材料科学基础 第十章.doc

第十章 相图一、学习目的金属及其他工程材料的性能决定于其内部的组织、结构，金属材料的组织又由基本的相所组成。由一个相所组成的组织叫单相组织，两个或两个以上的相组成的叫两相或多相组织。材料中相的状态由其成分和所处温度来决定，它是研究组织的基础。相图就是用来表示材料相的状态和温度及成分关系的综合图形，其所表示的相的状态是平衡状态，因而是在一定温度、成分条件下热力学最稳定、自由能最低的状态。利用相图可以制订材料生产和处理工艺，可以预测材料性能，可以进行材料生产过程中的故障分析，还可以利用相图推断不平衡态可能的组织变化趋势和特征。这对理解非平衡结构并研制、开发新材料有重要意义。总之相图知识的掌握和理解对于从事设计和控制热处理相关工艺的工程师而言具有重要的应用价值。二、本章的主要内容1、(a) 画简单的完全固溶相图和共晶相图的示意图。 (b) 在这些相图中标出不同相区区域。 (c) 标出液相线、固相线、固溶相线。2、给定的二元相图中，已知合金的组成，所处温度，并假定合金处在平衡状态，确定：(a) 存在的相； (b) 平衡相的组成； (c) 合金中平衡相的质量分数。3、二元相图中(a) 确定共晶，共析和包晶转变的温度和组成 (b) 写出加热或冷却时上述所有转变的反应式4、已知组成在0.022 wt% C 和2.14 wt% C之间的Fe-C合金(a) 指定合金是否为亚共析或过共析合金； (b) 给出先共析相的名称； (c) 计算先共析相和珠光体的质量分数；(d) 画出温度刚好在共析温度之下时的显微组织的示意图三、重要术语和概念Austenite: 奥氏体具有面心立方晶体结构的铁g-Fe，也是碳溶解于g-Fe所形成的间隙固溶体。Cementite: 渗碳体铁与碳形成的化合物Fe3C叫做渗碳体，它的含碳量为6.67%Component: 组元组成合金的化学组分(元素或化合物)，可用于确定其组成。Congruent transformation: 无成分变化转变相同成分的不同相之间的转变。Equilibrium (Phase): 平衡(相)是指体系的一种状态，在此状态下，在无限长的时间内，相的性质保持不变。平衡状态下自由能达到最小值。Eutectic structure: 共晶结构具有共晶成分的液体凝固得到的两相显微结构(组织) 。Eutectic phase: 共晶相共晶结构中存在的两相中的某一相。Eutectic reaction: 共晶反应随着冷却过程，一个液相等温可逆地转变为两个紧密混合的新固相的反应。Eutectoid reaction: 共析反应随着冷却过程，一个固相等温可逆地转变为两个紧密混合的新固相的反应。Ferrite: 铁素体具有体心立方晶体结构的铁a-Fe，同样碳溶于a-Fe中的间隙固溶体称为铁素体。Free energy: 自由能一热力学量，它是体系的内能和熵(或无序度)的函数。在平衡态，自由能达到其最小值。Gibbs phase rule: 吉布斯相律多相平衡系统中，系统的自由度数、独立组分数、相数和对系统的平衡状态能够发生影响的外界因素之间的关系：F=C-P+nHypereutectoid alloy: 过共析合金可得到共析反应的合金体系，此合金中溶质的浓度大于共析成分。Hypoeutectoid alloy: 亚共析合金可得到共析反应的合金体系，此合金中溶质的浓度小于共析成分。Intermediate solid solution: 中间固溶体非纯组分的一定成分范围的固溶体或相。Intermetallic compound: 金属间化合物具有明确的化学式的两种金属间的化合物。在相图中，它以中间相出现，其存在的成分范围非常窄。Invariant point: 三相点二元相图中三相平衡共存的点Isomorphous: 同晶形具有相同结构的物质。从相图的理解来讲，同构意味着具有相同的结构或者在所有成分范围内固态完全互溶。Lever rule: 杠杆规则一种数学表达式，用来计算在两相平衡合金体系中的每一相的相对质量。Liquidus line: 液相线在二元相图中，液相和液+固相之间的分界线。合金而言，此线上的液态温度是在平衡冷却条件下开始产生固相的温度。Metastable: 亚稳在非常长的时间内可持续存在的非平衡态。Microconstituent: 微组元显微组织的组成，它具有确定的特征结构。由一个以上的相组成，如珠光体。Pearlite: 珠光体由共析成分的奥氏体转变而得到的在一些钢和铸铁中出现的两相显微结构，是由a-铁素体和渗碳体交互形成的层状或片状组成。Peritectic reaction: 包晶反应随着冷却过程，一固相和一液相等温可逆转变为具有不同组成的固相的反应。Phase: 相体系具有相同的物理和化学性质的均匀部分Phase diagram: 相图用图形来描述相平衡系统的成分、外界条件(例：温度和压力)与相的状态，这种综合图形称为相图。Primary phase: 初晶相除了共晶结构之外存在的相。Proeutectoid cementite: 先共析渗碳体过共析钢中与珠光体共存的最初析出的渗碳体。Proeutectoid ferrite: 先共析铁素体亚共析钢中与珠光体共存的最初析出的铁素体。Solidus line: 固相线在相图中，连接平衡冷却条件下完成凝固或者平衡加热条件下开始熔化之点的轨迹线。Solubility limit: 溶解度不形成新相的条件下，溶质可溶解在溶剂中的最大浓度。Solvus line: 固溶相线在相图中描述固溶度与温度关系的点的轨迹线System: 体系有两种可能的含意：(1)所研究的对象既指定材料 (2) 由相同组元组成的一系列可存在的合金。Terminal solid solution: 端部固溶体成分范围处于二元相图中两端的固溶体。Tie line: 结线二元相图中穿过两相平衡区的水平线；结线与相分界线之间的两个交点各描述在所讨论温度下相的平衡组成。四、主要例题、习题的分析10.11 A 1.5kg specimen of a 90wt% Pb-10wt% Sn alloy is heated to 250C, at which temperature it is entirely an a-phase solid solution (Figure 10.7). The alloy is to be melted to the extent that 50% of the specimen is liquid, the remainder being the a-phase. This may be accomplished either by heating the alloy or changing its composition while holding the temperature constant. (a) To what temperature must the specimen be heated?The Specimen must be heated to 295.84C.(b) How much tin must be added to the 1.5kg specimen at 250C to achieve this state?答： (a) 样品必须加热到295.84C(b) 此时的组成应为23.7 wt% Sn。设加入的Sn量为x kg，则应满足下列关系。解此方程得：x=0.269kg10.24 A 30 wt% Sn-70 wt% Pb alloy is heated to a temperature within the a+liquid phase region. If the mass fraction of each phase is 0.5, estimate (a) the temperature of the alloy, and (b) the compositions of the two phases.答：(a) 根据Sn-Pb相图，组成为A 30 wt% Sn-70 wt% Pb的合金，平衡两相质量分数为0.5时的对应合金温度为225C。 (b) 平衡两相中，a相的组成为16.4 wt% Sn-83.6 wt% Pb，液相的组成为43.6 wt% Sn-56.4 wt% Pb。10.26由金属A和B元素构成的合金由富含A的a相和富含B的b平衡两相组成。在确定温度下，从下列的两相质量分数数据，确定a、b两相的组成。 合金成分 a 相分数 b 相分数60wt%A-40wt%B 0.57 0.4330wt%A-70wt%B 0.14 0.86答：设a相的组成为x wt% B, b相的组成为y wt% B，则 当合金组成为60wt%A-40wt%B时，根据杠杆定律有： 0.57(40-x)=0.43( y-40) 当合金组成为30wt%A-70wt%B时，同理有： 0.14(70-x)=0.86( y-70) 联立方程得：x=10；y=80 即a相的组成为 90wt%A-10wt%B， b相的组成为20wt%A-80wt%B。10.27组成为55 wt% B-45 wt% A的A-B合金，在某一确定温度下，由质量分数为0.5的a、b两相组成。如果b相的组成为90 wt% B-10 wt% A，则a相的组成为多少？答：质量分数为0.5，意味着Wa=Wb设a相的组成为x wt% B, 根据杠杆定律有：(55-x) Wa =(90-55) Wb解得：x=20，即a相的组成为 20 wt% B-80 wt% A10.51相和组织的区别是什么？答：相是物理化学性质均匀的部分 组织表示的是材料的微观结构，它可以由一个相或若干相组成。10.69 组成为5 wt% C-95 wt% Fe的Fe-C合金，以非常缓慢的速度冷却至下列温度：1175C, 1145C, and 700C时，给出显微结构的示意性草图。标出相，指出它们的组成（近似）答：1175C时：L + Fe3C；1145C时：g + Fe3C；700C时：a + Fe3C 示意草图（略）：五、背景资料 虽然纯金属在人类生活和和生产中也获得了一定程度的应用，但它们的性能远不能满足多方面的要求。在工业中更广泛地被应用的是合金。 为了正确地对各种合金进行熔铸、锻压和热处理，必须了解它们的熔点和发生固态转变的温度，并研究它们的凝固过程和凝固后的组织。目前已测定出许多二元合金系的成分与其熔点及固态转变温度曲线，并分析了不同成分的合金在不同温度下的组织状态。合金相图就是以这些试验结果为基础而建立起来的。它是一种能够反映给定合金系中合金成分、温度与其组织状态之间关系的图形，是制订合金熔铸、锻压及热处理工艺规范的重要依据，也是分析合金组织的重要参考资料，具体应用可列举如下：相图是材料科学的基础内容。在材料工程中有重要意义，可举出以下应用的有关方面。(1) 研制、开发新材料，确定材料成分根据研制合金工程应用的工况条件和性能要求，利用已有合金系的相图和相图与性能关系的知识，可选定合金系和确定合金成分。如对陶瓷材料，根据Al2O3-SiO2系统相图，可以找出铝硅质耐火材料的合适组成，根据CaO- Al2O3-SiO2系统相图设计容易烧成的、性能优良的水熟料配方。(2) 利用相图制订材料生产和处理工艺 一般金属材料主要的生产过程是熔炼、铸造获得铸锭或铸件，铸锭再经锻轧热变形生产出锻坏、锻件或型材，加工后的零、部件须进行热处理以改善性能；陶瓷材料和部分金属材料采用粉末冶金方法生产，压制成形，固态烧结。在材料的生产和处理中，熔炼和浇注温度、热变形温度范围、烧结温度、热处理类型以及工艺参数均可由该合金或陶瓷材料的相图作