衡的条件：两组元在各相中的化学位分别相等。A=A=在自由能成分曲线上，表现为各曲线间有公切线。,.,178,第七节相图的热力学基础,3二元系自由能曲线与相图的关系,.,179,本章小结,二元相图,包晶相图,共晶相图,匀晶相图,铁碳相图,应用：铸锭的三种不均匀性,成因,如何消除或减弱,.,180,本章内容要点,1、合金、相、组织（显微）2、二元匀晶、共晶、包晶相图、二元共晶、包晶、共析反应3、平衡结晶组织、伪共晶、离异共晶、晶内（枝晶）偏析4、共晶体、共晶、亚（过）共晶合金5、成分过冷、平衡分配系数k。1.会利用相律来判断相图的正确与否。2.会进行二元合金平衡组织的分析。3.利用杠杆定律计算：相组成物与组织组成物的百分含量。4.明确合金结晶过程与纯金属结晶过程的异同点。5.根据相图简单判断合金的性能。,.,181,3.10三元相图一、三元相图的成分表示法二、杠杆定律及重心法则三、匀晶三元相图四、简单三元共晶相图五、固态有限溶解的三元共晶相图六、有包共晶反应的三元相图七、三元包晶相图八、形成稳定化合物的三元相图九、三元相图分析法总结十、三元相图实例,.,182,必要性：工业材料为多元合金本章主要内容：1.三元相图的表达方式，使用方法2几种基本的三元相图立体模型3各种等温截面，变温截面及各相区在浓度三角形上的投影图4典型合金的凝固过程及组织，各种相变过程及相平衡关系。,.,183,一、三元相图的成分表示法1浓度等边三角形：,三个顶点为纯组元，三条边为二元合金，三角形内任一点为三元合金,.,184,一三元相图的成分表示法：等腰三角形,.,185,一三元相图的成分表示法：直角坐标系,.,186,3浓度三角形中特殊线：3.1平行浓度三角形任一边的直线3.2从浓度三角形的一个顶点到对边的任意直线,.,187,二、杠杆定律及重心法则,单相平衡勿须计算，四相平衡无从计算1两相平衡：杠杆定律共线法则：三元合金中两相平衡时合金成分点与两平衡相成分点在浓度三角形的同一直线上杠杆定律表达式%=EO/DE100%，=OD/DE100%注意：当一个合金O在液相的凝固过程中，析出相成分不变时，液相成分一定沿相成分点与O点连线延长线变化。,.,188,2三相平衡重心法则（重量三角形重心）x，y，z分别为，成分点，则%=oa/ax100%，=ob/by100%，%=oc/cz100%,.,189,三、匀晶三元相图,1立体模型液相区，固相区，液、固两相区,.,190,匀晶三元相图-合金凝固过程及组织,a.平衡凝固b.蝶形法则：如图匀晶合金凝固中相成分变化，凝固中固、液相成分沿固相面、液相面呈曲线变化，每一个温度下的固、液相成分连线在浓度三角形中投影呈蝴蝶状,.,191,3匀晶三元系的等温截面,.,192,匀晶三元系两相区中的共轭线，等温截面中两相区平衡两相的成分连线共轭线的确定：实验确定，测定两平衡相中任一相的一个组元含量,.,193,等温截面作用,匀晶三元系等温截面作用：该温度下三元系中各合金的相态2杠杆定律计算平衡相的相对量3反映液相面、固相面走向和坡度，确定熔点、凝固点,.,194,匀晶三元系变温截面：某合金不同温度下状态分析合金的相变过程,.,195,四、简单三元共晶相图,1立体模型：简单三元共晶相图模型3个初晶液相面，3条单变量线或二元共晶线，一个三元共晶点,三相区开始面，结束面，,.,196,.,197,各相区在浓度三角形上的投影图,.,198,简单三元共晶中共晶点,3.二元共晶成分的确定F4-14二元共晶成分的确定共晶成分在变化，切线法确定,.,199,简单三元共晶结晶过程如图x合金LA，LA+B，LA+B+C,.,200,2合金的凝固过程和组织,.,201,简单三元共晶,4简单三元共晶的等温截面二相区：共轭线，三相区：三角形，三个顶点代表成分点,.,202,5简单三元共晶的变温截面：平行于浓度三角形一边的变温截面cd，合金x的结晶过程：LB，LA+B，LA+B+C，练习：分析p-f之间合金的结晶过程,.,203,简单三元共晶的变温截面：通过顶点的变温截面，注意：不能用杠杆定律，F4-17中A1g1非四相平衡,.,204,五、固态有限溶解的三元共晶相图,1固态有限溶解三元共晶立体模型三个液相面，三个固溶体相面，一个三元共晶固相面三个二元共晶完毕固相面，三组二元共晶开始面,.,205,固态有限溶解的三元共晶相图,固态有限溶解三元共晶三组六个固溶度面：三条同析线及构成的一个同析台,.,206,固态有限溶解三元共晶各相区在浓度三角形上的投影图,.,207,.,208,固态有限溶解的三元共晶凝固过程,2固态有限溶解三元共晶合金的凝固过程和组织合金IVL，L+，合金VI：L，L+，L+同析反应,.,209,固态有限溶解三元共晶合金的凝固过程和组织,2,3,4,.,210,3固态有限溶解三元共晶合金的等温截面,.,211,4固态有限溶解三元共晶合金的变温截面xy变温截面x1：L+，L+x2：L，L+x3：L，L+，L+x4：L，L+，x5：L，L+，,.,212,OP变温截面,.,213,六、有包共晶反应的三元相图1立体模型包共晶反应L+AM+C4个液相面5条单变量线三相平衡反应开始面与结束面（二元共晶结束与四相面重合）,.,214,二元包晶反应开始面，结束面2个水平面，2个四相平衡点,.,215,2合金的凝固过程和组织各点合金的组织如表4-3（表中nmp区需修正）如合金I：LA剩余液相交np于n1：L+AM至n2点，A消失，LM液相沿e1E：LM+B液相成分在E点：LM+B+C,.,216,.,217,3等温截面,.,218,4。变温截面,.,219,x合金结晶：LA，L+AM，LM，LM+C，LM+B+Cy合金结晶：LA，L+AM，L+AM+C，LM+C，LM+B+C5固相有固溶度时的包共晶包共晶：L+PMd1+c1包晶反应LEMd2+b+c2d1d2，c2c1为M+二元共晶结束面投影x合金凝固过程：L，液相与np接触，L+M，至P点LP+aMd1+c1，消失多余液相发生LM+结束,.,220,七、有三元包晶反应的三元相图,1空间模型（可以与有固溶度三元共晶比较）三个液相面三个单相固相面一个三元包晶反应水平面一组二元共晶开始、结束面两组二元包晶反应开始、结束面六个单相固度面,七、三元包晶相图,.,221,三元包晶,.,222,由二元相图推断三元包晶相图,.,223,三元包晶相图：浓度三角形的上投影图,.,224,八、形成稳定化合物的三元相图,1形成一个稳定二元化合物的三元相图特殊截面,.,225,2.形成一个稳定三元化合物的三元相图及简化,.,226,3.形成几个稳定化合物的三元相图及简化两种划分法：CX及BY,正确的划分：检查W的成分,.,227,九、三元相图分析法总结-两相平衡-等温截面-成分变化：蝶形规则，共轭线：可用杠杆定律,.,228,三元相图分析法总结-两相平衡之变温截面-判定转变温度范围和相转变过程，不能用杠杆定律。,.,229,2三元相图分析法总结-三相平衡-等温截面：直边三角形，三顶点为相成分点，可用重心法则,.,230,三元相图分析法总结-三相平衡变温截面：曲边三角形或多边形,.,231,三元相图分析法总结-三相平衡-三相反应的判定：1.变温截面上,.,232,2.三元相图分析法总结-三相平衡-