材基課件三元合金相圖與合金凝固

1、第六章 三元合金相圖與凝固1實(shí)際使用的材料多為多元合金多元相圖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、測(cè)定困難三元相圖是最簡(jiǎn)單的多元相圖本章介紹簡(jiǎn)單三元相圖的分析與使用方法。三元相圖有成分變量2個(gè)，溫度變量一個(gè)，是立體圖形，相區(qū)之間以曲面分開(kāi)；三元相圖的各種截面、投影圖用得較多。26.1 三元相圖基本知識(shí)6.1.1濃度的表示方法（1）濃度三角形三元合金有兩個(gè)組元的濃度可以獨(dú)立變化，成分常用等邊三角形中的一個(gè)點(diǎn)來(lái)表示，稱為濃度三角形。邊長(zhǎng)=100%，三個(gè)頂點(diǎn)代表三個(gè)純組元，每個(gè)邊是一個(gè)二元合金系的成分軸3三元合金的濃度例如點(diǎn)代表一個(gè)三元合金。過(guò)O點(diǎn)作A組元對(duì)邊平行線交于AC、AB邊于b、e兩點(diǎn)，bC或Be分別表示合金中的含A

2、；同理可以求出B和C三元合金0的成分：A%Cb= BeBAc =Cf%CBa=Ad%4(2) 其它三角形 當(dāng)三元合金中各組元含量相差較大時(shí)，可以采用其它形式的三角形，否則，合金成分點(diǎn)可能非?？拷贿吇蚰骋豁旤c(diǎn)。常用的有直角三角形等腰三角形 5等腰三角形當(dāng)某一個(gè)組元（如C）含量遠(yuǎn)小于其它二組元時(shí)，可以采用等腰三角形。一般把含量較高的組元放在底邊位置，兩腰代表少組元的含量，即6直角三角形當(dāng)某一個(gè)組元（如A）含量遠(yuǎn)大于其它二組元時(shí)，可以采用直角三角形。一般把含量最高的組元放在直角位置，兩直角邊則代表其它兩組元的含量。例如O1點(diǎn)所代表的三元合金成分CAc1BAb1%A1CB 7濃度三角形中的特殊線平行

3、于三角形任意一邊的直線，一個(gè)組元的濃度為定值。 過(guò)三角形頂點(diǎn)的直線，兩個(gè)組元濃度之比為定值。如CE線上的任意一個(gè)三元合金符合86.1.2 自由焓成分曲面與公切面法則二元合金的自由焓成分關(guān)系表現(xiàn)為一條平面曲線，三元合金的自由焓化學(xué)成分（兩個(gè)變量）關(guān)系表現(xiàn)為一個(gè)空間曲面，最簡(jiǎn)單情況下為下凹曲面。 9二元合金平衡相成分用公切線法則確定，且在一定溫度下只有一條公切線，兩平衡相成分可以唯一的確定。三元合金中，兩平衡相成分也用公切面的切點(diǎn)來(lái)確定，但是在一定溫度下兩個(gè)曲面的公切面不止一個(gè).當(dāng)公切面沿著兩個(gè)曲面滾動(dòng)時(shí)，可以得到一系列切點(diǎn)。F=2 。 公切面法則10同一公切面上兩個(gè)切點(diǎn)之間的連線稱為共軛線，共軛

4、線端點(diǎn)的軌跡在濃度三角形內(nèi)的投影就是單相區(qū)與雙相區(qū)的邊界。在等溫面上雙相區(qū)與單相區(qū)之間的邊界是一條平面曲線11在等溫面上雙相區(qū)與單相區(qū)之間的邊界是一條平面曲線，在一定溫度下組成相的成分不能唯一地確定。對(duì)于指定成分的合金，在一定溫度下只有一個(gè)公切面，也即只有一條共軛線。如果能夠確定其中一相的成分或者合金的成分，此時(shí)各組成相的成分也就唯一地確定。 12在一定溫度下三相平衡時(shí)，三個(gè)自由焓曲面的公切面只能有一個(gè)。因此一定溫度時(shí)三平衡相的成分是唯一確定的。f=113三相平衡時(shí)，其中的兩相也一定處于平衡狀態(tài)；因此SP等也是一條共軛線，因而等溫截面上三相區(qū)是直邊三角形-共軛三角形。三相區(qū)以一條直線（共軛線）

5、與兩相區(qū)相鄰，以相成分點(diǎn)與單相區(qū)相鄰。146.1.3 直線法則、重心法則和杠桿定律（1）直線法則如果合金O在T1溫度時(shí)處于兩相平衡，無(wú)論在自由焓-成分關(guān)系的立體圖形還是在濃度三角形中合金成分與兩平衡相成分均位于同一共軛線上。而且合金成分位于兩平衡相成分之間。mon線為共軛線。 15兩條推論（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。16(2)杠桿定律在一定溫度下，與二元合金相似利用杠桿定律可求出兩平衡相的重量百分比。例如合金O處于L和兩相平衡狀態(tài)，

6、兩相的相對(duì)量17(3)重心法則重心法則是杠桿定律與直線法則的推廣。如果合金N在某一溫度Ti時(shí)處于 、 、 三相平衡， 、 、 三相的成分分別是D、E、F，DEF稱為共軛三角形。合金成分點(diǎn)位于共軛三角形的重心位置。重心法則。18根據(jù)直線法則，、二相混合物的成分應(yīng)該位于EF線上的一點(diǎn)，而此點(diǎn)應(yīng)位于N與D的延長(zhǎng)線上，即、二相混合物的成分為d。利用杠桿定律可求出相的重量百分比同理可得196.1.4三元合金相圖的平面化測(cè)定一個(gè)立體相圖需要進(jìn)行大量試驗(yàn)積累數(shù)據(jù)、而且使用不便，實(shí)際上經(jīng)常使用三元相圖的二維剖面或投影圖。當(dāng)假定一個(gè)變量不變或者兩個(gè)變量之間有某種關(guān)系時(shí)，就可以得到二維圖形。例如溫度一定，就可以得

7、到等溫截面（水平截面）；當(dāng)假定一個(gè)組元的濃度為常數(shù)或者兩組元濃度之間有某種關(guān)系時(shí)，就可以得到變溫截面（垂直截面）把不同溫度下的等溫截面或空間曲線投影至成分三角形內(nèi)（就是去掉溫度變量），就可以得到投影圖。 206.2 三元?jiǎng)蚓鄨D立體三元相圖是一個(gè)三棱柱，合金成分用水平放置的濃度三角形表示，溫度軸垂直于濃度三角形。三個(gè)柱面分別是三個(gè)二元系的相圖，相區(qū)都是空間體，相區(qū)與相區(qū)之間由曲面分開(kāi)。21相圖flash226.2.1相圖分析點(diǎn)：a、b、c分別表示三組元A、B、C的熔點(diǎn)。面：底面ABC是濃度三角形，三個(gè)側(cè)面分別是AB、BC、CA三個(gè)二元?jiǎng)蚓鄨D。兩個(gè)空間曲面上面abc為液相面，下面abc為固相面

8、。相：L和相， 均為A、B、C三組元組成的溶體。相區(qū)：?jiǎn)蜗鄥^(qū)： L相區(qū)（液相面以上）和相區(qū)（固相面以下）雙相區(qū)： L （液、固相面之間）236.2.2固溶體合金的平衡結(jié)晶 三元合金的結(jié)晶過(guò)程與二元?jiǎng)蚓岛辖鹣嗨疲?dāng)合金冷卻到T1溫度（成分線oo與液相面的交點(diǎn)溫度），開(kāi)始發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變，即L。冷卻到T2溫度（成分線oo與固相面的交點(diǎn)溫度），勻晶轉(zhuǎn)變結(jié)束。在這兩個(gè)溫度之間，L、兩相平衡共存。結(jié)晶過(guò)程中L的成分沿著液相面變化，的成分沿著固相面變化。24立體圖25共軛線的走向26由于結(jié)晶速度較慢，液、固相據(jù)均能充分?jǐn)U散，固相成分分別由S1 S2 S3 S4變化，液相成分分別由L1 L2 L3 L4 ,直

9、至液相耗盡。S4成分和原合金成分相同，最后得到與合金組成完全相同、成分均勻的三元固溶體 。276.2.3等溫截面圖（水平截面圖）動(dòng)態(tài)演示28在等溫截面上,可確定在此溫度時(shí)任意三元合金所處的狀態(tài)。如：o點(diǎn)成分合金在t1時(shí)處于兩相平衡。利用多個(gè)截面可以分析狀態(tài)變化，分析結(jié)晶過(guò)程。在共軛線mon上可用杠桿定律確定平衡相的成分及其相對(duì)重量。296.2.4變溫截面圖（垂直截面圖）動(dòng)態(tài)演示1，動(dòng)態(tài)演示230運(yùn)用變溫截面圖可以分析位于該面上的三元合金的相變過(guò)程，起始溫度，變溫界面一般不反映平衡相的成分，一般不能應(yīng)用杠桿定律316.2.5等溫線投影圖將不同溫度液相面、固相面的截線投影到成分三角形中，得到等溫線

10、投影圖。32等溫線投影圖的作用同時(shí)具有垂直截面、水平截面的功能利用等溫線投影圖，可以確定任意合金的澆鑄溫度和凝固終了溫度。如：合金O低于t3溫度開(kāi)始結(jié)晶，低于t5溫度結(jié)晶終了?？梢赃\(yùn)用杠桿定律求平衡相的成分及相對(duì)重量。336.3 具有三相平衡的三元相圖與二元合金類似，三相平衡可以分為兩類一類是降溫時(shí)從一相轉(zhuǎn)化為兩相的轉(zhuǎn)變，共晶型轉(zhuǎn)變包括共晶轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變、偏晶轉(zhuǎn)變、熔晶轉(zhuǎn)變等；另一類是降溫時(shí)由兩相轉(zhuǎn)化為一相的轉(zhuǎn)變，包括包晶轉(zhuǎn)變、包析轉(zhuǎn)變、合晶轉(zhuǎn)變等，合稱為包晶型轉(zhuǎn)變。以下分別舉例介紹含有這兩種三相平衡的三元相圖。346.3.1具有共晶型三相區(qū)的三元相圖動(dòng)態(tài)演示35截面圖36其它水平截面37三相

11、區(qū)的走向水平截面上三相區(qū)為直邊三角形，頂點(diǎn)與單相區(qū)相連，邊與兩相平衡區(qū)為鄰；隨著溫度降低，共軛三角形逐漸移動(dòng)，三角形移動(dòng)時(shí)以一頂點(diǎn)（高溫相L）為前導(dǎo)，一條邊（低溫相，成分連線）為后隊(duì)。動(dòng)態(tài)模擬38垂直截面上的三相區(qū)與二元相圖相似，高溫相L位于中間；與二元相圖不同，三相平衡不再是等溫轉(zhuǎn)變。396.3.2 具有包晶型三相區(qū)的三元相圖動(dòng)態(tài)演示40截面圖動(dòng)態(tài)演示41水平截面42三相區(qū)的走向水平截面上三相區(qū)為直邊三角形，頂點(diǎn)與單相區(qū)相連，邊與兩相平衡區(qū)為鄰；隨著溫度降低，共軛三角形逐漸移動(dòng)，三角形移動(dòng)時(shí)以一邊（高溫相成分連線L+ ）為前導(dǎo)，一頂點(diǎn)（低溫相）為后隊(duì)。動(dòng)態(tài)模擬43垂直截面上的三相區(qū)與二元相圖

12、相似，低溫相位于中間；與二元相圖不同，三相平衡不再是等溫轉(zhuǎn)變。446.4 三元共晶相圖一些三元系中含有四相平衡，例如三相共晶轉(zhuǎn)變。實(shí)際上經(jīng)常遇到固態(tài)下三組元相互溶解度很小的三元系，近似地可以認(rèn)為三組元互不溶解，結(jié)晶時(shí)將以純組元的形式析出。下邊先介紹液相完全互溶、固態(tài)完全不溶的共晶相圖。456.4.1 固態(tài)完全不溶的三相共晶相圖46(1)相圖分析相：L,A,B,C點(diǎn)：熔點(diǎn)，二元共晶點(diǎn)，三元(相)共晶點(diǎn)單變量線：三相區(qū)的棱邊面：底面，側(cè)面，液相面，固相面，二元共晶開(kāi)始面相區(qū)：?jiǎn)蜗鄥^(qū)4，雙相區(qū)（3+3），三相區(qū)4，四相區(qū)1（水平面）動(dòng)態(tài)演示47二元共晶開(kāi)始曲面48（2）等溫截面設(shè)TATBTCE1E2

13、E3E,動(dòng)態(tài)演示49含有液相的兩相區(qū)內(nèi)發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變含有液相的三相區(qū)內(nèi)發(fā)生兩相共晶轉(zhuǎn)變50（3）垂直截面515253（4）三元合金的平衡凝固利用適當(dāng)?shù)拇怪苯孛婵梢苑治瞿踢^(guò)程；在了解相圖空間結(jié)構(gòu)（面、相區(qū)相互位置關(guān)系）的基礎(chǔ)之上，利用投影圖同樣可以分析凝固過(guò)程液相面下：勻晶轉(zhuǎn)變（三塊，三個(gè)轉(zhuǎn)變）；二元共晶開(kāi)始面-固相面：二元共晶轉(zhuǎn)變；四相平衡面：三相共晶轉(zhuǎn)變四相平衡面以下：無(wú)轉(zhuǎn)變54在降溫過(guò)程中x成分合金將依次發(fā)生如下轉(zhuǎn)變L+A相區(qū) 勻晶轉(zhuǎn)變LA,剩余L成分沿著Ax的延長(zhǎng)線變化。L+A+B相區(qū) 共晶轉(zhuǎn)變LA+B，此時(shí)剩余L成分沿著E1E變化。四相平衡面 三相共晶轉(zhuǎn)變LA+BC,恒溫轉(zhuǎn)變A+BC相

14、區(qū) 無(wú)變化室溫組織：A+(A+B)+(A+BC)55兩相共晶轉(zhuǎn)變時(shí)，液相成分將沿著nE方向移動(dòng)。新生成的（A+B）的成分點(diǎn)應(yīng)位于nE線在n點(diǎn)切線與AB的交點(diǎn)上。當(dāng)液相成分達(dá)到E點(diǎn)，兩相共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束，（A+B）的成分點(diǎn)到達(dá)D點(diǎn)。 56組織組成物相對(duì)量57不同成分合金的室溫組織不同成分合金的室溫組織容易知道，如AE1E內(nèi):A+ (A+B) + (A+B+C)E1E: (A+B)+ (A+B+C)AE:A+ (A+B+C)E：(A+B+C)組織組成物、相組成可用重心法則、杠桿定律586.4.2 固態(tài)有限互溶三元共晶相圖固態(tài)組元有限互溶時(shí)，將形成以A，B，C三個(gè)組元為溶劑的有限固溶體，原來(lái)的三條線（單

15、相區(qū)）擴(kuò)展成為空間區(qū)域，相互之間由溶解度面隔開(kāi)5960（1）相圖分析點(diǎn)：熔點(diǎn)、二元共晶點(diǎn)、三元共晶點(diǎn)線：?jiǎn)巫兞烤€12面：底面1、側(cè)面3、液相面3、固相面7、溶解度面9，二元共晶開(kāi)始面6，二元共晶終了面3相區(qū)：?jiǎn)蜗?，雙相區(qū)6，三相區(qū)4，四相區(qū)1動(dòng)態(tài)演示61單變量線62（2）等溫截面63降溫時(shí)三相區(qū)的走向共晶轉(zhuǎn)變特征64（3）投影圖與變溫截面將空間曲線及直線投影到濃度三角形內(nèi)，得到投影圖。65變溫界面（動(dòng)態(tài)）6667686970717273（4）凝固過(guò)程依據(jù)垂直截面和投影圖可以分析平衡凝固過(guò)程；推斷室溫組織。高溫轉(zhuǎn)變與固相完全不溶相似，但是如果繼續(xù)冷卻，合金可能發(fā)生脫溶轉(zhuǎn)變形成二次相。746.5

16、 三元相圖小結(jié)6.5.1 其它四相平衡相圖757677786.5.2 三元系中相區(qū)特點(diǎn)根據(jù)相律，在壓力恒定時(shí)，可以出現(xiàn)14相平衡。單相區(qū)：f=3，任意形狀，截面上任意形狀相成分=合金成分。79兩相平衡區(qū)自由度f(wàn)=2,由一對(duì)共軛曲面把它與兩個(gè)組成相所在的單相區(qū)隔開(kāi)。在截面上單相區(qū)與兩相區(qū)的界限為平面曲線。兩相區(qū)與三相區(qū)的界面是由不同溫度下兩平衡相的共軛線組成的，因此在水平截面上兩相區(qū)與三相區(qū)的界線是該溫度下的共軛線。除非該共軛線恰好在截面上，在垂直截面上一般界限呈曲線。組成相與合金成分三點(diǎn)成一條直線，組成相的相對(duì)量符合杠桿定律。80三相平衡區(qū)自由度f(wàn)=1，三相區(qū)是由三條單變量線組成的不規(guī)則三棱柱

17、體。其棱邊與單相區(qū)相連，柱面與兩相區(qū)接壤。三棱柱體開(kāi)始（或終止）于二元系的三相平衡線，或四相平衡水平面。在水平截面上，三相區(qū)是直邊三角形，頂點(diǎn)觸及單相區(qū)，三角形的邊是2/3相區(qū)的分界線。在垂直截面上，三相區(qū)一般都是曲邊三角形或四邊形。81在立體相圖中，降溫反應(yīng)的反應(yīng)相的單變量線總是高于生成相的單變量線，因此在降溫時(shí)共軛三角形總是以反應(yīng)相為先導(dǎo)移動(dòng)。對(duì)于共晶型轉(zhuǎn)變，共軛三角形是以一個(gè)頂點(diǎn)（反應(yīng)相，如L）為先導(dǎo)移動(dòng)；而包晶型轉(zhuǎn)變則以一條邊（兩個(gè)反應(yīng)相，如L+）為先導(dǎo)移動(dòng)。82垂直截面上，兩種三相區(qū)也明顯不同83四相平衡在三元系中，四相平衡可以分為如下三種類型共晶型：降溫時(shí)，由一相轉(zhuǎn)化為三相，如L

18、包共晶型：由兩相轉(zhuǎn)化為另外兩相,如L包晶型：降溫時(shí)，由三相轉(zhuǎn)化為一相，如L84四相平衡時(shí) f=0，成分固定，溫度不變，垂直截面上為水平線；四相平衡面以四個(gè)平衡相的成分點(diǎn)與四個(gè)單相區(qū)相連（4點(diǎn)）以兩個(gè)平衡相之間的共軛線與六個(gè)雙相區(qū)相連（6線）以三個(gè)平衡相的共軛三角形與四個(gè)三相區(qū)相連（4角）85四相平衡面附近的相區(qū)放大顯示8687886.6 三元相圖舉例（1）Fe-C-Si垂直截面灰口鑄鐵基本上是Fe-C-Si系包含的相、相變類型與二元系相同三相平衡擴(kuò)展到一個(gè)溫度區(qū)間，C，E，S等左移。89Si含量增加時(shí)，共析、共晶溫度上升，A區(qū)縮小， C，E，S等左移。90（2）Fe-C-Cr相圖截面Fe-Cr-C三元合金應(yīng)用很廣，例如鉻不銹鋼0Cr13,1Cr13,2Cr13,3Cr13,4Cr13以及Cr12模具鋼等，添加其它合金元素還可以變換出其他鋼種。相圖中共含有7個(gè)組成相，除了L、以外，還有C1、C2、C3三種化合物。其中C1是Cr7C3或(Cr,Fe)7C3，C2是(Cr,Fe)23C6、C3是(Cr,Fe)3C或Fe3C 9192從相區(qū)的鄰接關(guān)系、轉(zhuǎn)變的可能性、相區(qū)的形狀可以判斷一些反應(yīng)的類型，有些則需要更多的