【西工大材科科学基础 】8三元相图

材料科学基础 第八章三元相图 二元相图只适用于二元合金或二个组元的陶瓷材料 对于三组元的合金或陶瓷材料需用三元相图分析 工程实用材料多是三组元或三组元以上的 三组元的合金可举例如下 轴承钢中的Fe C Cr合金 高锰耐磨钢中的Fe C Mn合金 不锈钢中的Fe Cr Ni合金 铸铁中的Fe C Si合金 铝合金中的Al Mg Si合金 Al Cu Mg合金等等 第八章三元相图 为什么要用到三元相图 第一节三元相图的成分表示方法 右图是一个表示合金成分的等边三角形 称为浓度三角形 浓度三角形的三个顶点代表A B C三个纯组元 A B边代表A B二元合金的成分 BC AC分别代表B C A C二元合金的成分 三角形内任一点代表一定成分的三元合金 图浓度三角形 8 1 1浓度三角形 8 1三元相图的成分表示方法 8 1三元相图的成分表示方法 8 1 2浓度三角形中具有特定意义的线 8 1三元相图的成分表示方法 8 1三元相图的成分表示方法 思考题1 图思考题1 下图的成分三角形中有P R S T四个材料点 问哪个点的材料 其成分为 A 20 B 10 C 70 PRST 思考题2 右图中的成分三角形中标出了O材料的成分点 问下述的几个成分描述 哪一个是正确的 A 30 B 30 C 40 A 30 B 40 C 30 A 40 B 30 C 30 图思考题2 第二节三元系平衡转变的定量法则 O点成分的三元合金在该温度下处于 两相平衡 和 相的平衡成分分别为M和N点的成分 则两平衡相的成分点M和N点 与合金成分点O点必定在一条直线上 且O点位于M N两点的连线上 此即为直线法则 8 2 1直线定理 8 2三元相图平衡转变的定量法则 上式就是解析几何中三点共线的关系式 由此证得M N O三点必在一条直线上 8 2三元相图平衡转变的定量法则 思考题3 图思考题3 将成分为x的材料300克与成分为y的材料200克熔化在一起 形成一个新的材料 请用作图法求出新材料的成分 并用计算法进行验证 思考题4 某三元合金K在温度T时分解为B组元和液相L 两个相的相对量WB WL 2 已知合金K中 C组元和A组元的重量比为3 液相含B组元为0 4 试求合金K的成分 O点成分的三元合金处于 三相平衡 和相的平衡成分分别为D E和F点的成分 重心法则指出 三平衡相的成分点构成一个重量三角形 三角形DEF 合金成分点O必位于三角形的重量重心位置 8 2 2重心定理 8 2三元相图平衡转变的定量法则 重心法则可由直线法则和杠杆定律引伸得到 如果将合金O看成是处于假想的 两相平衡 两平衡相分别为 相和 混和物 的成分点为D点 合金的成分点为O点 故 的成分点必在DO连线的延长线上 同时 是由 和 两相组成的 其成分点必位于E F的连线上 所以 的成分点为DO连线的延长线与EF连线的交点 即D 点 8 2三元相图平衡转变的定量法则 第三节三元匀晶相图 三元系中如果任意两个组元都可以无限互溶 那么它们所组成的三元合金也可以形成无限固溶体 这样的三元合金相图 叫三元匀晶相图 8 3三元匀晶相图 图三元匀晶相图 A B C三点代表三个纯组元 A1 B1 C1三点分别是A B C三个组元的熔点 A1B1C1dL是A B C三元合金系的液相面 A1B1C1dS是A B C三元合金的固相面 单相区有L 两个 在液相面以上为单相的液相区 在固相面以下是单相的 固溶体相区 两相区 有一个L 在液相面和固相面之间是液相L和 固溶体两相区 8 3 1相图分析 图三元固溶体合金的平衡凝固过程分析 8 3三元匀晶相图 图三元匀晶相图的水平截面图 8 3 2等温截面图 水平截面图 8 3三元匀晶相图 如图合金O处于L 两相平衡 图中的PQ线是连接两平衡相成分点的直线 称为连接线或共轭线 8 3三元匀晶相图 f c p 1 3 2 1 2三元合金在两相平衡时有两个独立变数 除温度外 还有一个平衡相的成分可独立变化 而不影响系统平衡 在一定温度下 还必须先确定一个平衡相的成分 然后才可以应用直线法则和杠杆定律来求出另一个平衡相的成分 以及两平衡相的重量 如图合金O处于L 两相平衡 先通过实验测出液相的成分为P点成分 则由直线法则可以知道固相 的成分为Q点成分 应用杠杆定律可求得两平衡相的重量 8 3三元匀晶相图 在不知道两平衡相具体成分的情况下 连接线的走向可以由组元熔点的高低来进行判断 合金的连接线总是向组元熔点降低的方向偏转一个角度 8 3三元匀晶相图 假定三个纯组元的熔点TB TA TC 与二元合金中的规律相同 相中高熔点组元的含量高于合金中的平均含量 L相中低熔点组元的含量高于合金中的平均值 图中的B OE线为一条特性线 线上合金的A组元和C组元含量之比恒等于A0 C0 所以 相的平衡成分点P点位于B OE线的近A 点侧 而液相的平衡成分点Q点位于近C 点侧 8 3三元匀晶相图 8 3三元匀晶相图 8 3三元匀晶相图 图过成分三角形顶点的变温截面图 8 3 3变温截面图 垂直截面图 8 3三元匀晶相图 8 3三元匀晶相图 用垂直截面图可以分析合金的平衡结晶过程 了解合金在平衡冷却过程中发生相变的临界温度 以及可以了解合金在一定温度下所处的平衡状态 但是 用垂直截面图不能了解合金在一定温度下的平衡相成分和平衡相的重量 8 3三元匀晶相图 图变温截面图的应用 8 3三元匀晶相图 5 3 4投影图 8 3三元匀晶相图 将不同等温截面的液 固相线投影到浓度三角形上 就获得如图所示的投影图 图中的实线为液相线 虚线为固相线 由液 固相线投影图可确定不同成分合金的结晶开始温度和终了温度 图中O点成分的合金在T3温度开始结晶 在T 4温度结晶终了 8 3三元匀晶相图 第四节三元共晶相图 8 4 1组元在固态互不溶 具有共晶转变的相图 8 4三元共晶相图 1 相图分析 8 4三元共晶相图 图相区分析 8 4三元共晶相图 图含液相的两相区 三个含液相的两相区的形状很相似 都是由5个面 两个平面 三个曲面 围成的楔形体 图 三相区 8 4三元共晶相图 另一个A B C三相区是相图下部的正三棱柱 柱的顶面是L A B C四相平衡共存的三元共晶面 图A B C三相区 8 4三元共晶相图 图垂直截面图 垂直截面图 8 4三元共晶相图 图水平截面图 水平截面图和投影图 8 4三元共晶相图 图投影图 若在Ta与E之间作若干个等距的水平截面 然后将各截面与液相面的交线投影到成分三角形上 即可得到液相面的等温线投影图 每条线上都可标上相应的温度 则和地图上的等高线一样 由此可以看出液相面的变化趋势 8 4三元共晶相图 利用截面图分析材料的平衡冷却过程 材料冷至1点开始从液相中析出A晶体 随A晶体的析出 液相的成分沿Ax的延线方向变化 冷却至2点液相成分变化到E1E2线上的n点 8 4三元共晶相图 8 4三元共晶相图 8 4三元共晶相图 8 4三元共晶相图 8 4 2组元在固态下有限溶解 具有共晶转变的三元相图 8 4三元共晶相图 1 相图分析 8 4三元共晶相图 从占有空间的角度看 固态有限互溶三元共晶相图比固态完全不互溶三元共晶相图要多三个单相区 和三个固态两相区 8 4三元共晶相图 2 等温截面图 图等温截面图 8 4三元共晶相图 1 三相区都是三角形 三个顶点与三个单相区接触 2 三相区以三角形的边与两相区相接 相界线就是两相区的一条共扼连接线 3 两相区一般以两条直线和两条曲线作边界 直线接三相区 曲线接单相区 4 单相区的形状可以是各种各样的 8 4三元共晶相图 8 4 3三相平衡包晶转变的相图特征 8 4三元共晶相图 8 4三元共晶相图 第五节三元合金相图的四相平衡转变 8 5 1立体图中四相平衡平面 8 5三元合金相图的四相平衡转变 1 四相平衡共晶转变平面 四相共晶转变的反应式为 L 三元共晶面是一个四相平衡平面 其上面与三个三相平衡棱柱衔接 下面与一个三相平衡棱柱衔接 图中带箭头的线分别为平衡相的单变量线 也就是三棱柱的棱边 2 四相平衡包共晶转变平面 8 5三元合金相图的四相平衡转变 四相包共晶转变的反应式为 L 这种四相平衡平面为四边形 上面与L 及L 两个三相平衡棱柱衔接 下面与L 及 两个三相平衡棱柱衔接 3 四相平衡包晶转变平面 8 5三元合金相图的四相平衡转变 四相共晶转变的反应式为 L 这种四相平衡平面也是三角形 它的上面与L 三相平衡棱柱衔接 下面与L L 及 三个三相平衡棱柱衔接 8 5 2投影图上四相平衡平面 图投影图上的四相平衡平面与三相平衡棱柱 图中的三角形或四边形是相应的四相平衡平面的投影 图中的带箭头曲线是液相单变量线的投影 8 5三元合金相图的四相平衡转变 图与四相平衡衔接的三相平衡棱柱的端面 8 5三元合金相图的四相平衡转变 8 5三元合金相图的四相平衡转变 8 5 3垂直截面图上的四相平衡区 图垂直截面中的四相平衡平面 8 5三元合金相图的四相平衡转变 8 5三元合金相图的四相平衡转变 第六节具有化合物的三元相图 和二元系相似 三元系中组元之间形成稳定化合物时 可将相图加以分割 但情况比较复杂 这是因为 1 一个三元合金中含有三个二元系 其中可能只有一个二元系形成二元化合物 也可能两个甚至三个二元系都形成自己的