復(fù)雜相圖分析 相圖的熱力學(xué)基礎(chǔ)西安交大材料科學(xué)基礎(chǔ)

第三節(jié)復(fù)雜相圖分析

一.分析方法步驟

(1)相圖中若有穩(wěn)定中間相，可依此把相圖分為幾個部分，根據(jù)需要選取某一部分進(jìn)行分析。(2)根據(jù)相區(qū)接觸法則填寫個空白相區(qū)。(3)利用典型成分分析合金的結(jié)晶過程及組織轉(zhuǎn)變，并利用杠桿定律分析各相相對量隨溫度的變化情況。下頁后退二、復(fù)雜二元相圖的分析方法（1）先看清它的組元，然后找到它的單相區(qū)，分清哪些是固溶體，哪些是中間相。（2）根據(jù)相接觸法測，檢查所有雙相區(qū)是否填寫完全并正確無誤，如有疏漏，可將它們完善。（3）找出所有水平線，分析每一個三相平衡反應(yīng)是何種類型。（4）如果相圖中存在穩(wěn)定的化合物，則可把它看成一個組元。二.復(fù)雜相圖分析

下頁后退●鐵碳相圖下頁后退●分析思路：%C%C%C三.Fe-Fe3C相圖下頁后退三個重要反應(yīng)：五個基本組織：五條特征線:冷凝過程利用杠桿定律求相對量C%對碳鋼性能的影響實(shí)際應(yīng)用下頁后退一、五個單相（1）液相；（2）δ-相：碳在α-Fe中的固溶體，稱高溫鐵素體，體心立方結(jié)構(gòu)，在1394oC以上存在；（3）γ相：碳在γ-Fe中的固溶體，稱為奧氏體，常用A表示，面心立方結(jié)構(gòu)，在727oC以上存在，在1148oC時有最大的碳溶解度為2.1%；（4）α相：碳在α-Fe中的固溶體，稱為鐵素（體，體心立方，在912oC以下存在，在下頁后退727°C時碳溶解度最大為0.02%，在室溫下，僅為0.008%常用F表示；

5）Fe3C：中間相，屬于間隙相，復(fù)雜正交結(jié)構(gòu)，稱為滲碳體。二、三條水平線（1）HB線包晶轉(zhuǎn)變L+δγ（2）EF線共晶轉(zhuǎn)變Lγ+Fe3C共晶體稱為萊氏體。（3）PK線共析轉(zhuǎn)變γα+Fe3C共析體稱為珠光體。1495oC1148oC727oC下頁后退三、ES線ES線是γ相中碳的溶解度極限，這是一條很重要的線，在1148oC時，γ中碳的溶解度最高，達(dá)2.11%，隨溫度下降，溶解度大幅度減小，727oC時僅0.77%。四、Fe3C的形成條件（1）含碳4.3%至6.69%的合金凝固時在液相線CD以下，從液體中結(jié)晶出Fe3C，稱為一次滲碳體，記作Fe3CI；（2）含碳0.77%至2.11%的合金，從γ相冷卻低于ES線時，由于γ相中碳過飽和，從而從γ相中析出Fe3C稱為二次滲碳體，記為Fe3CⅡ；（3）含碳0.008%至0.02%的α相，當(dāng)冷至PQ線以下時，從過飽和的α相中析出的Fe3C稱為三次滲碳體，記作Fe3CⅢ。三次滲碳體由于數(shù)量及少，一般可以忽略。四、典型合金的平衡凝固過程和顯微組織（1）共析成分（0.77%C）的Fe-C合金（共析鋼）當(dāng)冷至BC線以下時，從液相中結(jié)晶出γ相，至BE線結(jié)晶完成，當(dāng)γ相繼續(xù)冷卻至727oC時，發(fā)生共析分解：γα+Fe3C，直至室溫，共析體也稱為珠光體（P），典型形貌是層片狀，P中α和Fe3C兩相的相對量可通過杠桿定理來求得，即

α/Fe3C==7.87（2）共晶成分Fe-C合金（共晶鑄鐵，4.3%C）共晶合金冷至1143oC時發(fā)生共晶反應(yīng)，Lγ+Fe3C，共晶產(chǎn)物為萊氏體（La）。La727°C6.69—0.770.77—0.021143oC中的γ相含碳量為2.11%，這是γ相中最高的碳溶解度，隨溫度下降，γ相中碳溶解度大大降低，因此從γ相中析出Fe3CⅡ，剩余γ相中的含碳量沿ES線變化，直到727oC，γ相中含碳量達(dá)到0.77%，這時發(fā)生共析分解：

γα+Fe3C，形成珠光體。由此可見，室溫下的萊氏體是（Fe3CⅡ+P）+Fe3C，的機(jī)械混合物，與共晶產(chǎn)物已有區(qū)別，室溫萊氏體常記作La′。萊氏體中的γ和Fe3C兩相相對量可用杠桿定理求得，即

727°C

γ==51.9%

Fe3C==48.1%

萊氏體中的γ相冷至室溫過程中又轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3CⅡ和P兩部分，這兩部分相對量也可通過杠桿定理求得，即P==77.5%6.69–4.36.69–2.14.3–2.16.69–2.16.69–2.16.69–0.77

Fe3CⅡ==22.5%顯示在整個萊氏體中P=0.775×0.519=40.2%Fe3CⅡ=0.225×0.519=11.7%（3）亞共析鋼的凝固過程含碳量<0.77%的Fe-C合金為亞共析鋼。這種合金在凝固時，一部分在高溫區(qū)可能產(chǎn)生包晶轉(zhuǎn)變，由于對以后的結(jié)晶過程影響不大，分析時從略，凝固結(jié)束時得到全部γ相，當(dāng)冷至GS線時，一部分γ相轉(zhuǎn)變?yōu)棣?，進(jìn)入2.1–0.776.69–0.77α+γ兩相區(qū)，隨溫度降低，兩相平衡成分分別沿GP和GS線變化，至727oC，剩余γ相含碳量達(dá)0.77%，因此產(chǎn)生共析反應(yīng)，最后得到F+P的組織。設(shè)某亞共析鋼的含碳量為C，則該鋼室溫組織中的α和P兩部分的相對量可用杠桿定理求出，即

α=P=

C–0.020.77–0.020.77–C0.77–0.02(4)過共析鋼的凝固過程含碳量>0.77%至

2.11%之間的Fe-C合金為過共析鋼，凝固過程較簡單，從略，其室溫組織為P+Fe3CⅡ。

（5）亞共晶鑄鐵的凝固過程含碳量在2.11%至4.3%之間為亞共晶鑄鐵，當(dāng)冷至液相線BC以下時開始結(jié)晶出γ相，在（L+γ）兩相區(qū)中，L、γ的平衡成分分別沿BC和JE線變化，當(dāng)達(dá)到1148oC時，剩余液相成分為4.3%，因此產(chǎn)生共晶反應(yīng)，Lγ+Fe3C1148oC再繼續(xù)冷卻時，La變?yōu)長a′，而先共晶結(jié)晶出的γ相也和萊氏體中的γ相一樣轉(zhuǎn)變成P+Fe3CⅡ，因此亞共晶鑄鐵的室溫組織為La′+P+Fe3CⅡ。令合金成分為3%C，則室溫組織中各部分的相對量為La′==40.9%Fe3CⅡ=×59.1%=13.3%3–2.14.3–2.12.1–0.776.69–0.77

P=1–La′–Fe3CⅡ=45.8%(6)過共晶鑄鐵這種鑄鐵含碳量在4.3%至6.69%之間，室溫組織為La′+Fe3CI?！耔F碳合金中的相及組織珠光體P——F與Fe3C的機(jī)械混合物，強(qiáng)度、硬度較高。鐵素體F(α)——C在-Fe中的間隙固溶體，體心立方結(jié)構(gòu),強(qiáng)度低塑性忍性好、鋼中軟忍相。

δ鐵素體——C在-Fe中的間隙固溶體，體心立方結(jié)構(gòu)，與性能相似滲碳體Fe3C——間隙化合物，具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)。很硬、很脆塑忍性幾乎為零。鋼中強(qiáng)化相，其粗細(xì)程度、分布狀態(tài)對鋼的性能影響很大。奧氏體A(r)——C在r-Fe中的間隙固溶體，面心立方結(jié)構(gòu)，塑性好，具有順磁性。萊氏體Ld——r與Fe3C機(jī)械混合物。下頁后退中各主要點(diǎn)的溫度，含碳量及意義下頁后退●含碳量對鋼的組織和性能的影響亞共析鋼：隨含碳量增加，珠光體量增加，鋼的強(qiáng)度、硬度增加，塑性韌性降低。過共析鋼：隨含碳量增加，二次滲碳體量增加，鋼的強(qiáng)度增加，而塑性、韌性降低，但含碳量小于1.0%時，強(qiáng)度增加，而含碳量大于1.0%時，強(qiáng)度減小。圖5-63鐵碳合金的成分與組織的關(guān)系圖5-64含碳量對平衡狀態(tài)下彈力學(xué)性能的影響下頁后退返回返回下頁●鐵碳相圖應(yīng)用1.依據(jù)Fe-C相圖臨界點(diǎn)，確定熱處理工藝；2.依據(jù)Fe-C相圖，研究新的工藝方法，提高材料強(qiáng)韌性；(1)深冷處理(2)確定相變超塑性在焊接工藝上的加熱溫度對鋼材、上限溫度超過相變點(diǎn)(50-100)℃(3)提高表面化學(xué)熱處理效果下頁后退下頁后退本節(jié)思考題1.在bcc中的溶碳量一般低于在fcc中的溶碳量，為什么？2.為什么只畫出Fe-Fe3C相圖，而不畫出Fe-C相圖？3.比較Fe-Fe3C系及Fe-C系哪個更穩(wěn)定？4.為什么Fe-C相圖平衡線位于Fe-Fe3C相圖平衡線左邊，且成分點(diǎn)相同時,Fe-C平衡溫度要高于Fe-Fe3C平衡溫度?5.Fe-C穩(wěn)定系，但常按Fe-Fe3C相圖冷凝，卻不是按Fe-C系，這是為什么？6.依所講Fe-Fe3C系思路，分析冷凝過程，會計(jì)算各種條件下的相及組織相對量。下頁后退第四節(jié)相圖的熱力學(xué)基礎(chǔ)

一．G-X曲線

ABB%G對于理想溶體，ΔHm=0下頁后退二．相平衡條件化學(xué)位可視作組元從某相中逸出的能力,組元i在某相中化學(xué)位越高,它相化學(xué)位較低的一相轉(zhuǎn)移傾向越大,當(dāng)組元i在各相的化學(xué)位相等時,即處于平衡狀態(tài)。組元i在相j中的化學(xué)位可用下式表示

μi(j)

=下頁后退1、化學(xué)位?Gi?χi如圖溶液的成分為χ，可過曲線上與此成分對應(yīng)點(diǎn)作切線，與縱軸的交點(diǎn)a、b的吉布斯自由能值便是組元A、B再成分為χ溶體中的化學(xué)位。下頁后退2、相圖中的相平衡（1）多相平衡條件

若組元在各相中的化學(xué)位不相等，這個組元就會從化學(xué)位高的相中向化學(xué)位低的相發(fā)生遷移，使系統(tǒng)的自由能降低，直到它在各相中的化學(xué)位相等為至，可見，溶液中化學(xué)位梯度是物質(zhì)遷移的驅(qū)動力。下頁后退（2）一元系統(tǒng)的相平衡1）兩相平衡f=C–P+2，其中f=1，兩相平衡共存的關(guān)系在p–T圖上表現(xiàn)為一曲線。純物質(zhì)的兩相平衡包括L–S、S–G、L–G、S–S等。2）三相平衡f=0，在p–T圖上表現(xiàn)為一個點(diǎn)，即三相點(diǎn)。3）二元系統(tǒng)的相平衡公切線法則下頁后退三.G曲線與相平衡下頁后退下頁后退下頁后退第五節(jié)三元系相圖及其類型

一．三元相圖表示方法

●等邊三角形法

下頁上頁返回圖5-77，以其三個頂點(diǎn)表示三個純組元；三邊各定為100%，分別代表三個二元素A-B、B-C和C-A的成分；位于三角形內(nèi)部的點(diǎn)代表三元系的成分，且χa+χb+χc=AB=BC=CA=100%兩條特殊意義的線：（1）平行于三角形某一邊的直線位于該線上的材料，它們所含的、由這條邊對應(yīng)頂點(diǎn)所代表的組元量均相等。如圖5-78中ab線上的兩種材料χ1、χ2的C組元含量相等：下頁后退下頁后退圖5-78成分三角形中兩條特殊直線利用成分三角形網(wǎng)絡(luò)標(biāo)定合金χ成分成分三角形中兩條特殊直線χ1b1=χ2b2=χnbn●等腰三角形法

（2）通過三角形頂點(diǎn)的任一直線。位于該直線上的三元系材料，它們所含的由另兩個頂點(diǎn)所代表的兩組元含量之比是一定值。圖5-78中CE線上的各種成分。下頁后退●直角三角形法

三元系中以兩個組元為主，而第三組元的濃度很低，可用等腰三角形。三元系中以一個組元為主，其余兩個組元的濃度都相當(dāng)?shù)蜁r，可用直角三角形法。如圖5-79。下頁后退圖5-79三元相圖成分的其它表示方法a)等腰三角形法b)直角三角形法下頁后退二、三元相圖的建立三元合金在T1溫度下成分不同出現(xiàn)三個相區(qū)：曲線s1s′1右側(cè)為固相α相區(qū)；曲線l1l′1左側(cè)為液相區(qū)；兩曲線之間為L+α兩相區(qū)。對于三元合金系，當(dāng)：ΔP=1時，n=2即相鄰相區(qū)為面接觸ΔP=2時，n=1即相鄰相區(qū)為線接觸ΔP=3時，n=0即相鄰相區(qū)為點(diǎn)接觸下頁后退三．三元勻晶相圖

下頁后退W

β=×100%onmnWα=×100%momn下頁后退3、勻晶相圖的平衡結(jié)晶過程分析四具有兩相共晶反應(yīng)的三元系相圖

（１）相圖分析（圖５－８８所示）１）面及相區(qū)液相面：abe′e，ce′e．固相面aa′b′b，cc′d．液固兩相區(qū)aa′b′e′eab為L＋α兩相區(qū)ce′edc′e′為L＋β兩相區(qū)．下頁后退下頁后退（２）相接觸情況及三相區(qū)．三個單相區(qū)：L＋α，L＋β，α＋β．兩相區(qū)與單相區(qū)是以面相連；三相區(qū)與兩相區(qū)為面接觸，與單相區(qū)是以線相連的．２、三相平衡及三相平衡反應(yīng)三元系中三相平衡時f＝４－３＝１．若溫度給定，三個共存相的成分都不可變．下頁后退下頁后退（１）重心法則處于三相平衡的合金，其成分點(diǎn)必位于共軛三角形的重心位置．有以下平衡關(guān)系：oαa′ab′c′bLβc圖5-91重心法則下頁后退

WβWo＝ob'bb'＝WβWLWο＝oc'cc'＝WLWαWo＝oa'aa'＝Wα下頁后退（2）三相平衡反應(yīng)兩種類型：

類共晶反應(yīng)：L(α+β）分解型類包晶反應(yīng)：L+αβ合成型如圖5-93所示。下頁后退下頁后退五、三元系中的相平衡分析1、吉布斯自由能-成分曲面三元系的自由能擴(kuò)展為一個內(nèi)凹的空間曲面。如圖5-95所示。2、三元系中兩相平衡及公切面

如圖5-96所示。下頁后退下頁后退3、三元系三相平衡及共軛三角形如圖5-97所示4、三元系四相平衡與四相平衡平面如圖5-98所示六、具有四相平衡反應(yīng)的三元系相圖（1）四相區(qū)及周圍相區(qū)的接觸下頁后退下頁后退1）四相區(qū)與三相區(qū)的接觸：面接觸①共軛三角形U+V+R、V+R+Q、U+R+Q組成四相平面的上表面，U+V+Q組成下表面；②共軛三角形U+V+Q、U+V+R、組成四相平面的上表面，V+R+Q、U+R+Q組成下表面；

③共軛三角形U+V+Q組成四相平面的上+表面，U+V+R、V+R+Q、U+R+Q組成下表面；下頁后退2）與兩相區(qū)的接觸：線接觸六個兩相區(qū)：U+V、V+Q、Q+U、U+R、R+V、R+Q。3）與單相區(qū)的銜接：點(diǎn)接觸四個單相區(qū)：U、V、Q、R。（2）四相平衡反應(yīng)1）共晶型：

R（Q+V+U）T下頁后退下頁后退2）包晶型反應(yīng)：

R+QU+V3）雙包晶型：

U+V+QR2、具有共晶型四相平衡反應(yīng)的三元系相