相圖在材料學(xué)科中的應(yīng)用綜述

1、材料熱力學(xué)作業(yè)姓名：魏海蓮學(xué)號(hào)：s20100715班級(jí)：材研6班相圖在材料學(xué)科中的應(yīng)用相圖是在給定條件下達(dá)到相平衡時(shí)熱力學(xué)變量的圖示。相圖被譽(yù)為材料設(shè)計(jì)的指導(dǎo)書，冶金工作者的地圖，熱力學(xué)數(shù)據(jù)的源泉，其重要性已被冶金、材料、化工、地質(zhì)工作者廣為認(rèn)同。一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，經(jīng)過一代又一代相圖學(xué)家的努力，已經(jīng)積累了大量的相圖資料，特別是近二十年來(lái)，隨著相圖計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，有關(guān)相圖的資料迅速增加，為材料設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。以下是相關(guān)相圖的幾點(diǎn)應(yīng)用。（一）鐵碳合金相圖的幾點(diǎn)應(yīng)用鐵碳合金相圖反映了鐵碳合金的成分、溫度、組織三者之間的關(guān)系。利用鐵碳相圖可以制定各種熱加工及熱處理工藝的加熱溫度，還可以通過它分析

2、鋼鐵材料的性能，它是研究鋼鐵的重要理論基礎(chǔ)。實(shí)際生產(chǎn)中使用的鐵碳合金的含碳量不超過5，因而常用的鐵碳相圖只是FeC合金相圖的一部分，即FeFe3C相圖。研究鐵碳合金只需深入研究Fe與Fe3C相圖部分就可滿足生產(chǎn)上的要求。下圖是簡(jiǎn)化的FeFe3C相圖。圖1 簡(jiǎn)化的FeFe3C相圖1估算碳鋼和鑄鐵鑄造熔化加熱溫度在鑄造工藝中，首先要把合金加熱融化，即要加熱達(dá)到相圖上的液態(tài)區(qū)間(“L”區(qū))，因此可以根據(jù)相圖上的液相線(“ACD”線)確定碳鋼和鑄鐵的澆注溫度，為制定鑄造工藝提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由鐵碳相圖可知，共晶成分的合金(43C)結(jié)晶溫度最低，其凝固溫度間隔最小(為零)，故流動(dòng)性好，體積收縮小，易獲得組織

3、致密的鑄件；此外，越接近共晶成分的合金，其液相線與固相線(“ACD”與“AECF”線)間距離越小，即結(jié)晶溫度范圍越小，從而合金的流動(dòng)性好，有利于澆注，也就是越接近共晶成分的合金其鑄造性越好，所以在鑄造生產(chǎn)中，接近于共晶成分的鑄鐵得到較廣泛的應(yīng)用。2估算碳鋼鍛造加熱溫度鍛造是利用材料的塑性變形來(lái)成型的一種工藝，鍛造加熱的目的也正是為了提高材料的塑性變形。由鐵碳相圖可知，含碳量小于211的鐵碳合金在較高溫度下可得到單相奧氏體，即AESG區(qū)間，利用奧氏體的塑性好、變形抗力小，碳鋼鍛造時(shí)易于成形。利用鐵碳合金相圖可以確定碳鋼鍛造時(shí)的加熱溫度，一般始鍛溫度控制在固相線(AE線)以下100200，以利于充

4、分地塑性變形；溫度過高，不僅使材料嚴(yán)重氧化，甚至?xí)l(fā)生晶界熔化。終鍛溫度，對(duì)亞共析鋼，一般應(yīng)稍高于GS線，即控制在奧氏體區(qū)內(nèi)：終鍛溫度過高，奧氏體在變形終了后的冷卻中晶粒還會(huì)長(zhǎng)大；而終鍛溫度過低，則由于鐵素體呈帶狀組織，使鋼的機(jī)械性能產(chǎn)生方向性，從而降低鋼的韌性。對(duì)于過共析鋼，則選擇在ES線與PSK線之間的溫度范圍，目的是利用變形時(shí)的機(jī)械作用擊碎網(wǎng)狀的Fe3C，一般為800850。3估算熱處理加熱溫度熱處理工藝與鐵碳合金相圖有著更為直接的關(guān)系。根據(jù)對(duì)工件材料性能要求的不同，各種不同熱處理方法的加熱溫度都是參考鐵碳合金相圖制定的。在鋼的熱處理工藝中要應(yīng)用到相圖的左下角部分，如圖2所示。在FeFe

5、3C相圖上，碳鋼在平衡條件下加熱和冷卻的相變線有：PSK線共析轉(zhuǎn)變線(A1線)；GS線同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變線(A3線)；ES線固溶線(Acm線)，它們是平衡條件下鋼發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的三條溫度線，稱為臨界點(diǎn)。利用A1、A3、Acm線可以確定共析鋼、亞共析鋼、過共析鋼的完全奧氏體化溫度，為制定熱處理工藝提供理論數(shù)據(jù)。由于實(shí)際生產(chǎn)中，加熱和冷卻都有一定的速度，因而鋼的結(jié)晶或熔化均滯后于A1、A3，和Acm，通常把實(shí)際加熱時(shí)的臨界點(diǎn)記為Ac1、Ac2、Ac3，實(shí)際冷卻時(shí)的臨界點(diǎn)記為Arl、Ar3、Arcm。4確定碳含量已知的合金在任意溫度下的平衡狀態(tài)鐵碳合金相圖反映的是平衡狀態(tài)下鐵碳合金的成分、溫度、組織三者之間

6、的關(guān)系，因而可以利用相圖來(lái)確定合金在某一溫度下的顯微組織。5分析碳鋼和鑄鐵的平衡相變過程及室溫平衡組織利用鐵碳合金相圖不僅可以確定含碳量已知的合金在某一溫度下的平衡狀態(tài)，而且還可以用來(lái)分析鐵碳合金的結(jié)晶相變過程及室溫下的平衡組織。圖2 鋼的臨界點(diǎn)6為選材提供參考鐵碳合金中的含碳量對(duì)其顯微組織及性能有決定性的作用，因此應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)中的需要選用不同的鐵碳合金。由鐵碳合金相圖可知，鋼(<211C)的室溫平衡組織中都有珠光體，因而其力學(xué)性能比鑄鐵好，廣泛用來(lái)制造工程結(jié)構(gòu)件或機(jī)械零件；而鑄鐵在液態(tài)結(jié)晶過程中都有共晶轉(zhuǎn)變，故鑄造性比碳鋼好?？梢杂脕?lái)制造形狀、結(jié)構(gòu)復(fù)雜或不受沖擊的耐磨鑄件。在過共析鋼中，

7、隨著含碳量的增加，組織中網(wǎng)狀Fe3C 的量增多，使鋼的脆性增加，強(qiáng)度降低，因而實(shí)際應(yīng)用中鋼的含碳量沒有達(dá)到21l，為保證鋼有一定的綜合機(jī)械性能，工業(yè)生產(chǎn)中碳鋼的含碳量不超過135。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)鋼鐵材料的要求更高，可在碳鋼中加入合金改變共析點(diǎn)的位置，從而提高鋼的硬度和強(qiáng)度，在材料研制中，鐵碳合金相圖仍可作為預(yù)測(cè)其組織的基本依據(jù)。7分析碳鋼的淬透性淬透性是指鋼接受淬火的能力，也可以理解為鋼在淬火時(shí)獲得馬氏體組織的能力，通常用鋼在淬火時(shí)獲得的淬硬層深度來(lái)表示。淬透性是鋼的一個(gè)重要的工藝性能指標(biāo)，對(duì)合理選材及制定熱處理工藝十分重要。影響淬透性的因素可以總結(jié)為這樣一條線索：過冷奧氏體越穩(wěn)定一孕

8、育期越長(zhǎng)一“C”曲線位置越靠右一V臨越小一淬透性越好。分析鋼的淬透性通常結(jié)合“C”曲線進(jìn)行，凡是能改變“C”曲線位置的因素最終都影響到鋼的淬透性。在碳鋼中，影響“C”曲線的主要因素就是鋼的含碳量，由前面的結(jié)論可知：過冷奧氏體越穩(wěn)定的鋼，淬透性越好；因而只要比較過冷奧氏體的穩(wěn)定性，就可分析碳鋼淬透性的好壞，這一點(diǎn)可以從鐵碳合金相圖上反映出來(lái)。綜合以上：利用鐵碳合金相圖，可以清楚了解和掌握鐵碳合金的成分一組織一性能之間的關(guān)系，根據(jù)相圖提供的信息不但可以幫助我們更深刻地研究和使用鋼鐵材料、更好地指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，而且也為新材料的研制提供理論依據(jù)。（二）相圖在硬質(zhì)合金成分與工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 1 CCoW

9、系(1) 在硬質(zhì)合金表面鈷梯度材料研究中的應(yīng)用硬質(zhì)合金表面鈷梯度材料的開發(fā)只有十多年的歷史，因這種合金兼顧有低鈷合金的耐磨性和高鈷合金的韌性，從而可使合金的使用壽命大大增加，因此目前世界上許多國(guó)家的硬質(zhì)合金研究者都致力于這種材料的研究。這種合金的結(jié)構(gòu)特征是表層為貧鈷的正常組織（WC+），芯部為富鈷的含均勻細(xì)小相的非正常組織(WC+)，中間存在一連續(xù)過渡層。目前生產(chǎn)這種合金較常用的是脫碳合金滲碳工藝，即首先制得脫碳合金，然后對(duì)脫碳合金滲碳處理。其中脫碳合金（含第三相脫碳相的合金）的制取是整個(gè)工藝的關(guān)鍵所在。獲得含均勻分布的點(diǎn)狀相是脫碳合金制取的工藝關(guān)鍵。圖3 WC16%Co(重量)合金的垂直截面

10、相當(dāng)于84%WC、16%Co（重量）的CCoW 系垂直截面見圖3，在圖中的（WC+）兩相區(qū)，WC中的含碳量范圍為6.06%6.12%，在兩相區(qū)上部，有一個(gè)四相包共晶反應(yīng)，在兩相區(qū)左邊有一個(gè)四相共晶反應(yīng)。由圖3可知，含碳量為6.00%6.06%的合金在平衡狀態(tài)冷卻時(shí)也應(yīng)當(dāng)?shù)玫絎C+兩相合金，但在快冷時(shí)，由于在1357的包共晶反應(yīng)來(lái)不及進(jìn)行，合金中就會(huì)出現(xiàn)第三相，利用這一點(diǎn)，并配合采用其它措施就可以生產(chǎn)出含細(xì)小且均勻分布的相的合金。（2）在滲碳合金脫碳處理中的應(yīng)用硬質(zhì)合金中如果出現(xiàn)了第三相滲碳相或脫碳相均會(huì)使合金性能降低，其中脫碳相的影響更大。硬質(zhì)合金中如果出現(xiàn)了石墨相滲碳相，不僅會(huì)使合金性能降低

11、，而且會(huì)使合金難以焊接。由圖3可知，當(dāng)合金滲碳不嚴(yán)重時(shí)，可采用在共晶溫度下進(jìn)行快冷處理的工藝來(lái)抑制石墨相的析出得到兩相正常組織。2CCrNi系Cr.基硬質(zhì)合金是50年代出現(xiàn)于美國(guó)60年代后期發(fā)展起來(lái)的一種新型硬質(zhì)合金，號(hào)稱為硬質(zhì)合金中的不銹鋼，具有極好的耐腐蝕性和抗高溫氧化性，常溫和高溫硬度高以及耐磨性較好等一系列獨(dú)特的性能。由CCrNi系相圖（圖4）可知，存在由Cr3C2和粘結(jié)相組成的兩相區(qū)，但碳化鉻能以三種穩(wěn)定化合物形式存在：Cr23C6、Cr7C3、Cr3C2。因貧碳碳化鉻（Cr23C6、Cr7C3）性脆且在粘結(jié)相中的溶解度較大，會(huì)導(dǎo)致合金脆性進(jìn)一步增加，因此只有由Cr3C2和粘結(jié)相所組

12、成的兩相合金才具有較好的綜合性能。圖4 CCrNi系1000等溫截面3WCTiCZrC系由WCTiCZrC系相圖（圖5）可知WCTiCZrC系在較大的成分范圍內(nèi)存在固溶體的調(diào)幅分解，這種具有調(diào)幅結(jié)構(gòu)的混合固溶體具有很高的硬度，因此通過適當(dāng)選擇合金成分，利用固溶體的調(diào)幅分解可以獲得高硬度的硬質(zhì)合金。圖5 WCTiCZrC系1400等溫截面綜合以上：利用相圖，我們可以對(duì)硬質(zhì)合金進(jìn)行成分和工藝的設(shè)計(jì)，相圖為新材料的研制提供了理論依據(jù)。（三）關(guān)于相圖計(jì)算過去相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，人類在金屬材料的研究中都采用“試錯(cuò)法”。這種方法的主要缺點(diǎn)是盲目性。隨著現(xiàn)代高科技的發(fā)展，對(duì)新材料提出了更高的要求，顯然“試錯(cuò)

13、法”已經(jīng)不能試用，因此材料設(shè)計(jì)應(yīng)用而生。所謂材料設(shè)計(jì)就是根據(jù)材料科學(xué)的原理，按照給定的服役條件和性能要求來(lái)制定材料的配方和加工工藝并科學(xué)地進(jìn)行材料研究的方法。隨著熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)和溶液理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，相圖研究已經(jīng)從以相平衡研究為主進(jìn)入了相圖與熱化學(xué)的計(jì)算機(jī)耦合研究的新階段，并發(fā)展成為一門介于熱化學(xué)、相平衡和溶液理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)之間的交叉學(xué)科。相圖計(jì)算的內(nèi)涵已由相圖和熱化學(xué)的計(jì)算機(jī)耦合拓展至宏觀熱力學(xué)計(jì)算與動(dòng)力學(xué)模擬相結(jié)合，以及宏觀熱力學(xué)計(jì)算與量子化學(xué)第一性原理計(jì)算相結(jié)合的新階段，成為材料設(shè)計(jì)的一部分。相圖計(jì)算的方法的發(fā)展在推動(dòng)了溶液模型研究的同時(shí)，多元多相平衡計(jì)算方法的建立，相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)和計(jì)算軟件的完善以及具有實(shí)用價(jià)值的多元體系計(jì)算相圖的構(gòu)筑和CALPHAD方法在材料物理性質(zhì)預(yù)測(cè)中的應(yīng)用，使相圖計(jì)算方法成為材料設(shè)計(jì)