材料科學(xué)基礎(chǔ)4-2二元相圖及其類型課件

1、第二節(jié) 二元相圖及其類型 一.相圖基本知識 利用相圖可以獲取的信息 (1)不同成分的材料在不同溫度下存在哪些變化 (2)各穩(wěn)定相的相對量是多少(3)成分與溫度變化時所可能發(fā)生的變化 下頁返回了解相圖的分析和使用方法后，就可以了解合金的組織狀態(tài)，進(jìn)而預(yù)測合金的性能。另外，可以根據(jù)相圖來制訂合金的鍛造和熱處理工藝。組元組成材料最基本的、獨立的物質(zhì)。合金有兩種或兩種以上的金屬、或金屬與非金屬經(jīng)熔煉或用其它方法制成的具有金屬特性的物質(zhì)。后退下頁相合金中具有同一聚積狀態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特性并以界面相互隔開的均勻組成部分。相描述系統(tǒng)的狀態(tài)、溫度、壓力及成分之間關(guān)系的一種圖解。所謂相即體系中一切具有相同的物理性

2、能與化學(xué)性能的均勻部分，與其它有明顯界面分開，超越界面會有性質(zhì)突變，否則仍為同一相。相后退下頁對于合金系統(tǒng)來說，要保持物理性能、化學(xué)性能相同則要滿足：成分相同和結(jié)構(gòu)相同。 相變由一個相轉(zhuǎn)變?yōu)榱肆硪幌嗟倪^程。相律f=C-P+2 C系統(tǒng)組元，P平衡時共存的相數(shù)目，f自由度 后退下頁相平衡L4.3=r2.11+Fe3C6.69 溫度：1148一、相圖的基本知識合金相圖是應(yīng)用圖解的方法，表示合金的成分、平衡相狀態(tài)及外界條件（溫度、壓力等）之間關(guān)系的圖線，它是研究合金中的相變規(guī)律的基礎(chǔ)。一、單元系相圖返回下頁下圖是水的相圖，在以溫度和壓力為兩坐標(biāo)的平面圖上，表示出水的3種存在狀態(tài)與溫度和壓力的關(guān)系。（如

3、圖）二、合金的相平衡概念及相律 由于相平衡條件的約束，處于平衡狀態(tài)的合金中可能存的相數(shù)，將受到組元數(shù)及外界條件的限制，這種限制可從相平衡的熱力學(xué)條件推處，這就是相律，即 f=CP+2返回下頁水的狀態(tài)示意圖PT水冰氣其中f為系統(tǒng)的自由度數(shù)，C為組元數(shù)，P為相數(shù)。相律表明：在只受外界溫度和壓力影響的平衡系統(tǒng)中，其自由度數(shù)等于組元數(shù)與相數(shù)之差再加上2。所謂自由度，即指獨立可變的因返回下頁素，包括各組成相的成分、數(shù)量及溫度、壓力等。在金屬及合金的制造和應(yīng)用過程中，一般都是在常壓下進(jìn)行的，因此常把壓力看成一個常數(shù)，相律的表達(dá)式可寫成 f=CP+1返回下頁相律在相圖中的應(yīng)用組元數(shù)（C） 相數(shù)（P） f=C

4、P+1二元系2三元系3單相合金，成分和溫度都可變兩相平衡，成分、相對量和溫度等因素中只有一個獨立變量三相平衡，三相的成分、相對量及溫度都確定單相合金其中兩個組元的含量及溫度三個因素均可變兩相平衡，兩相的成分、數(shù)量及溫度中有兩個獨立變量三相平衡，所有變量中只有一個是獨立變量四相平衡所有因素都確定不變12312342103210含義下頁返回相圖的建立上頁下頁杠桿定律abABab溫度后退下頁二.二元系相圖 1.勻晶相圖tAABX12tBL0L12冷卻曲線tB%后退下頁形成：液態(tài)完全互溶，固態(tài)完全互溶 ，即形成 勻晶相圖。冷凝過程：液相線:合金凝固的開始轉(zhuǎn)變線L=時液相 的平衡成分線 。固相線:合金凝

5、固終了線L=時固相的平衡成分線。 組成圖5-15后退下頁7/24/202213返回不平衡凝固：出現(xiàn)枝晶偏析(主枝與分枝成分不均勻)圖5-16后退下頁固溶體與純金屬結(jié)晶的不同之處：（1）固溶體結(jié)晶是在一個溫度范圍內(nèi)完成的，而純金屬結(jié)晶是在恒溫下完成的。（2）合金結(jié)晶過程中，結(jié)晶出的固相與共寸液相的成分不同，這種結(jié)晶稱為選分結(jié)晶。而純金屬在結(jié)晶過程中，固相與液相的成分始終是相同的。上頁下頁2.共晶相圖 形成：液相完全互溶，固相有限互溶，有共晶反應(yīng)的相圖。 后退下頁后退下頁（1）相圖分析 液相線：e 、be固相線：m 、bnmf為Sn在Pb中的固溶度曲線ng為Pb在Sn中的固溶度曲線三個單相區(qū)：L、

6、三個兩相區(qū)：L+、L+、+。三個兩相區(qū)的接觸線men為共晶反應(yīng)線，此線表示三相共存區(qū)后退下頁（2）共晶轉(zhuǎn)變 在三相共存水平線men上，兩條液相線匯交于e點。e點以上是液相區(qū)，e點下方是+兩相共存區(qū)。這說明，相當(dāng)于e點成分的液相，當(dāng)冷至三相共存線men時會同時結(jié)晶出成分為m的相與成分為n的相。三個單相區(qū)：三個兩相區(qū)：后退下頁共晶反應(yīng)：固相線：液相線：凝固過程：合金1： 合金2 ：組成后退下頁不平衡凝固偽共晶 在非共晶成分處獲得100%的共晶組織，只能在非平衡條件下得到。 如圖所示后退下頁后退下頁不平衡共晶 m點以左，n點以右合金不平衡凝固時出現(xiàn)的共晶組織 。后退下頁離異共晶 當(dāng)初相較多，當(dāng)發(fā)生共

7、晶反應(yīng)時，與當(dāng)初相相同的一相優(yōu)先形核，將另一相推到最后處形成，失去了共晶形貌，即組織為離異組織。 上頁下頁包晶相圖 后退下頁后退下頁后退下頁1.包晶型反應(yīng)有何特點？與共晶反應(yīng)相比，你能否總結(jié)其規(guī)律？2.分析其冷凝過程，比較平衡與非平 衡凝固的異同？上頁下頁起他類型的二元系相圖（1）熔晶反應(yīng)：一個固相在某一恒溫下分解成一個固相與一個液相的反應(yīng)。（2）合晶反應(yīng)：由兩個不同成分的液相在某一恒溫下生成一個一定成分的固相的反。應(yīng)。（3）偏晶反應(yīng)：在某一恒溫下，由一定成分的液相分解出另一成分的液相，并同時結(jié)晶出一定成分的固相的反應(yīng)。后退下頁（4）共析反應(yīng)：在某一恒溫下，一定成分的固相同時分解成兩個成分與結(jié)

8、構(gòu)不同的固相反應(yīng)。（5）包析反應(yīng)：兩個不同成分的固相，在某一恒溫下相互作用生成另一固相的反應(yīng)。表5-6是對以上反應(yīng)類型的總結(jié)上頁下頁后退下頁二元相圖的分析方法一、二元相圖的一些基本規(guī)律（1）相接觸法則：在二元相圖中，相鄰相區(qū)的相數(shù)差為1，點接觸除外。（2）在二元相圖中，三相平衡一定是一條水平線，該向上一定與3個單相區(qū)有點接觸，其中兩點在水平線的兩端，另一點在水平線中間某處，3點對應(yīng)于3個平衡相的成分，此外該線一定與3個兩相區(qū)相鄰。（3）兩相區(qū)與單相區(qū)的分界線與水平線相交處，前者的延長線應(yīng)進(jìn)入另一個兩相區(qū)。后退下頁四.相圖與性能的關(guān)系1、根據(jù)相圖判斷材料的力學(xué)性能和物理性能圖5-42所示。1）對于勻晶系，固溶體的強度和硬度均隨溶質(zhì)組元含量的增加而提高。2）固溶體的塑性、電導(dǎo)率隨溶質(zhì)含量的增加而降低。3）電阻隨溶質(zhì)量的增加而增加。上頁下頁對于共晶系和包晶系：1）當(dāng)兩相混合物中兩相的大小及分布都較均勻時，材料的性能是兩組成相的平均值，即呈線性關(guān)系。2）當(dāng)共晶組織十分細(xì)密，且在不平衡結(jié)晶出現(xiàn)偽共晶時，其強度和硬度在共晶成分俯近偏離直線關(guān)系而出現(xiàn)峰值。圖5-42中虛線所示。上頁下頁2、根據(jù)相圖判斷合金的工藝性能合金的鑄造性能主要表現(xiàn)為合金液體的流動性、縮