《金属学与热处理第2版 教学课件 ppt 作者 崔忠圻 覃耀春 主编 第五章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属学与热处理第2版 教学课件 ppt 作者 崔忠圻 覃耀春 主编 第五章（49页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第一节 三元合金相图的表示方法,第二节 三元系平衡相的定量法则,第三节 三元匀晶相图,第四节 三元共晶相图,第五章 三元合金相图,第五节 三元相图总结,第六节 三元合金相图应用举例,第一节 三元合金相图的表示方法,二元合金的成分中只有一个变量，其成分坐标轴用一条直线表示，二元合金相图的主要部分是由一个成分坐标轴和一个温度坐标轴所构成的平面中的一系列曲线。三元相图与二元相图比较，组元数增加了一个，成分变量是两个，故表示成分的坐标轴应为两个，两个坐标轴构成一个平面，这样，再加上垂直于平面的温度坐标轴，三元相图便成为一个三维空间的立体图形。构成三元相图的主要部分应该是一系列空间曲面，而不是二元相图中
2、的那些平面曲线。,三元合金的成分通常用三角形表示，这个三角形叫做成分三角形或浓度三角形。常用的成分三角形有等边三角形、直角三角形和等腰三角形，这里主要介绍用等边三角形表示三元合金成分的方法。 取一等边三角形ABC，如图5-1所示。三角形的三个顶点A、B、C分别表示三个组元，三角形的边AB、BC、CA分别表示三个二元系A-B、B-C和C-A的成分。三角形内的任一点则代表一定成分的三元合金。,一、成分三角形,成分三角形,图5-1 等边三角形的几何特性,成分三角形,为了便于使用，在成分三角形内常画出平行于成分坐标的网格，如图5-2所示。为了确定成分三角形中合金x的成分，通过x点作A点对边BC的平行线
3、，截CA或AB边于55%处，这就是合金中A组元的含量。由x点作B点对边CA的平行线，截AB边于20%处，这就是合金中B组元的含量。同样可以确定C组元的含量为25%。,图5-2 有网格的成分三角形,成分三角形,反过来，若已知合金中三个组元的含量，欲求该合金在成分三角形内的位置时，即可在三个边上代表各组元成分的相应点，分别作其对边的平行线，这些平行线的交点即为该合金的成分点。,在成分三角形中，有两条具有特定意义的直线，如图5-3所示。,二、在成分三角形中具有特定意义的直线,图5-3 成分三角形中的特性线,在成分三角形中具有特定意义的直线,凡成分位于该线上的合金，它们所含的、由这条边对应顶点所代表的
4、组元的含量为一定值。如成分位于GQ 线上的所有合金，B组元的含量都是wB=AG %。,（一）平行于三角形某一条边的直线,凡成分位于该直线上的三元合金，它们所含的、由另两个顶点所代表的两组元的量之比是恒定的。,（二）通过三角形顶点的任一直线,第二节 三元系平衡相的定量法则,根据相律，二元合金两相平衡时，有一个自由度，若温度恒定，则自由度为零。说明两个平衡相的成分不变，其连接线的两个端点即为两平衡相的成分，这样就可以应用杠杆定律计算两个平衡相的含量。对于三元合金来说，根据相律，两相平衡时有两个自由度，若温度恒定，还剩下一个自由度，说明两个相中只有一个相的成分可以独立改变，而另一个相的成分则必须随之
5、改变。也就是说，两个平衡相的成分存在着一定的对应关系，这个关系便是直线法则。所谓直线法则（共线法则）是指三元合金在两相平衡时，合金的成分点和两个平衡相的成分点，必定在同一条直线上。,一、直线法则和杠杆定律,直线法则和杠杆定律,直线法则和杠杆定律对于使用和加深理解三元相图都很有用。在以后分析三元相图时，可以利用以下规律： 1）当给定合金在一定温度下处于两相平衡状态时，若其中一相的成分给定，则根据直线法则，另一相的成分点必位于二已知成分点的延长线上。 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。,根据相律可知，某一三元合金处于三相平衡时，其自由度为1，这表明，三个平衡
6、相的成分是依赖温度而变化的，当温度恒定时，则自由度为零，三个平衡相的成分为确定值。显然，在三相平衡时意味着存在三个两相平衡，由于两相平衡时的连接线为直线，三条连接线必然会组成一个三角形，称为连接三角形。,二、重 心 法 则,重 心 法 则,在图5-6中，如由N成分的合金分解为、三个相，三个相的成分点为D、E、F，则合金N的成分必定位于三个两相平衡的连接线所组成的DEF的重心（是三相的质量重心,不是三角形的几何重心）位置上，而且合金质量与三个相质量有以下关系： wNNd=wDd wNNe=wEe wNNf=wFf 式中,wN、w、w、w分别代表N合金及、相的质量，这就是三元系的重心法则，或称为重
7、心定律。,重 心 法 则,图5-6 三元系中的重心法则,第三节 三元匀晶相图,图5-7为三元匀晶相图的立体模型。图中ABC 是成分三角形，三根垂线是温度轴，tA、tB、tC分别为三个组元A、B、C 的熔点，三棱柱体的三个侧面是组元间形成的二元匀晶相图，它们的液相线和固相线分别构成了三元相图的两个空间曲面：上面那个向上凸的曲面叫做液相面，下面那个向下凹的曲面叫做固相面。图中有三个相区：液相面以上的空间为液相区，记为L;固相面以下的空间为固相区，记为；液相面和固相面之间的空间为液固两相共存区，记为L+。,一、相 图 分 析,相 图 分 析,图5-7 三元匀晶相图,三元匀晶转变与二元匀晶转变基本相同
8、，两者都是选择结晶，当液固两相平衡时，固相中高熔点组元的含量较液相高；两者的结晶过程均需在一定温度范围内进行，异类原子之间都要发生相互扩散。如果冷速较慢，原子间的扩散能够充分进行，则可获得成分均匀的固溶体；如果冷速较快，液固两相中原子扩散进行得不完全，则和二元固溶体合金一样，获得存在枝晶偏析的组织。欲使其成分均匀，需进行长时间的均匀化退火。但是两者之间也有差别，在结晶过程中，在同一温度下，尽管三元合金的液相和固相成分的连接线是条水平线，但液相和固相成分的变化轨迹不位于同一个平面上。,二、三元固溶体合金的结晶过程,等温截面又称水平截面，它表示三元系合金在某一温度下的状态。图5-9b即表示ABC三
9、元系在t1温度的等温截面，它相当于在立体模型中插入一个t1温度的水平面，该面与液相面和固相面分别交截于L1L2和S1S2（图5-9a），将这两条线投影到成分三角形上，就得到了图5-9b所示的等温截面图。,三、等温截面（水平截面）,等温截面（水平截面）,图5-9 三元匀晶相图的等温截面 a）立体模型 b）等温截面,变温截面又称垂直截面，它可以表示三元系中在此截面上的一系列合金在不同温度下的状态，即当温度改变时，其相组成变化的情况。 变温截面也是用试验方法测定出来的，它相当于在三元相图的立体模型中插入一个垂直于成分三角形的截面，分别与液相面和固相面相交，得到两条交线，将交线绘于该截面上，即得到变温
10、截面，如图5-10所示。,四、变温截面（垂直截面）,变温截面（垂直截面）,图5-10 三元匀晶相图变温截面 a）立体模型 b）变温截面 c）变温截面,投影图有两种：一种是把空间相图的所有相区间的交线都投影到成分三角形中，好像把相图在垂直方向压成一个平面，借助于对相图空间结构的了解，分析合金在冷却或加热过程中的相变；另一种是把一系列等温截面中的相界线都投影到成分三角形中，在每一条线上都注明相应的温度。这样的投影图称为等温线投影图，其等温线相当于地图上的等高线，可以反映空间相图中各种相界面的变化趋势。,五、投 影 图,投 影 图,三元匀晶相图的液相面和固相面上无任何相交的点和线，所以作第一种投影图
11、无任何意义。一般应用的是等温线投影图，如图5-11所示。,图5-11 匀晶相图投影图 a）液相面投影图 b）固相面投影图,第四节 三元共晶相图,（一）相图分析 三组元在液态能无限互溶，在固态几乎完全互不溶解，并且其中任两个组元具有共晶转变，形成简单的三元共晶系，其立体模型如图5-12所示。tA、tB、tC分别为A、B、C 三组元的熔点，并且tAtBtC。图的三个侧面是三个二元共晶相图，E1、E2、E3分别表示A-B、B-C和C-A的二元共晶点，并且tE1tE2tE3。,一、组元在固态完全不溶的共晶相图,图5-12 三元共晶相图,组元在固态完全不溶的共晶相图,（二）等温截面,图5-14 三元共晶
12、相图的等温截面 a）tBt1tC b）t2=tE1 c）t3=tE2 d）t4=tE3 e）tE3t5tE f）t6tE,组元在固态完全不溶的共晶相图,（三）变温截面,图5-15 平行于AB边的cd变温截面a）立体模型 b）变温截面,组元在固态完全不溶的共晶相图,（四）投影图,图5-20 三元共晶相图的投影图,（一）相图分析 图5-22为固态下有限溶解的三元共晶相图立体模型。它与组元在固态完全不溶的共晶相图基本相同，其区别仅在于在相图中增加了三个单相固溶体区、以及与之相应的固态溶解度曲面。,二、组元在固态有限溶解，具有共晶转变的相图,图5-22 固态下有限溶解的三元共晶相图,组元在固态有限溶解
13、，具有共晶转变的相图,1.液相面 从图5-22可以看出，液相面共有三个，即Ae1Ee3A、Be1Ee2B、Ce2Ee3C。在液相面之上为液相区，当合金冷却到与液相面相交时，分别从液相中析出、和相。,（一）相图分析,组元在固态有限溶解，具有共晶转变的相图,2.固相面 在图5-22中，由于三组元在固态下相互溶解，形成三个固溶体、，因此在相图中形成三种不同类型的固相面： 1）三个固溶体相区的固相面 2）一个三元共晶面 3）三个二元共晶转变结束面,（一）相图分析,组元在固态有限溶解，具有共晶转变的相图,3.二元共晶区 共有三组，每组构成一个三棱柱体，每个三棱柱体是一个三相平衡区。 图5-24画出了三元
14、共晶相图中四个三个相区和部分两相区。,（一）相图分析,图5-24 三元共晶相图中的两相区和三相区,组元在固态有限溶解，具有共晶转变的相图,4.溶解度曲面 在三个二元共晶相图中，各有两条溶解度（或固溶度）曲线，如a1a0、b1b0等。随着温度的降低，固溶体的溶解度下降，从中析出次生相。在三元相图中，由于第三组元的加入，溶解度曲线变成了溶解度曲面，随着温度的降低，同样将从固溶体中析出次生相来，这些溶解度曲面的存在，是三元合金进行热处理强化的重要依据。,（一）相图分析,组元在固态有限溶解，具有共晶转变的相图,（一）相图分析,图5-25 和相的溶解度曲面,组元在固态有限溶解，具有共晶转变的相图,5.相
15、区 该相图共有四个单相区，即液相区L和、三个单相固溶体区。有六个两相区，即L+、L+、L+；+、+、+。有四个三相区，其中位于三元共晶面之上的有三个：L+、L+、L+。位于三元共晶面之下的有一个：+。此外，还有一个四相共存区：L+，三角形的顶点是三个固相的成分点，液相的成分点位于三角形之中。,（一）相图分析,组元在固态有限溶解，具有共晶转变的相图,（二）等温截面,图5-26 共晶相图的一些等温截面,组元在固态有限溶解，具有共晶转变的相图,（二）等温截面,图5-26 共晶相图的一些等温截面,组元在固态有限溶解，具有共晶转变的相图,（二）等温截面,图5-26 共晶相图的一些等温截面,组元在固态有限
16、溶解，具有共晶转变的相图,（三）变温截面,图5-27 三元共晶相图的变温截面,组元在固态有限溶解，具有共晶转变的相图,（四）投影图,图5-28 三元共晶相图投影图,第五节 三元相图总结,二元相图的两相区以一对共轭曲线为边界，三元相图的两相区以一对共轭曲面为边界，投影图上就有这两个面的投影。由于两相区的自由度为2，所以无论是等温截面还是变温截面都截取一对曲线为边界的区域。在等温截面上，平衡相的成分由两相区的连接线确定，可以应用杠杆定律计算相的含量。当温度变化时，如果其中一个相的成分不变，则另一个相的成分沿不变相的成分点与合金成分点的延长线变化。如果两相成分均随温度而变化时，则两相的成分按蝴蝶形规律变化。在变温截面上，只能判断两相转变的温度范围，不反映平衡相的成分，故不能用杠杆定律计算相的含量。,一、三元系的两相平衡,三元系的三相平衡，其自由度数为1。三相平衡区的立体模型是一个三棱柱体，三条棱边为三个相成分的单变量线
