元合金相图与合金凝固

《元合金相图与合金凝固》由会员分享，可在线阅读，更多相关《元合金相图与合金凝固（63页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第2章 三元合金相图与凝固河北工业大学材料学院w实际使用的材料多为多元合金 w多元相图结构复杂、测定困难 w三元相图是最简单的多元相图 w本章介绍简单三元相图的分析与使用方 法。 w三元相图有成分变量2个，温度变量一个 ，是立体图形，相区之间以曲面分开； w三元相图的各种截面、投影图用得较多 。6.1 三元相图基本知识 6.1.1浓度的表示方法w（1）浓度三角形 w三元合金有两个组元的浓 度可以独立变化，成分常 用等边三角形中的一个点 来表示，称为浓度三角形 。边长=100%，三个顶点 代表三个纯组元，每个边 是一个二元合金系的成分 轴三元合金的浓度w例如点代表一个三元 合金。过O点作A组元对

2、 边平行线交于AC、AB 边于b、e两点，bC 或Be分别表示合金中 的含A；同理可以求 出B和C w三元合金0的成分： A%Cb= Be BAc =Cf% CBa=Ad%(2) 其它三角形w 当三元合金中各组元含量相差较大时， 可以采用其它形式的三角形，否则，合 金成分点可能非常靠近一边或某一顶点 。常用的有n直角三角形n等腰三角形 等腰三角形w当某一个组元（如C）含 量远小于其它二组元时 ，可以采用等腰三角形 。 w一般把含量较高的组元 放在底边位置，两腰代 表少组元的含量，即直角三角形w当某一个组元（如A）含量 远大于其它二组元时，可 以采用直角三角形。 w一般把含量最高的组元放 在直角

3、位置，两直角边则 代表其它两组元的含量。 例如O1点所代表的三元合 金成分CAc1BAb1%A1CB 浓度三角形中的特殊线w平行于三角形任意一 边的直线，一个组元 的浓度为定值。 w过三角形顶点的直线 ，两个组元浓度之比 为定值。如CE线上 的任意一个三元合金 符合6.1.2 直线法则、重心法则和杠杆定律（1）直线法则w如果合金O在T1温度时处于两相平衡，在 浓度三角形中合金成分与两平衡相成分 均位于同一直线上。而且合金成分位于 两平衡相成分之间。mon线为共轭线。 w两条推论 w（1）给定合金在一定温度下处于两相平衡时 ，若其中一个相的成分给定，另一个相的成分 点必然位于已知成分点连线的延长

4、线上。 w（2）若两个平衡相的成分点已知，合金的成 分点必然位于两个已知成分点的连线上。(2)杠杆定律w在一定温度下，与二元合金相似利用杠 杆定律可求出两平衡相的重量百分比。 w例如合金O处于L和两相平衡状态，两 相的相对量(3)重心法则w重心法则是杠杆定律与直 线法则的推广。 w如果合金N在某一温度Ti 时处于 、 、 三相平 衡， 、 、 三相的成 分分别是D、E、F，DEF 称为共轭三角形。 w合金成分点位于共轭三角 形的重心位置。重心法则 。w根据直线法则，、二相混合物的成分 应该位于EF线上的一点，而此点应位于 N与D的延长线上，即、二相混合物的 成分为d。利用杠杆定律可求出相的重

5、量百分比w同理可得6.1.3三元合金相图的平面化w测定一个立体相图需要进行大量试验积累数据 、而且使用不便，实际上经常使用三元相图的 二维剖面或投影图。 w当假定一个变量不变或者两个变量之间有某种 关系时，就可以得到二维图形。n例如温度一定，就可以得到等温截面（水平截面） ；n当假定一个组元的浓度为常数或者两组元浓度之间 有某种关系时，就可以得到变温截面（垂直截面）n把不同温度下的等温截面或空间曲线投影至成分三 角形内（就是去掉温度变量），就可以得到投影图 。 6.2 三元匀晶相图w立体三元相图是一个三棱柱，合金成分 用水平放置的浓度三角形表示，温度轴 垂直于浓度三角形。三个柱面分别是三 个二

6、元系的相图，相区都是空间体，相 区与相区之间由曲面分开。相图6.2.1相图分析w点：a、b、c分别表示三组元A、B、C的熔点 。 w面：底面ABC是浓度三角形，三个侧面分别是 AB、BC、CA三个二元匀晶相图。两个空间曲 面上面abc为液相面，下面abc为固相面。 w相：L和相， 均为A、B、C三组元组成的溶 体。 w相区：n单相区： L相区（液相面以上）和相区（固相面 以下）n双相区： L （液、固相面之间）6.2.2固溶体合金的平衡结晶w 三元合金的结晶过程与二元匀晶系合金相似， w当合金冷却到T1温度（成分线与液相面的交点 温度），开始发生匀晶转变，即L。 w冷却到T2温度（成分线与固相

7、面的交点温度） ，匀晶转变结束。 w在这两个温度之间，L、两相平衡共存。结晶 过程中L的成分沿着液相面变化，的成分沿着 固相面变化。6.2.3等温截面图（水平截面图 ）w在等温截面上,可确定在此温度时任意三 元合金所处的状态。如：o点成分合金在 t1时处于两相平衡。 w在共轭线mon上可用杠杆定律确定平衡 相的成分及其相对重量。 w利用多个等温截面可以分析状态变化， 分析结晶过程。6.2.4变温截面图（垂直截面图 ）w运用变温截面图可以分析位于该面上的 三元合金的相变过程，起始-终止温度， w相成分沿着空间曲面变化，变温界面一 般不反映平衡相的成分，一般不能应用 杠杆定律6.2.5等温线投影图

8、w将不同温度液相面、固相面的截线投影 到成分三角形中，得到等温线投影图。等温线投影图的作用w同时具有垂直截面、水平截面的功能 w利用等温线投影图，可以确定任意合金 的浇铸温度和凝固终了温度。n如：合金O低于t3温度开始结晶，低于t5温度 结晶终了。 w如果标有共轭线，可以运用杠杆定律求 平衡相的成分及相对重量。6.3 三元共晶相图w一些三元系中含有四相平衡，例如三相 共晶转变。 w实际上经常遇到固态下三组元相互溶解 度很小的三元系，近似地可以认为三组 元互不溶解，结晶时将以纯组元的形式 析出。 w下边先介绍液相完全互溶、固态完全不 溶的共晶相图。三相共晶相图(1)相图分析w相：L,A,B,C

9、w点：熔点，二元共晶点，三元(相)共晶点 w单变量线：三相区的棱边 w面：底面，侧面，液相面，固相面，二元共晶 开始面 w相区：单相区4，双相区（3+3），三相区4， 四相区1（水平面） w动态演示二元共晶开始曲面（2）等温截面w设TATBTCE1E2E3E,动态演示w含有液相的两相区内发生匀晶转变w含有液相的三相区内发生两相共晶转变（3）垂直截面（4）三元合金的平衡凝固w利用适当的垂直截面可以分析凝固过程 ； w在了解相图空间结构（面、相区相互位 置关系）的基础之上，利用投影图同样 可以分析凝固过程n液相面下：匀晶转变（三块，三个转变）；n二元共晶开始面-固相面：二元共晶转变；n四相平衡面：

10、三相共晶转变n四相平衡面以下：无转变w在降温过程中x成分合金将依次 发生如下转变 wL+A相区 匀晶转变LA,剩余L 成分沿着Ax的延长线变化。 wL+A+B相区 共晶转变LA+B ，此时剩余L成分沿着E1E变化 。 w四相平衡面 三相共晶转变 LA+BC,恒温转变 wA+BC相区 无变化 w室温组织：A+(A+B)+(A+BC)w两相共晶转变时，液 相成分将沿着nE方 向移动。新生成的（ A+B）的成分点应位 于nE线在n点切线与 AB的交点上。 w当液相成分达到E点， 两相共晶转变结束， （A+B）的成分点到 达D点。 w组织组成物相对量不同成分合金的室温组织w不同成分合金的室温组 织容易

11、知道，如 wAE1E内:A+ (A+B) + (A+B+C) wE1E: (A+B)+ (A+B+C) wAE:A+ (A+B+C) wE：(A+B+C) w组织组成物、相组成可 用重心法则、杠杆定律6.4 三元相图小结 6.4.1 其它四相平衡相图6.4.2 三元系中相区特点w根据相律，在压力恒定时，可以出现 14相平衡。 在单相区中： wf=3，空间任意形状，截面上任意形状 w相成分=合金成分。两相平衡区w自由度f=2, w由一对共轭曲面把它与两个组成相所在的单相 区隔开。在截面上单相区与两相区的界限为平 面曲线。 w在水平截面上两相区与三相区的界线是直线。 除非该共轭线恰好在截面上，在垂

12、直截面上一 般界限呈曲线。 w组成相的化学成分与合金成分三点成一条直线 ，组成相的相对量符合杠杆定律。三相平衡区w自由度f=1，三相区是由三条单变量线作为棱 边的不规则三棱柱体。其棱边与单相区相连， 柱面与两相区接壤。 w三棱柱体开始（或终止）于二元系的三相平衡 线，或四相平衡水平面。 w在水平截面上，三相区是直边三角形，顶点触 及单相区，三角形的边是2/3相区的分界线。在 垂直截面上，三相区一般都是曲边三角形或四 边形。w在立体相图中，降温反应的反应相的单 变量线总是高于生成相的单变量线，因 此在降温时共轭三角形总是以反应相为 先导移动。 w对于共晶型转变，共轭三角形是以一个 顶点（反应相，

13、如L）为先导移动；而包 晶型转变则以一条边（两个反应相，如 L+）为先导移动。w垂直截面上，两种三相区也明显不同四相平衡在三元系中，四相平衡可以分为如下三种 类型 w共晶型：降温时，由一相转化为三相， 如L w包共晶型：由两相转化为另外两相,如L w包晶型：降温时，由三相转化为一相， 如Lw四相平衡时 f=0，成分固定，温度不变 ，垂直截面上为水平线； w四相平衡面以四个平衡相的成分点与四 个单相区相连（4点） w以两个平衡相之间的共轭线与六个双相 区相连（6线） w以三个平衡相的共轭三角形与四个三相 区相连（4角）四相平衡面附近的相区w放大显示6.5 三元相图举例 （1）Fe-C-Si垂直截

14、面w灰口铸铁基本 上是Fe-C-Si系 w包含的相、相 变类型与二元 系相同 w三相平衡扩展 到一个温度区 间，C，E，S 等左移。wSi含量增加时 ，共析、共晶 温度上升，A 区缩小， C， E，S等左移。（2）Fe-C-Cr相图截面wFe-Cr-C三元合金应用很广，例如铬不锈 钢0Cr13,1Cr13,2Cr13,3Cr13,4Cr13以及 Cr12模具钢等，添加其它合金元素还可 以变换出其他钢种。 w相图中共含有7个组成相，除了L、 、以外，还有C1、C2、C3三种化合物。 其中C1是Cr7C3或(Cr,Fe)7C3，C2是 (Cr,Fe)23C6、C3是(Cr,Fe)3C或Fe3C w

15、从相区的邻接关系、转变的可能性、相区的形 状可以判断一些反应的类型，有些则需要更多 的资料才能确定反应的类型。n例如795等温转变，该截面包括所有相邻的四个 三相平衡区，四相平衡C2+C1。n例如根据反应的可能性可以判断，在C1两相区 降温时将发生C1、在L+C1两相区降温时将发生 LC1。n根据相区的形状、邻接情况可以判断，在L+中 L+，在L+C1相区中发生L+C1，在 +C2相区中发生+C2。 wCr12(2%C)模具钢的凝固过程与亚共晶 白口铸铁相似，平衡组织P+Ld，实际 上冷却较快，组织M+Ld； w2Cr13(0.2%C)与过共析钢相似，平衡 组织为C2+P(3)Fe-C-P投影图w相：L,(),Fe3C,Fe3P w三个四相平衡转变w含磷铸铁(如3.5%C,0.4-0.6%P)的凝 固与亚共晶白口铸铁相似，但是P偏析严 重时可以形成三元磷共晶。(4) Al-Cu-Mg相图投影图wAl-Cu-Mg合金在航 空行业及仪表制造业 用途很广。 w图为Al-Cu-Mg合金 的Al角。图中细线是 等温线，每一块液相 面上的字母表示液相 面下将析出的初晶类 型。5100C等温截面