材料科學基礎二元相圖市公開課金獎市賽課一等獎課件

1材料科學基礎II1.二元相圖和合金凝固與制備原理(第7章)2.三元相圖(第8章)3.材料形變和再結晶(第5章)4.材料亞穩(wěn)態(tài)(第9章)第1頁2第7章二元系相圖和合金

凝固與制備原理7.1相圖表示和測定方法7.2相圖熱力學基本關鍵點7.3二元相圖分析7.4二元合金凝固理論7.5高分子合金概述7.6陶瓷合金概述第2頁3相圖意義第3頁47.1相圖表示和測定方法對于成份單一純物質，如純水、純金屬、純氧化物等，因為沒有成份改變，普通采取壓力(Pressure)-溫度(Temperature)相圖(PTphasediagrams)

第4頁5對于慣用合金相圖，因為壓力影響很小，況且普通都是處于1個大氣壓條件下，所以不再把壓力看成變量考慮，而采取溫度-成份相圖(temperature-compositionphasediagram)1.相圖表示溫度－成份坐標系坐標系中點：表象點成份表示：

質量分數(shù)wt.%

摩爾分數(shù)at.%

第5頁6

組元Ａ、Ｂ

相對原子（分子）質量:ArA、ArB

質量分數(shù):wA

、wB

摩爾分數(shù):xA、xB

而且wA+wB=100%,xA+xB=100%

第6頁7

例題1：

計算wNi為8%CuNi合金摩爾分數(shù)。(Cu和Ni相對原子質量，分別為63.55和58.71)第7頁82.相圖建立建立相圖關鍵是要準確地測出各成份合金相變臨界點(臨界溫度)。因為合金凝固時結晶潛熱較大，結晶時冷卻曲線上轉折比較顯著，所以慣用熱分析法來測合金結晶溫度，即測液相線、固相線。測臨界點方法通常有熱分析法、硬度法、金相分析、X射線結構分折、磁性法、膨脹法、電阻法等。第8頁9例：熱分析法測定二元Cu-Ni合金配置不一樣成份Cu-Ni合金，測出各合金冷卻曲線，找出曲線上臨界點（停歇點或轉折點）。第9頁10熱分析法時間溫度凝固開始凝固終了LL+SS第10頁11例：熱分析法測定二元Cu-Ni合金配置不一樣成份Cu-Ni合金，測出各合金冷卻曲線，找出曲線上臨界點（停歇點或轉折點）。2)將臨界點標在溫度-成份坐標中成份垂線上。3)用光滑曲線將垂線上相同意義點連接起來。4)分析相圖：區(qū)、線、點。第11頁12Cu-Ni相圖Cu30%Ni50%Ni70%Ni100%Ni時間溫度CuNi305070wNi(%)Lα第12頁13由凝固開始溫度連接起來線成為液相線由凝固終了溫度連接起來線成為固相線相圖中由相界限劃分出來區(qū)域稱為相區(qū),表明

在此范圍內存在平衡相類型和數(shù)目。相律：表示在平衡條件下，系統(tǒng)自由度數(shù)(f)、組元數(shù)(c)和平衡相數(shù)(p)之間關系式。f=c–p+1第13頁147.2相圖熱力學基本關鍵點1.固溶體自由能—成份曲線準化學模型:(1)只考慮最近鄰分子間鍵能，對混合焓

Hm作近似處理(2)只考慮兩種組元不一樣排列方式產(chǎn)生混合熵，

不考慮溫度引發(fā)振動熵當A、B兩種組元混合形成固溶體自由能相互作用參數(shù)第14頁15當W<0時，G曲線為U形2.固溶體自由能隨成份改變規(guī)律當W=0時，G曲線為U形當W>0時，出現(xiàn)兩個最小值。在E、F之間成份范圍內體系分解成兩個成份不一樣固溶體（溶混間隙）有序固溶體無序固溶體偏聚固溶體第15頁16在任意一相G-x曲線上，每一點切線，其兩端分別與縱坐標相截，與每一組元截距表示該組元在固溶體成份為切點成份時化學勢。圖中二元系中，兩相平衡熱力學條件為3.多相平衡公切線原理第16頁17多相平衡公切線法則：在某溫度下，多相平衡必能做出公切線，切點對應各相平衡時成份。兩相平衡時，混合物自由能位于切點之間直線上。多相平衡時第17頁184.混合物自由能和杠桿法則組元：A，B相：，物質量：n1，n2摩爾吉布斯自由能：Gm1，Gm2B組元在和兩相中摩爾分數(shù)：x1，x2混合物中B組元摩爾分數(shù)混合物摩爾吉布斯自由能第18頁19混合物摩爾吉布斯自由能Gm應和兩組成相和摩爾吉布斯自由能Gm1和Gm2在同一直線上，而且x位于x1和x2之間。兩平衡相共存時，各相成份是切點所對應成份x1和x2，即固定不變。第19頁20兩相相對量改變——杠桿定律相相對量相相對量兩相平衡時，相含量計算基本法則——杠桿法則兩相相對量隨體系成份x而變第20頁21

依據(jù)公切線原理，能夠求出某一溫度下平衡相成份。所以，可依據(jù)二元系不一樣溫度下自由能—成份曲線畫出二元系相圖。1)勻晶相圖5.從自由能-成份曲線推測相圖第21頁222)共晶相圖第22頁23相圖中全部線條都代表發(fā)生相轉變溫度和平衡相成份，所以相界限是相平衡表達，平衡相成份必須沿著相界限隨溫度而改變。6.二元相圖幾何規(guī)律(2)相區(qū)接觸法則：在二元相圖中，相鄰相區(qū)相數(shù)差為1。(3)二元相圖中三相平衡必為一條水平線，表示恒溫反應。(4)相界限走向規(guī)則：當兩相區(qū)與單相區(qū)分界限與三相等溫線相交，則分界限延長線應進入另一兩相區(qū)內，而不會進入單相區(qū)內。第23頁24第24頁25第25頁26第26頁27第27頁28第28頁29第29頁30第30頁

勻晶轉變

勻晶相圖及特點勻晶反應條件7.3二元相圖分析7.3.1勻晶相圖和固溶體凝固由液相結晶出單相固溶體過程

在固態(tài)、液態(tài)無限互溶

表示勻晶轉變相圖含有相同晶體結構原子半徑接近(相差不超出15％)相同原子價相同電負性ABTATBLαL+α液相線固相線兩相區(qū)(單相區(qū))(單相區(qū))只發(fā)生勻晶轉變二元合金：Cu-Ni，Au-Ag，Au-Pt等；二元陶瓷：NiO-CoO,CoO-MgO,NiO-MgO等Lα第31頁32特殊勻晶相圖：★極點處結晶在恒溫下進行，自由度為0，而不是1?！選L=xα

增加了一個約束條件∴f=C-P+1-1=2-2+1-1=0AABB如：Cu-Au如：Pb-TlLαLα第32頁

固溶體合金平衡凝固

平衡凝固：是指凝固過程中每個階段都能到達平衡，即在相變過程中有充分時間進行組元間擴散，以到達平衡相成份。第33頁34以w(Ni)為30%Cu-Ni合金為例t1t2t3液、固相線不但是相區(qū)分線,也是結晶時兩相成份改變線；勻晶轉變是變溫轉變ABCFEHG第34頁35以w(Ni)為30%Cu-Ni合金為例t1t2t3ABCFEHG液、固相線不但是相區(qū)分線,也是結晶時兩相成份改變線；勻晶轉變是變溫轉變第35頁36以w(Ni)為30%Cu-Ni合金為例t0t1t2t3t1t2t3ABCFEHG組織改變示意圖成份起伏第36頁37結晶中擴散過程分析第37頁38在某一溫度下，固溶體平衡凝固過程可分為三個過程：1.液相內擴散過程。

2.固相繼續(xù)長大。

3.固相內擴散過程。固溶體平衡冷卻結晶過程可歸納為：冷卻時碰到液相線開始結晶，碰到固相線結晶終止，形成單相均勻固溶體。在結晶過程中每一溫度，其液相、固相成份和相對量可由該溫度下作水平線與液相線、固相線交點及杠桿定理得出。隨溫度下降，固相成份沿固相線改變，液相成份沿液相線改變，且液相成份降低，固相成份增加，直至結晶完成。第38頁39①

相同點：基本過程：形核－長大；熱力學條件：⊿T>0；能量條件：能量起伏；結構條件：結構起伏。②不一樣點：合金在一個溫度范圍內結晶合金結晶是選分結晶：需成份起伏。

問答題：從結晶條件和過程分析，純金屬和單相固溶體合金結晶時異同點？第39頁40

例題：圖1為一勻晶相圖，試依據(jù)相圖確定：(1)計算wB=40%合金開始凝固出來固相成份為多少？(2)若開始凝固出來固體成份為wB=60%，合金成份為多少？(3)成份為wB=70%合金最終凝固時液體成份為多少？(4)若合金成份為wB=60%，凝固到某溫度時液相成份wB=40%，固相成份為wB=85%，此時液相和固相相對量各為多少？wB第40頁41固溶體合金非平衡凝固

非平衡凝固：實際生產(chǎn)中凝固是在偏離平衡條件下

進行，這種凝固過程稱為非平衡凝固。（1）原因:冷速快

（2）結晶過程特點：液相成份按液相平均成份線改變

固相成份按固相平均成份線改變

（但每一時刻均符合相圖）；

結晶溫度范圍增大；

組織多為樹枝狀。

第41頁X0T℃ABT1α1α2α3L1L2L3T4T3T2L4α4T4α4’α2’α3’L4’L3’L2’L1T1α1T2α1α2α1T3α2α3固溶體合金非平衡凝固

α2’α3’第42頁X0T℃ABT1α1α2α3L1L2L3T4T3T2L4α4α4’α2’α3’L4’L3’L2’T4L1T1T2T3固溶體合金非平衡凝固

非平衡凝固：實際生產(chǎn)中凝固是在偏離平衡條件下進行，這種凝固過程稱為非平衡凝固。(1)固相平均成份線和液相平均成份線將偏離平衡相圖中固相線和液相線不一樣；(2)先結晶部分總是富含高熔點組元；后結晶部分總是富含低熔點組元；(3)非平衡凝固總是造成凝固終止溫度低于平衡凝固時終止溫度。第43頁44固溶體合金非平衡結晶偏析現(xiàn)象

晶內偏析：固溶體非平衡結晶時，因為從液體中先后結晶出來固相成份不一樣，使得一個晶粒內部化學成份不均勻，這種現(xiàn)象稱為晶內偏析。枝晶偏析：固溶體通常以樹枝狀生長方式結晶，非平衡凝固造成先結晶枝干和后結晶枝間成份不一樣，稱為枝晶偏析。枝晶偏析屬于晶內偏析。第44頁45非平衡結晶晶內偏析塑性、韌性下降，易引發(fā)晶內腐蝕，熱加工困難擴散退火將鑄件加熱到低于固相線100~200C溫度，進行長時間保溫，使偏析元素充分進行擴散，以到達成份均勻化。第45頁46鑄造組織退火組織第46頁47

共晶轉變(共晶反應)

共晶相圖及特點共晶組織7.3.2共晶相圖及其合金凝固由一定成份液相同時結晶出兩個一定成份固相轉變。LEαC+βD含有共晶轉變特征相圖液態(tài)無限互溶、固態(tài)有限互溶或完全不溶共晶轉變產(chǎn)物——兩相混合物Lαβα+βL+αL+β第47頁48Lαβα+βL+αL+β固溶線固溶線(1)點共晶相圖分析純組元熔點共晶點E最大溶解度點C,D液相線溶解度曲線(固溶線)CF,

DG固相線共晶線CED單相區(qū)3三相區(qū)1兩相區(qū)3(2)線α相：B原子溶入A基體中形成固溶體β相：A原子溶入B基體中形成固溶體反應不一樣溫度時溶解度改變(3)區(qū)第48頁49共晶反應分析共晶溫度：兩組元混合使合金熔點比各組元低，液相線從兩端純組元向中間凹下,兩條液相線交點所對應溫度稱為共晶溫度。共晶合金：成份對應共晶點合金為共晶合金。亞共晶合金：成份位于C，E兩點之間合金為亞共晶合金。過共晶合金：成份位于E，D兩點之間合金為過共晶合金。共晶反應線表示從C點到D點范圍合金，在該溫度上都要發(fā)生不一樣程度上共晶反應共晶點表示E點成份合金冷卻到此溫度上發(fā)生完全共晶轉變LE

αC+βD第49頁共晶合金平衡凝固及其組織以Pb-Sn合金為例第50頁a.WSn<2％鉛錫合金(c)Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.第51頁b.2％<WSn<19％鉛錫合金1以上1-22-33以下在3點以前為勻晶轉變，結晶出單相固溶體，這種直接從液相中結晶出固相當一次相或初生相。溫度降到3點以下，固溶體中Sn過飽和，因為晶格不穩(wěn)，開始析出（相變過程也稱析出）新相—相。由已經(jīng)有固相析出新固相當二次相或次生相。用βII表示。室溫組織：α+βII第52頁c.共晶合金WSn=61.9％合金第53頁c.共晶合金WSn=61.9％合金183oC在共晶轉變過程中，L、、三相共存,三個相量在不斷改變，但它們各自成份是固定。共晶組織中相當共晶相。共晶轉變結束時，和相相對重量百分比為：室溫組織：α+β+αII

+βII室溫下兩相重量百分比E′第54頁d.亞共晶合金19％<WSn<61.9％合金室溫組織：α初+(α

+β)+αII

+βIIT時間第55頁e.過共晶合金室溫組織：β初+(α

+β)+αII

+βII綜上：依據(jù)對上述不一樣成份合金組織分析表明，盡管不一樣成份合金含有不一樣顯微組織，但在室溫下，F(xiàn)-G范圍內合金組織均由兩個基本相組成。所以，兩相合金顯微組織實際上是經(jīng)過組成相不一樣形態(tài)，以及其數(shù)量、大小和分布等形式表達出來，由此得到不一樣性能合金。第56頁組織分區(qū)圖α+β組織組成物：圖中所標α，β，αII

，βII，(α

+β)等叫做組織組成物。第57頁58Pb-Sn合金組織組成物在相圖上標注第58頁課堂練習1：一個二元共晶反應以下：LwB=0.75?αwB=0.15+βwB=0.95，求(1)wB=0.50合金凝固后，α初與共晶體(α+β)共晶相對量；α相與β相相對量。(2)若共晶反應后，β初和(α+β)共晶各占二分之一，問該合金成份怎樣？第59頁課堂練習2：組元A（熔點327oC）和組元B（熔點232oC）共晶成份為61.9%B，在共晶溫度時（183oC），B在A中固溶度為19.2%，A在B中固溶度為2.5%，室溫時，A中尚能固溶1%B，而B中幾乎不能固溶A，依據(jù)上述條件：1、做出A-B相圖，并標明各點、線和相區(qū)名稱2、繪出含70%B合金冷卻曲線及各溫度階段組織示意圖，并計算合金在共晶溫度和室溫下相組成物和組織組成物重量百分數(shù)。第60頁共晶合金非平衡凝固(1)偽共晶在平衡凝固條件下，只有共晶成份合金才能得到全部共晶組織。在非平衡凝固條件下，一些亞共晶或過共晶成份合金也能得到全部共晶組織，這種由非共晶成份合金所得到共晶組織稱為偽共晶。含有共晶轉變合金，當合金溶液過冷到兩條液相線延長線所包圍影線區(qū)時，可得到共晶組織。影線區(qū)稱為偽共晶區(qū)。偽共晶組織特點：

偽共晶組織形態(tài)特征與共晶組織完全相同，只是它合金成份不是共晶成份。第61頁62偽共晶區(qū)特點

a.兩組元熔點靠近時，偽共晶區(qū)普通呈對稱分布；b.兩組元熔點相差較大時，共晶點偏向于低熔點組元，而偽共晶區(qū)偏向于高熔點組元一側。第62頁63Al-Si合金偽共晶區(qū)第63頁64成份點位于共晶線之外，且又靠近端點合金，在平衡結晶時無共晶轉變發(fā)生，但在非平衡結晶條件下，也能發(fā)生共晶轉變得到少許共晶體，稱這種共晶組織為非平衡共晶。(2)非平衡共晶組織第64頁65當合金中先共晶相數(shù)量很多而共晶組織量極少時，共晶組織中與先結晶相相同那一相，依附在先結晶相上生長，剩下另一相則單獨在晶界處凝固，從而使共晶組織特征消失，這種兩相分離共晶稱為離異共晶。(3)離異共晶平衡條件下:成份位于共晶線上兩端點附近。非平衡條件下：成份位于共晶線外兩端點附近。注意：

非平衡條件下取得離異共晶組織可經(jīng)過均勻化退火方法給予消除。第65頁66

比純組元熔點低，簡化了熔化和鑄造操作

共晶合金流動性好，在凝固之中預防了妨礙液體流動枝晶形成，從而改進鑄造性能

恒溫轉變(無凝固溫度范圍)降低了鑄造缺點，比如偏聚和縮孔

共晶凝固可取得各種形態(tài)顯微組織，尤其是規(guī)則排列層狀或桿狀共晶組織，可能成為優(yōu)異性能原位復合材料共晶合金在鑄造工業(yè)中是非常主要，源于共晶合金特殊性質第66頁

包晶轉變(包晶反應)

包晶相圖及特點677.3.3包晶相圖及其合金凝固

由一個特定成份固相和液相生成另一個特定成份固相轉變。含有包晶轉變特征相圖液態(tài)無限互溶、固態(tài)部分互溶反應相是液相和一個固相，其成份點位于水平線兩端，所形成固相位于水平線中間下方。包晶點第67頁68

第68頁包晶合金凝固及其平衡組織以Pt-Ag合金為例第69頁a.WAg=42.4％Pt-Ag合金室溫組織：β+αII第70頁第71頁a.WAg=42.4％Pt-Ag合金開始進行包晶反應時兩相相對量第72頁b.42.4％<WAg<66.3％合金室溫組織：β+αII第73頁c.10.5％<WAg<42.4％合金室溫組織：α+β+αII+βII第74頁包晶合金非平衡凝固75

異常α相造成包晶偏析〔包晶轉變要經(jīng)β擴散。包晶偏析：因包晶轉變不能充分進行而造成成份不均勻現(xiàn)象?！?/p>

異常β相由不平衡包晶轉變引發(fā)。成份在靠近固相、包晶線以外端點附近。

第75頁7.3.5其它類型二元相圖1.含有化合物二元相圖在一些二元系中，可形成一個或多個化合物，化合物普通處于相圖中中間位置，又稱為中間相。依據(jù)兩組元間形成化合物穩(wěn)定性，可分為穩(wěn)定化合物和不穩(wěn)定化合物。第76頁77a.形成穩(wěn)定化合物相圖穩(wěn)定化合物是指含有確定熔點，可熔化成與固態(tài)相同成份液體那類化合物。形成穩(wěn)定化合物相圖第77頁78b.形成不穩(wěn)定化合物相圖不穩(wěn)定化合物是指加熱到一定溫度時會發(fā)生分解化合物。形成不穩(wěn)定化合物相圖第78頁2.含有三相平衡恒溫轉變其它二元相圖由一個液相L1分解為一個固相和另一成份液相L2恒溫轉變。分解型恒溫轉變相圖a.偏晶相圖第79頁80一些合金結晶過程中，當?shù)诌_一定溫度時會從一個固相分解成一個液相和另一個固相，即發(fā)生固相再熔現(xiàn)象。b.熔晶相圖Fe-B，F(xiàn)e-S，Cu-Sb等合金含有熔晶轉變。第80頁81一個固相在恒溫下，轉變?yōu)閮赏鈨蓚€固相。共析轉變與共晶轉變相同，區(qū)分在于它是由一個固相在恒溫下轉變?yōu)榱硗鈨蓚€固相。共析轉變對熱處理強化意義很大，鋼熱處理是以共析轉變?yōu)榛A。c.共析轉變第81頁合成型恒溫轉變相圖兩個成份不一樣液相L1和L2相互作用形成一個固相。a.合晶轉變Na-Zn，K-Zn等合金含有合晶轉變。第82頁83包析轉變相同于包晶轉變，為一個固相與另一個固相反應形成第三個固相恒溫轉變。b.包析轉變第83頁843.含有沒有序-有序轉變相圖有些合金在一定成份和一定溫度范圍內會發(fā)生有序-無序轉變。第84頁854.含有同素異晶轉變當體系中組元含有同素異構轉變時，則形成固溶體經(jīng)常有多晶型轉變。第85頁86實際二元相圖往往比較復雜，可參考以下步驟進行分析7.3.6復雜二元相圖分析方法1）首先看是否存在穩(wěn)定化合物，假如有則以穩(wěn)定化合物為界把相圖劃分成幾個簡單相圖再進行下