第三章結(jié)晶與相圖

1、第四章 典型相圖分析,相圖知識二元?jiǎng)蚓鄨D與固溶體的凝固二元共晶相圖二元包晶相圖復(fù)雜二元相圖的分析方法三元相圖,第一節(jié) 相圖知識,一、相律,對于恒壓條件：f = c – p + 1系統(tǒng)中有p相，c個(gè)組元，則成分引起的變數(shù)p(c-1)個(gè)。系統(tǒng)總的變數(shù)為p(c-1)+1在多相平衡時(shí)，任一組元在各相間的化學(xué)位相等， 每個(gè)組元可寫出個(gè)p-1等式，平衡條件總數(shù)為c(p-1),f=變數(shù)-條件數(shù)= p(c-1)+1- c(p-1)=

2、c-p+1,一、相律,第一節(jié) 相圖知識,二元相圖：當(dāng)存在兩個(gè)組元時(shí)，成分也是變量，但一種組元的含量為獨(dú)立，另一組元?jiǎng)t為余下部分。為在二維平面上表示，通常只考慮在常壓下，取兩個(gè)變量溫度和成分。橫座標(biāo)用線段表示成分，縱座標(biāo)表示溫度。平面上以按這時(shí)平衡狀態(tài)下存在的相來分隔。(如圖),相圖用途：,由材料的成分和溫度預(yù)知平衡相；材料的成分一定而溫度發(fā)生變化時(shí)其他平衡相變化的規(guī)律；估算平衡相的數(shù)量。預(yù)測材料的組織和性能,二、相圖與冷卻曲線的

3、關(guān)系：,第一節(jié) 相圖知識,成分一定，在冷卻過程中，不同的相熱容量不相同，如果系統(tǒng)散熱能力一樣，溫度隨時(shí)間的變化(冷卻)曲線上的斜率將不同，曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)溫度就是某些相開始出現(xiàn)或完全小時(shí)的溫度，利用這一特點(diǎn)，由實(shí)測的冷卻曲線可以作出相圖。,第二節(jié) 二元?jiǎng)蚓鄨D與固溶體的凝固,一、相圖形式,兩組元在液態(tài)和固態(tài)都能無限互溶。如Cu—Ni、Ag—Au形成二元合金對應(yīng)的相圖就是二元?jiǎng)蚓鄨D。,相圖的構(gòu)成：由兩條曲線將相圖分為三個(gè)區(qū)。左右兩端

4、點(diǎn)分別為組元的熔點(diǎn)。上面的一條曲線稱為液相線，液相線之上為液相的單相區(qū)，常用L表示；下面的一條曲線稱為固相線，固相線之下為固溶體的單相區(qū)，常用α表示；兩條曲線之間是雙相區(qū)，標(biāo)記L+α表示。,二、兩相平衡時(shí)的數(shù)量分配規(guī)律－－杠桿定律,第二節(jié) 二元?jiǎng)蚓鄨D與固溶體的凝固,如圖，合金x在溫度T1將由兩相長期并存，這時(shí)兩相的成分和數(shù)量保持不變。過x點(diǎn)作水平線交液相線和固相線于a、c點(diǎn)，經(jīng)熱力學(xué)證明a、c點(diǎn)的成分分別為平衡的液體和固體的成分，,

5、設(shè)mL和m?分別為兩相的數(shù)量，由物質(zhì)不滅可推導(dǎo)出：,一般用占總體數(shù)量的百分比的相對值來表示。如果把線段axc當(dāng)成一杠桿，則他們滿足杠桿力的平衡原理，所以稱之為杠桿定律。,用杠桿定律來分析在理解和使用都有好的直觀性和方便。適用所有兩相平衡。,三、固溶體材料冷卻時(shí)組織轉(zhuǎn)變,第二節(jié) 二元?jiǎng)蚓鄨D與固溶體的凝固,1點(diǎn)以上液體冷卻1點(diǎn)開始凝固，固體成分在對應(yīng)固相線處1－2之間，溫度下降，液體數(shù)量減少，固體數(shù)量增加，成分沿液相線和固相線變化，

6、到2點(diǎn)，液體數(shù)量為0，固體成分回到合金原始成分，凝固完成2點(diǎn)以下固體冷卻，無組織變化,過程：,三、固溶體材料冷卻時(shí)組織轉(zhuǎn)變,第二節(jié) 二元?jiǎng)蚓鄨D與固溶體的凝固,1.與純金屬凝固一樣由形核和長大來完成結(jié)晶過程，實(shí)際進(jìn)行在一定的過冷度下。2.凝固在一溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。只有在溫度不斷下將時(shí)固體量才增加，溫度不變，液固數(shù)量維持平衡不變。3.凝固過程中液體和固體的成分在不斷變化。,特點(diǎn)：,四、固溶體材料非平衡冷卻,第二節(jié) 二元?jiǎng)蚓鄨D與

7、固溶體的凝固,從固溶體的凝固特征可知，在晶體長大過程中，組元元素在析出的固相中不斷的發(fā)生遷移。但原子在固體中的遷移相對結(jié)晶過程是較慢的(原子的遷移是擴(kuò)散過程，以后專門討論)，可見完全達(dá)到平衡凝固是較困難的，需要相當(dāng)長的時(shí)間，一般的冷卻凝固達(dá)不到平衡狀態(tài)。,過程：,在冷卻速度較快時(shí)的凝固是非平衡凝固，從相圖中可見，在略低于開始凝固溫度t 1下開始析出的固體的成分為α1，到t 2溫度晶體表面生長的成分可為α2，由于擴(kuò)散速度跟不上來，心部的成

8、分來不及達(dá)到和表面一樣就冷卻到下一溫度t 3，因此析出的固體的成分表里不一，平均成分也偏離了固相線。到達(dá)平衡和固相線交點(diǎn)的溫度t f時(shí)還有液相存在，繼續(xù)冷卻到一更低的溫度，固體的平均成分回到合金成分時(shí)液體消失，凝固過程才結(jié)束。,四、固溶體材料非平衡冷卻,第二節(jié) 二元?jiǎng)蚓鄨D與固溶體的凝固,非平衡凝固的特點(diǎn)有：①凝固過程中，液、固兩相的成分偏離液、固相線；②凝固過程進(jìn)行到一更低的溫度才能完成；③生成固體的成分是不均勻的。隨著冷卻速度的加

9、大，這些差別特點(diǎn)表現(xiàn)的愈明顯。,結(jié)果：生成固體的成分不均勻較偏析，快速冷卻時(shí)在一個(gè)晶粒內(nèi)部先后結(jié)晶的成分有差別，所以稱為晶內(nèi)偏析，金屬的晶體往往以樹枝晶方式生長，偏析的分布表現(xiàn)為不同層次的枝晶成分有差別，因此這種偏析又稱枝晶偏析。,晶內(nèi)偏析的程度決定于：相圖中液—固相線相距愈遠(yuǎn)，組元元素原子的遷移能力愈低(擴(kuò)散系數(shù)小)，冷卻速度愈大，造成的晶內(nèi)偏析將愈嚴(yán)重。,消除偏析的方法：前兩條原因是不可更改的，但并不是采用慢速冷卻，因?yàn)槁倮鋮s會(huì)使

10、晶粒變大，最高和最低成分之間的距離加大消除更困難，而是快速冷卻，細(xì)化晶粒，會(huì)帶來晶內(nèi)的偏析，即宏觀均勻而微觀有大的差別，凝固后重新加熱到略低于熔點(diǎn)溫度，進(jìn)行一段時(shí)間的保溫，讓原子在這時(shí)進(jìn)行擴(kuò)散遷移，達(dá)到均勻，這種方法稱為均勻化退火。,五、固溶體中溶質(zhì)的分布,第二節(jié) 二元?jiǎng)蚓鄨D與固溶體的凝固,由于固溶體凝固中，析出固體的成分與液體不相同，并且在凝固時(shí)達(dá)不到平衡，所以凝固后溶質(zhì)的分布是不均勻的，當(dāng)然這種不均勻有時(shí)也可帶來有利的利用。下面

11、僅就幾種特例討論。,如圖所示相圖的一部分，在溫度t時(shí)，平衡的液—固相成分的比，稱為平衡分配系數(shù)。,五、固溶體中溶質(zhì)的分布,第二節(jié) 二元?jiǎng)蚓鄨D與固溶體的凝固,如果有一長度為L的桿形凝固體，假設(shè)凝固過程為一端散熱，并且液體中原子擴(kuò)散和對流可達(dá)到成分均勻，而固體中遷移慢設(shè)為凝固后基本不能變。當(dāng)合金的成分為C0，開始析出的固體成分為k0C0，變化趨勢如圖。已經(jīng)凝固距離X后，在凝固dx時(shí)，按溶質(zhì)的變化有：,例一：定向凝固時(shí)溶質(zhì)分布規(guī)律,五、固

12、溶體中溶質(zhì)的分布,第二節(jié) 二元?jiǎng)蚓鄨D與固溶體的凝固,例二：關(guān)于區(qū)域熔煉,六、成分過冷,第二節(jié) 二元?jiǎng)蚓鄨D與固溶體的凝固,在正溫度梯度下，純金屬的生長方式為平面推進(jìn)，而固溶體凝固時(shí)，卻有樹枝狀生長和胞狀生長存在，這是由于凝固過程中，成分是在不斷變化，液體和固體的成分均不能達(dá)到平衡狀態(tài)，產(chǎn)生了成分過冷現(xiàn)象。,六、成分過冷,第二節(jié) 二元?jiǎng)蚓鄨D與固溶體的凝固,成分過冷現(xiàn)象：,在相圖中，成分為C0的合金凝固時(shí)，開始析出的固相為k0C0

13、，多余的B組元排放到液體中，在界面處B組元的濃度高于平均值，逐漸向液體中擴(kuò)散。在液體未達(dá)到均勻時(shí)，結(jié)晶繼續(xù)進(jìn)行，新析出的固體成分中B的量也隨著上升，同時(shí)液體中界面處B濃度上升到更高的水平，擴(kuò)散的速度因濃度差的提高而加快。遠(yuǎn)處液體的成分依然為C0，到B組元的擴(kuò)散量和固體排放平衡時(shí)，析出固體的成分也為C0，這時(shí)的成分分布如圖b所示。,六、成分過冷,第二節(jié) 二元?jiǎng)蚓鄨D與固溶體的凝固,成分過冷現(xiàn)象：,對照相圖，液體的開始凝固溫度隨著液體的成

14、分變化而變化，圖c給出其分布曲線TL(x)，如果G2為實(shí)際溫度，對比可以看出在界面前沿的液體中的一小區(qū)域內(nèi)，盡管溫度比界面處高，卻存在一定的過冷度，這種由成分的不均勻而產(chǎn)生的過冷度稱為‘成分過冷’。 固溶體凝固過程中，由于析出的固體的成分和原液體有一定的差別，排放到液體中的某些組元來不及均勻，這種因成分偏差對應(yīng)的凝固溫度也不同而造成的附加過冷度稱為成分過冷。,六、成分過冷,第二節(jié) 二元?jiǎng)蚓鄨D與固溶體的凝固,成分過冷對凝固過程

15、的影響,由于不同的固溶體對應(yīng)的相圖形式不同，不同組元的擴(kuò)散能力各自不同，加上凝固過程的實(shí)際溫度分布也不相同，成分過冷的影響也必然存在差別，凝固后的組織也各不相同。,實(shí)際溫度梯度較大，在凝固過程中不出現(xiàn)成分過冷現(xiàn)象。,成分過冷區(qū)較小，界面處的不平衡生長的凸起始終處在領(lǐng)先的狀態(tài)，但這個(gè)凸起既不會(huì)消失，也不能發(fā)展到成分過冷區(qū)外，凸起和底部的微小成分有一定差別而發(fā)展成胞狀組織。,六、成分過冷,第二節(jié) 二元?jiǎng)蚓鄨D與固溶體的凝固,成分過冷對凝固

16、過程的影響,中區(qū)域的成分過冷可能生成胞狀到樹枝晶的各種過渡組織。,如果成分過冷區(qū)域特別大，得到的成分過冷度也十分大，若達(dá)到形核要求的過冷度時(shí)，在成分過冷區(qū)可能形成新的晶核，新晶核的生長阻礙原晶粒生長，對柱狀晶的發(fā)展產(chǎn)生隔斷作用。,成分過冷區(qū)較大，凸起發(fā)展較長，在凸起上再生新的凸起，就可生成樹枝晶。,第三節(jié) 二元共晶相圖,一、相圖形式,兩組元在液態(tài)下無限互溶，固態(tài)下有限溶解，一組元溶入另一組元中時(shí)都使凝固溫度下降，并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。如Pb

17、—Sn、Ag—Cu等形成二元合金對應(yīng)的相圖就是二元?jiǎng)蚓鄨D。,相圖的構(gòu)成：tAE和tBE為兩液相線，與其對應(yīng)的tAC和tBD為兩固相線；CG和DH固溶體α、β的溶解度隨溫度變化線；CED為水平共晶線。將相圖分成三個(gè)單相區(qū) L、α、β；三個(gè)雙相區(qū)L＋α、L＋β、α＋β和 一個(gè)三相區(qū)L＋α＋β，即CED為共晶線。,二、共晶體的形成,第三節(jié) 二元共晶相圖,過程,在TE溫度以上僅是液體的冷卻到達(dá)略低于TE的溫度，按L＋α相區(qū)分析應(yīng)為從液體中

18、析出C成分的α相，而按L＋β相區(qū)分析應(yīng)從液體中析出D成分的β相。如果α和β按一定的比例析出，最終液體的成分不變，兩固相不斷同時(shí)析出，即共同結(jié)晶，故稱為共晶轉(zhuǎn)變，直到液體完全消失，結(jié)晶過程完成，得到的是兩固相的混合物，稱為共晶體。在TE溫度以下僅是固體的冷卻,成分為E點(diǎn)合金的凝固,二、共晶體的形成,第三節(jié) 二元共晶相圖,形核特點(diǎn),交替形核 在一定的過冷度下，盡管兩固相都可能從液體中形核，由于兩固溶體的成分結(jié)構(gòu)的差別，總有一個(gè)固相

19、先形核，它稱為領(lǐng)先相，設(shè)領(lǐng)先相為α，由于α富A組元，其生長時(shí)附近液體則富B組元，α的存在和液體中B的富集，β相將附著在α上形核并長大，同理在β相外將附著α的形核長大。這種方式就是交替形核。此外也有人認(rèn)為交替形核是以邊緣橋接生長方式來實(shí)現(xiàn)的。,二、共晶體的形成,第三節(jié) 二元共晶相圖,生長特點(diǎn),共同生長 兩個(gè)相長大時(shí)都要排放相應(yīng)的溶質(zhì)組元，排出的溶質(zhì)將阻礙自身的生長，但兩相同時(shí)生長時(shí)，一相排出的組元正是另一相生長所需要的，所以兩相的

20、生長過程將互相促進(jìn)，最后是兩相共同攜手長大。由于兩固相的成分是固定的，綜合成分應(yīng)和液體的成分相同，它們的數(shù)量反映在二者的厚度相對比例上。,二、共晶體的形成,第三節(jié) 二元共晶相圖,組織特點(diǎn),當(dāng)兩個(gè)固相都是金屬性較強(qiáng)相時(shí)，共晶體一般生長成層片狀。當(dāng)兩相的相對數(shù)量比相差懸殊時(shí)，在界面能的作用下，數(shù)量較小的相將收縮為條、棒狀，更少時(shí)為纖維狀，甚至為點(diǎn)(球)狀。,當(dāng)有一相或兩相都具有較強(qiáng)的非金屬性時(shí)，它們表現(xiàn)出較強(qiáng)的各向異性，不同方向的生長速度

21、不同，并且有特定的角度關(guān)系，同時(shí)生長過程要求的動(dòng)態(tài)過冷度也有差異，往往有一個(gè)相在生長中起主導(dǎo)作用，決定了兩相的分布，共晶體的形態(tài)也具有獨(dú)特性，這時(shí)常見的形態(tài)有針狀、骨肋狀、蜘蛛網(wǎng)狀、螺旋狀等。,二、共晶體的形成,第三節(jié) 二元共晶相圖,二、共晶體的形成,第三節(jié) 二元共晶相圖,二、共晶體的形成,第三節(jié) 二元共晶相圖,三、典型合金的凝固,第三節(jié) 二元共晶相圖,1. 合金IV(成分在E點(diǎn)附近),特點(diǎn),在液體中α和β同時(shí)具有析出條件，都可

22、以析出。由于α和β析出過程在成分上可以互相補(bǔ)充和促進(jìn)，共同析出。凝固過程可以在恒溫下進(jìn)行到結(jié)束。最終得到兩相交替的混合組織。,結(jié)論：合金Ⅳ(成分在E點(diǎn)附近) L →α+β 轉(zhuǎn)變發(fā)生在TE溫度，得到的兩項(xiàng)交替分布的組織稱為共晶體。,三、典型合金的凝固,第三節(jié) 二元共晶相圖,2. 合金Ⅰ(成分在AG之間) L → L+α → α 轉(zhuǎn)變過程完全同固溶體，最后組織為單相固溶體。,3. 合金Ⅱ(成分在GC之間) L → L+α

23、→ α→ α+βII 在到CG線之前同固溶體，到CG線之下，α相中溶劑B組元的量為過飽和，從中將有β相析出。一般從固態(tài)α析出的β相在的內(nèi)部成點(diǎn)狀分布。值得指出的是β量少時(shí)往往先在α的晶界處，此外，固態(tài)析出轉(zhuǎn)變原子遷移和β形核較困難，當(dāng)過飽和度不大時(shí)，這個(gè)析出往往不發(fā)生。,三、典型合金的凝固,第三節(jié) 二元共晶相圖,4.合金Ⅲ(成分在CE之間)L → L+α → α初+(L+α+β)→ (α初+ βII)+(α+β)共 在到達(dá)TE溫度

24、前轉(zhuǎn)變同固溶體的轉(zhuǎn)變,在TE溫度下剩余的液體轉(zhuǎn)變同共晶成分E(合金Ⅳ)的轉(zhuǎn)變。,三、典型合金的凝固,第三節(jié) 二元共晶相圖,室溫下的平衡相,室溫下的組織組成物,,四、共晶合金非平衡凝固,第三節(jié) 二元共晶相圖,1、冷卻速度較快，共晶體的形成轉(zhuǎn)變進(jìn)行較快，共晶體中兩相的層片間距變小(相對的比例仍舊不變)；非共晶部分的轉(zhuǎn)變同固溶體的非平衡轉(zhuǎn)變。,2、偽共晶 在共晶點(diǎn)附近非共晶成分的合金在快速冷卻時(shí)，少量初生相的析出未進(jìn)行就被冷卻到共晶溫

25、度以下，直接發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，可以得到全部的共晶體組織，這種組織稱為偽共晶。它們的形貌和共晶體沒有明顯的差別，僅內(nèi)部兩相的數(shù)量比有覺察不到差別。,四、共晶合金非平衡凝固,第三節(jié) 二元共晶相圖,3、亞(過)共晶成分的合金在快速冷卻時(shí)，由固溶體析出和偽共晶轉(zhuǎn)變綜合可知，①初晶的晶粒細(xì)化；②初生相內(nèi)有晶內(nèi)偏析(可能為枝晶偏析)；③共晶體細(xì)化且多為偽共晶；④共晶體的數(shù)量多于平衡態(tài)。,4、出現(xiàn)非平衡共晶 C點(diǎn)附近未到共晶平衡的合金，在冷卻到共晶溫

26、度以下時(shí)，固溶體凝固未完成，余下的液體成分也到共晶成分附近，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。這種本不應(yīng)該有共晶體的材料因冷卻速度過快，發(fā)生非平衡轉(zhuǎn)變而生成的共晶體稱為非平衡共晶。非平衡共晶的數(shù)量隨冷卻速度的加快而增加，但總量較少，一般出現(xiàn)在幾個(gè)晶粒的交界處。,四、共晶合金非平衡凝固,第三節(jié) 二元共晶相圖,5、離異共晶 在C點(diǎn)附近凝固形成的共晶體數(shù)量較少時(shí)，有時(shí)共晶體中的同初生相相同的一相依附在初生相上，另一相擠到初生相的晶界單獨(dú)存在，這種見不到共晶形

27、貌的共晶體稱為離異共晶。它可發(fā)生在平衡凝固時(shí)，而非平衡共晶有時(shí)也以離異共晶的形式出現(xiàn)。,第四節(jié) 二元包晶相圖,一、相圖形式,兩組元在液態(tài)下無限互溶，固態(tài)下有限溶解，并且發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變。,相圖的構(gòu)成：ac和bc為兩液相線，與其對應(yīng)的ad和bp為兩固相線；df和pg固溶體α、β的溶解度隨溫度變化線；dpc為包晶轉(zhuǎn)變線。它們分隔相圖為三個(gè)單相區(qū)L、α、β；三個(gè)雙相區(qū)L＋α、L＋β、α＋β； 一個(gè)三相區(qū) L＋α＋β，即水平線dpc為包晶線。,

28、包晶轉(zhuǎn)變 L+α → β,二、包晶體轉(zhuǎn)變,第四節(jié) 二元包晶相圖,過程,在液相區(qū)為液體的冷卻，進(jìn)入兩相區(qū)，發(fā)生與固溶體凝固相同的凝固轉(zhuǎn)變，到達(dá)P點(diǎn)，液體的成分為C，固體的成分為D。 從L+β相區(qū)可知也滿足液體和β相的平衡，與C成分液體平衡還有P成分的固體β相。,成分為P點(diǎn)合金的凝固,,二、包晶體轉(zhuǎn)變,第四節(jié) 二元包晶相圖,過程,β相的形核在α相晶體和液體的邊界處，由于β相的成分介于液體和α相之間，所以它是靠消耗部分已有的α

29、相和部分液體來實(shí)現(xiàn)。,成分為P點(diǎn)合金的凝固,β相的生長在液體和α相的交界面處最有利，沿邊界同時(shí)消耗液體和α相來長大，形成的β相包圍在α相外圍，將α相與液體分隔開，所以把這種轉(zhuǎn)變稱為包晶轉(zhuǎn)變。,二、包晶體轉(zhuǎn)變,第四節(jié) 二元包晶相圖,過程,在略低于TP的溫度下，進(jìn)一步的生長過程，伴隨A組元從α相穿過β相到達(dá)液體界面，液體轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，同時(shí)多余的B組元穿過β相到達(dá)α相界面，α相中B組元的減少使部分α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪嘁员ＷCα相要求的成分。即β相長大

30、的過程是A組元穿過β相向液體處擴(kuò)散，B組元穿過β相向α相處擴(kuò)散，同時(shí)消耗液相和α相。,成分為P點(diǎn)合金的凝固,,二、包晶體轉(zhuǎn)變,第四節(jié) 二元包晶相圖,過程,開始發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變時(shí)α相的數(shù)量為 ：,成分為P點(diǎn)合金的凝固,,β相的成分在P點(diǎn)，液體和α相的成分分別在C、D，所以它們消耗的比例：,這兩個(gè)比例恰好相等，理論上講液體和α相同時(shí)消耗完畢，得到單一的β相晶體。,三、典型合金的冷卻轉(zhuǎn)變,第四節(jié) 二元包晶相圖,1. B組元的含量在DP之間

31、 到達(dá)包晶轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，比較可知，固相將有剩余，殘余的α相在β相的晶粒內(nèi)部。,,2. B組元的含量在PC之間 同理到達(dá)包晶轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，包晶轉(zhuǎn)變以α相消耗完而結(jié)束。再剩余的液體進(jìn)入L＋β兩相平衡相區(qū)，按固溶體的凝固方式轉(zhuǎn)變，成分分別沿CB和PB曲線變化，直到液體全部消耗為止。最終的組織為單一的β相。,其他成分不發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，不再重復(fù)分析。,四、非平衡轉(zhuǎn)變組織,第四節(jié) 二元包晶相圖,包晶轉(zhuǎn)變過程伴隨組元在β相

32、的固體中擴(kuò)散遷移，因此包晶轉(zhuǎn)變進(jìn)行的非常緩慢，達(dá)到上述情況是理想的平衡分析，實(shí)際冷卻很難實(shí)現(xiàn)。,,在一般的冷卻條件下，包晶轉(zhuǎn)變未結(jié)束，系統(tǒng)已經(jīng)到TP以下的溫度，液體將將按L＋β兩相平衡規(guī)律直接凝固結(jié)晶。P點(diǎn)成分的合金一方面會(huì)有部分α相殘留，另一方面β相的成分偏離P點(diǎn)，以這種不平衡的組織保留下來。,成分在DP之間的合金，由于包晶轉(zhuǎn)變的不充分，在α相的晶界處會(huì)有液體直接凝固生成的β相存在。 成分在PC之間的合金，本來不應(yīng)該有剩余的α

33、相，由于包晶轉(zhuǎn)變的不充分，在β相的晶體內(nèi)部將會(huì)有殘留的α相存在。,第五節(jié) 復(fù)雜二元相圖分析方法,一、相圖形式,1、形成穩(wěn)定化合物的相圖,一、相圖形式,第五節(jié) 復(fù)雜二元相圖分析方法,2、固態(tài)轉(zhuǎn)變的相圖,二、分析方法,第五節(jié) 復(fù)雜二元相圖分析方法,1、二元相圖中可能發(fā)生的轉(zhuǎn)變,兩個(gè)組元構(gòu)成的相圖，盡管最多只能出現(xiàn)三相平衡，但實(shí)際材料中由于兩組元往往能生成不同的化合物，實(shí)際的二元相圖有一些就相當(dāng)復(fù)雜。,二、分析方法,第五節(jié) 復(fù)雜二元相

34、圖分析方法,2、復(fù)雜相圖分析方法,高溫下大多為均勻的液相，組元在兩邊線，附近有組元為溶劑的固溶體(端際固溶體)，可能有的溶解度非常小，固溶體區(qū)域縮小近似為直線。在相圖的中部所有找到生成的化合物(中間相)，這些中間相為溶劑，溶入組元形成單相區(qū)。非常穩(wěn)定的化合物，特別是正常價(jià)化合物，溶解組元的能力非常低，退化為直線。 以中間的單相區(qū)為界將相圖分割成若干區(qū)域，則每個(gè)區(qū)域?yàn)橐呀?jīng)討論過的簡單相圖，按簡單相圖的規(guī)律來分析。也可以用水平線為中心

35、，即三相平衡為基礎(chǔ)來劃分區(qū)間，分解復(fù)雜相圖為基本類型。,以中間的單相區(qū)為界將相圖分割成若干區(qū)域，則每個(gè)區(qū)域?yàn)橐呀?jīng)討論過的簡單相圖，按簡單相圖的規(guī)律來分析。,三、相圖與材料性能的聯(lián)系,1. 力學(xué)、物理性能,第五節(jié) 復(fù)雜二元相圖分析方法,三、相圖與材料性能的聯(lián)系,第六節(jié) 相圖與材料性能的聯(lián)系,2.加工的工藝性能,第六節(jié) 三元相圖,含有三個(gè)組元的系統(tǒng)成為三元系，第三個(gè)組元的加入，不僅會(huì)改變原來兩個(gè)組元之間的溶解度，而且第三組元可溶入原可

36、形成的相中改變其性質(zhì)，并且還可產(chǎn)生新的相，出現(xiàn)新的轉(zhuǎn)變，引起材料的組織、性能和相應(yīng)的加工處理工藝的變化。三組元的材料在工程中用的也相當(dāng)普遍，例如合金鋼、鑄鐵、鋁鎂銅合金、ZrO2－Al2O3－Y2O3陶瓷等，所以需要了解三元系相圖。,三元相圖引言,在恒壓下，二元系只有兩個(gè)獨(dú)立變量：溫度和成分，相圖是平面圖。三元系將有溫度和兩個(gè)成分參數(shù)構(gòu)成的三個(gè)獨(dú)立變量，因此三元相圖是空間立體圖，給表達(dá)和學(xué)習(xí)認(rèn)識上帶來相當(dāng)?shù)睦щy。 本章介紹三元

37、相圖的一般概念，反應(yīng)類型，利用截面圖和投影圖來判斷材料中的相反映類型和組織轉(zhuǎn)變規(guī)律。,6-1 三元相圖成分表示方法,返回,等邊三角形法 濃度三角形 等腰三角形法 直角坐標(biāo)法 三元相圖的基本形狀,等邊三角形法,取等邊三角形ABC，三個(gè)頂點(diǎn)表示三個(gè)純組元；三個(gè)邊各定為100％，分別代表A－B、B－C、C－A三個(gè)二元系的成分；位于三角形內(nèi)的點(diǎn)代表三元系的成分。 在三角形內(nèi)任取一點(diǎn)X，由X順次作平行于三個(gè)邊的線段xa、xb、x

38、c，如果將三角形的邊長定為100%，則有 xa+xb+xc = AB = 100%?？梢杂脁a, xb, xc分別表示組元A、B、C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。,濃度三角形,為了便于使用，利用幾何屬性：xa=Cb, xb=Ac, xc=Ba,并將其刻度標(biāo)注在邊上。為了閱讀方便，往往在三角形內(nèi)用平行畫出網(wǎng)格，在三角形的邊上標(biāo)注數(shù)值，把這個(gè)三角形成為成分三角形或濃度三角形。此外，在數(shù)值的標(biāo)注時(shí)要方向一致，用順時(shí)針或逆時(shí)針都可以。,例如圖中的x點(diǎn)則表示其成分

39、為55%A－20%B－25%C。,濃度三角形中的特定線,①平行于一邊的直線上所有點(diǎn)，表示這個(gè)邊對應(yīng)頂點(diǎn)的組元含量均相等；②過一頂點(diǎn)的直線上所有點(diǎn)，表示另兩個(gè)頂點(diǎn)代表的兩組元的含量比為一定值。 在相圖的應(yīng)用時(shí)，所作的垂直截面往往過這兩類直線。,等腰梯形法,取等邊三角形ABC的一部分，用不同的比例組成等腰梯形。,直角坐標(biāo)法,在三元系中，如果以一個(gè)組元為主體，另外兩組元的含量較低，例如鑄鐵中分析的Fe－C－P系，可以采用直角坐標(biāo)，稱

40、直角三角形法。如圖所示，其中一個(gè)坐標(biāo)軸表示B組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，另一個(gè)坐標(biāo)軸表示C組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，則余下部分就是A組元的分?jǐn)?shù)。在直角坐標(biāo)中，根據(jù)兩組元的含量變化范圍，可以采用不同比例的刻度。,XA = 100% - XB - XC,三元相圖的基本形狀,以濃度平面為基礎(chǔ)，垂直于濃度平面的高度坐標(biāo)為溫度，以此構(gòu)成的空間圖形，空間中任一點(diǎn)代表了系統(tǒng)一固定狀態(tài)，在圖中表示每一狀態(tài)的相平衡情況，相區(qū)之間分界也有二元相圖的曲線發(fā)展為曲面。如果濃度平面

41、為濃度三角形，則其三元相圖為三棱柱體，它的三個(gè)側(cè)面為三組元兩兩組成的二元相圖。要認(rèn)識三元相圖，必須熟悉二元相圖的所有規(guī)律。,6-2 三元?jiǎng)蚓鄨D,返回,相圖分析 水平截面圖 合金的平衡冷卻凝固過程垂直截面圖 三元相圖的基本形狀,三元?jiǎng)蚓鄨D分析,形成條件：三組元在液態(tài)和固態(tài)都能無限互溶。,空間形貌：三棱柱體的相圖，三個(gè)側(cè)面為兩兩組成的三個(gè)二元?jiǎng)蚓鄨D，內(nèi)部有兩個(gè)曲面將相圖分為三個(gè)區(qū)間。點(diǎn)：在三組元的上方有三個(gè)點(diǎn)a、b、c分別

42、為三組元的熔點(diǎn)。曲面：上面的曲面稱為液相面，下面的曲面稱為固相面。相區(qū)：液相區(qū)――液相面之上； 固相區(qū)――固相面以下；兩相區(qū)――液相面和固相面之間包圍的區(qū)間L＋α。,水平截面圖(等溫截面),那么m、n、o點(diǎn)必然共一直線，成分為O的合金得到的兩平衡相的相對數(shù)量比為：,當(dāng)溫度一定，可以在等溫截面圖上來分析，材料的成分o若處在兩相區(qū)，這時(shí)系統(tǒng)達(dá)到平衡(即穩(wěn)定)狀態(tài)，平衡的液相成分應(yīng)在空間的液相面上，在等溫截面圖的液相線上，同樣平衡的固相

43、的成分點(diǎn)在截面圖的固相線上，如圖中的m、n兩點(diǎn)。,水平截面圖－－連接線,連接線上各成分的合金在該溫度下平衡的兩相成分為連接線兩端點(diǎn)的成分。液相線上每一點(diǎn)對應(yīng)的液體都有固定的固相與之平衡，即在液相線上每一點(diǎn)在固相線上都有一個(gè)與之對應(yīng)的點(diǎn)，所以把這兩條線稱為共軛線。在一定溫度下，同一成分的合金有固定的平衡相，所以連接線不可能相交。,在給定的溫度下，兩平衡相的成分之間的連接線段稱為連接線。上述的線段mn就是連接線。,水平截面圖－－柯氏法則,在

44、給定溫度下，平衡的液相和固相之間，低熔點(diǎn)的組元在液相中的分?jǐn)?shù)應(yīng)高于在固相中的分?jǐn)?shù)。 因此在連接線中任取一點(diǎn)，過該點(diǎn)和成分三角形的某一頂點(diǎn)連接一直線，則連接線的兩端點(diǎn)在這直線的兩邊，其中液體點(diǎn)應(yīng)在直線分隔的另兩組元的低熔點(diǎn)那一邊。,合金的平衡冷卻凝固過程,合金O自液態(tài)冷卻下來，開始是液體的降溫，直到液相面的溫度tS，溫度再下降時(shí)，液態(tài)具有一定的過冷度，開始凝固，形核長大析出的固體α，在這溫度下可達(dá)到液－固平衡，平衡時(shí)液體的成分在液

45、相面上某一點(diǎn)，固相成分也應(yīng)在固相面上的某一點(diǎn)。溫度不斷下降，液體的數(shù)量在逐漸減少，固體的數(shù)量不斷增加，液體的成分變化一直在液相面上，而固體的成分變化在固相面上。到達(dá)和固相面交點(diǎn)溫度tf時(shí)，液體全部消失，得到成分為O的均勻固溶體。隨后溫度下降僅是固體的冷卻降溫，組織不發(fā)生變化。,合金的平衡冷卻凝固過程,整個(gè)結(jié)晶在一溫度范圍內(nèi)完成，由于有結(jié)晶潛熱的放出，在冷卻曲線上凝固時(shí)下降平緩，曲線在凝固開始和結(jié)束處有明顯的轉(zhuǎn)折。 如果不過分考究

46、轉(zhuǎn)變過程的內(nèi)涵，三元?jiǎng)蚓Х磻?yīng)的過程與二勻晶反應(yīng)基本相同。都是進(jìn)行選分結(jié)晶，在平衡緩慢冷卻過程中，都可得到成分均勻的固溶體。 如果在非平衡冷卻過程，同樣會(huì)出現(xiàn)晶內(nèi)偏析，若晶體以樹枝晶方式長大，便得到枝晶偏析組織。在結(jié)晶過程中，也存在成分過冷的影響。,兩相平衡成分變化規(guī)律,三元?jiǎng)蚓У哪探Y(jié)晶過程中，盡管液相的成分變化在液相面上，起軌跡是一曲線，但這條曲線并不在一個(gè)平面上，是一條空間曲線；同樣固相的成分變化也是在固相面上的一空間曲線。

47、 勻晶合金凝固過程中在每一溫度下平衡都有對應(yīng)的連接線，將這些連接線投影到成分平面上，為一系列繞成分點(diǎn)O旋轉(zhuǎn)的線段，O點(diǎn)分連接線兩線段的比隨結(jié)晶過程在不斷變化，得到的圖形類似一只蝴蝶，稱之為固溶體合金結(jié)晶過程中的蝴蝶形跡線。跡線的外緣曲線就是結(jié)晶過程液、固成分變化曲線的投影。,垂直截面圖(變溫截面),垂直截面圖(變溫截面),截面形狀：截面與液相面和固相面相交，得到兩條曲線，分別稱為液相線和固相線。一般情況所的是兩邊開口的，如果截面

48、過某一組元的成分點(diǎn)則有一邊是閉合，這兩曲線將圖形分為三個(gè)區(qū)域，即L、L＋α、α。,垂直截面圖內(nèi)容,①截面過分析合金的成分點(diǎn)，不同溫度下該成分在圖中為一垂直線，垂線和兩曲線的交點(diǎn)即為合金凝固開始和結(jié)束溫度，曲線給出了冷卻過程經(jīng)歷的各種相平衡，即清楚表達(dá)了凝固冷卻過程，和冷卻曲線有完好的對應(yīng)關(guān)系。,②固溶體凝固時(shí)，液相和固相的成分變化是空間曲線，并不都在截面上，所以這是液相線和固相線的走向不代表它們的成分變化，盡管形狀類似二元相圖，但這里不

49、能應(yīng)用杠桿定律來分析平衡相的成分和數(shù)量關(guān)系。,6-3 三元系中的三相平衡,返回,三相平衡轉(zhuǎn)變類型 三相平衡區(qū)的水平截面 重心法則 三相平衡區(qū)的空間形狀 三相平衡區(qū)的垂直截面 三相平衡區(qū)在成分平面上的投影,三相平衡轉(zhuǎn)變類型,按物質(zhì)不滅的原理，系統(tǒng)如果發(fā)生相轉(zhuǎn)變，降溫時(shí)，至少要有一個(gè)反應(yīng)相(含量減少)和一個(gè)生成相(含量增加)，三元系處于三相平衡，可能組合的轉(zhuǎn)變類型有兩種：,共晶型 是指降溫時(shí)存在一個(gè)反應(yīng)相和兩個(gè)生成相這一類的總

50、稱。包括共晶、共析、偏晶等，反應(yīng)式為：,包晶型 是指降溫時(shí)存在兩個(gè)反應(yīng)相和一個(gè)生成相這一類的總稱。包括包晶、包析等，反應(yīng)式為：,連接三角形,如果某一成分的合金在截面的溫度下處于三相平衡，由相律f = c－p＋1 = 3－3＋1 = 1，存在一個(gè)自由度，平衡可以發(fā)生的一溫度范圍，所以三元系的三相平衡轉(zhuǎn)變不是在一恒下進(jìn)行，即轉(zhuǎn)變過程是在一溫度范圍內(nèi)發(fā)生。當(dāng)溫度一定，三個(gè)平衡相的成分將是確定不變的。在這個(gè)溫度下，連接三個(gè)平衡相的成分點(diǎn)，就得

51、到一三角形，這個(gè)三角形稱為連接三角形。,連接三角形是在一定的溫度下，處于三相平衡的三個(gè)相成分點(diǎn)組成的直邊三角形，三相平衡是每兩相也是平衡狀態(tài)，所以連接三角形的三條邊分別為兩兩雙相平衡的連接線。,重心法則－－條件,三角形abc為某一溫度下的連接三角形，三個(gè)頂點(diǎn)對應(yīng)三個(gè)平衡相的成分，其中：XaA、XaB、XaC為 α 相的成分，XbA、XbB、XbC為 β 相的成分，XcA、XcB、XcC為 L 相的成分；XoA、XoB、XoC為 O 點(diǎn)

52、合金成分。Wα、Wβ、WL為三個(gè)平衡相的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)。,由直線法則，α 和 β 兩相的合成成分點(diǎn) c’ 應(yīng)在ab線段上；再和 L 混合后的成分應(yīng)在 cc’ 線上，即三相組合成的合金成分O 點(diǎn)必定在三角形內(nèi)。,重心法則－－計(jì)算,O 為三角形abc的質(zhì)心,重心法則－－應(yīng)用,如果設(shè)L、α和β相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Wα、Wβ、WL分別集中處在a、b、c三點(diǎn)，則合金的成分點(diǎn)O為三角形abc的質(zhì)心，這個(gè)規(guī)律成為重心法則。它是兩次應(yīng)用直線法則的結(jié)果。利用重心

53、法則，已知合金和三個(gè)平衡相的成分，可以結(jié)算出平衡相相對分?jǐn)?shù)；當(dāng)然已知相對分?jǐn)?shù)和部分相的成分，也可以求出一些未知相的成分。,利用重心法則，解方程較繁，但可進(jìn)行較精確的計(jì)算。計(jì)算困難時(shí)也可以多次利用直線法則來分布求解。,三相區(qū)的水平截面,三相區(qū)的水平截面應(yīng)一直邊三角形。當(dāng)合金的成分在三角形的頂點(diǎn)，由重心法則可知，這時(shí)僅存在一個(gè)相，另兩相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為零，所以三角形的頂點(diǎn)應(yīng)是單相區(qū)的一部分，或稱應(yīng)以頂點(diǎn)和單相區(qū)相鄰。當(dāng)合金的成分在三角形的邊上，

54、由重心法則可知，這時(shí)僅存在兩個(gè)相，另一相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為零，所以三角形的邊應(yīng)是雙區(qū)的一部分，或稱應(yīng)以邊和雙相區(qū)相鄰。所以在等溫截面圖上三相區(qū)及周邊關(guān)系如圖所示。,三相平衡區(qū)的空間形狀,三相區(qū)的水平截面應(yīng)為直邊連接三角形，隨著溫度的變化，三角形的位置、大小在不斷的改變，連接三角形的軌跡為組成了三相區(qū)，它是一曲面的三棱柱體。 其中三個(gè)頂點(diǎn)的軌跡是三條曲線，構(gòu)成三棱柱體的三條棱，表示平衡的成分隨溫度的變化規(guī)律，稱為成分變溫線，它將和單相區(qū)

55、相鄰。三條邊軌跡是構(gòu)成三棱柱體的側(cè)面曲面。 如果這三點(diǎn)在一直線上，三角形變成縮成一直線。,三相平衡區(qū)的垂直截面,當(dāng)垂直截面通過三相區(qū)時(shí)，成分和變溫相交得三個(gè)點(diǎn)，和三個(gè)側(cè)面相交得三條曲線，所以三相區(qū)在垂直圖上為一曲邊三角形，如圖所示。在三相區(qū)的外側(cè)，以頂點(diǎn)與單相區(qū)相鄰，以曲線邊與雙相區(qū)相鄰。 某一合金的成分線均在垂直截面圖上，利用降溫時(shí)相變，進(jìn)入到三相區(qū)增加的相應(yīng)為生成相，從三相區(qū)出來消失的相則為反應(yīng)相?？梢娭虚g點(diǎn)在上方的

56、屬于共晶型轉(zhuǎn)變，而包晶型轉(zhuǎn)變則中間點(diǎn)在下方。,三相平衡區(qū)在成分平面上的投影,三相平衡區(qū)空間是一曲面三棱柱體，投影到成分平面得到的圖形是上下底的兩個(gè)連接三角形，三條成分變溫線的投影為兩三角形對應(yīng)頂點(diǎn)連接的曲線。一般在投影圖中用箭頭表示成分變溫的降溫方向。,三相平衡區(qū)在成分平面上的投影,連接三角形退化為直線段僅在側(cè)面二元系時(shí)才存在。在投影中給出某一連接三角形，處在中間一條成分變溫上的頂點(diǎn)在另兩邊連線的低溫方則對應(yīng)的反應(yīng)類型為共晶形，反之，包