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第五章 三元合金相图

第五章 三元合金相图. 三元系相图简介. 相图基本知识 三元相图的主要特点 —— 立体图形，主要由曲面构成. 三元系相图简介. 垂直轴表示温度。 成分表示在棱柱底，通常是一等边三角形。 棱柱的每个侧面表示三个二元系统，如 AB ， BC ， AC 。. 三元系相图简介. 相律： f=C-P+1=3-P+1=4-P. 完整的三元相图是三维的。 在三元系统中可能存在四相平衡。 在三元系统中存在三相平衡区域。. （ 1 ） 是立体图形，主要由曲面构成； （ 2 ） 可发生四相平衡转变； （ 3 ） 单、两、三相区均占有一定空间，是变温转变，四相区为恒温水平面。.

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第五章 三元合金相图

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Presentation Transcript

  1. 第五章 三元合金相图

  2. 三元系相图简介 相图基本知识 三元相图的主要特点——立体图形，主要由曲面构成

  3. 三元系相图简介 垂直轴表示温度。 成分表示在棱柱底，通常是一等边三角形。 棱柱的每个侧面表示三个二元系统，如AB，BC，AC。

  4. 三元系相图简介 相律：f=C-P+1=3-P+1=4-P 完整的三元相图是三维的。 在三元系统中可能存在四相平衡。 在三元系统中存在三相平衡区域。 （1） 是立体图形，主要由曲面构成； （2） 可发生四相平衡转变； （3） 单、两、三相区均占有一定空间，是变温转变，四相区为恒温水平面。

  5. 第一节三元合金相图的表示方法 一、成分三角形 三角形中特殊的点和线 （1）三个顶点：代表三个纯组元 （2）三个边：二元系合金 （3）三个边上的点：二元系合金的成分点 三角形内任意一点都代表一个三元合金。

  6. B ↗ C% B% ↘ O A C ← A% 第一节三元合金相图的表示方法 （1）确定O点的成分 1）过O作A角对边的平行线 2）求平行线与A坐标的截距 得组元A的含量 3）同理求组元B、C的含量

  7. C B A 第一节三元合金相图的表示方法 Oa+Ob+Oc=AB=AC=BC=100% A浓度:Oa=Of=Cb B浓度:Ob=Od=Ac C浓度:Oc=Ba A浓度:55% B浓度:20% C浓度:25%

  8. B 90 10 20 80 30 70 40 60 50 50 ↗ III II I 40 60 C% B% ↘ 30 70 20 80 90 10 A C ← A% 90 80 70 60 50 40 30 20 10 • 确定合金的成分 I 点： A%=60% B%=30% C%=10% II点： A%=20% B%=50% C%=30% III 点： A%=40% B%=0% C%=60%

  9. B 90 10 20 80 30 70 40 60 50 50 ↗ 40 60 C% B% ↘ 30 70 20 80 90 10 A C ← A% 90 80 70 60 50 40 30 20 10 • 课堂练习 • 标出75%A+10%B+15%C的合金

  10. B 90 10 20 80 30 70 40 60 50 50 ↗ 40 60 C% B% ↘ 30 70 20 80 90 10 A C ← A% 90 80 70 60 50 40 30 20 10 • 课堂练习 • 标出50%A+20%B+30%C的合金

  11. B ↗ C% B% ↘ P Q A C ← A% 第一节三元合金相图的表示方法 二、在成分三角形中具有特定意义的直线 成分三角形中特殊的点和线 （1）平行于某条边的直线：凡成分位于该线上的材料，其合金所含由此边对应顶点所代表的组元的含量相等。

  12. B 90 10 20 80 30 70 40 60 50 50 ↗ 40 60 C% B% ↘ 30 70 20 80 90 10 A C ← A% 90 80 70 60 50 40 30 20 10 • 课堂练习 1）绘出A ＝40%的合金 2）绘出C ＝30%的合金

  13. B a1′ a2′ c1 E c2 ↗ C% B% F ↘ A C a2 a1 D ← A% 第一节三元合金相图的表示方法 （2）通过某一顶点的直线：凡是成分位于该直线上的三元系材料，其合金所含由另两个顶点所代表的两组元的比值是一定值。

  14. B 90 10 20 80 30 70 40 60 50 50 ↗ 40 60 C% B% ↘ 30 70 20 80 90 10 A C ← A% 90 80 70 60 50 40 30 20 10 • 课堂练习 • 绘出C/ B ＝1/3的合金 • 绘出A/ C ＝1/4的合金

  15. 第二节三元系平衡相的定量法则 问题: 如果将两个已知成分的合金熔配到一起,那么, 所得到的新的合金的成分是多少? 一.直线法则和杠杆定律 当温度选定后，三元系的两相共存状态系统的自由度为1。也就是说，两相共存区中的两个平衡相，其中只有一个相的成分可以独立变化，而另一个相的成分随之而改变，如果已知一个平衡相的成分，就可以确定出与之对应的另一平衡相的成分。 （1）两平衡相成分的确定——直线法则 • 直线法则(共线法则): 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,必须在同一条直线上.

  16. 第二节三元系平衡相的定量法则

  17. 第二节三元系平衡相的定量法则 （2）平衡相相对量的确定——杠杆定律 用法与二元相同。

  18. 第二节三元系平衡相的定量法则 已知：合金P、Q成分分别为： P：wA=60%，wB=20%，wC=20%； Q：wA=20%，wB=40%，wC=40%； P合金质量占新合金R的75%。 解答： RQ/PQ=75% RQ/PQ=R1Q1/P1Q1 R1Q1/P1Q1=（R1C-20）/（60-20）=0.75 R1C=50% 同理：R2A=25% R合金成分： wA=50%，wB=25%，wC=25%；

  19. 第二节三元系平衡相的定量法则 二. 重心法则 在一定温度下，处于三相共存状态的合金，在此温度下三个平衡相的质量分数可由重心法则求出。 重心法则：处于三相平衡的合金，其成分点必位于共轭三角形的重心位置，而且三个平衡相间有如下关系：

  20. 第三节三元匀晶相图 • 三元系统中三个组元在液态和固态都无限互溶的三元相图叫做三元匀晶相图。 • 具有匀晶转变的三元合金系有：Fe-Cr-V、Cu-Ag-Pb等。 一. 相图分析 • A、B、C熔点 • 液相面, 固相面 • 单相区,两相区

  21. 第三节三元匀晶相图 二. 三元固溶体合金的结晶过程 t1:开始从液相结晶出α固溶体，此时液相的成分l1即为合金成分，固相的成分为S1 t1~t2：L相不断减少， α相不断增多，固相的成分由S1变化至S2，液相成分由l1移至l2 t2~t3：L相不断减少， α相不断增多，固相的成分由S2变化至S3，液相成分由l2移至l3 t4：液相全部消失，全部为α相，固相的成分为S4，液相的成分为l4

  22. 第三节三元匀晶相图 直线法则：在两相平衡时，合金及两个平衡相的成分点必定位于一条直线上，由此可以确定，合金的成分必位于液相和固相成分点的连接线上。 t1：连接线l1S1 t2：连接线l2S2 t3：连接线l3S3 t4：连接线l4S4 T3 T2 T1 A B α T4 T5 O L 注意: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,但是,液相和固相成分的变化轨迹不在同一个平面上.在成分三角形上的投影像一只蝴蝶，称之为蝴蝶形规律。 C TB > TA > TC

  23. 第三节三元匀晶相图 • 三元相图立体模型的优点： • 直观——可以确定合金的相变温度、相变过程及室温下的相组成 三元相图立体模型的缺点： • 实际应用时，用纸面上画出的这种立体模型很难达到目的，即使这种最简单的匀晶相图也很难确定O’O直线与液相面和固相面的交点，也不能确定在一定温度下两平衡相的成分和含量。

  24. 第三节三元匀晶相图 三. 等温截面（水平截面） 等温截面：表示三元系合金在某一温度下的状态。 （1）做法：在立体模型中插入一个t1温度的水平面，该面与固相面和液相面分别交截于L1L2和S1S2，将这两条线投入到成分三角形上，就得到该截面图。 （2）截面图分析 • 3个相区：L, α, L+α; • 2条相线：L1L2, S1S2（共轭曲线）; 等温截面图不是先作立体模型后再切截下来的，而是用实验方法直接测定的。 合金O在t1温度下的固相和液相L和含量为:w=nO/mn; wL=mO/mn.

  25. 第三节三元匀晶相图 四. 变温截面（垂直截面） • 意义：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 （1）做法：某一垂直平面与相图中各面的交线。 （2）二种常用变温截面 经平行于某条边的直线做垂直面获得； 经通过某一顶点的直线做垂直面获得。

  26. 第三节三元匀晶相图 垂直截面：纵坐标为温度，横坐标为合金 的成分 垂直截面中的两条线：液相线 固相线 垂直截面中的三个区：液相区 固相区 液固两相区 注意: 成分轴的两端不一定是纯组元； 液、固相线不一定相交； 液、固相线不是成分变化线, 不能运用杠杆定律

  27. 第三节三元匀晶相图 （3）结晶过程分析 L→L+α→α

  28. 第三节三元匀晶相图 五. 投影图 等温截面：只能反映一个温度下的情况 变温截面：只能反映一个三元系中很有限的一部分合金的情况。 解决方法：把一系列的等温截面上的有关曲线画在同一个成分三角形中，每一条线上都注明相应的温度，即等温线投影图。 可以确定合金开始凝固的温度（范围）和结晶结束的温度（范围）。

  29. tB tA tC B A C 第四节三元共晶相图 一. 组元在固态完全不溶的共晶相图 E1 • 三组元在液态无限互溶，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。 E3 E2 E

  30. 第四节三元共晶相图

  31. 第四节三元共晶相图 (一) 相图分析 二元共晶点(3个）： • E1 L→A+B • E2 L→B+C • E3 L→A+C • 三元共晶点（1个）： • E L→A+B+C 二元共晶线(3条）： • E1E • E2E • E3E

  32. 第四节三元共晶相图 液相面（3个）： • tAE1EE3tA • tBE1EE2tB • tCE2EE3tC • 固相面（1个）： • 三元共晶面△A1B1C1

  33. 第四节三元共晶相图 • 相区（9个）： • 液相区： L • 两相区： L+A L+B L+C • 三相区： L+A+B、 L+B+C、 L+C+A、 • A+B+C • 四相区： L+A+B+C

  34. 第四节三元共晶相图 二元共晶空间曲面（6个）： • A1A3E1EA1 • B1B3E1EB1 • A1A2E3EA1 • C1C2E3EC1 • C1C3E2EC1 • B1B2E2EB1 位于液相面之下，三元共晶面之上。

  35. 第四节三元共晶相图 (二) 等温截面

  36. 二元共晶 三元共晶 2. O点结晶过程: L----L+A----------L+A+(A+C)-----------A+(A+C)+(A+B+C) 第四节三元共晶相图 (三) 变温截面

  37. 第四节三元共晶相图 通过成分三角形顶点的变温截面

  38. 2. 合金O结晶过程 L----L+A------------L+A+(A+B)---------------A+(A+B)+(A+B+C) 二元共晶 三元共晶 第四节三元共晶相图 (四) 投影图 1. 投影图分析

  39. 第四节三元共晶相图 3.合金O在室温下的相和组织含量 相含量: WA=Oa1/Aa1 WB=Ob1/Bb1 WC=Oc1/Cc1 组织组成物含量: M点时, 初晶A的含量: WA =Om/Am 三元共晶组织的含量:WA+B+C=Og/Eg 二元共晶组织的含量:WA+B=1-(Om/Am)-(Og/Eg)

  40. 三元共晶（A+B+C） 初晶A+二元共晶体（A+B）+三元共晶（A+B+C） 初晶A+三元共晶（A+B+C） 二元共晶体（B+C）+三元共晶（A+B+C）

  41. 第四节三元共晶相图

  42. TB TA TC B A C 第四节三元共晶相图 二、组元在固态有限溶解,具有共晶转变的相图 e1 β e3 相图发展而来。 由三个二元共晶 e2 α E γ TA> TB > TC > e1 > e2 > e3 > TE

  43. 第四节三元共晶相图 (一) 相图分析 1. 液相面（3个） 液相面（3个）： • A’e1Ee3A’ • B’e1Ee2B’ • C’e2Ee3C’

  44. 第四节三元共晶相图 2.固相面 • 3个固溶体相区的固相面 • 1个三元共晶面 • 3个二元共晶转变结束面

  45. 第四节三元共晶相图 3. 二元共晶区(3个)

  46. 第四节三元共晶相图 4.溶解度曲面（6个） 和两个溶解度曲面: a点: 组元B和C在相中最大溶解度. ao点:组元B和C室温时在相中最大溶解度. 注意:a ao、bbo、cco为溶解度曲面的交线, 也是 、、三相的成分变温线(单变量曲线).

  47. 5.相区 4个单相区: 6个两相区: 4个三相区: 1个四相区:

  48. α A 第四节三元共晶相图 • 单相区：L、α、β、γ f=3任意形状空间区域。 与三个两相区衔接。 相 区： L+α α+β α+γ

  49. e1 e1 e2 E A 第四节三元共晶相图 • 双相区：L+α、L+β、L+γ、α+β、α+γ、β+γ； • 一对成分共轭面包围的空间区域，两平衡相的浓度在 • 共轭面上按蝴蝶规律变化。 f=2 α+β L+α

  50. α β γ β β α α L γ 第四节三元共晶相图 • 三相区：L+α+β、 L+α+γ、 L+β+γ、 α+β+γ L→α+β、L→α+γ、 L→β+γ 在TE等温四相面以上有三个三相区，以下有一个，称为3/1转变。 三相区由三相平衡三角形滑动而成。三相区棱边为三个平衡相的浓度变温线。 f=1 E e L→α+β

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