相图----材料科学基础课件

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1、1,第四章 相图,相图(Phase diagram )描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的图解。 表征材料系统中相的状态与温度及成分之间关系的一种图形。,水的P-T相图,2,一 相 体系热力学所研究的原子、分子等集体称为系统或体系。 相在一个系统中，具有同一聚集状态的均匀部分称。 二 相律 1 相律 热力学平衡条件下，系统的组元数、相数和自由度数之间的关系。,第一节 相图的基本知识,3,2 表达式 温度和压力都变化时：f=c-p+2; 压力一定时，f=c-p+1。 3 应用 确定系统中可能存在的最多平衡相数。如单元系2个，二元系3个。 解释纯金属与二元合金的结晶差别。 纯金属结晶恒温；二

2、元合金变温。,4,二元相图的表示方法,1 状态与成分表示法 温度成分坐标系。 坐标系中的点表象点。 成分表示：质量分数或摩尔分数。,三、 相图的表示与建立,5,2 相图的建立 方法：实验法和计算法。 过程：配制合金测冷却曲线确定转变温度填入坐标绘出曲线。,用热分析法建立Cu-Ni相图,6,3 杠杆定律 1）平衡相成分的确定（根据相律，若温度一定，则自由度为0，平衡相成分随之确定。）,7,2）数值确定：直接测量计算或投影到成分轴测量计算。 3）注意：只适用于两相区；三点（支点和端点）要选准。,8,第二节 二元匀晶相图,一 匀晶相同及其分析 1 匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的转变。 2 匀

3、晶相图： 具有匀晶转变特征的相图。,9,3 相图分析 两点：纯组元的熔点； 两线：L, S相线； 三区：L, , L+。,10,二、 固溶体合金的平衡结晶 1 平衡结晶：每个时刻都能达到平衡的结晶过程。 2 平衡结晶过程分析 冷却曲线：温度时间曲线；,11, 相（组织）与相变（各温区相的类型、相变反应式，杠杆定律应用。）； 组织示意图； 成分均匀化： 每时刻结晶出的固溶体的成分不同。,12,3 与纯金属结晶的比较 相同点：基本过程：形核长大； 热力学条件：T0； 能量条件：能量起伏； 结构条件：结构起伏。 不同点：合金在一个温度范围内结晶（可能性：相律分析；必要性：成分均匀化。） 合金结晶是选

4、分结晶：需成分起伏。,13,三、 固溶体的不平衡结晶 1 原因：冷速快（假设液相成分均匀、固相成分不均匀）。 2 结晶过程特点：固相成分按平均成分线变化（但每一时刻符合相图）； 结晶的温度范围增大； 组织多为树枝状。,14,15,3 成分偏析： 晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀现象。 枝晶偏析：树枝晶的枝干和枝间化学成分不均匀的现象。 消除扩散退火,16,晶内偏析组织及其示意图,17,4 稳态凝固时的溶质分布 1）稳态凝固：从液固界面输出溶质速度等于溶质从边界层扩散出去速度的凝固过程。 2）平衡分配系数：在一定温度下，固、液两平衡相中溶质浓度的比值。 k0=Cs/Cl,18,19,3 溶质

5、分布： 液、固相内溶质完全混合（平衡凝固）a; 固相不混合、液相完全混合b; 固相不混合、液相完全不混合c； 固相不混合、液相部分混合d。,20,21,4 区域熔炼（上述溶质分布规律的应用）,22,5 成分过冷及其对晶体生长形态的影响 1) 成分过冷：由成分变化与实 际温度分布共同决定的过冷。 2) 形成：界面溶质浓度从高 到低液相线温度从低到高。 （图示：溶质分布曲线匀晶相图 液相线温度分布曲线实际温度分 布曲线 成分过冷区。）,23,3) 成分过冷形成的条件和影响因素 条件： G/RmC0(1-k0)/Dk0 合金固有参数：m, k0; 实验可控参数：G, R。,24,4 成分过冷对生长形

6、态的影响 （正温度梯度下）G越小，成分过冷越大生长形态：平面状胞状-树枝状。,25,第三节 二元共晶相图,共晶转变：由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相的转变。 共晶相图：具有共晶转变特征的相图。 （液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶，且发生共晶反应的相图。,26,共晶组织：共晶转变产物。（是两相混合物）,27,一、 相图分析（相图三要素） 1 点：纯组元熔点；最大溶解度点；共晶点（是亚共晶、过共晶合金成分分界点）等。 2 线：液相线（结晶开始）、固相线（结晶结束线）；溶解度变化曲线。,Pb-Sn相图,28,3 区： 3个单相区（L、） ； 3个两相区（L+、L+、+） ； 1个三相线

7、（区）。,29,共晶转变： E共晶点成分的液相在恒温下同时结晶出两个成分不同的固相（m点成分的和n点成分的 ）的转变。,共晶产物的成分是否稳定？ 共晶反应前液相有什么要求？,30,共晶转变得到的新生成的两相混合物叫共晶体或者共晶组织（+）。水平线men为共晶反应线，简称共晶线。,共晶相图中的合金：e点合金共晶合金； 共晶线上e点以左亚共晶合金； 共晶线上e点以右过共晶合金；,31,成分位于m点以左和n点以右的合金端部固熔体合金,mf线为Sn在Pb中的溶解度线（或相的固熔线）。温度降低，固溶体的溶解度下降。从固态相中析出的相(Sn析出时不是以单质的形式析出，而是以固熔体的方式析出)称为二次，常写

8、作。 二次结晶可表示为： 。,32,ng线为Pb在Sbn中溶解度线（或相的固熔线)。Sn含量小于g点的合金，冷却过程中同样发生二次结晶，析出二次；即。,33,二、合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例）,34,1 Wsn10的合金（端际固溶体的结晶） 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）,35,脱溶转变：二次相（次生相）从过饱和的固熔体中析出。 室温组织（） 其中一般分布于相界面上，有时也在晶内析出，呈细小颗粒状。 相对量计算：,36,2共晶合金的结晶过程 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。,37, 组织： 共晶转变刚好结束后的组织:(mn) 室温组织:()(二次相为脱熔转变产物

9、） （因为二次相依附共晶体中的 同类相析出，因此难以辨别） 通常室温组织： （）共晶体,38,共晶合金结晶过程中的相的相对量计算。,恰好要发生共晶反应时：L相，相对量：100； 共晶反应过程中：三相（L+）,不适用杠杆定律； 共晶反应刚好结束：两相（mn）,39,室温下：两相（fg ）,室温下组织 （）如何计算,分析： 、由共晶反应刚好结束的两相（ mn ）中分别析出。 即： m ， n ,40,以m 为例计算 设m为100， 由m点成分的的m脱熔析出，根据端部固熔体脱熔产物的计算来看：,实际m不是100，而是,最终得到的 的相对量为,41,请思考有没有其他的计算方法,问题：用下式计算？,42

10、,3 亚共晶合金 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。,43, 结晶过程中的组织 匀晶转变过程：L+初(或者I)） 共晶转变中：L+初（或者I） 共晶转变刚结束:(）+ 初（或者I） 室温下：初（或者I）（）,上面这些组织中的相同的相其成分有什么特点？,44, 组织中相组成物计算,共晶转变前：L+初（或者I），用杠杆定律。 共晶转变中：L+初（或者I），不能运用杠杆定律 共晶转变刚结束：（）+ 初（或者I）,45,室温下：初（或者I）（）,46,4 过共晶成分合金的结晶 过程与亚共晶成分合金的结晶基本一致，二者组织组成物恰好相反。 室温下：初（或者 I） （） 采用杠杆定理计算和分析与亚共

11、晶合金一样。 要求：自己试着推导和分析,47,共晶系合金的平衡凝固可分为两种类型： 固溶体合金：匀晶转变+脱熔转变，室温组织：初生固溶体+次生组织 共晶型合金：位于MEN线范围内的合金，都属于共晶型合金。其凝固时均有共晶转变发生，形成共晶体。,48,5 组织组成物与组织图 组织：金属中的组织指不同形状、大小、数量和分布的相组合而成的综合体。 组织组成物：组成材料的中各个不同本质和形态的部分。 组织图：用组织组成物填写的相图。,49,50,相组成物的相图,组织组成物的相图,51,三、 不平衡结晶及其组织 1 伪共晶 伪共晶：由非共晶成分的合金所得到的完全的共晶组织。 形成原因：不平衡结晶；成分位

12、于共晶点附近。,52,条件：快速冷却到相和相的液相线下，初晶的析出被抑制，同时两相都呈饱和状态同时析出，形成共晶转变，得到伪共晶。,53,伪共晶区取决于相接构和固液界面形态： 伪共晶区偏向晶体结构复杂且具有平滑界面的相的一边。,54, 不平衡组织 由非共晶成分的合金得到的完全共晶组织。 共晶成分的合金得到的亚、过共晶组织。（伪共晶区偏移）,55,3 离异共晶（平衡和非平衡都可以得到） 离异共晶：两相分离的共晶组织。 形成原因,56,平衡条件下：成分位于共晶线上两端点附近。 不平衡条件下：成分位于共晶线外两端点附。 消除：扩散退火。,57,四、共晶组织的形成 1 共晶体的形成 成分互惠交替形核

13、片间搭桥促进生长 两相交替分布 （共晶组织）,58,2 共晶体的形态 粗糙粗糙界面：层片状（一般情况）、棒状、纤维状（一相数量明显少于另一相） 粗糙平滑界面：具有不规则或复杂组织形态（由于两相微观结构不同） 所需动态过冷度不同，金属相任意长大，另一相在其间隙长大。可得到球状、针状、花朵状、树枝状共晶体。 非金属相与液相成分差别大。形成较大成分过冷，率先长大，形成针状、骨骼状、螺旋状、蜘蛛网状的共晶体。,59,典型共晶组织形态,60,3 初生晶的形态： 金属固溶体：粗糙界面树枝状； 非金属相：平滑界面规则多面体。,61,第四节 二元包晶相图,包晶转变：由一个特定成分的固相和液相生成另一个特点成分

14、固相的转变。 包晶相图：具有包晶转变特征的相图。,62,点、线、区。,一、 相图分析,63,二、 平衡结晶过程及其组织 1 包晶合金的结晶 结晶过程：包晶线以下，L, 对过饱和界面生成三相间存在浓度梯度扩散长大全部转变为 室温组织： 或。,64,结晶过程：包晶线以下，L, 对过饱和界面生成三相间存在浓度梯度扩散长大全部转变为。,室温组织： 或。,65,2 成分在C-D之间合金的结晶 结晶过程：剩余； 室温组织：。,66,3 其他平衡结晶过程及其组织,67,三、不平衡结晶及其组织 异常相导致包晶偏析包晶转变要经扩散。包晶偏析：因包晶转变不能充分进行而导致的成分不均匀现象。,异常相由不平衡包晶转变

15、引起。成分在靠近固相、包晶线以外端点附近。,68,四、 包晶转变的应用 1 组织设计：如轴承合金需要的软基体上分布硬质点的组织。 2 晶粒细化。,69,第五节 二元相图的分析方法,一、铁碳相图分析,70,71,72,1.铁碳合金的组元 1）Fe铁是过渡族元素，熔点1538，密度7.87g/cm3。 工业纯铁的力学性能特点： 强度低、硬度低、塑性好。,纯铁的力学性能,73,2）Fe3C 用Cm表示。 力学性能特点:硬而脆,渗碳体的力学性能,74,2 铁碳合金中的相 液相L铁与碳的液溶体。 固溶体相 相高温铁素体：碳在Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格，在1495时溶碳量最大，为0.09% 相铁素体，用符号F或表示。体心立方晶格铁素体中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008%，在727时碳溶量最大，为0.0218%。性能特点是强度低、硬度低、塑性好,75,固溶体相 相奥氏体，用符号A或表示。面心立方晶格。 化合物相 Fe3C相 化合物相，渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片