材料科學(xué)基礎(chǔ)-第7章-三元相圖

1、11Chapter 7 合金的相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶合金的相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ)李謙李謙 寧向梅主講寧向梅主講22o 7.8.1三元合金相圖的成分表示方法三元合金相圖的成分表示方法 o 7.8.2三元系平衡相的定量法則三元系平衡相的定量法則 .o 7.8.3三元?jiǎng)蚓鄨D三元?jiǎng)蚓鄨D o 7.8.4三元共晶相圖三元共晶相圖o 7.8.5兩相平衡、三相平衡和四相平衡的兩相平衡、三相平衡和四相平衡的 類型和一般規(guī)律類型和一般規(guī)律 o 7.8.6三元相圖應(yīng)用舉例三元相圖應(yīng)用舉例 7.8 三元合金相圖三元合金相圖337.8.1三元合金相圖的成分表示方法三元合金相圖的成分表示方法 1.1.成分三角形（

2、濃度三角形）成分三角形（濃度三角形）等邊成分三角形等邊成分三角形 等腰成分三角形等腰成分三角形 直角成分三角形直角成分三角形 44（1 1）已知點(diǎn)確定成分）已知點(diǎn)確定成分C A%B%C%p過過O作作平行于平行于BC邊邊的的直線直線p 求平行線與求平行線與A坐標(biāo)的截距坐標(biāo)的截距得組元得組元A的含量的含量XA。Op 同理求組元同理求組元B、C的含量的含量 XB、 XC。XA+XB+XC=100 7.8.1三元合金相圖的成分表示方法三元合金相圖的成分表示方法 55908070605040302010102030405060708090102030405060708090 A%B%C%II 點(diǎn)：A%=

3、60%B%=30%C%=10%66（2 2）已知成分確定點(diǎn)）已知成分確定點(diǎn)908070605040302010102030405060708090102030405060708090 A%B%C%772.兩條特例線兩條特例線含對(duì)角組元濃度相等。含對(duì)角組元濃度相等。PQB%=Aa/AB=定值定值 A%B%C%88 A%B%C%a1a2c2c1a1a2FE常數(shù)22221111%BcCaBcBaBcBaBcCaCA997.8.2 三元系平衡相的定量法則三元系平衡相的定量法則1.直線法則和杠桿定律直線法則和杠桿定律(適用于兩相平衡適用于兩相平衡)在一定溫度下三組元材料兩相平衡時(shí)，材料的在一定溫度下三組

4、元材料兩相平衡時(shí)，材料的成分點(diǎn)和其兩個(gè)平衡相的成分點(diǎn)必然位于成分成分點(diǎn)和其兩個(gè)平衡相的成分點(diǎn)必然位于成分三角形內(nèi)的一條直線上，該規(guī)律稱為三角形內(nèi)的一條直線上，該規(guī)律稱為直線法則直線法則或或三點(diǎn)共線原則三點(diǎn)共線原則。 1010成分為成分為P和和Q的兩個(gè)三元合金，混合熔化后，得的兩個(gè)三元合金，混合熔化后，得到新的成分為到新的成分為R的三元合金，則新合金的三元合金，則新合金R的位置的位置一定處在連接一定處在連接P、Q點(diǎn)的直線上。點(diǎn)的直線上。/PQWWRQ RP。 杠桿定律：杠桿定律：7.8.2 三元系平衡相的定量法則三元系平衡相的定量法則1111/WWRR%/100%WR %/100%WR 合金合金

5、R在某溫度處于在某溫度處于 + 兩相平衡，則兩相平衡，則R的成的成分必定落在連接兩個(gè)成分點(diǎn)的直線上分必定落在連接兩個(gè)成分點(diǎn)的直線上。， 杠桿定律：杠桿定律：7.8.2 三元系平衡相的定量法則三元系平衡相的定量法則1212推論推論（1）當(dāng)給定合金在一定溫度下處于兩相平衡當(dāng)給定合金在一定溫度下處于兩相平衡時(shí)，若其中一相的成分給定，另一相的成分時(shí)，若其中一相的成分給定，另一相的成分點(diǎn)必在已知相成分點(diǎn)與合金成分點(diǎn)連線的延點(diǎn)必在已知相成分點(diǎn)與合金成分點(diǎn)連線的延長(zhǎng)線上；長(zhǎng)線上；（2）若兩平衡相的成分點(diǎn)已知，合金的成分若兩平衡相的成分點(diǎn)已知，合金的成分點(diǎn)必然位于兩個(gè)已知成分點(diǎn)的連線上。點(diǎn)必然位于兩個(gè)已知成分

6、點(diǎn)的連線上。7.8.2 三元系平衡相的定量法則三元系平衡相的定量法則13132.2.重心定律重心定律( (適用于三相平衡適用于三相平衡) )o 三元合金三元合金R在某溫度處于在某溫度處于 + + 三相平衡狀三相平衡狀態(tài)，則該合金成分點(diǎn)必定處在這三相成分點(diǎn)態(tài)，則該合金成分點(diǎn)必定處在這三相成分點(diǎn)組成的三角形的重心。組成的三角形的重心。 7.8.2 三元系平衡相的定量法則三元系平衡相的定量法則1414BCA A%B%C%efdR%100%adRdWWwR%100%eReWWwR%100%fRfWWwR15157.8.3 三元?jiǎng)蚓鄨D三元?jiǎng)蚓鄨D 1. 相圖分析相圖分析o特征點(diǎn)：特征點(diǎn)：A1、B1、

7、C1三個(gè)純組元的熔點(diǎn)；三個(gè)純組元的熔點(diǎn)；o特征面：液相面、固相面；特征面：液相面、固相面；o相區(qū)：相區(qū)：L、L+。1616o 液相成分沿液相面，固相成分沿固相面，在一液相成分沿液相面，固相成分沿固相面，在一定溫度下的固液相成分連線在濃度三角形中投定溫度下的固液相成分連線在濃度三角形中投影呈影呈蝴蝶狀蝴蝶狀。o 共軛線共軛線：平衡相成分點(diǎn)的連線。：平衡相成分點(diǎn)的連線。2. 三元固溶體合金的結(jié)晶過程三元固溶體合金的結(jié)晶過程7.8.3 三元?jiǎng)蚓鄨D三元?jiǎng)蚓鄨D17173.等溫截面圖及投影圖等溫截面圖及投影圖o 做法：做法：某一溫度下的水平面與相圖中各面的交線。某一溫度下的水平面與相圖中各面的交線。o

8、 截面圖分析：截面圖分析：相區(qū)：相區(qū)：L, , L+; ;相線：相線：L L1 1L L2 2, S, S1 1S S2 2（共軛曲線）（共軛曲線）; ;連接線：可作為計(jì)算相對(duì)量的連接線：可作為計(jì)算相對(duì)量的杠桿杠桿。（1 1）等溫截面）等溫截面7.8.3 三元?jiǎng)蚓鄨D三元?jiǎng)蚓鄨D18181919（2）投影圖投影圖等溫線投影圖等溫線投影圖可確定合金結(jié)晶開始可確定合金結(jié)晶開始、結(jié)束溫度、結(jié)束溫度7.8.3 三元?jiǎng)蚓鄨D三元?jiǎng)蚓鄨D液相線液相線固相線固相線20204. 變溫截面圖（垂直截面圖）變溫截面圖（垂直截面圖）o 做法：某一垂直平面與相圖中各面的交線。做法：某一垂直平面與相圖中各面的交線。o

9、二種常用變溫截面二種常用變溫截面: 過平行于濃度三角形的一條邊的成分線過平行于濃度三角形的一條邊的成分線; 過一個(gè)頂點(diǎn)。過一個(gè)頂點(diǎn)。o 結(jié)晶過程分析結(jié)晶過程分析確定相變臨界點(diǎn)確定相變臨界點(diǎn)，并可推測(cè)不同溫度，并可推測(cè)不同溫度下合金的組織。下合金的組織。 成分軸的兩端不一定是純組元；液、固相線不一定相交；成分軸的兩端不一定是純組元；液、固相線不一定相交；不能運(yùn)用杠桿定律不能運(yùn)用杠桿定律（液、固相線不是成分變化線）。（液、固相線不是成分變化線）。7.8.3 三元?jiǎng)蚓鄨D三元?jiǎng)蚓鄨D212122227.8.4 三元共晶相圖三元共晶相圖1. 組元在固態(tài)互不相溶，具有共晶轉(zhuǎn)變的相圖組元在固態(tài)互不相溶，具

10、有共晶轉(zhuǎn)變的相圖o 點(diǎn)：熔點(diǎn)；二元共晶點(diǎn)；三元共晶點(diǎn)：熔點(diǎn)；二元共晶點(diǎn)；三元共晶 點(diǎn)。點(diǎn)。o 線：線：EnE 兩相共晶面交線兩相共晶面交線 液相單變量線液相單變量線 液相區(qū)與兩相共晶面交線液相區(qū)與兩相共晶面交線 液相面交線液相面交線 o 面：液相面、固相面、兩相共晶面、面：液相面、固相面、兩相共晶面、 三相共晶面三相共晶面o 區(qū)：兩相區(qū)：區(qū)：兩相區(qū)：3個(gè)、個(gè)、 三相區(qū)：三相區(qū)：4個(gè)個(gè) 單相區(qū)：?jiǎn)蜗鄥^(qū)：4個(gè)、四相區(qū)：個(gè)、四相區(qū)：1個(gè)個(gè) 2323三相區(qū)三相區(qū)：以三條單變量線作為以三條單變量線作為棱邊的空間三棱柱體棱邊的空間三棱柱體7.8.4三元共晶相圖三元共晶相圖二元共晶反應(yīng)二元共晶反應(yīng)LA+BL

11、C+BLA+C24241.水平截面圖（水平截面圖（等溫截面等溫截面 ）（1）單相區(qū)與兩相區(qū)）單相區(qū)與兩相區(qū) 以曲線分界。以曲線分界。（2）兩相區(qū)和三相區(qū)）兩相區(qū)和三相區(qū)以直線分界。以直線分界。（3）單相區(qū)和三相區(qū)）單相區(qū)和三相區(qū)則為點(diǎn)接觸。則為點(diǎn)接觸。 7.8.4 三元共晶相圖三元共晶相圖三相區(qū)為直邊三角形三相區(qū)為直邊三角形2525應(yīng)用：應(yīng)用：o 可確定合金在該溫度下的相組成；可確定合金在該溫度下的相組成；o 可運(yùn)用可運(yùn)用杠桿定律杠桿定律和和重心法則重心法則確定合金中各相確定合金中各相的成分及其含量。的成分及其含量。7.8.4 三元共晶相圖三元共晶相圖26262.垂直截面與投影圖垂直截面與投影

12、圖（1）投影圖）投影圖11100%oaAAaw O點(diǎn)合金室溫相組成物：點(diǎn)合金室溫相組成物：ABC11100%obBBbw 11100%occCcw 1a1b1c7.8.4三元共晶相圖三元共晶相圖2727典型合金平衡結(jié)晶后的室溫組織：典型合金平衡結(jié)晶后的室溫組織：%100AqoqAw(C)100%qEAoAEfAqw)()(1BAACBAwwwO點(diǎn)合金室溫組織組成物：點(diǎn)合金室溫組織組成物：A（A+C)（A+B+C)2828（2）垂直截面圖）垂直截面圖O點(diǎn)合金的室溫組織：點(diǎn)合金的室溫組織：A（A+C)（A B C）LLALACLABCt/sT/7.8.4三元共晶相圖三元共晶相圖L+AL+A+(A+

13、C)2929課下練習(xí)：課下練習(xí)：7.8.4三元共晶相圖三元共晶相圖30302. 組元在固態(tài)有限溶解的共晶相圖組元在固態(tài)有限溶解的共晶相圖（1）相圖分析相圖分析點(diǎn)點(diǎn)：熔點(diǎn)、二元共晶點(diǎn)、：熔點(diǎn)、二元共晶點(diǎn)、 三元共晶點(diǎn)。三元共晶點(diǎn)。 兩相共晶線兩相共晶線 液相面交線液相面交線 線線：EnE 兩相共晶面交線兩相共晶面交線 液相單變量線液相單變量線 固相單變量線固相單變量線7.8.4三元共晶相圖三元共晶相圖3131 液相面液相面 固相面固相面 面面： 二相共晶面二相共晶面 三相共晶面三相共晶面 溶解度曲面：溶解度曲面：6個(gè)個(gè) 區(qū)區(qū)： 單相區(qū)：?jiǎn)蜗鄥^(qū)：4個(gè)個(gè) 兩相區(qū)：兩相區(qū)：6個(gè)個(gè) 三相區(qū)：三相區(qū)：4個(gè)

14、個(gè) 四相區(qū)：四相區(qū)：1個(gè)個(gè) 7.8.4三元共晶相圖三元共晶相圖LLLLL LL 3232（2）等溫截面）等溫截面 特點(diǎn)特點(diǎn)： 直邊三角形直邊三角形 兩相區(qū)與之線接（兩相區(qū)與之線接（等溫截面與棱柱面交線等溫截面與棱柱面交線） 單相區(qū)與之點(diǎn)接單相區(qū)與之點(diǎn)接 （等溫截面與棱邊的交點(diǎn)，表示三個(gè)平衡相成分。等溫截面與棱邊的交點(diǎn)，表示三個(gè)平衡相成分。） 應(yīng)用應(yīng)用： 可確定平衡相及其成分；可運(yùn)用杠桿定律和重心定律?？纱_定平衡相及其成分；可運(yùn)用杠桿定律和重心定律。三相區(qū)三相區(qū)7.8.4三元共晶相圖三元共晶相圖3333（3）投影圖）投影圖7.8.4三元共晶相圖三元共晶相圖3434（4）垂直截面）垂直截面（課下練

15、習(xí)：分析合金（課下練習(xí)：分析合金、 、 的結(jié)晶過程。）的結(jié)晶過程。）7.8.4三元共晶相圖三元共晶相圖LLLL （ ）（）（ ）t/sT/L+ L+ +( )合金合金的結(jié)晶過程的結(jié)晶過程3535o 垂直截面垂直截面應(yīng)用：應(yīng)用： 分析合金結(jié)晶過程，確定組織變化分析合金結(jié)晶過程，確定組織變化.（二次相的析出只考慮初生相。二次相的析出只考慮初生相。）o 垂直截面垂直截面局限性：局限性： 不能分析成分變化。不能分析成分變化。（成分在單變量線上，不在垂直截面上）（成分在單變量線上，不在垂直截面上）7.8.4三元共晶相圖三元共晶相圖36367.8.5 兩相平衡、三相平衡和四相平衡的類型兩相平衡、三相平衡和

16、四相平衡的類型 和一般規(guī)律和一般規(guī)律 o 兩相平衡的類型兩相平衡的類型（1）液相與固相的平衡，反應(yīng)式為）液相與固相的平衡，反應(yīng)式為L(zhǎng) 。（2）固相與固相的平衡，反應(yīng)式為）固相與固相的平衡，反應(yīng)式為 （脫溶轉(zhuǎn)變）。脫溶轉(zhuǎn)變）。（3）液相與液相的平衡，）液相與液相的平衡， 反應(yīng)式為反應(yīng)式為L(zhǎng)1L2，主要在合金的偏晶或合金轉(zhuǎn)變前。，主要在合金的偏晶或合金轉(zhuǎn)變前。 3737圖圖7-57 平衡兩相濃度變化規(guī)律（蝴蝶形規(guī)律）平衡兩相濃度變化規(guī)律（蝴蝶形規(guī)律）（a）勻晶轉(zhuǎn)變時(shí)）勻晶轉(zhuǎn)變時(shí) （b）三相平衡轉(zhuǎn)變之前）三相平衡轉(zhuǎn)變之前 （c）脫溶轉(zhuǎn)變時(shí)）脫溶轉(zhuǎn)變時(shí) 38382. 三相平衡的類型三相平衡的類型（1）

17、三相共晶型平衡三相共晶型平衡（由一相轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)相）由一相轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)相） 共晶轉(zhuǎn)變共晶轉(zhuǎn)變 L 共析轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變 偏晶轉(zhuǎn)變偏晶轉(zhuǎn)變 1 2垂直截面中正三角形垂直截面中正三角形7.8.5 兩相平衡、三相平衡和兩相平衡、三相平衡和 四相平衡的類型和一般規(guī)律四相平衡的類型和一般規(guī)律 3939（2）三相包晶型平衡三相包晶型平衡（由兩個(gè)相反應(yīng)生成一個(gè)相）（由兩個(gè)相反應(yīng)生成一個(gè)相） 包晶轉(zhuǎn)變包晶轉(zhuǎn)變 L 包析轉(zhuǎn)變包析轉(zhuǎn)變 合晶轉(zhuǎn)變合晶轉(zhuǎn)變 L1L2 垂直截面中倒三角形垂直截面中倒三角形7.8.5 兩相平衡、三相平衡和兩相平衡、三相平衡和 四相平衡的類型和一般規(guī)律四相平衡的類型和一般規(guī)律 4040三相平衡圖形

18、特點(diǎn)：三相平衡圖形特點(diǎn)：o 立體圖：三棱柱，棱邊是三個(gè)平衡相單變量線。立體圖：三棱柱，棱邊是三個(gè)平衡相單變量線。o 等溫截面圖：直邊三角形，頂點(diǎn)是平衡相成分點(diǎn)。等溫截面圖：直邊三角形，頂點(diǎn)是平衡相成分點(diǎn)。o 垂直截面圖：曲邊三角形，頂點(diǎn)不代表成分垂直截面圖：曲邊三角形，頂點(diǎn)不代表成分。7.8.5 兩相平衡、三相平衡和兩相平衡、三相平衡和 四相平衡的類型和一般規(guī)律四相平衡的類型和一般規(guī)律 41413. 三元相圖中四相平衡的類型三元相圖中四相平衡的類型 （1）共晶型：共晶型：p 共晶轉(zhuǎn)變共晶轉(zhuǎn)變 ：L p 共析轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變 ： 垂直截面中的四相平衡區(qū)：上下都有三相區(qū)鄰接。垂直截面中的四相平衡區(qū)：上下都有三相區(qū)鄰接。 條件條件：鄰接三相區(qū)達(dá)：鄰接三相區(qū)達(dá)4時(shí)時(shí)類型類型：共晶、包共晶、包晶：共晶、包共晶、包晶判斷轉(zhuǎn)變類型判斷轉(zhuǎn)變類型水平線水平線31（水平線上方共有的相生成水平線下方共有的相）（水平線上方共有的相生成水平線下方共有的相）4242（2）包共晶型）包共晶型o 包共晶包共晶型轉(zhuǎn)變：型轉(zhuǎn)變：L+ o 包共析包共析轉(zhuǎn)變：轉(zhuǎn)變： + 水平線水平線217.8.5 兩相平衡、三相平衡和兩相平衡、三相平衡和 四相平衡的類型和一般規(guī)律四相平衡的類型和一般規(guī)律 4343（3）包晶型：）包晶型：o 包晶轉(zhuǎn)變：包晶轉(zhuǎn)變：L o 包析