《材料科学与工程基础 教学课件 ppt 作者 杨庆祥 第四章 相图》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料科学与工程基础 教学课件 ppt 作者 杨庆祥 第四章 相图（35页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2019年5月22日,第四章 相图,相图是表示在平衡状态下，物质系统的状态和温度、压力、成分之间关系的简明图解，所以又称平衡图或状态图。对处于平衡状态的材料，根据它的成分和所处的温度和压力，从相图上可找出相应的表象点就可以了解此时系统中存在哪些相，各相的成分以及各相相对量等。这对材料的理论研究以及确定热加工和热处理工艺参数等无疑是十分重要的。本章首先介绍合金的相结构和相图的基本知识，然后结合几种基本相图讨论材料的结晶过程和基本规律，并对铁碳系作比较详细的介绍。,第一节 合金的相结构,工业上应用的金属材料主要是合金。合金中的相结构是多种多样的，但可分为两大类：固溶体和化合物。,一、固溶体,溶质原
2、子完全溶入固态溶剂中，所生成的合金相与溶剂的晶格结构相同，该合金相叫固溶体。固溶体的成分一般可在一定范围内连续变化，随溶质的溶入，将引起溶剂晶格畸变，使合金强度硬度升高这便是固溶强化。,溶质原子在固溶体中所占的位置,置换固溶体,间隙固溶体,固溶度的大小,有限固溶体,无限固溶体,有序固溶体,无序固溶体,固溶体中原子的排列情况,分类,(一)置换固溶体,图4-1形成无限固溶体时两组元原子置换过程示意图,形成固溶体时，溶质原子置换了溶剂点阵中的溶剂原子，占据了溶剂晶格的结点位置，以此种方式所形成的固溶体叫置换固溶体。,显然晶体结构相同是形成无限固溶体的必要条件。,(二)间隙固溶体,一些原子半径小于0.
3、1nm的C、N、H、B等非金属元素因受尺寸因素影响，不能与过渡族金属元素形成置换固溶体，却可固溶于溶剂晶格的间隙位置，形成间隙固溶体。一般间隙半径比较小，所以形成间隙固溶体时，晶胞要涨大，造成严重的点阵畸变，使能量增高，故固溶度受到限制。,(三)固溶体的微观不均匀性,图4-2 固溶体中溶质原子分布示意图 a）无序分布 b）偏聚分布 c）短程有序分布,图4-3 有序固溶体的晶体结构 a）CuAu b）Cu3Au,负电性差别较大的组元可能形成与离子化合物点阵相同的中间相。这种化合物符合化合价规律，所以叫正常价化合物。例如，Mg2Si、Mg2Sn、MnS等，其成分可以用化学式表示。正常价化合物一般有
4、AB、A2B（或AB2）两种类型。其晶体结构与相应的离子键晶体结构相同。AB型正常价化合物的晶体结构可以是NaCl型结构、立方ZnS结构或六方ZnS结构。A2B（或AB2）具有CaF2型结构（或反CaF2型结构）。正常价化合物具有较高的硬度和脆性。在以固溶体为基的合金中，正常价化合物如果合理分布，可使合金得到强化。,二、金属间化合物,A、B组元间组成合金时，可形成晶体结构不同于A、B两组元的化合物相。这种相的成分处在A在B中和B在A中的最大溶解度之间，因此也叫中间相。中间相的结合键主要为金属键，兼有离子键和共价键。因此中间相又称金属间化合物。,形成合金相时起主导的控制因素,主要受电负性控制的正
5、常价化合物,以原子尺寸因素为主要控制因素的间隙相、间隙化合物和拓扑密堆相,以电子浓度为主要控制因素的电子化合物,(一)正常价化合物,(二)电子化合物,表4-1 合金中常见的电子化合物,注：表中分数表示电子浓度,决定电子化合物结构的主要因素是电子浓度，但并非唯一因素，其它因素，特别是尺寸因素仍起一定作用。,(三)复杂结构间隙化合物与间隙相,图4-4 VC晶体结构,表4-2 钢中常见碳化物的熔点和硬度,图4-5 Fe3C晶体结构,第二节 二元相图,一、相平衡与相律,(一)相平衡,在指定的温度和压力下，若多相体系的各相中每一组元的浓度均不随时间而变化，则体系达到了相平衡。若体系内不发生化学反应，则相
6、平衡的条件是各组元在它存在的各相中的化学位相等。实际上相平衡是一种动态平衡，从系统内部看，分子和原子在相界处仍在不停地转换，只不过各相之间的转换速度相同而已。,(二)相律,吉布斯（Gibbs）相律是表示处于热力学平衡状态下，系统的自由度、组元数和相数之间的关系。,决定系统平衡状态的变量主要包括成分、温度、压力等。 相律的表达式为 f=c-p+n,对于凝聚系统，可以略去压力这一变数， 此时相律的表达式为f=c-p+1,f自由度， c为组元数， n为影响系统平衡状态的外界因素数目， p为平衡相数,二、相图的基本知识,(一)相图的表示方法 对于凝聚系统，相图测量过程中主要控制温度和成分，因此常见的相
7、图大都以温度和成分为坐标。对于二元系，独立的成分变数只有一个，所以二元系只需用一个横坐标表示成分，纵坐标为温度，所以二元相图为一个平面图形；对于三元系，成分变数有两个，所以其成分必须用一个平面图形来表示，加上温度轴，所以三元相图是一个三维的立体图形。,(二)二元相图的建立,热分析法,图4-6 Cu-Ni二元相图的测定,原理：将体系均匀冷却或加热，当无相变发生时，冷却曲线将连续变化。当体系内发生相变时，冷却曲线上会出现折点或停歇点。根据所测的临界点就可以绘出相图。,(三)杠杆定律,杠杆定律是相图分析的重要工具，适用于两相区，可用来确定两平衡相的成分和相对量。在相图中，任意一点都叫“表象点”一个表
8、象点的坐标值反映一个给定合金的成分和温度。,图4-7 杠杆定律的证明及力学比喻,三、二元匀晶相图,由液相结晶出均一固相的过程称为匀晶转变，具有单一的匀晶转变的相图称为匀晶相图。现以Cu-Ni二元相图为例进行分析。,(一)相图分析与典型合金结晶过程,1. 相图分析,图4-8 结晶过程示意图,（1）纯组元的结晶,2. 结晶过程分析,液态纯组元冷至理论结晶温度Tm（熔点）以下某一温度Tn，就要发生结晶。 结晶是由液态的短程有序状态转变为固态的长程有序状态。结晶过程包括生核和长大过程，如图4-8。,晶核的形成有两种方式。在液体内部，存在大量时聚时散的近程有序的大小不等的原子集团即晶胚。在过冷的情况下，
9、借助液体中的能量起伏，某些晶胚的尺寸有可能大于临界尺寸，这些晶胚可自发生长，成为结晶核心，所以这种形核方式叫自发形核或均匀形核。另一种形核方式为结晶时，依附过冷液相中的高熔点固态杂质形成晶核，所以称非自发形核或非均匀形核。非均匀形核所需能量比均匀形核低得多，所以实际金属结晶大多是非均匀形核。 由晶核长成的小晶体叫晶粒，晶粒之间的交界叫晶界。晶粒的二维平衡形貌为多边形块状，三叉晶界，晶界夹角为120。,（2）固溶体的结晶,对于二元合金，组元数为2，结晶时两相共存，故f=22+1=1 ，所以固溶体合金在一定温度范围结晶。典型合金平衡结晶过程，如图4-9所示。合金冷至液相线t1温度开始结晶出含高熔点
10、组元Ni多的1固溶体。随温度的下降，固溶体的数量不断增多，液相的数量不断减少，同时液固两相的成分也分别沿液相线和固相线不断变化。冷至固相线温度t3时，结晶结束。由于平衡结晶，原子有充分扩散时间，所以结晶出的固溶体成分均匀一致。,图4-9 Cu-Ni相图与典型合金平衡结晶分析,(二)固溶体合金的非平衡结晶及其组织,分析非平衡结晶过程可参考图4-9。,Cu-Ni合金的枝晶偏析如图4-10所示。,图4-10 Cu-Ni合金的枝晶偏析,四、二元共晶相图与包晶相图,两组元液态完全互溶，固态有限互溶可形成共晶相图或包晶相图。,(一)共晶相图,一定成分的液相冷至某一温度，在恒温下分解为两个不同的固相的转变称
11、为共晶转变。具有共晶转变的相图叫共晶相图。转变所生成的两相机械混合物称为共晶组织。,1. 共晶相图分析,图4-11 Pb-Sn合金相图,2. Pb-Sn合金平衡结晶过程,图4-12 Pb-Sn合金平衡组织 a) 合金 (固溶体合金) b) 合金 (共晶合金) c) 合金 (亚共晶合金),3. 伪共晶与与离异共晶,（1）伪共晶,平衡凝固时，任何偏离共晶成分的合金都不可能得到百分之百的共晶组织。在非平衡凝固条件下，成分接近共晶的亚共晶与过共晶合金，凝固后却可以得到全部的共晶组织。这种非共晶成分的共晶组织称为伪共晶。,图4-13 热力学考虑的伪共晶区,（2）离异共晶,当合金中共晶组织所占体积分数很少
12、，先共晶相所占体积分数很大时，共晶组织中与先共晶相相同的相会依附先共晶相长大，把另一组成相孤立出来，形成以先共晶相为基，另一组成相连续或断续分布在先共晶相的晶粒边界上，如图4-14。这种两相分离的共晶组织叫离异共晶。,图4-14 Al-Si合金系的伪共晶区,(二)包晶相图,图4-15 Pt-Ag相图,图4-16 合金平衡结晶示意图,五、其它类型的二元相图,(一)组元间形成化合物的相图,1. 组元间形成稳定化合物的相图,图4-17 Mg-Si相图,稳定化合物是指具有一定熔点，并且在熔点以下不发生分解的化合物。,2. 组元间形成不稳定化合物的相图,图4-18 K-Na相图,不稳定化合物是指加热到一
13、定温度就发生分解的化合物。,(二)具有共析反应的相图,在高温，合金液以某种转变方式形成一个固相（固溶体），当冷至某一温度时，一定成分的固相在恒温下分解为两个不同的固相的转变称为共析转变。共析转变与共晶转变非常相似，所不同的是反应相不是液相，而是固相。例如，铁碳合金中的高温相奥氏体（0.77）在727发生共析反应生成两种新的固相（Fe3C与0.0218）的转变就是共析转变。,六、合金相图与性能关系,图4-19 相图与合金硬度、强度及导电率之间的关系,图4-20 相图与合金铸造性能之间关系,第三节 铁碳合金相图与铁碳合金,一、铁碳合金的组元和相,(一)组元,1. 纯铁,铁的原子序数为26。熔点15
14、38，沸点2930，20时的密度7.87g/cm3，原子量55.85。铁原子外层电子的组态是3d64s2。随温度的变化铁会发生同素异构转变。912以下为体心立方的-Fe，9121394为面心立方的-Fe，13941538为-Fe。低温的铁具有铁磁性，770以上无铁磁性。纯铁强度和硬度较低，塑性和韧性较高，具有高的导磁率，常用于要求软磁性的场合，如作仪器仪表的铁心等。,2. 碳和渗碳体,碳的原子序数为6，原子量12.01。自然界中碳以石墨和金刚石两种形式存在。在铁碳合金中，碳是不会以金刚石形式存在的。所以Fe-C（石墨）相图中石墨就是另一个组元。石墨的熔点3836，沸点4830，20时的密度3.
15、25g/cm3，原子量12.01。具有层状的六方结构。虽然同一层内原子以共价键结合，原子间距较小（0.142nm），结合力较强，但层与层间距较大（0.340nm），结合力较弱，因此石墨强度与塑性极低，例如抗拉强度b19.6MPa，硬度小于3HB。,在Fe-Fe3C二元系中，稳定化合物Fe3C（渗碳体）为一个组元。,(二)铁碳合金中的固态合金相,铁碳合金中共有五种合金相。铁素体是碳原子溶入体心立方结构铁中的扁八面体间隙内形成的间隙式固溶体。溶入-Fe中称为铁素体用或F表示，在727时，具有最大溶碳量wC=0.0218%；溶入-Fe中称为高温铁素体用表示，在1495时，具有最大溶碳量wC=0.09
16、%。 奥氏体是碳原子溶入-Fe的正八面体间隙内形成的间隙式固溶体，用或A表示。在1148时，具有最大溶碳量wC=2.11%。,二、Fe-Fe3C相图,图4-21铁碳合金双重相图,碳含量超过在铁中的固溶度后，可以以Fe3C形式或石墨形式存在。故铁碳相图有Fe-Fe3C系与Fe-C（石墨）系两种。由于石墨的自由能永远低于Fe3C，所以前者为亚稳系后者为稳定系。热力学决定了碳在稳定系中的固溶体内的固溶度小于亚稳系，而共晶温度与共析温度高于亚稳系。,(一)Fe-Fe3C相图分析,1. Fe-Fe3C相图的相区,该相图有L、和Fe3C共 5个单相区，利用相区接触法则可找出L+、L+、+等7个两相区和3个三相区（三条水平线）。,2. 主要特性线,ABCD与AHJECF分别为固相线和液相线。,三条水平线：HJB（1495）为包晶线、ECF（1148）为共晶线、PSK（727）为共析线。,固态转变线,GS线,ES线,PQ线,770线为铁素体的磁性转变线（
