5-三元合金相圖

材料科學(xué)基礎(chǔ)武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院吳志方E-mail：wuzhifang@Tel：635963095三元相圖必要性:工業(yè)材料為多元(三元或三元以上)合金。三元合金舉例如下:軸承鋼中的Fe-C-Cr合金；高錳耐磨鋼中的Fe-C-Mn合金；不銹鋼中的Fe-Cr-Ni合金；鑄鐵中的Fe-C-Si合金；鋁合金中的Al-Mg-Si合金，Al-Cu-Mg合金等。本章主要內(nèi)容三元相圖的表達方式,使用方法；幾種基本的三元相圖立體模型；各種等溫截面,變溫截面及各相區(qū)在濃度三角形上的投影圖；典型合金的凝固過程及組織,各種相變過程及相平衡關(guān)系。5.1三元合金相圖的表示方法F=4-P,Pmin=1,Fmax=3三維坐標(biāo)→等邊三角棱柱棱柱底面三角形—成分垂直軸—溫度三個棱柱側(cè)面—二元相圖面三元相圖的特點(F=C-P+1=3-P+1=4-P)是立體圖形,主要由曲面構(gòu)成；可以發(fā)生四相平衡轉(zhuǎn)變；單相、兩相和三相區(qū)為一空間。一、成分三角形等邊、等腰、直角三角形。等邊三角形+順時針坐標(biāo)。三個頂點:表示三個純組元；三條邊上的點:二元系合金的成分點；三角形內(nèi)任意一點:表示三元合金。應(yīng)用:1)已知點確定成分；2)已知成分確定點。二、在成分三角形中具有特定意義的線平行于三角形某一條邊的直線:凡成分位于該線上的合金，它們所含的、由這條邊對應(yīng)頂點所代表的組元的含量為一定值?！群恳?guī)則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?！ū纫?guī)則5.2三元系平衡相的定量法則單相平衡勿須計算，四相平衡無從計算。一、直線法則與杠桿定律—適用于兩相平衡的情況1、直線法則：在一定溫度下，三元合金在兩相平衡時，合金的成分點和兩個平衡相的成分點必然位于成分三角形內(nèi)的同一條直線上。(F=3-2+1=2，溫度恒定，則F=1)2.杠桿定律：用法與二元相同。直線法則與杠桿定律3.兩條推論當(dāng)給定合金在一定溫度下處于兩相平衡狀態(tài)時,若其中一相的成分給定,另一相的成分點必位于二已知成分點的延長線上。若兩個平衡相的成分點已知,合金的成分點必然位于兩個已知成分點的連線上。二、重心法則—適用于三相平衡的情況重心法則可由直線法則和杠桿定律引伸得到。在一定溫度下,三元合金三相平衡時,合金的成分點為三個平衡相的成分點組成的三角形的質(zhì)量重心。(F=3-3+1=1,溫度恒定,則F=0)重心法則平衡相含量的計算:所計算相的成分點、合金成分點和二者連線的延長線與對邊的交點組成一個杠桿。合金成分點為支點。計算方法同杠桿定律。5.3三元勻晶相圖三個組元在液態(tài)和固態(tài)時都能夠完全互溶。如Fe-Cr-V、Cu-Ag-Pb。一、相圖分析點:三個純組元的熔點；面:液相面(由液相線演化而來)、固相面(由固相線演化而來)；區(qū):L，α，L+α。二、三元固溶體合金的結(jié)晶過程結(jié)晶過程:L→L+α→α。凝固中固、液相成分沿固相面、液相面呈曲線變化，每一個溫度下的固、液相成分連線在濃度三角形中投影呈蝴蝶狀。(立體圖直觀，但不實用)三、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個相區(qū):L，α，L+α；2條相線:L1L2，S1S2(共軛曲線)；共軛線(連接線):等溫截面中兩相區(qū)平衡兩相的成分連線。兩相區(qū)中的連線不能相交，呈放射狀。若干連接線:可作為計算相對量的杠桿(偏向低熔點組元；可用合金成分點與頂點的連線近似代替；過給定合金成分點，只能有唯一的共軛連線。)3.等溫截面的作用表示在某溫度下三元系中各種合金所存在的相態(tài)；表示平衡相的成分,并可以應(yīng)用杠桿定律計算平衡相的相對量；反映液相面、固相面走向和坡度,確定熔點、凝固點。四、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。2.兩種常用變溫截面經(jīng)平行于某條邊的直線做垂直面獲得；經(jīng)通過某一頂點的直線做垂直面獲得。3.結(jié)晶過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，不能運用杠桿定律。4.垂直截面圖的作用分析合金的平衡結(jié)晶過程,了解合金在平衡冷卻過程中發(fā)生相變的臨界溫度,以及可以了解合金在一定溫度下所處的平衡狀態(tài)。不能了解合金在一定溫度下的平衡相成分和平衡相的重量。五、投影圖1.全方位投影圖把空間相圖的所有相區(qū)間的交線都投影到成分三角形中。分析合金在冷卻或加熱過程中的相變過程和室溫組織，并可標(biāo)出組織。勻晶相圖不必要。2.等溫線投影圖把一系列等溫截面中的相界線都投影到成分三角形中,在每一條線上都注明相應(yīng)的溫度?？纱_定合金結(jié)晶開始、結(jié)束溫度。等溫線反映了液相面和固相面的傾斜走向和陡度(溫度的高低)。5.4三元共晶相圖一、組元在固態(tài)完全不溶的共晶相圖1.相圖分析(1)點：熔點，二元共晶點，三元共晶點；(2)線(EnE)：二元共晶線，液相面間的交線，二元共晶曲面交線，液相區(qū)與二元共晶面交線，液相單變量線；1.相圖分析(3)面:液相面3個，固相面1個，二元共晶面6個，三元共晶面1個；(4)區(qū):單相區(qū):1個，L；兩相區(qū):3個，L+A，L+B，L+C；三相區(qū):4個，L+A+B，L+B+C，L+A+C，A+B+C；四相區(qū):1個，L+A+B+C。2.等溫截面三相區(qū)都是直邊三角形,頂點是平衡相成分點,三個頂點與三個單相區(qū)接觸；兩相區(qū)和三相區(qū)之間的分界線是直線,實際上是兩個相區(qū)分界的連接線；兩相區(qū)和單相區(qū)之間的分界線是曲線。3.變溫截面(平行于濃度三角形AB邊的變溫截面)合金x的結(jié)晶過程:L→BL→A+BL→A+B+C3.變溫截面(通過頂點的變溫截面)結(jié)晶過程分析變溫截面應(yīng)用注意:可以分析合金的結(jié)晶過程，不能分析相變過程中的相成分變化，不能應(yīng)用杠桿定律。變溫截面中的四相平衡區(qū):上下都有三相區(qū)鄰接。4.投影圖分析O點合金的凝固過程,確定室溫組織,計算室溫組織組成物的相對量。(杠桿定律與重心法則)合金結(jié)晶過程分析計算室溫組織組成物含量5.典型合金室溫組織二、組元在固態(tài)有限溶解,具有共晶轉(zhuǎn)變的相圖1.相圖分析(1)點：熔點，二元共晶點，三元共晶點。(2)線(EnE)：二元共晶線，液相面的交線，二元共晶曲面交線，液相區(qū)與二元共晶面交線，液相單變量線，固相單變量線。(3)面液相面3個固溶體固相面3個三元共晶面1個二元共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束面3個二元共晶開始面3組溶解度曲面6個(4)區(qū)單相區(qū):4個，L，α，β，γ；兩相區(qū):6個，L+α，L+β，L+γ，α+β，β+γ，γ+α；三相區(qū):4個，L+α+β，L+β+γ，L+γ+α，α+β+γ；四相區(qū):1個，L+α+β+γ。單相區(qū)單相固溶體區(qū):由固溶體凝固完成面和6個固溶體單析溶解度曲面組成。兩相區(qū)兩相固溶體區(qū):3個雙析溶解度曲面+3對固溶體單析溶解度曲面+兩相共晶完成面。液固兩相區(qū):兩相共晶面+液相面+固溶體凝固完成面。三相區(qū)三相區(qū):固態(tài)三相——3個固溶體雙析溶解度曲面圍成。液固三相:兩相共晶面+兩相共晶完成面。組元在固態(tài)有限溶解,具有共晶轉(zhuǎn)變的相圖2.等溫截面應(yīng)用:可確定平衡相及其成分；可運用杠桿定律和重心法則。三相平衡區(qū)是直邊三角形；兩相區(qū)與之線接觸(水平截面與棱柱面交線)；單相區(qū)與之點接觸(水平截面與棱邊的交點，表示三個平衡相成分)；兩相區(qū)一般以兩條直線和兩條曲線作邊界，直線接三相區(qū)，曲線接單相區(qū)；單相區(qū)的形狀可以是各種各樣的。3.變溫截面共晶相圖特征:水平線(以上，3個三相區(qū)；以下，1個三相區(qū))；兩相共晶區(qū)特征:曲邊三角形或多邊形。應(yīng)用:分析合金結(jié)晶過程，確定組織變化。局限性:不能分析成分變化。(成分在單變量線上，不在垂直截面上)4.投影圖合金結(jié)晶過程分析相組成物相對量計算(杠桿定律、重心法則)組織組成物相對量計算(杠桿定律、重心法則)5.5三元相圖總結(jié)一、單相狀態(tài)(F=3)單元相區(qū)空間形狀不受溫度與成分對應(yīng)關(guān)系的限制,其截面圖可以是任意形狀。二、三元系的兩相平衡(F=2)立體圖:以一對共軛曲面為邊界與其兩個組成相的單相區(qū)相接；等溫截面和變溫截面:以一對曲線作為兩相區(qū)和兩個組成相的單相區(qū)的分界線。三、三元系的三相平衡立體圖:三棱柱體，棱邊是三個平衡相成分的單變量線。棱邊與3個組成相的單相區(qū)相接，柱面與組成相兩兩組成的兩相區(qū)相連。等溫截面:直邊三角形，頂點是平衡相成分點，其頂點觸及三個組成相的單相區(qū)，其邊是三相區(qū)與兩相區(qū)邊界線。變溫截面:曲邊三角形或多邊形，頂點不代表成分。三相平衡——三相反應(yīng)的判定三相平衡空間的反應(yīng)相的單變量線的位置在生成相單變量線的上方。三相區(qū)在等溫截面上隨溫度下降時的移動方向始終指向反應(yīng)相平衡成分點。在垂直截面上,始終是反應(yīng)相位于三相區(qū)的上方,生成相位于三相區(qū)的下方。四、三元系的四相平衡(F=0)四相平衡區(qū)為一個等溫面，垂直截面圖中為一條水平線。1.立體圖中的四相平衡類型：共晶(析)轉(zhuǎn)變、包共晶(析)轉(zhuǎn)變、包晶(析)轉(zhuǎn)變。相區(qū)鄰接(四相平衡面)：與4個單相區(qū)點接觸；與6個兩相區(qū)線接觸；與4個三相區(qū)面接觸。2.變溫截面中的四相平衡四相平衡區(qū):上下都有三相區(qū)鄰接。判斷轉(zhuǎn)變類型:共晶(析)、包共晶(析)、包晶(析)。四相-水平線；三上一下，共晶(析)；二上二下，包共晶(析)；一上三下，包晶(析)。3.投影圖中的四相平衡根據(jù)12根單變量線的位置和走向來判斷四相平衡反應(yīng)的類型:四相平衡平面和四個三相區(qū)相連，每一個三相區(qū)都有三根單變量線，四相平衡平面必然與12根單變量線相連；根據(jù)3根液相單變量線來判斷四相平衡反應(yīng)的類型:指向結(jié)點單變量線數(shù)為產(chǎn)物數(shù)。五、相區(qū)接觸法則相鄰相區(qū)指在立體相圖中彼此