材料科學基礎第六章三元相圖

1、材料科學基礎課件第六章三元相圖第1頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四 第一節(jié) 三元相圖基礎 工業(yè)上所使用的金屬材料，如各種合金鋼和有色合金，大多由兩種以上的組元構成，這些材料的組織、性能和相應的加工、處理工藝等通常不同于二元合金，因為在二元合金中加入第三組元后，會改變原合金組元間的溶解度，甚至會出現(xiàn)新的相變，產生新的組成相。 因此，為了更好地了解和掌握金屬材料，除了使用二元合金相圖外，還需掌握三元甚至多元合金相圖，由于多元合金相圖的復雜性，在測定和分析等方面受到限制，因此，用的較多的是三元合金相圖，簡稱三元相圖(Ternary Phase Diagram）。 第2頁，共3

2、9頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四 三元相圖與二元相圖比較，組元數(shù)增加了1個,即成分變量是兩個，故表示成分的坐標軸應為2個,需要用一個平面表示，再加上垂直于該平面的溫度軸，這樣三元相圖就演變成一個在三維空間的立體圖形，分隔相區(qū)的是一系列空間曲面，而不是二元相圖的平面曲線。第3頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四 1、三元相圖的成分表示方法(1) 等邊成分三角形常用三角形來表示三元合金的成分，這樣的三角形稱為濃度三角形或成分三角形(Composition Triangle)。常用的成分三角形是等邊三角形和直角三角形。第4頁，共39頁，2022年，5月20日，4點

3、32分，星期四第5頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四如圖5-101所示：oaobocABBCCA由于oabcWAobACWBoaabocBaWCAa因此，可用oa代表A組元的含量，ob代表B組元的含量，oc代表C組元的含量。 第6頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四(2) 直角成分坐標表示法當三元系成分以某一組元為主，其他兩個組元含量很少時，合金成分點將靠近等邊三角形某一頂點。若采用直角坐標表示成分，則可使該部分相圖更為清楚的表示出來，一般用坐標原點代表高含量組元，而兩個互相垂直的坐標軸代表其他兩個組元的成分，如圖5-102所示 第7頁，共39頁，20

4、22年，5月20日，4點32分，星期四第8頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四(3) 等腰成分三角形當三元系中某一組元含量較少，而另兩組元含量較大時，合金成分點將靠近等邊成分三角形的某一邊。為了使該部分相圖清晰的表示出來，常采用等腰三角形，即將兩腰的刻度放大,而底邊的刻度不變。如圖5-103所示。 第9頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四第10頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四對于O點成分的合金，其成分的確定方法與前述等邊三角形的確定方法相同，即過O點分別引兩腰的平行線與AC邊相交于a和c點，則：CaWA30AcWC60AbWB10

5、。雖然，上述成分表示方法在三元相圖中都有應用，但應用最為廣泛的還是等邊三角形。第11頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四2、等邊成分三角形中特定意義的線 (1) 平行于三角形某一邊的直線凡成分位于該線上的所有合金，它們所含的由這條邊對應頂點所代表的組元的含量為一定值。如圖5-103中ef直線上代表B組元的含量均為Ae。第12頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四第13頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四(2)通過三角形頂點的任一直線凡成分位于該直線上的所有合金，它們所含的由另兩個頂點所代表的兩組元的含量之比為一定值。如圖5-104 中B

6、g 線上的所有合金A、C兩組元的質量分數(shù)之比為WA/WC=Cg/Ag 。第14頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四 3、三元系平衡相的定量法則 應用相律f=c-p+1 當三元系時f=4-p故當兩相平衡共存時，有f=4-2=2 即兩個平衡相的成分只有一個獨立改變，當一個平衡相的成分發(fā)生變化時，另一相的成分隨之而改變，即兩相的成分之間具有一定的關系,此關系稱為直線法則。第15頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四 直線法則和杠桿定律直線法則：三元合金中兩相平衡時，合金的成分點和兩個平衡相的成分點，必須在同一直線上。如圖5-105所示，當合金O在某一溫度處于兩相

7、平衡時，這兩個相的成分點便定為a和b，則aob三點必位于同一條直線上，且o點位于a、b兩點之間,此時、兩相的質量比為： 第16頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四第17頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四第18頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四 由直線法則可得到以下規(guī)律： a、 當溫度一定時，若已知兩平衡相的成分，則合金的成分必位于兩平衡相成分的連線上； b、 當溫度一定時，若已知一相的成分及合金的成分，則另一平衡相的成分必位于兩已知成分點的連線的延長線上； c、 當溫度變化時，兩平衡相的成分變化時，其連線一定繞合金的成分點而轉動。

8、 第19頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四 第二節(jié) 三元勻晶相圖 三組元在液相和固相均完全互溶的相圖為三元勻晶相圖。第20頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四1、相圖分析a、b、c 為三組元 A、B、C 的熔點，且 Tb Ta Tc 。液相面：abc黃色面；固相面：abc藍色面；液相區(qū)L：abc黃色面以上空間；固相區(qū)：abc藍色面以下空間；液固兩相共存區(qū)L：abc黃色面和藍色面之間區(qū)域。第21頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四 2、結晶過程分析當合金 O 自液態(tài)緩冷至于液互相相交時，開始從液相中結晶出 固溶體，此時液相的成分l1即

9、為合金成分，而固相的成分為固相面某一點 s。隨著溫度進一步下降，析出的 相越來越多，固相的成分由s1點沿固相面移至s2點，液相成分自l1點移至l2點，由直線法則可知，合金的成分點必落在l2和s2的連線上。 第22頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四 當溫度冷至t3時，連接線為l3s3，當冷至t4時，與固相面相交，連接線為l4s4，此時，所有的液相全部轉變?yōu)楣滔啵滔嗟某煞旨礊楹辖鸬某煞帧?234和s1s2s3s4在成分三角形上的投影為1234和s1s2s3s4，很像一只蝴蝶,所以稱為固溶體合金結晶過程的蝴蝶形規(guī)律。 第23頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星

10、期四 3、等溫截面（水平截面）等溫截面是由表示溫度的水平面與空間模型中各個相界面相截得到交線投影到成分三角形中得到的，它表示三元系合金在某一溫度下的狀態(tài)。如圖5-202所示，表示t1溫度的水平面與液相面相交于L1L2,與固相面相交于s1s2，將這兩條線投影到成分三角形中就得到等溫截面。第24頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四第25頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四 第三節(jié)、包共晶型三元系 1、相圖分析包共晶轉變的反應式為：L 從反應相的數(shù)目看，這種轉變具有包晶轉變的性質，從生成相看，這種轉變又具有共晶轉變的性質。因此稱為包共晶轉變。第26頁，共39頁

11、，2022年，5月20日，4點32分，星期四 發(fā)生包共晶轉變的三元系很多。Cu - Sn - Zn 、 Cu - Sn - Si、Cu - Sn - P 、 Cu - Al - Ni 、Al Cu - Mg 、Al Cu - Mn 、 pb Sn - Bi 等合金系都有包共晶轉變。 第27頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四 空間模型中包共晶轉變四相平衡時一個四邊形水平面，稱為包共晶轉變面。反應相和生成相成分點的連接線是四邊形的兩條對角線。這個水平面上、下兩側各有兩個三相平衡棱柱與之相接。 包共晶轉變平面上方兩個三相平衡棱柱，一般是一個屬于共晶型，另一個屬于包晶型，但也可能

12、都是共晶型或包晶型。 第28頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四 包共晶轉變平面下方兩個三相平衡棱柱，一個屬于 三相平衡區(qū)，另一個屬于 L 三相平衡區(qū)。這種情況與二元系包晶轉變非常相似，二元系包晶轉變結束后，可能留有反應固相和生成固相平衡，也可能留有液相與生成固相平衡。 同理，包共晶轉變結束后，除極少數(shù)合金外，兩個反應相不可能同時消失凈盡或同時留有剩余，只能是一個完全消失，另一個有所剩余，結果形成 L 和 兩種三相平衡。 第29頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四 2、典型合金結晶過程分析 下面借助于投影圖分析合金的結晶過程（以合金 O 為例 ）。在冷卻

13、時,首先碰到A E2 p pA 液相面，液相中開始析出初生相 ，然后析出的 相不斷增多，當溫度冷至與二元包晶面 d a p p 相交時，液相的成分到達 p p ， 相的成分到達 d a ,要發(fā)生二元包晶轉變 L 。第30頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四第31頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四 當溫度下降時， 相成分沿 da 線變化,而液相成分沿 pp 線變，當冷至四相平衡包共晶轉變平面 abcp 時,液相的成分到達 p 點， 相的成分到達 a 點，要發(fā)生包共晶轉變 L+ + ，在三元包晶轉變結束后， 相消失，開始發(fā)生二元包晶轉變。 第32頁，共39

14、頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四 由于 O 點在 a b c 內，故包共晶轉變結束后，液相全部消失，而 相有殘留，從而進入三相區(qū) ，隨著溫度的下降，由于 、 和 溶解度的下降，將有次生相 、 和 析出，至室溫后的組織為初晶 包晶 包共晶 。第33頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四 第四節(jié) 三元包晶相圖 三元包晶轉變的反應式為：L 1、 相圖分析 四相平衡的平面是一個三角形 abP ，P、a、b、c分別是液相、和的成分點。即 LPabc。第34頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四 在四相平衡包晶轉變之后，由于三個反應相不可能在轉變結束同時完

15、全消失，也不可能都有剩余，一般只有一個反應相消失，其余兩個反應相有剩余，與生成相 形成新的三相平衡。第35頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四 因此，在 abP 面下，共有三個三相平衡棱柱,分別存在 L 、L 、 三相平衡，與 a b P面的接觸面分別為 a c P 、P C P 和 a b c 三角形。 第36頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四第37頁，共39頁，2022年，5月20日，4點32分，星期四 合金 O 在冷卻過程中，首先碰到液相面BE1PP1B，從液相中析出 初生相，然后碰到二元共晶面 E1PbeE1,液相的成分到達E1P線，液相要發(fā)生二元共晶轉變L，在此轉變過程中，L、 和 三相的成分分別沿E1P，da和 eb 而