《材料科学基础PPT电子课件教案-第07章+三元相图》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料科学基础PPT电子课件教案-第07章+三元相图（77页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第七章 三元相图三元相图成分表示方法 三元匀晶相图 三元系中的三相平衡 三元系中的四相平衡 三元共晶相图 阅读三元相图举例 三元相图引言含有三个组元的系统成为三元系，第三个 组元的加入，不仅会改变原来两个组元之间的 溶解度，而且第三组元可溶入原可形成的相中 改变其性质，并且还可产生新的相，出现新的 转变，引起材料的组织、性能和相应的加工处 理工艺的变化。三组元的材料在工程中用的也 相当普遍，例如合金钢、铸铁、铝镁铜合金、 ZrO2Al2O3Y2O3陶瓷等，所以需要了解三 元系相图。 三元相图引言在恒压下，二元系只有两个独立变量：温 度和成分，相图是平面图。三元系将有温度和 两个成分参数构成的三
2、个独立变量，因此三元 相图是空间立体图，给表达和学习认识上带来 相当的困难。 本章介绍三元相图的一般概念，反应类型 ，利用截面图和投影图来判断材料中的相反映 类型和组织转变规律。 引言第一节 三元相图成分表示方法 等边三角形法 浓度三角形 等腰三角形法 直角坐标法 三元相图的基本形状1.等边三角形法取等边三角形ABC，三个 顶点表示三个纯组元；三个 边各定为100，分别代表A B、BC、CA三个二元系 的成分；位于三角形内的点 代表三元系的成分。在三角形内任取一点X， 由X顺次作平行于三个边的线 段xa、xb、xc，如果将三角 形的边长定为100%，则有 xa+xb+xc = AB = 100
3、%。可 以用xa, xb, xc分别表示组 元A、B、C的质量分数。第一节 三元相图成分表示方法2.浓度三角形为为了便于使用，利用 几何属性：xa=Cb, xb=Ac, xc=Ba,并将其刻度标标注在 边边上。为为了阅读阅读 方便，往 往在三角形内用平行画出 网格，在三角形的边边上标标 注数值值，把这这个三角形成 为为成分三角形或浓浓度三角 形。此外，在数值值的标标注 时时要方向一致，用顺时针顺时针 或逆时针时针 都可以。 例如图中的x点则表示其成分为55%A20%B25%C。第一节 三元相图成分表示方法浓度三角形中的特定线 平行于一边边的直线线上所 有点，表示这这个边对应顶边对应顶 点的组组
4、元含量均相等；过过一顶顶点的直线线上所有 点，表示另两个顶顶点代表 的两组组元的含量比为为一定 值值。在相图图的应应用时，所 作的垂直截面往往过这过这 两 类类直线线。 第一节 三元相图成分表示方法等腰梯形法取等边三角形ABC的一部 分，用不同的比例组成等腰 梯形。第一节 三元相图成分表示方法3.直角坐标法 在三元系中，如果以一个 组元为主体，另外两组元的 含量较低，例如铸铁中分析 的FeCP系，可以采用直 角坐标，称直角三角形法。如图所示，其中一个坐标轴 表示B组元的质量分数，另 一个坐标轴表示C组元的质 量分数，则余下部分就是A 组元的分数。在直角坐标中 ，根据两组元的含量变化范 围，可以
5、采用不同比例的刻 度。 XA = 100% - XB - XC 第一节 三元相图成分表示方法三元相图的基本形状 以浓度平面为基础，垂直于浓 度平面的高度坐标为温度，以此构 成的空间图形，空间中任一点代表 了系统一固定状态，在图中表示每 一状态的相平衡情况，相区之间分 界也有二元相图的曲线发展为曲面 。如果浓度平面为浓度三角形，则 其三元相图为三棱柱体，它的三个 侧面为三组元两两组成的二元相图 。要认识三元相图，必须熟悉二元 相图的所有规律。 第一节 三元相图成分表示方法第二节 三元匀晶相图 相图分析 水平截面图 合金的平衡冷却凝固过程 垂直截面图 三元相图的基本形状1.相图分析 形成条件：三组
6、元在液态和固态都能无限互溶。空间形貌：三棱柱体的相图，三 个侧面为两两组成的三个二元匀 晶相图，内部有两个曲面将相图 分为三个区间。 点：在三组元的上方有三个点a、 b、c分别为三组元的熔点。 曲面：上面的曲面称为液相面， 下面的曲面称为固相面。 相区：液相区液相面之上； 固相区固相面以下；两相区 液相面和固相面之间包围的 区间L。第二节 三元匀晶相图2.水平截面图(等温截面)那么m、n、o点必然共一直线，成分为O的合金得到的两平衡 相的相对数量比为： 当温度一定，可以在 等温截面图上来分析，材 料的成分o若处在两相区 ，这时系统达到平衡(即 稳定)状态，平衡的液相 成分应在空间的液相面上 ，
7、在等温截面图的液相线 上，同样平衡的固相的成 分点在截面图的固相线上 ，如图中的m、n两点。 第二节 三元匀晶相图2.水平截面图连接线连接线上各成分的合金在 该温度下平衡的两相成分为 连接线两端点的成分。液相 线上每一点对应的液体都有 固定的固相与之平衡，即在 液相线上每一点在固相线上 都有一个与之对应的点，所 以把这两条线称为共轭线。 在一定温度下，同一成分的 合金有固定的平衡相，所以 连接线不可能相交。 在给定的温度下，两平衡相的成分之间的连接线段 称为连接线。上述的线段mn就是连接线。第二节 三元匀晶相图2.水平截面图柯氏法则 在给定温度下，平衡的 液相和固相之间，低熔点 的组元在液相中
8、的分数应 高于在固相中的分数。因此在连接线中任取 一点，过该点和成分三角 形的某一顶点连接一直线 ，则连接线的两端点在这 直线的两边，其中液体点 应在直线分隔的另两组元 的低熔点那一边。 第二节 三元匀晶相图3.合金的平衡冷却凝固过程 合金O自液态冷却下来，开始是 液体的降温，直到液相面的温度tS， 温度再下降时，液态具有一定的过 冷度，开始凝固，形核长大析出的 固体，在这这温度下可达到液固 平衡，平衡时时液体的成分在液相面 上某一点，固相成分也应应在固相面 上的某一点。温度不断下降，液体 的数量在逐渐渐减少，固体的数量不 断增加，液体的成分变变化一直在液 相面上，而固体的成分变变化在固相 面
9、上。到达和固相面交点温度tf时时 ，液体全部消失，得到成分为为O的均 匀固溶体。随后温度下降仅仅是固体 的冷却降温，组织组织 不发发生变变化。 第二节 三元匀晶相图3.合金的平衡冷却凝固过程 整个结结晶在一温度范围围内完成 ，由于有结结晶潜热热的放出，在冷却 曲线线上凝固时时下降平缓缓，曲线线在凝 固开始和结结束处处有明显显的转转折。如果不过分考究转变过程的内 涵，三元匀晶反应的过程与二匀晶 反应基本相同。都是进行选分结晶 ，在平衡缓慢冷却过程中，都可得 到成分均匀的固溶体。如果在非平衡冷却过程，同样 会出现晶内偏析，若晶体以树枝晶 方式长大，便得到枝晶偏析组织。 在结晶过程中，也存在成分过冷
10、的 影响。 第二节 三元匀晶相图4.两相平衡成分变化规律 三元匀晶的凝固结晶过程中， 尽管液相的成分变化在液相面上， 起轨迹是一曲线，但这条曲线并不 在一个平面上，是一条空间曲线； 同样固相的成分变化也是在固相面 上的一空间曲线。匀晶合金凝固过程中在每一温 度下平衡都有对应的连接线，将这 些连接线投影到成分平面上，为一 系列绕成分点O旋转的线段，O点分 连接线两线段的比随结晶过程在不 断变化，得到的图形类似一只蝴蝶 ，称之为固溶体合金结晶过程中的 蝴蝶形迹线。迹线的外缘曲线就是 结晶过程液、固成分变化曲线的投 影。 第二节 三元匀晶相图5.垂直截面图(变温截面)第二节 三元匀晶相图5.垂直截面
11、图(变温截面)截面形状：截面与液相面和固相面相交，得到两条曲线，分 别称为液相线和固相线。一般情况所的是两边开口的，如果截 面过某一组元的成分点则有一边是闭合，这两曲线将图形分为 三个区域，即L、L、。 第二节 三元匀晶相图5.垂直截面图内容截面过过分析合金的成分 点，不同温度下该该成分在图图中 为为一垂直线线，垂线线和两曲线线的 交点即为为合金凝固开始和结结束 温度，曲线给线给 出了冷却过过程经经 历历的各种相平衡，即清楚表达 了凝固冷却过过程，和冷却曲线线 有完好的对应对应 关系。 固溶体凝固时时，液相和固相的成分变变化是空间间曲 线线，并不都在截面上，所以这这是液相线线和固相线线的走 向
12、不代表它们们的成分变变化，尽管形状类类似二元相图图， 但这这里不能应应用杠杆定律来分析平衡相的成分和数量关 系。 第二节 三元匀晶相图第三节 三元系中的三相平衡 三相平衡转变类型 三相平衡区的水平截面 重心法则 三相平衡区的空间形状 三相平衡区的垂直截面 三相平衡区在成分平面上的投影 1.三相平衡转变类型 按物质不灭的原理，系统如果发生相转变，降温时 ，至少要有一个反应相(含量减少)和一个生成相(含量 增加)，三元系处于三相平衡，可能组合的转变类型有 两种： 共晶型 是指降温时存在一个反应相和两个生成相这 一类的总称。包括共晶、共析、偏晶等，反应式为： 包晶型 是指降温时存在两个反应相和一个生
13、成相这 一类的总称。包括包晶、包析等，反应式为： 第三节 三元系中的三相平衡2.连接三角形如果某一成分的合金在截面的 温度下处于三相平衡，由相律f = c p1 = 331 = 1，存在一个 自由度，平衡可以发生的一温度范 围，所以三元系的三相平衡转变不 是在一恒下进行，即转变过程是在 一温度范围内发生。当温度一定， 三个平衡相的成分将是确定不变的 。在这个温度下，连接三个平衡相 的成分点，就得到一三角形，这个 三角形称为连接三角形。 连接三角形是在一定的温度下，处于三相平衡的三个相成分 点组成的直边三角形，三相平衡是每两相也是平衡状态，所以连 接三角形的三条边分别为两两双相平衡的连接线。 第
14、三节 三元系中的三相平衡2.重心法则条件三角形abc为某一温度下的连接 三角形，三个顶点对应三个平 衡相的成分，其中：XaA、XaB、XaC为 相的成分 ，XbA、XbB、XbC为为 相的成 分，XcA、XcB、XcC为为 L 相的成 分；XoA、XoB、XoC为为 O 点合金 成分。W、W、WL为为三个平衡相的相 对质对质 量分数。 由直线线法则则， 和 两相的合成成分点 c 应应在ab线线 段上；再和 L 混合后的成分应应在 cc 线上，即三相组合成的 合金成分O 点必定在三角形内。 第三节 三元系中的三相平衡2.重心法则计算 O 为为三角形abc的质质心 第三节 三元系中的三相平衡2.重
15、心法则应用如果设L、和相的质质量 分数W、W、WL分别别集中处处在a 、b、c三点，则则合金的成分点O 为为三角形abc的质质心，这这个规规 律成为为重心法则则。它是两次应应 用直线线法则则的结结果。利用重心 法则则，已知合金和三个平衡相 的成分，可以结结算出平衡相相 对对分数；当然已知相对对分数和 部分相的成分，也可以求出一 些未知相的成分。 利用重心法则则，解方程较繁，但可进行较精确的计算。计算 困难时也可以多次利用直线线法则则来分布求解。第三节 三元系中的三相平衡3.三相区的水平截面三相区的水平截面应一直边三 角形。当合金的成分在三角形 的顶点，由重心法则可知，这 时仅存在一个相，另两相
16、的质 量分数为零，所以三角形的顶 点应是单相区的一部分，或称 应以顶点和单相区相邻。当合 金的成分在三角形的边上，由 重心法则可知，这时仅存在两 个相，另一相的质量分数为零 ，所以三角形的边应是双区的 一部分，或称应以边和双相区 相邻。所以在等温截面图上三 相区及周边关系如图所示。 第三节 三元系中的三相平衡4.三相平衡区的空间形状 三相区的水平截面应为直边连 接三角形，随着温度的变化，三角 形的位置、大小在不断的改变，连 接三角形的轨迹为组成了三相区， 它是一曲面的三棱柱体。其中三个顶点的轨迹是三条曲 线，构成三棱柱体的三条棱，表示 平衡的成分随温度的变化规律，称 为成分变温线，它将和单相区相邻 。三条边轨迹是构成三棱柱体的侧 面曲面。如果这三点在一直线上，三角 形变成缩成一直线。 第三节 三元系
