材料科學(xué)基礎(chǔ)第五章

1、材料科學(xué)基礎(chǔ)第五章三元相圖三元相圖的基本特點(diǎn)：（1 ） 三元相圖成分表示在一個(gè)平面上(兩個(gè)成分為獨(dú)立參數(shù))；（2）完整的三元相圖是三維的模型；三元系中可以發(fā)生四相平衡轉(zhuǎn)變。由相律可以確定二元系中的最大平衡相數(shù)為3，而三元系中的最大平衡相數(shù)為4。三元相圖中的四相平衡區(qū)是恒溫水平面；除單相區(qū)及兩相平衡區(qū)外，三元相圖中三相平衡區(qū)也占有一定空間。根據(jù)相律得知，三元系三相平衡時(shí)存在一個(gè)自由度，所以三相平衡轉(zhuǎn)變是變溫過程，反映在相圖上，三相平衡區(qū)必將占有一定空間，不再是二元相圖中的水平線。5.1成分表示方法C二元系的成分可用一條直線上的點(diǎn)來表示；表示三元系成分的點(diǎn)則位于兩C%個(gè)坐標(biāo)軸所限定的三角形內(nèi)，這個(gè)

2、三角形叫做成分三角形或濃度三角形。常用的成分三角形是等邊三角形，有時(shí)也用直角三角形或等腰三角形表示成分。A%ABB%濃度三角形1等邊三角形C三角形的三個(gè)頂點(diǎn)A，B，C分別表示3個(gè)純組元，三角形的邊AB，BC，CA分別表示3個(gè)二元系的成分坐標(biāo)，則三角形內(nèi)的任一點(diǎn)都代表三元系的某一成分C%A%ABB%濃度三角形以合金O為例求A%，B%和C%CA%：過O點(diǎn)作A點(diǎn)的對邊BC的平行線交 A%軸于a點(diǎn)，可讀出 A%=40%。同理 B%=20%， C%=40%。注意：三角形內(nèi)任一點(diǎn)代表的是三元合金，而三角形邊上任一點(diǎn)代表的是二元合金。aC%A%cOABbB%濃度三角形2直角三角形研究三角形角上任一點(diǎn)，很難用

3、濃度三角形表達(dá)清楚。-適于兩種元素含量少，另一種含量多的情況O點(diǎn)：C%=5%B%=5%C%A%靠計(jì)算：=1-5%-5%=90%AB%O3等腰三角形-適于兩種元素含量多，另一種含量少的情況對O合金A%：過O作A點(diǎn)對邊的平行線交底邊于1點(diǎn)（A%變化量從右至左為0100%），則B1長度便為A%。B%：過O作B點(diǎn)對邊平行線交底邊于2點(diǎn)，則A2長度便為B% (B%的變化量從左至右為 0100% )。OA%B%C%A2A%B%1B100%00100%C%：C%=1-2段的長度，即C%=1-A%-B%二、具有特定意義的線1平行于某一邊的線凡成分點(diǎn)位于與等邊三角形某一邊相平行的直線上的各三元相，它們所含與此線

4、對應(yīng)頂角代表的組元的濃度相等。CA%即： O1，O2，O3，O4點(diǎn)的含C%量相等。C%10%OOOO2341ABB%2過某頂點(diǎn)的直線凡成分點(diǎn)位于通過三角形某一頂角的直線上的所有三元系，所含此線兩旁的另兩頂點(diǎn)所代表的兩組元的濃度的比值相等。C如對于P1、P2、P3點(diǎn)存在：A%：B%=定值。A%P1 P2P3C%ABPB%注：便于以后對截面圖的研究，三元相圖垂直截面圖一般取過這兩條線之一的截面。5.2三元系平衡轉(zhuǎn)變的定量法則-確定二相區(qū)和三相區(qū)平衡相的相對量一、二相區(qū)（直線定律）三元合金c在某個(gè)溫度下分解為aB和b兩相，則a,b,c三個(gè)濃度點(diǎn)必共線，且B%bWWbcacWbcabaC%WcabWc

5、abWaccba注：直線定律用于兩相區(qū)相相對量ACA%可作出下列推論：當(dāng)給定材料在一定溫度下處于兩相平衡狀態(tài)時(shí)，若其中一相的成分給定，另一相的成分點(diǎn)必在兩已知成分點(diǎn)連線的延長線上；若兩個(gè)平衡相的成分點(diǎn)已知，材料的成分點(diǎn)必然位于此兩個(gè)成分點(diǎn)的連線上。二、三相區(qū)(重心定律)成分為M的合金在某溫度下分解為三個(gè)相D,E,F，可將三個(gè)成分點(diǎn)連接起來，則M點(diǎn)必位于DEF的重量重心上。BMdWD % B%DdE% MeEefWC%EMDdFeMfWF % FfACA%5.3-三元?jiǎng)蚓鄨D任意兩個(gè)組元都可以無限互溶。-一個(gè)液相（三元）轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)固相（三元）的轉(zhuǎn)變。TL(三元)(三元)度：f=c-P+1=3-2

6、+1=2故三元?jiǎng)蚓мD(zhuǎn)變區(qū)可有兩個(gè)度：溫度和相成分。5.1相圖分析1畫圖(1)先畫一成份三角形(應(yīng)為正三角形)畫溫度軸畫二元?jiǎng)蚓鄨D(每兩個(gè)合金上存在一個(gè)二元相圖)三棱柱的柱面上有三個(gè)二元?jiǎng)蚓鄨D(2)(3)液相面三個(gè)二元系的液相線所圍成的面固相面三個(gè)二元系的固相線所圍成的面-三元系圖可視為三個(gè)二元系在空間的延伸5.3.2等溫截面圖(水平截面圖)(1)t1溫度時(shí)的水平截面圖與液相面交線ab，與固相面的交線cdCt1bdBcaA(2)t1溫度時(shí)，成分在L相區(qū)的合金為液相，在L+區(qū)的合金為液固兩相，在 區(qū)的合金為固相。水平截面的各邊線平行于濃度三角形各邊一、水平截面圖的作用(1)t1溫度下某合金的狀

7、態(tài)、相的種類(由表象點(diǎn)位置確定)CdbmO2BO如O的成分落在兩相區(qū)：O1ncO合金由兩相組成：L+L+LaA溫度t1時(shí)的等溫截面圖(2) t1溫度時(shí)，合金相的成分(x或xL)共軛線連接平衡相成分點(diǎn)的直線t1溫度時(shí)O合金的成份： x=m，xL =n說明： m,n兩者是對應(yīng)CdbmO的，所以兩相區(qū)相成份只有一個(gè)變量，xn確定后，與之平衡的相成分必為xm；2BOO1ncL+LaA 在m-n直線上，所有合金在t1溫度時(shí)的相成份均為xn和xm，只是相的相對Cd量不同。如O ，O . 。bm12O2BOO1(3) t1溫度時(shí)，相的相對量nc在共軛線上用直線定律和共軛三角形中用重心定律確定。如圖中O合金：

8、L+La Onmn OmWWALmn(4)用一系列溫度的水平截面圖研究加熱過程若把一系列不同溫度的水平截面中的相界線投影到濃度三角形中，并在每一條投影上標(biāo)明相應(yīng)的溫度，這樣的投影圖就叫等溫線投影圖。實(shí)際上，它是一系列等溫截面的綜合。如果相鄰等溫線的溫度間隔一定，則投影圖中等溫線距離越密，表示相界面的坡度越陡；反之，等溫線距離越疏，說明相界面的高度隨成分變化的趨勢越平緩。小結(jié)：水平截面圖的局限性只反應(yīng)一個(gè)溫度下確定相成份：兩相區(qū)-共軛線，三相區(qū)-共軛三角形確實(shí)相相對量：形的重心定律兩相區(qū)-直線定律，三相區(qū)-共軛三角一、估計(jì)共軛線相圖軛線的標(biāo)法A1、設(shè)三組元BtC，則共dbs軛線總是相對Aog向降

9、低sB方向偏轉(zhuǎn)一角度，如sol，但角度不確定；Ocllg2、可用Aog上sl作更粗略的估計(jì)線aC5.3.2變溫截面圖(垂直截面圖)(1) 過一頂點(diǎn)的垂直截面-BGggtBB面A：C=7：31tBggtBggBG30% B%100%0%B%成分確定方法對于合金1，B%=30%，A%：C%=7：3 A%=70%（1-30%）=49%A%GC%C%=21%LL+(2) 過平行于一邊的垂直截面C%=70%2LaefeL+febeffE 0FB%10%A%E30%A%FEF線上合金A的量為A%=030%合金2含B的量：B%=1-10%-70%=20%C%變溫截面圖的作用截合金的加熱，冷卻過程的相變 局限

10、性只涉及到被截的少數(shù)任一合金不能確定兩相區(qū)、三相區(qū)相的成分(不存在共軛線)，也不能確實(shí)兩相區(qū)、三相區(qū)的相相對量(固共軛線和共軛三角形不在此截面內(nèi))5.4三元共晶相圖5.4.1組元在固態(tài)下互不溶,具有共晶轉(zhuǎn)變的相圖一、相圖分析1 畫圖(1)(2)(3)先畫一成份三角形畫溫度軸畫二元共晶相圖三棱柱的三個(gè)柱面是三個(gè)二元共晶相圖向空間延伸畫出四相平衡共晶轉(zhuǎn)變平面A1B1C1三個(gè)二元系共晶點(diǎn)向空間延伸為三條共晶溝線，交A1B1C1面于E點(diǎn)，稱為共晶點(diǎn)2相圖分析(1)A,B,C三組元互不溶，所以單相區(qū)為L,A,B,C，無固溶體相。(2) 三個(gè)棱柱面為三個(gè)組元互不溶的簡單共晶相圖，三個(gè)二元相圖向空間的延伸圖

11、為如：6條液相線延伸為3個(gè)液相面；3個(gè)二元共晶點(diǎn)延伸為3條共晶溝線；3條共晶溝線交點(diǎn)為四相平衡共晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)；3條二元共晶水平線向空間延伸為6個(gè)三相平衡共晶轉(zhuǎn)變曲面。四相平衡共晶轉(zhuǎn)變平面由3個(gè)三相平衡的連接三角形合并而成，其中每個(gè)三角形都是發(fā)生某個(gè)共晶轉(zhuǎn)變的三相衡區(qū)的底面。3相區(qū)分析-分析一條冷卻曲線上組織變化過程(1)4個(gè)單相區(qū)液相區(qū)(3個(gè)液面以上)，A,B,C三個(gè)單相區(qū)(3條組元垂線)(2) 兩相區(qū) (液面與三相平衡共晶曲面包圍的區(qū)域)L+A，L+B，L+C (發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變LA，LB，LC)(3) 三相區(qū)有L相三相區(qū)：L+A+B，L+B+C，L+A+C無L相三相區(qū)：A+B+C 變溫轉(zhuǎn)變 (三相

12、平衡共晶轉(zhuǎn)變)三相區(qū)LTA+B，f=3-3+1=1 水平截面圖為直邊三角形 三個(gè)相的成份就是三角形的三個(gè)頂點(diǎn) 溫度下降，三個(gè)相的成份沿三條單變線變化 溫度下降，三相平衡共晶轉(zhuǎn)變(L+A+B)水平截面以一個(gè)頂點(diǎn)為先導(dǎo)向前移動垂直截面為曲邊三角形(4) 四相區(qū)L TA+B+C (四相平衡共晶轉(zhuǎn)變)與四個(gè)單相區(qū)相接觸f=3-4+1=0恒溫轉(zhuǎn)變二、投影圖有兩種：其一，將所有相區(qū)界線都投影到濃度三角形中 其二，將一系列水平截面圖中的相界線投影到濃度三角形中，并注明溫度線等溫線投影圖5.4.2 固態(tài)下有限溶解，具有共晶轉(zhuǎn)變的相圖1 畫圖(1)(2)(3)先畫一成份三角形畫溫度軸畫二元共晶相圖三棱柱的三個(gè)柱

13、面是三個(gè)二元共晶相圖向空間延伸畫出四相平衡共晶轉(zhuǎn)變平面mnp三個(gè)二元系共晶點(diǎn)向空間延伸為三條共晶溝線，交mnp面于共晶點(diǎn)E存在三條固溶度線，溶解度曲面2、固態(tài)下不溶與固態(tài)下有限溶解共晶相圖的區(qū)別固態(tài)的三個(gè)單相區(qū)，由A，B，C三個(gè)純組元軸向空間擴(kuò)展為，三個(gè)固溶體單相區(qū)；三個(gè)二元相圖中的固態(tài)兩相區(qū)A+B，B+C，A+C向空間延伸為三個(gè)固溶體兩相區(qū)+，+和+；簡單共晶相圖中三個(gè)含液相的三相區(qū)L+A+B，L+B+C以及L+B+C，由兩曲面和一個(gè)垂直平面的三棱柱體，在復(fù)雜共晶相圖中變?yōu)槿齻€(gè)棱柱面都為曲面的三棱柱體。3、 水平截面(三相區(qū)L+ +為例)水平截面為三角形e1gf溫度下降，三相區(qū)三相濃度沿三條

14、單變線變化溫度下降，共軛三角形總是以一個(gè)頂點(diǎn)L為先導(dǎo)移動mnE可用兩個(gè)溫度的水平截面圖來判斷共晶轉(zhuǎn)變(反應(yīng)相L為先導(dǎo)移動) 可用水平截面圖研究其內(nèi)一合金的相相對量O必在重量重心上，利用重心定律可求。4、垂直截面(三相區(qū)L+ +為例)e1gf垂直截面為曲邊三角形Lmn液相L的頂點(diǎn)在上E可判定三相區(qū)的共晶轉(zhuǎn)變(反應(yīng)相頂點(diǎn)在上，、點(diǎn)在下，即發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變)L+5.4.3 三相平衡包晶轉(zhuǎn)變1 包晶轉(zhuǎn)變特征圖共晶圖包晶圖LLL + L +溫度下降，以一個(gè)頂點(diǎn)(L)為先導(dǎo)移動溫度下降，以一邊為先導(dǎo)移動共晶包晶LL投影圖T1T2T1 T2T1 T2水平截面圖T1 T2溫度下降，一邊為先導(dǎo)移動溫度下降，一頂點(diǎn)為

15、先導(dǎo)移動LL垂直截面圖5.5三元相圖中的四相平衡轉(zhuǎn)變常見的四相平衡轉(zhuǎn)變TE共晶轉(zhuǎn)變 L包共晶轉(zhuǎn)變 L+共析轉(zhuǎn)變+TE+ +包共析轉(zhuǎn)變3) 包晶轉(zhuǎn)變 L +包析轉(zhuǎn)變+1、 投影圖1) 共晶轉(zhuǎn)變TEL+L+ + E液相線投影E相區(qū)銜接：三上一下L+ +L+ + 四相平衡共晶轉(zhuǎn)變前后的反應(yīng)L LL+ +L四相平衡平面下方上方TE2) 包共晶轉(zhuǎn)變L+ +實(shí)線說明L、為反應(yīng)相，包晶轉(zhuǎn)變L+ 虛線說明、為生成相L實(shí)線所夾區(qū)域在四相平衡轉(zhuǎn)變平面的上面,虛線所夾區(qū)域在四相平衡轉(zhuǎn)變平面的下面。共晶轉(zhuǎn)變L+分析可能發(fā)生的反應(yīng)相單變線相單變線L相單變線L以一邊為先導(dǎo)，發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變L+ LL以L相為先導(dǎo)，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變

16、以一頂點(diǎn)為先導(dǎo)，發(fā)生共析反應(yīng)L+LL點(diǎn)以一頂點(diǎn)為先導(dǎo)，發(fā)生共晶反應(yīng)此種投影說明為包共晶轉(zhuǎn)變L+ +L+兩個(gè)箭頭所夾一相為反應(yīng)相，一個(gè)箭頭兩側(cè)為生成相所以L相單變線L 相區(qū)銜接二上二下四相平衡包共晶轉(zhuǎn)變前后的反應(yīng)L+LL+L+四相平衡平面下方上方TE3) 包晶轉(zhuǎn)變L +虛線說明三個(gè)三相區(qū)在下面，上面有一個(gè)三相區(qū)L可能發(fā)生的反應(yīng)LL以一頂點(diǎn)為先導(dǎo),以一邊為先導(dǎo),共晶L+包晶L+L以一邊為先導(dǎo),L以一邊為先導(dǎo),包晶L+包析+此種投影說明為包晶轉(zhuǎn)變L +一個(gè)箭頭兩側(cè)為反應(yīng)相,兩個(gè)箭頭所夾為生成相L 相區(qū)銜接一上三下四相平衡包晶轉(zhuǎn)變前后的反應(yīng)L+L+L+L+上方四相平衡平面下方2、 垂直截面圖(1) 共

17、晶相圖L+L+L+L+bcL+aad+cLbd+共晶轉(zhuǎn)變平面L+L+aL+L+bcab c+只截取一部分(2) 包共晶相圖L+LaL+dbab+cL+cL+L+dL+ abL+cL+L+abc(3) 包晶轉(zhuǎn)變L+cbdbcaad+LL+L+L+LLL+Fe3C+WC 共晶+WC 包共晶舉例c. L+W +Fe3W2 包共晶d. L+W+WC 包晶2Ce. L +W2CW+WC包共晶Fe3CWCW3C5abdWcW e Fe3W25.6 具有化合物的三元相圖三元相圖中可以根據(jù)穩(wěn)定化合物將相圖分割為若干個(gè)獨(dú)立相圖CCBmCnAmBnCLAABB二元化合物位于三角形一邊上,可將三元相圖分成兩部分三元

18、化合物位于三角形中部,可將三元相圖分成三部分CCorABAB當(dāng)存在多個(gè)穩(wěn)定化合物時(shí),有多種分割方法,但正確的只有一種,要用實(shí)驗(yàn)來判定.5.7 三元合金相圖應(yīng)用舉例1 Fe-C-Si三元系的垂直截面圖+LSi%=2.4%L相區(qū)分析L+1）L+相區(qū)為下三角，頂點(diǎn)朝下，發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變。L+1L+C L+C2+CL+L13+C24+C1%C%由于硅的加入,使鑄鐵成分范圍擴(kuò)大到1%C。+LSi%=2.4%L2）L+C相區(qū)：三角形形狀不明顯，可用相區(qū)接觸法則判斷。L+L+1L+C L+C2以合金為例：+C三相區(qū)上方為L相區(qū)，下方為+C相區(qū)，說明經(jīng)過L+C13+C24+C相區(qū)后L相，新相+C生成，三相轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿мD(zhuǎn)變L+C1%C%+LSi%=2.4%L3) +C相區(qū)以合金為例：L+L+1L+C L+C三相區(qū)上方為相區(qū)，下方為+C相區(qū)，說明在三相區(qū)2+C，為反應(yīng)相，+C為13+C生成相，三相區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)楣参?4轉(zhuǎn)變： +C+C1%C%2 Fe-CrC三元系垂直截面圖(1) 兩相區(qū)+C2，+C2，+C1發(fā)生的為，中析出碳化物的轉(zhuǎn)變。+C2+C2C2C2+CC11C%+L13%CrLL+L+L+C1+C2L+C1+C2+C1+C1+C2+C