材料科學(xué)基礎(chǔ)第五章

第五章材料的相結(jié)構(gòu)及相圖

4h為何工業(yè)上很少使用純金屬,而多使用合金?第五章材料的相結(jié)構(gòu)及相圖合金：由兩種或兩種以上的元素組成，其中至少有一種為金屬，組成具有金屬性的材料稱(chēng)為合金。組元：通常把組成材料的最簡(jiǎn)單、最基本、能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)稱(chēng)為組元。組元大多數(shù)情況下是元素；在研究的范圍內(nèi)既不分解也不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定化合物也可稱(chēng)為為組元。合金相（或相）：凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同并與其它部分有界面分開(kāi)的物質(zhì)均勻組成部分，稱(chēng)之為相。組織：在一定的外界條件下，一定成分的合金可能由不同成分、結(jié)構(gòu)和性能的合金相所組成，這些相的總體便稱(chēng)為合金的組織。在固態(tài)材料中，按其晶格結(jié)構(gòu)的基本屬性來(lái)分，可將合金相分為固溶體和化合物兩大類(lèi)。第一節(jié)材料的相結(jié)構(gòu)一.固溶體固熔體是固態(tài)下一種組元（熔質(zhì)）熔解在另一種組元（熔劑）中而形成的新相，其特點(diǎn)是固熔體具有熔劑組元的點(diǎn)陣類(lèi)型。晶格與固熔體相同的組元稱(chēng)為熔劑，其他組元稱(chēng)為熔質(zhì)。第五章材料的相結(jié)構(gòu)及相圖固溶體的類(lèi)型

1.按熔質(zhì)原子在固溶體(熔劑)晶格中的位置不同可分為：置換固熔體2)間隙固溶體純銅的fcc結(jié)構(gòu)CuNiCu-Ni置換固熔體CNibccfcc2.按溶解度溶質(zhì)原子溶于固溶體中的量稱(chēng)為固溶體的濃度，一般用重量百分比表示，即也可以用原子百分比表示，即2)有限固溶體（端際固熔體）1)無(wú)限固溶體（連續(xù)固熔體）3.按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的分布特點(diǎn)

1)無(wú)序固溶體溶質(zhì)原子在溶劑晶格中分布是任意的，沒(méi)有任何規(guī)律性，僅統(tǒng)計(jì)角度上是均勻分布的。

2)有序固溶體溶質(zhì)原子以一定的比例，按一定方向和順序有規(guī)律地分布在溶劑的晶格間隙中或結(jié)點(diǎn)上。有序固溶體-長(zhǎng)程有序固溶體-短程有序固溶體-偏聚影響置換固溶體固溶度的因素1．原子尺寸因素：原子尺寸差別小于14~15%，才可能形成溶解度較大甚至無(wú)限溶解的固溶體。2．化學(xué)親和力（電負(fù)性因素）·電負(fù)性；原子吸引電子形成負(fù)離子的傾向，以電負(fù)性因素來(lái)衡量化學(xué)親和力。1）

電負(fù)性差值ΔX<0.4~0.5時(shí)，有利于形成固溶體，隨電負(fù)差值增加固溶度增加。２）ΔX>0.4~0.5，傾向于形成穩(wěn)定的化合物，其電負(fù)性差值越大，固溶體中固溶度越小。影響置換固溶體固溶度的因素3．電子濃度因素（原子價(jià)因素）電子濃度是固熔體中價(jià)電子數(shù)目與原子數(shù)目的比值原子價(jià)效應(yīng)：一價(jià)貴金屬Cu、Au、Ag做溶劑時(shí)，加入不同原子價(jià)的溶質(zhì)元素時(shí)，在尺寸因素同樣有利的條件下，溶質(zhì)元素的原子價(jià)越高，則形成固溶體的極限固溶度越小。相對(duì)價(jià)效應(yīng)：高價(jià)元素在低價(jià)中的溶解度較大，而低價(jià)元素在高價(jià)元素中的溶解度較小。4．晶體結(jié)構(gòu)因素晶體結(jié)構(gòu)相同是組元間形成無(wú)限固溶體的必要條件。形成有限固溶體時(shí)，溶質(zhì)元素與溶劑的結(jié)構(gòu)類(lèi)型相同，則溶解度通常也較不同結(jié)構(gòu)時(shí)為大。影響置換固溶體固溶度的因素固溶體的性能特點(diǎn)由于固溶體的晶體結(jié)構(gòu)與溶劑相同，固溶體的性能基本上與原溶劑的性能相近，換句話說(shuō)，固溶體的性能主要決定于溶劑的性能，或在溶劑性能基礎(chǔ)上發(fā)生一些改變。

固溶體的性能與原溶劑性能的差別，或稱(chēng)性能變化的大小，隨著溶質(zhì)的濃度(含量)的增加而加大。

以金屬元素為溶劑的固溶體，隨著溶質(zhì)的溶入，強(qiáng)度將提高，稱(chēng)為固溶強(qiáng)化，溶質(zhì)的溶入可造成晶格畸變，材料的塑性變形的阻力加大，同時(shí)塑性略有下降，但不明顯。在材料中是有效提高金屬材料力學(xué)性能的途徑之一。

點(diǎn)陣畸變和點(diǎn)陣常數(shù)的改變物理化學(xué)性能改變例：在1000oC時(shí)，有ωc為1.7%的碳熔于fcc鐵的固溶體。求100個(gè)單位晶胞中有多少個(gè)碳原子？（已知鐵的相對(duì)原子量為55.85；C的相對(duì)原子量為12.01。）解：因?yàn)?00個(gè)單位晶胞中，有400個(gè)鐵原子，共占有98.3%的質(zhì)量。固溶體的總質(zhì)量m總為

m總=（400×55.85）/0.983=22726碳原子數(shù)nc為

nc=(22276×0.017)/12.01=32二中間相（金屬間化合物）

金屬化合物是合金組元間相互作用所形成的一種晶格類(lèi)型及性能均不同于任一組元的合金固相。特點(diǎn)：（1）它們?cè)诙鄨D上所處的位置總是在兩個(gè)端際固熔體之間的中間部位，所以它們統(tǒng)稱(chēng)為中間相。（2）中間相大多數(shù)是由不同的金屬或金屬與亞金屬組成的化合物，故這類(lèi)中間相又稱(chēng)為金屬間化合物。（3）構(gòu)成各類(lèi)中間相的結(jié)合鍵各不相同，中間相的結(jié)合鍵取決于組元元素之間的電負(fù)性差。電負(fù)性相近的元素，形成的中間相多以金屬鍵為主，而電負(fù)性相差較大時(shí)，傾向于以離子鍵或共價(jià)鍵結(jié)合。但一般都具有一定程度的金屬性（因此中間相的化學(xué)鍵多不是單一的，而是各種化學(xué)鍵的混合，只是組元性質(zhì)不同時(shí)，各種化學(xué)鍵比例會(huì)有所不同。(4）中間相通常按一定或大致一定的原子比組成，可以用化學(xué)分子式來(lái)表示，但是除正常價(jià)化合物外，大多數(shù)中間相的分子式不遵循化學(xué)價(jià)規(guī)則。許多中間相的成分可以在一定范圍內(nèi)變化，在相圖上表現(xiàn)為一個(gè)域，形成以化合物為基的二次固熔體，比分子式原子比多出的某組元的原子可以占據(jù)中間相中其它組元的位置，或者中間相中某一不足原子比的組元所占據(jù)的位置空缺，形成所謂缺位固熔體。（5)中間相具有不同于各組成元素的晶體結(jié)構(gòu)，組成原子各占據(jù)一定的點(diǎn)陣位置，呈有序排列。但也有一些中間相的有序程度不很高，甚至在高溫時(shí)無(wú)序而在較低溫度時(shí)才轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚺帕?，如Cu3Au、CuZn等。（6）中間相的性能明顯不同于各組元的性能，一般是硬而脆的。有些金屬間化合物具有特殊的性能。例如形狀記憶合金Ni-Ti。（7）中間相的形成也受原子尺寸、電子濃度、電負(fù)性等因素的影響。根據(jù)金屬化合物的形成規(guī)律及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可將其分為以下類(lèi)型。

1正常價(jià)化合物（1）形成：電負(fù)性差起主要作用，符合原子價(jià)規(guī)則。（2）鍵型：隨電負(fù)性差的減小，分別形成離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵。（3）組成：AB或AB2。如MnS,Mg2Si.NaCl結(jié)構(gòu)反CaF2結(jié)構(gòu)CaF2結(jié)構(gòu)立方ZnS結(jié)構(gòu)六方ZnS結(jié)構(gòu)MgSeMg2SiPtSn2ZnSZnSCaSeMg2GePtIn2CdSCdSSrSeMg2SnAuAl2MnSMgTeBaSeMg2PbPt2PAlPCdTeMnSeCu2Se

ZnSeMnSePbSeIr2P

MnSeAlNCaTeLiMgN

AlAsGaNSrTeLiMgAs

ZnTeInNBaTeCuCdSb

CdTe

SnTeLi3AlN2

AlTe

PbTeLi5TiN3

InSb

SiC

一些正常價(jià)化合物及其晶格類(lèi)型閃鋅礦立方ZnSZnS，CdS，ZnSe，AlAs，ZnTeAlTe，InSb，SiC硫鋅礦六方ZnSCdS，MgTe，CdTe，AlN螢石結(jié)構(gòu),PtSn2,PtIn2,AuAl2,Pt2P反螢石結(jié)構(gòu)，Mg2Si，Cu2Se，Ir2PCaFMgSe,MnSe,SnTe,PbTe2電子化合物

（1）形成：電子濃度起主要作用，不符合原子價(jià)規(guī)則。（2）鍵型：金屬鍵（金屬－金屬）。（3）組成：電子濃度對(duì)應(yīng)晶體結(jié)構(gòu)，可用化學(xué)式表示，可形成以化合物為基的固溶體。3尺寸因素化合物（1）間隙化合物

（a）形成：尺寸因素起主要作用。（b）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單間隙化合物（間隙相）：金屬原子呈現(xiàn)新結(jié)構(gòu)，非金屬原子位于其間隙，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。如面心立方VC。RX/RM<0.59.復(fù)雜間隙化合物：主要是鐵、鈷、鉻、錳的化合物，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。如Fe3C。RX/RM>0.59（c）組成：可用化學(xué)式表示，可形成固溶體，復(fù)雜間隙化合物的金屬元素可被置換。（d）鍵型：共價(jià)鍵和金屬鍵。間隙相（VC)的結(jié)構(gòu)Fe3C的晶格結(jié)構(gòu)(2)拉弗斯相當(dāng)組元間原子尺寸之差處于間隙化合物與電子化合物之間時(shí)，會(huì)形成拉弗斯相。通式：AB2，A,B均為金屬原子rA/rB=1.225MgCu2型：復(fù)雜立方結(jié)構(gòu)MgZn2型：密排六方結(jié)構(gòu)，WFe2,MoFe2,FeBe2，MgZn2MgNi2型：六方結(jié)構(gòu)，MoBe2，NbCo2，MgNi2例題：氧化鐵的晶體結(jié)構(gòu)與NaCl相同。若氧化鐵中氧的摩爾分?jǐn)?shù)xo=0.52，其晶格常數(shù)為0.429nm，試求其密度為何？已知Fe的相對(duì)原子量為55.8，O的相對(duì)原子量為16。解：可選擇一個(gè)基準(zhǔn)——100個(gè)原子（=52個(gè)氧離子+48個(gè)鐵離子）。由晶體結(jié)構(gòu)可知，52個(gè)氧離子需要13個(gè)單位晶胞，但是只有48個(gè)鐵離子，故還有4個(gè)空位。第二節(jié)二元相圖及其類(lèi)型相圖：描述系統(tǒng)的狀態(tài)、溫度、壓力及成分之間關(guān)系的圖解。根據(jù)相圖可確定不同成分的材料在不同溫度下組成相的種類(lèi)、各相的相對(duì)量、成分及溫度變化時(shí)可能發(fā)生的變化。

相圖在生產(chǎn)中，可以作為制定金屬材料熔煉、鑄造、鍛造和熱處理等工藝規(guī)程的重要依據(jù)；也可以作為陶瓷材料選配原料、制定生產(chǎn)工藝、分析性能的重要依據(jù)。僅在熱力學(xué)平衡條件下成立，不能確定結(jié)構(gòu)、分布狀態(tài)和具體形貌。一相圖的基本知識(shí)1.相律系統(tǒng)：在熱力學(xué)中，我們把所研究的原子、分子等集體稱(chēng)為系統(tǒng)，又稱(chēng)為體系。相：在一個(gè)系統(tǒng)中，具有同一聚集狀態(tài)的均勻部分，稱(chēng)為相。2.相平衡：在某一溫度下，系統(tǒng)中各個(gè)相經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間也不互相轉(zhuǎn)變，處于平衡狀態(tài)，這種平衡稱(chēng)為相平衡。3.相律（1）相律：熱力學(xué)平衡條件下，系統(tǒng)的組元數(shù)、相數(shù)和自由度數(shù)之間的關(guān)系。（2）表達(dá)式：f=c-p+2;壓力一定時(shí)，f=c-p+1。自由度：是在平衡相數(shù)不變的前提下，給定系統(tǒng)中可以獨(dú)立變化的，決定體系狀態(tài)的（內(nèi)部、外部）因素的數(shù)目。自由度不能為0（3）應(yīng)用可確定系統(tǒng)中可能存在的最多平衡相數(shù)。如單元系2個(gè)，二元系3個(gè)?？梢越忉尲兘饘倥c二元合金的結(jié)晶差別。純金屬結(jié)晶恒溫進(jìn)行，二元合金變溫進(jìn)行。

4.相圖的表示與測(cè)定例：有一焊劑，試求每一種元素的摩爾分?jǐn)?shù)。方法：

測(cè)定二元相圖最常用的方法是熱分析法?，F(xiàn)在以Cu—Ni合金系為例，說(shuō)明用熱分析法建立相圖的具體步驟。

圖4-1是用熱分析法建立Cu-Ni合金相圖的示意圖。過(guò)程：配制合金－測(cè)冷卻曲線－確定轉(zhuǎn)變溫度－填入坐標(biāo)－繪出曲線。相圖結(jié)構(gòu)(勻晶)：兩點(diǎn)、兩線、三區(qū)。5.杠桿定律-相含量的計(jì)算工具

（1）平衡相成分的確定（根據(jù)相律，若溫度一定，則自由度為0，平衡相成分隨之確定。）（2）數(shù)值確定：直接測(cè)量計(jì)算或投影到成分軸測(cè)量計(jì)算。（3）注意：只適用于兩相區(qū)；三點(diǎn)(支點(diǎn)和端點(diǎn))要選準(zhǔn)。二、二元系相圖（一）勻晶相圖1.勻晶相圖及固溶體的結(jié)晶（1）勻晶轉(zhuǎn)變：由液相直接結(jié)晶出單相固溶體的轉(zhuǎn)變。（2）勻晶相圖：具有勻晶轉(zhuǎn)變特征的相圖。

(兩組元在液態(tài)和固態(tài)都無(wú)限互溶)合金系：Cu-Ni,Au-Ag,Bi-Sb,W-Mo,Ti-Zr,Ti-Hf,Cr-Mo,Cd-Mg,Pt-Rh

(3)相圖分析兩點(diǎn)：純組元的熔點(diǎn)；兩線：L,S相線；三區(qū)：L,α,L+α。固熔體的平衡結(jié)晶過(guò)程(1)平衡凝固：指合金從液態(tài)很緩慢地冷卻，使合金在相變過(guò)程中有充分時(shí)間進(jìn)行組元間的互相擴(kuò)散，每個(gè)階段都能達(dá)到平衡，達(dá)到平衡相的均勻成份。?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.10831452勻晶結(jié)晶（2）固溶體合金凝固過(guò)程與純金屬結(jié)晶的比較①

相同點(diǎn)：基本過(guò)程：形核－長(zhǎng)大；熱力學(xué)條件：⊿T>0；能量條件：能量起伏(系統(tǒng)中微小區(qū)域的能量偏離平均能量水平而高低不一的現(xiàn)象。)結(jié)構(gòu)條件：結(jié)構(gòu)起伏液態(tài)材料中出現(xiàn)的短程有序原子集團(tuán)的時(shí)隱時(shí)現(xiàn)現(xiàn)象。

)②不同點(diǎn)：合金在一個(gè)溫度范圍內(nèi)結(jié)晶,需成分起伏,凝固速率慢。成份起伏：是指液態(tài)合金中某些微小區(qū)域的成分時(shí)起時(shí)伏的偏離著其平均成分的現(xiàn)象。

例：圖為一勻晶相圖，試根據(jù)相圖確定：（1）ω

B=0.40的合金開(kāi)始凝固出來(lái)的固相成分為多少？（2）若開(kāi)始凝固出來(lái)的固體成分為ω

B=0.60，合金的成分為多少？（3）成分為ω

B=0.70的合金最后凝固時(shí)的液體成分為多少？AB20406080Lα

L+α

例：圖為一勻晶相圖，試根據(jù)相圖確定：（1）ω

B=0.40的合金開(kāi)始凝固出來(lái)的固相成分為多少？（2）若開(kāi)始凝固出來(lái)的固體成分為ω

B=0.60，合金的成分為多少？（3）成分為ω

B=0.70的合金最后凝固時(shí)的液體成分為多少？AB20406080Lα

L+α

（1）(2)(3)3、固熔體的非平衡凝固與微觀偏析

（1）非平衡凝固：指液態(tài)凝固時(shí)冷卻速度較快，原子來(lái)不及充分?jǐn)U散，在凝固過(guò)程中合金的成分得不到完全均勻的凝固過(guò)程。（2）原因:冷速快(假設(shè)液相成分均勻、固相成分不均勻)。（3）結(jié)晶過(guò)程特點(diǎn)：固相成分按平均成分線變化（但每一時(shí)刻符合相圖）；

結(jié)晶的溫度范圍增大；

組織多為樹(shù)枝狀。

（3）成分偏析：晶內(nèi)偏析：一個(gè)晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。枝晶偏析：樹(shù)枝晶的枝干和枝間化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。

（消除：擴(kuò)散退火，在低于固相線溫度長(zhǎng)時(shí)間保溫。）具有晶內(nèi)偏析的鑄錠特點(diǎn)：1.強(qiáng)度不高2.機(jī)械性能不均勻3.易晶內(nèi)腐蝕4.加工變形不容易通過(guò)擴(kuò)散退火或均勻化退火，使異類(lèi)原子互相充分?jǐn)U散均勻，可消除晶內(nèi)偏析（二）共晶相圖及其結(jié)晶共晶轉(zhuǎn)變：由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)一定成分固相的轉(zhuǎn)變。EutecticReaction共晶相圖：具有共晶轉(zhuǎn)變特征的相圖（液態(tài)無(wú)限互溶、固態(tài)有限互溶或完全不溶，且發(fā)生共晶反應(yīng)。共晶組織：共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。（是兩相混合物）1.相圖分析（相圖三要素）（1）點(diǎn)：純組元熔點(diǎn)；最大溶解度點(diǎn)；共晶點(diǎn)（是亞共晶、過(guò)共晶合金成分分界點(diǎn)）等。（2）線：結(jié)晶開(kāi)始、結(jié)束線；固溶線；共晶線等。（3）區(qū)：3個(gè)單相區(qū)；3個(gè)兩相區(qū)；1個(gè)三相區(qū)。2.共晶系合金的平衡凝固和組織（1）端部固熔體合金以Sn-Pb合金為例合金Ⅰ在結(jié)晶過(guò)程中的反應(yīng)為“勻晶反應(yīng)+二次析出”，其室溫下的組織為α+βⅡ。4脫熔轉(zhuǎn)變：由過(guò)飽和固熔體分離出另一種相的過(guò)程。次生相（2）共晶合金ω

Sn=0.6193.亞共晶合金ω

Sn=0.354.過(guò)共晶合金β初

+αII+(α+β)共晶作業(yè)：計(jì)算ω

Sn=0.7的合金在室溫下各組織的相對(duì)含量。例題1按下列數(shù)據(jù)，做出A、B二元共晶相圖（1）tA>tB（tA,TB分別為A,B組元的熔點(diǎn)）(3)B在A中的熔解度隨溫度的下降而減少，室溫時(shí)為0.03B,A在B中的熔解度不隨溫度變化。tAtBELL+α

L+β

β

α

α+βAB601095例2一個(gè)二元共晶反應(yīng)如下：求：(1)ω

B=0.50的合金凝固后，α初與共晶體（α+β）共晶的相對(duì)含量；α相與β相的相對(duì)含量。(2)若共晶反應(yīng)后β初和（α+β）共晶各占一半，問(wèn)改合金成分如何？解：（1）組織組成物的相對(duì)量為相組成物的相對(duì)量為（2）設(shè)該合金成分為ω

B=x,由杠桿定律知：tAtBELL+α

L+β

β

α

α+βAB練習(xí)：1.已知A（熔點(diǎn)600oC）與B(熔點(diǎn)500oC）在液態(tài)無(wú)限互熔，固態(tài)時(shí)A在B中的最大固熔度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為ω

A=0.30，室溫時(shí)ω

A=0.10;但B在固態(tài)和室溫均不熔于A，在300oC時(shí)，含ω

B=0.40的液態(tài)合金發(fā)生共晶反應(yīng)。試?yán)L出A-B合金相圖；并分析ωA=0.20，ω

A=0.45，ω

A=0.80的合金在室溫下組織組成物和相組成物的相對(duì)量。練習(xí)：tBELL+A

L+β

β

α+βMgNiβC1C20.2350.546已知A（熔點(diǎn)600oC）與B(熔點(diǎn)500oC）在液態(tài)無(wú)限互熔，固態(tài)時(shí)A在B中的最大固熔度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為ω

A=0.30，室溫時(shí)ω

A=0.10;但B在固態(tài)和室溫均不熔于A，在300oC時(shí)，含ω

B=0.40的液態(tài)合金發(fā)生共晶反應(yīng)。試?yán)L出A-B合金相圖；并分析ωA=0.20，ω

A=0.45，ω

A=0.80的合金在室溫下組織組成物和相組成物的相對(duì)量。102030405060708090Ⅰ

ABⅡ

Ⅲ

LL+AA+βL+ββ102030405060708090Ⅰ

ABⅡ

Ⅲ

LL+AA+βL+ββ102030405060708090Ⅰ

ABⅡ

Ⅲ

III合金（Ａ－０．２０Ｂ）3.共晶系合金的非平衡凝固和組織（1）偽共晶組織①偽共晶：由非共晶成分的合金所得到的完全共晶組織。②形成原因：不平衡結(jié)晶；合金成分位于共晶點(diǎn)附近。③不平衡組織由非共晶成分的合金得到的完全共晶組織。共晶成分的合金得到的亞、過(guò)共晶組織。（偽共晶區(qū)偏移）偽共晶實(shí)例（2）不平衡共晶在固溶體最大固溶度點(diǎn)內(nèi)側(cè)附近的合金，不平衡凝固時(shí)，由于固相線下移，使其冷卻到共晶溫度時(shí)仍有少量液相，這部分液相將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，而形成不平衡結(jié)晶。（3）離異共晶①

離異共晶：兩相分離的共晶組織。②

形成原因平衡條件下，成分位于共晶線上兩端點(diǎn)附近。不平衡條件下，成分位于共晶線外兩端點(diǎn)附近。③

消除：擴(kuò)散退火。

（三）二元包晶相圖

包晶轉(zhuǎn)變：由一個(gè)特定成分的固相和液相生成另一個(gè)特定成分固相的轉(zhuǎn)變。PeritecticReaction

包晶相圖：具有包晶轉(zhuǎn)變特征的相圖。1.相圖分析（1）線條的含義液相線ACB固相線AP,DB

固溶線PE,DF包晶線PDC（2）相區(qū)單相區(qū):L，α，β兩相區(qū):L+α，L+β，α+β三相區(qū)：水平線PDC2.包晶合金的平衡凝固和組織（1）I合金

1186℃：

組織：β+αIIPC（2）

II合金

組織：α+β+αII+βIIPC（3）III合金

組織：β+αIIPC例：一種由ωSiO2=0.90與ωAl2O3=0.10所組成的物質(zhì)，從1800℃

以緩慢的速率冷卻至1400℃

。請(qǐng)問(wèn)在冷卻過(guò)程中共有哪幾種相出現(xiàn)？(四）其他二元相圖1.具有三相平衡恒溫轉(zhuǎn)變的其他二元相圖分解型：共晶轉(zhuǎn)變合成型：包晶轉(zhuǎn)變（1）分解型恒溫轉(zhuǎn)變相圖（a）具有共析轉(zhuǎn)變的相圖（b）偏晶相圖（c）熔晶相圖(2)合成型恒溫轉(zhuǎn)變相圖（a）具有包析轉(zhuǎn)變的相圖（b）合晶相圖2.形成化合物的二元相圖(1)形成穩(wěn)定化合物的相圖(2)形成不穩(wěn)定化合物的相圖不穩(wěn)定化合物加熱至一定溫度時(shí)，不是發(fā)生本身的熔化，而是分解為兩個(gè)相，所生成的液相與原化合物顯然不同。第三節(jié)復(fù)雜相圖的分析方法一、二元相圖中的幾何規(guī)律①n=C-△P(C為組元數(shù)，△P為相鄰相區(qū)的相數(shù)目差值，n為相鄰相區(qū)接觸的維數(shù)）②兩個(gè)相鄰的單相區(qū)之間有一個(gè)兩相區(qū)，這個(gè)兩相區(qū)就是由這兩相鄰的單相組成③三相平衡等溫水平線上下方有三個(gè)兩相區(qū)，即與六條邊界線相接；④由于自由度不能為負(fù)值，二元系中不存在四相平衡；（5）與三相平衡等溫線相接觸的所有兩相區(qū)邊界線的延長(zhǎng)線應(yīng)進(jìn)入兩相區(qū)。

二、二元相圖分析實(shí)例1.相圖中的相Austenite:奧氏體Ferrite:鐵素體0.0218%2.11%0.09%高溫鐵素體Fe3C：Cementite:滲碳體2.相圖中重要的點(diǎn)和線點(diǎn)：14個(gè)。線：兩條磁性轉(zhuǎn)變線；三條等溫轉(zhuǎn)變線；其余三條線：GS,ES,PQ。區(qū)：5個(gè)單相區(qū)，7個(gè)兩相區(qū)，3個(gè)三相區(qū)。

點(diǎn)：14個(gè)。線：兩條磁性轉(zhuǎn)變線；三條等溫轉(zhuǎn)變線；其余三條線：GS,ES,PQ。770℃230℃

區(qū)：5個(gè)單相區(qū)，7個(gè)兩相區(qū)，3個(gè)三相區(qū)。

3鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程分析工業(yè)純鐵（C%<0.0218%）

碳鋼（0.0218<C%<2.11%）

鑄鐵（C%>2.11%）0.0218%2.11%典型合金（7種）的平衡結(jié)晶過(guò)程、組織變化、室溫組織及其相對(duì)量計(jì)算。

（1）工業(yè)純鐵結(jié)晶過(guò)程（ωc=0.0001）組織F+Fe3CⅢ（2）共析鋼結(jié)晶過(guò)程(ωc=0.0077)組織P(F+Fe3C

)P珠光體室溫時(shí)：相的含量（3）亞共析鋼結(jié)晶過(guò)程(0.4%C）

組織：F+P有少量的Fe3CⅢ，忽略不計(jì)（4）過(guò)共析鋼結(jié)晶過(guò)程(ωc=0.012）組織：(5)共晶白口鐵結(jié)晶過(guò)程(ωc=0.043）

Ld（A+Fe3C共晶）

Ld`（P+Fe3CⅡ+Fe3C共晶）（Ld-Ld`轉(zhuǎn)變）（6）亞共晶白口鐵結(jié)晶過(guò)程（P+Fe3CⅡ+Ld`）Ld`（P+Fe3CⅡ+Fe3C共晶）室溫下的組織：P+Fe3CⅡ+Ld`(7)過(guò)共晶白口鐵結(jié)晶過(guò)程（Fe3CⅠ+Ld`

）列表計(jì)算七種合金相組成物和組織組成物的相對(duì)含量。4.鐵碳合金的組織與力學(xué)性能（1）對(duì)平衡組織的影響（隨C%提高）（2）對(duì)力學(xué)性能的影響隨C%提高,強(qiáng)度、硬度升高，塑韌性下降。滲碳體含量越多，分布越均勻，材料的硬度和強(qiáng)度越高，塑性和韌性越低；但當(dāng)滲碳體分布在晶界或作為基體存在時(shí)，則材料的塑性和韌性大為下降，且強(qiáng)度也隨之降低。（3）對(duì)工藝性能的影響(a)對(duì)切削加工性來(lái)說(shuō)，一般認(rèn)為中碳鋼的塑性比較適中，硬度在HB200左右，切削加工性能最好。含碳量過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)降低其切削加工性能。(b)適合鍛造：C%<2.11%，可得到單相組織。對(duì)可鍛性而言，低碳鋼比高碳鋼好。由于鋼加熱呈單相奧氏體狀態(tài)時(shí)，塑性好、強(qiáng)度低，便于塑性變形，所以一般鍛造都是在奧氏體狀態(tài)下進(jìn)行。鍛造時(shí)必須根據(jù)鐵碳相圖確定合適的溫度，始軋和始鍛溫度不能過(guò)高，以免產(chǎn)生過(guò)燒；始軋和溫度也不能過(guò)低，以免產(chǎn)生裂紋。(c)適合鑄造：C%～4.3%，流動(dòng)性好。對(duì)鑄造性來(lái)說(shuō)，鑄鐵的流動(dòng)性比鋼好，易于鑄造，特別是靠近共晶成分的鑄鐵，其結(jié)晶溫度低，流動(dòng)性也好，更具有良好的鑄造性能。從相圖的角度來(lái)講，凝固溫度區(qū)間越大，越容易形成分散縮孔和偏析，鑄造性能越差。(d)適合冷塑變：C%<0.25%，變形阻力小。(e)適合熱處理：0.0218-2.11%，有固態(tài)相變。

一般而言，含碳量越低，鋼的焊接性能越好，所以低碳鋼比高碳鋼更容易焊接。

第五節(jié)三元系相圖及其類(lèi)型一、三元相圖的表示方法1三元相圖的主要特點(diǎn)（1）是立體圖形，主要由曲面構(gòu)成；（2）可發(fā)生四相平衡轉(zhuǎn)變；（3）一、二、三相區(qū)為一空間。2成分表示法－成分三角形（等邊、等腰、直角三角形）（1）已知點(diǎn)確定成分；（2）已知成分確定點(diǎn)。ACB112233OacbωA/10-2ωB/10-2ωC/10-23成分三角形中特殊的點(diǎn)和線（1）三個(gè)頂點(diǎn)：代表三個(gè)純組元；（2）三個(gè)邊上的點(diǎn)：二元系合金的成分點(diǎn)；ACB112233OacbωA/10-2ωB/10-2ωC/10-2課堂練習(xí)1.確定合金I、II、III、IV的成分ABC908070605040302010102030405060708090102030405060708090←A%B%↗C%↘II點(diǎn)：A%=60%B%=30%C%=10%課堂練習(xí)ABC908070605040302010102030405060708090102030405060708090←A%B%↗C%↘II1.確定合金I、II、III、IV的成分II點(diǎn)：課堂練習(xí)ABC908070605040302010102030405060708090102030405060708090←A%B%↗C%↘II1.確定合金I、II、III、IV的成分II點(diǎn)：A%=20%B%=50%C%=30%課堂練習(xí)ABC908070605040302010102030405060708090102030405060708090←A%B%↗C%↘III1.確定合金I、II、III、IV的成分III點(diǎn)：課堂練習(xí)ABC908070605040302010102030405060708090102030405060708090←A%B%↗C%↘III1.確定合金I、II、III、IV的成分III點(diǎn)：A%=20%B%=20%C%=60%課堂練習(xí)ABC908070605040302010102030405060708090102030405060708090←A%B%↗C%↘IV1.確定合金I、II、III、IV的成分IV點(diǎn)：課堂練習(xí)ABC908070605040302010102030405060708090102030405060708090←A%B%↗C%↘IV1.確定合金I、II、III、IV的成分IV點(diǎn)：A%=40%B%=0%C%=60%ABC908070605040302010102030405060708090102030405060708090←A%B%↗C%↘2.標(biāo)出

75%A+10%B+15%C

的合金課堂練習(xí)3.標(biāo)出50%A+20%B+30%C的合金ABC908070605040302010102030405060708090102030405060708090←A%B%↗C%↘課堂練習(xí)3.標(biāo)出50%A+20%B+30%C的合金ABC908070605040302010102030405060708090102030405060708090←A%B%↗C%↘課堂練習(xí)3成分三角形中特殊的點(diǎn)和線平行于某條邊的直線：其上合金所含由此邊對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)所代表的組元的含量一定。

ABωA/10-2ωB/10-2ωC/10-2abCD濃度三角形中具有特定意義的直線ABC908070605040302010102030405060708090102030405060708090←A%B%↗C%↘II點(diǎn)：20%A-50%B-30%CIII點(diǎn)：20%A-20%B-60%CIV點(diǎn)：40%A-0%B-60%CIIIIIIV課堂練習(xí)4.繪出A＝40%的合金ABC908070605040302010102030405060708090102030405060708090←A%B%↗C%↘5.繪出C＝30%的合金3成分三角形中特殊的點(diǎn)和線通過(guò)某一頂點(diǎn)的直線：其上合金所含由另兩個(gè)頂點(diǎn)所代表的兩組元的比值恒定。BCA←A%B%↗C%↘Da1′a2′c2c1a1a2FEABC908070605040302010102030405060708090102030405060708090←A%B%↗C%↘6.繪出C

/B＝1/3的合金課堂練習(xí)7.繪出A

/C＝1/4的合金4共線法則與杠桿定律（1）共線法則：在一定溫度下，三元合金兩相平衡時(shí)，合金的成分點(diǎn)和兩個(gè)平衡相的成分點(diǎn)必然位于成分三角形內(nèi)的同一條直線上。

（由相率可知，此時(shí)系統(tǒng)有一個(gè)自由度，表示一個(gè)相的成分可以獨(dú)立改變，另一相的成分隨之改變。）（2）杠桿定律：用法與二元相同。D:αE:β杠桿定律表達(dá)式α%=EO/DE×100%，β=OD/DE×100%兩條推論（1）給定合金在一定溫度下處于兩相平衡時(shí)，若其中一個(gè)相的成分給定，另一個(gè)相的成分點(diǎn)必然位于已知成分點(diǎn)連線的延長(zhǎng)線上。（2）若兩個(gè)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。5重心法則在一定溫度下，三元合金三相平衡時(shí)，合金的成分點(diǎn)為三個(gè)平衡相的成分點(diǎn)組成的三角形的質(zhì)量重心。（由相率可知，此時(shí)系統(tǒng)有一個(gè)自由度，溫度一定時(shí)，三個(gè)平衡相的成分是確定的。）平衡相含量的計(jì)算：所計(jì)算相的成分點(diǎn)、合金成分點(diǎn)和二者連線的延長(zhǎng)線與對(duì)邊的交點(diǎn)組成一個(gè)杠桿。合金成分點(diǎn)為支點(diǎn)。計(jì)算方法同杠桿定律。x，y，z分別為α，β，γ成分點(diǎn)，則

α%=oa/ax×100%，a點(diǎn)相當(dāng)于β，γ兩相混合物的成分點(diǎn)

β%=ob/by×100%，γ%=oc/cz×100%當(dāng)α含量計(jì)算出后，β，γ的含量也可以利用yz作杠桿進(jìn)行計(jì)算：β％＝az/yz*(1-α%)=(az/yz)*(ox/ax)*100%γ％＝ay/yz*(1-α%)=(ay/yz)*(ox/ax)*100%二、三元?jiǎng)蚓鄨D1相圖分析點(diǎn)：a,b,c-三個(gè)純組元的熔點(diǎn)；面：液相面、固相面；區(qū)：L,α,L+α。bacBCA二元相圖與三元相圖的關(guān)系：二元相圖（二維平面圖）三元相圖（三維立體圖）＋1維平面相區(qū)立體相區(qū)線面點(diǎn)線＋1維＋1維＋1維2三元固溶體合金的結(jié)晶規(guī)律液相成分沿液相面、固相成分沿固相面，呈蝶形規(guī)律變化。（立體圖不實(shí)用）共軛線：平衡相成分點(diǎn)的連線。BCA3.

等溫截面及其投影BCALL

+

3.

等溫截面及其投影3等溫截面（水平截面）（1）做法：某一溫度下的水平面與相圖中各面的交線。（2）截面圖分析

3個(gè)相區(qū)：L,α,L+α;2條相線：L1L2,S1S2（共軛曲線）;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(duì)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(duì)應(yīng)的點(diǎn)，所以把這兩條線稱(chēng)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。若已測(cè)出中的含C量為xC%，則的成分一定位于平行于AB邊的虛線上，此虛線與12線的交點(diǎn)n，即為的成分點(diǎn)。連接nx點(diǎn)并延長(zhǎng)與L1L2交于m點(diǎn)。即為液相的成分點(diǎn)。設(shè)TA>TCL

CBA12xnmL1L2fAC4.

垂直截面類(lèi)型一：BCACBCA類(lèi)型二：4變溫截面（垂直截面）（1）做法：某一垂直平面與相圖中各面的交線。（2）二種常用變溫截面經(jīng)平行于某條邊的直線做垂直面獲得；經(jīng)通過(guò)某一頂點(diǎn)的直線做垂直面獲得。（3）結(jié)晶過(guò)程分析成分軸的兩端不一定是純組元；注意:液、固相線不一定相交；液、固相線不是成分變化線,不能運(yùn)用杠桿定律。

5投影圖（1）全方位投影圖(勻晶相圖不必要)。（2）等溫線投影圖：可確定合金結(jié)晶開(kāi)始、結(jié)束溫度。

三、三元共晶相圖1.組元在液態(tài)完全互熔，固態(tài)完全不互熔，具有共晶轉(zhuǎn)變的三元相圖（1）相圖分析

點(diǎn)：熔點(diǎn)；二元共晶點(diǎn)；三元共晶點(diǎn)。

兩相共晶線

液相面交線線：EnE兩相共晶面交線

液相單變量線

液相區(qū)與兩相共晶面交線

液相面(TAE3EE1TA,TBE1EE2TB,TCE3EE2TC)面：兩相共晶曲面(A1A3E1EA1,B1B3E1EB1,A1A2E3EA1,C1C3E3EC1,B1B2E2EB1,C1C2E2EAC1)

三相共晶面(A1B1C1)

單相區(qū)：1個(gè)

3個(gè)兩相區(qū)：L-A(TAE3EE1TA-A1A3E1EA1-A1A2E3EA1)L-B(TBE1EE2TB-B1B3E1EB1-B1B2E2EB1)L-C(TCE3EE2TC-C1C3E3EC1-C1C2E2EAC1)區(qū)4個(gè)三相區(qū)：

L-A-B(A1A3E1EA1-B1B3E1EB1-A3A1B1B3A3)L-A-C(A1A2E3EA1-C1C3E3EC1-

A1A2C3C1A1)L-B-C(C1C2E2EAC1-B1B2E2EB1-B1B2C2C1B1)A-B-C(A1B1C1以下）

1個(gè)四相區(qū)：(A1B1C1）4-6

（2）垂直截面圖

O點(diǎn)合金的室溫組織A+(A+C)+(A+B+C)

（3）水平截面圖

（4）投影圖

思考：分析O點(diǎn)合金的凝固過(guò)程，確定室溫組織，計(jì)算室溫組織組成物的相對(duì)量。（杠桿定律與重心法則）（5）典型合金室溫組織（2）組元在固態(tài)有限溶解的共晶相圖（2）組元在固態(tài)有限溶解的共晶相圖（a）相圖分析

點(diǎn)：熔點(diǎn)；二元共晶點(diǎn)；三元共晶點(diǎn)。

EnE兩相共晶線

線：

面：液相面（3個(gè)）固相面(7個(gè))ABC二相共晶面（中間面6個(gè)）單析溶解度曲面（6個(gè)）雙析溶解度曲面（3個(gè)）相區(qū)單相區(qū)：L、α、β、γ兩相區(qū)：三相區(qū)：四相區(qū)：相圖的相區(qū)拆分圖以三個(gè)組元A,B,C為溶劑的a,b,g三個(gè)有限固溶體單相區(qū)分布在3個(gè)棱角處；這三個(gè)單相區(qū)之間是以這三個(gè)單相區(qū)兩兩組合形成的a+b,b+g,g+a三個(gè)兩相區(qū)；四相區(qū)是水平的三角形；四相區(qū)上面是3個(gè)含液相的三相區(qū),它們的形狀都是楔形的三棱柱,分別上起自三條二元共晶線,下底坐在四相區(qū)平面上,其底面分別為三個(gè)三角形；另外的三個(gè)含液相的兩相區(qū)，也位于液相與其相應(yīng)的單相區(qū)之間；四相區(qū)平面的下部是三個(gè)固相組成的三相區(qū),其形狀是一個(gè)三棱臺(tái)。

fig_4_2_2_4其拼裝的次序如下：

g單相區(qū)

a單相區(qū)

b單相區(qū)

g+a雙相區(qū)

a+b+g三相區(qū)

L+a+b+g四相區(qū)

L+a+g三相區(qū)

L+b+g三相區(qū)

L+a+b三相區(qū)

b+g兩相區(qū)

a+b兩相區(qū)L+g兩相區(qū)L+a兩相區(qū)L+b兩相區(qū)

4-2-2-4線合金結(jié)晶過(guò)程分析；（b）投影圖相組成物相對(duì)量計(jì)算（杠桿定律、重心定律）組織組成物相對(duì)量計(jì)算（杠桿定律、重心定律）

Ⅲ以材料O為例,冷卻到液相面,開(kāi)始凝固出初晶a,其成分點(diǎn)位于與液相面Ae1Ee3共軛的固相面Afml上,但需用連相線來(lái)確定。隨溫度降低,L和a相的成分分別沿液相面和固相面變化,并保持共軛關(guān)系。當(dāng)材料冷卻到過(guò)渡面fe1Em時(shí),進(jìn)入三相平衡區(qū)并發(fā)生

共晶轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變過(guò)程中，L、a、b分別沿單變量線e1E、fm、gn變化。到TE溫度,L、a、b的成分分別為E、m、n，發(fā)生四相平衡共晶轉(zhuǎn)變

。繼續(xù)降溫,L、a、b相的成分分別沿mm'、nn'、pp'曲線變化,即每個(gè)固相中不斷析出另外兩個(gè)固相。室溫的平衡組織為:a＋二元共晶(a+b)＋三元共晶(a+b+g)+aⅡ+bⅡ+gⅡ（b）投影圖（

典型合金及其組織）

AfmlAAfmlAAfmlAlmm’l’llmm’l’lmm’p’pmlmEe3llmEe3llmEe3llmpkllmpkllmm’l’llmm’l’lpp’k