材料科學(xué)基礎(chǔ)三元合金相圖ppt課件

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材料的結(jié)構(gòu),1,晶體缺陷,2,成型的第一個(gè)環(huán)節(jié),回答：1.凝固的熱力學(xué)條件2.凝固過程遵循的基本規(guī)律3.如何控制使性能最佳,基本規(guī)律,,,,凝固前的液體/晶胚,形核,長大本質(zhì)原子跨過界面；方式？界面/擴(kuò)散控制？,類別熱力學(xué)條件（臨界半徑/形核功）影響因素及控制,純金屬的凝固,3,二元相圖,包晶相圖,共晶相圖,勻晶相圖,平衡凝固,,非平衡凝固,,晶內(nèi)偏析、枝晶偏析、成分過冷、偽共晶、離異共晶、包晶偏析,相圖與性能：力學(xué)性能、加工性能、鑄造性能、熱處理可能性,4,鐵碳相圖,碳及元素對碳鋼性能的影響,平衡凝固過程（純鐵、亞共析碳鋼、共析碳鋼、過共析碳鋼、亞共晶白口鑄鐵、共晶白口鑄鐵、過共晶白口鑄鐵）,碳鋼中主要的組元與相,碳鋼分類及牌號,5,第五章三元合金相圖,Ternaryalloyphasediagram,6,主要內(nèi)容,5.1三元合金相圖表示方法★5.2三元勻晶相圖5.3三元共晶相圖★5.4其他形式的三元合金相圖5.5三元合金相圖總結(jié)★5.6三元合金相圖應(yīng)用舉例,7,根據(jù)相律，對于恒壓三元系有：F=3-f+1=4-f最大可能的自由度數(shù)為3?？赡艹霈F(xiàn)最大的相數(shù)為4。對于恒壓三元相圖，一般采用T、xA（或wA）和xB（或wB）3個(gè)強(qiáng)度量作為變量，這樣的相圖占一個(gè)三維空間。,三元系,8,二元相圖與三元相圖的關(guān)系：,二元相圖,（二維平面圖）,三元相圖,（三維立體圖）,＋1維,平面相區(qū),立體相區(qū),線,面,點(diǎn),線,,＋1維,,＋1維,,＋1維,,9,5.1三元合金相圖表示方法,5.1.1成分表示方法,等邊三角型,＋,順時(shí)針坐標(biāo),1.成分（濃度）三角形,10,,,確定O點(diǎn)的成分,1）過O作A角對邊的平行線,2）求平行線與A坐標(biāo)的截距得組元A的含量,,,,,3）同理求組元B、C的含量,11,課堂練習(xí),確定合金I、II、III、IV的成分,,,,,,,,,,,,12,標(biāo)出75%A+10%B+15%C的合金50%A+20%B+30%C的合金,,,,,課堂練習(xí),,,,,13,其它濃度三角形,1）等腰濃度三角形,當(dāng)合金中某一組元含量較少，而另兩個(gè)組元含量較多時(shí)，可將成分三角形兩腰放大成為等腰三角形,只取等腰梯形的部分即可。,14,2）直角濃度三角形,當(dāng)合金成分以某一組元為主，其它兩組元含量很少時(shí)，合金成分將靠近等邊三角形某一頂角，采用直角坐標(biāo)，則可使該部分相圖清楚地表示出來。,15,2濃度三角形中具有特定意義的直線,,,1）平行于某一條邊的直線,16,2）過三角形頂點(diǎn)的直線,,,17,5.1.2三元合金相圖的建立,,,18,二元相圖,（二維平面圖）,三元相圖,（三維立體圖）,＋1維,平面相區(qū),立體相區(qū),線,面,點(diǎn),線,,＋1維,,＋1維,,＋1維,,19,5.1.3三元相圖定量法則1直線法則,一定溫度下三元合金兩相平衡時(shí)，合金的成分點(diǎn)和兩個(gè)平衡相的成分點(diǎn)必然位于成分三角形內(nèi)的同一條直線上。,20,直線法則,,21,假設(shè)：合金O在一定溫度下處于α,β兩相平衡，成分點(diǎn)分別為α及b,O,α,β中A組元含量分別為Cf,Ce,Cg，B組元含量分別為Af’,Ae’,Ag’,合金O重量分?jǐn)?shù)為1。,22,CeWα+Cg(1-Wα)=(Wα+Wβ)CfAe’Wα+Ag’(1-Wα)=(Wα+Wβ)Af’Wα（Af’-Ae’)=Wβ（Ag’-Af’)Wα（Cf-Ce)=Wβ（Cg-Cf)得出：fg/ef=f’g’/e’f’，正是解析幾何中三點(diǎn)一線,23,杠桿定律,r,L,α,A,B,24,★杠桿定律由直線法則導(dǎo)出即三元合金系中兩相平衡的杠桿定律應(yīng)用條件a,某一溫度下，成分給定三元合金處于液固平衡，其中成分可知，可求另一成分b,已知成分的固相在某一溫度下析出一新相時(shí)，新相成分已知，可確定母相成分,25,2重心定律,,適用于三相平衡的情況,26,但是，作圖求三相平衡不夠準(zhǔn)確而產(chǎn)生誤差，用代數(shù)法求解，可避免誤差。已知條件：R合金中A,B,C組元含量為xR,yR,zRα相中A,B,C組元含量為xα,yα,zαβ相中A,B,C組元含量為xβ,yβ,zβγ相中A,B,C組元含量為xγ,yγ,zγ,27,設(shè)αβγ三個(gè)平衡相的重量分?jǐn)?shù)為Wα,Wβ,Wγ，則下式成立：,28,解上述三個(gè)方程得：,29,5.1.4三元相圖熱力學(xué)自由能-成分曲線,30,31,勻晶相圖,32,,,,,,α,β,γ,A,B,33,34,等邊三角型,＋,順時(shí)針坐標(biāo),成分（濃度）三角形,內(nèi)容回顧,35,共切面及連接線,36,共軛曲線,,,,,,,,,,,共軛連線,ab水平面與液相面交線cd水平面與固相面交線成分點(diǎn)：L、L＋S、S,37,三相平衡時(shí)的共切面,38,,四相平衡時(shí)的共切面,39,5.2三元勻晶相圖,三元系中任意兩個(gè)組元均可以無限互溶，它們組成的三元合金也可以形成無限固溶體。這樣的相圖稱為三元勻晶相圖。,40,,,固相面,液相面,由液相線演化而來,由固相線演化而來,單相區(qū)：,L、?,雙相區(qū)：,L+?,5.2.1相圖分析,41,42,5.2.2合金的平衡結(jié)晶過程,43,44,隨著溫度不斷下降，液固兩相成分將分別沿液相曲面和固相曲面變化。根據(jù)直線法則，兩平衡相成分點(diǎn)連線(共軛線)必定通過原合金成分點(diǎn)液相成分點(diǎn)劃過液相曲面，固相成分點(diǎn)劃過固相曲面；軌跡是空間曲線在成分三角形上的投影則呈蝶狀。,合金的平衡結(jié)晶過程,45,5.2.3截面圖1.等溫截面圖（水平截面圖）,,,,46,47,,,,,,,,,,,,,L,L+?,?,48,49,50,51,52,2.變溫截面圖（垂直截面圖）,,,類型一：,,53,,,,類型二：,54,注意,由變溫截面圖可以分析合金在加熱或冷卻過程中發(fā)生的相變，確定相變臨界點(diǎn)，并可推測出不同溫度下合金的組織。但是，變溫截面圖不能反應(yīng)相成分以及相對含量，直線法則和杠桿定律不能使用。,55,5.2.4投影圖,液相面等溫線投影圖,固相面及固溶度面等溫線投影圖,56,57,58,5.3三元共晶相圖,5.3.1組元在固態(tài)互不相溶，具有共晶轉(zhuǎn)變的相圖,59,60,61,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,62,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,L?A,L?B,L?C,63,,L?A+C,L?A+B,L?B+C,64,,A+B+C,L?A+B+C,65,單相區(qū)：,雙相區(qū)：,三相區(qū)：,四相區(qū)：,L,L+A、L+B、L+C,L+A+B、L+B+C、L+A+C、A+B+C,一個(gè),三個(gè),四個(gè),一個(gè),L+A+B+C,66,,E,E3,E1,TA,E,E1,E2,TB,E,E3,E2,TC,L?A,L?B,L?C,67,,液相面,——初生相開始析出,68,,L?A+C,L?A+B,L?B+C,L?A+B+C,固相面,——三相平衡共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束四相平衡共晶,69,,L?A+C,L?A+B,L?B+C,E,A1,A2,B1,B2,E1,E,E3,C1,C3,A1,A3,E,E2,C1,C2,B1,B3,中間面,——三相平衡共晶轉(zhuǎn)變開始,70,,,,E,E3,E1,E2,L?A+C,L?A+B,L?B+C,——三相平衡共晶線,71,——四相平衡共晶點(diǎn),,72,2.等溫截面,73,,,,,,,,L,L+C,L+C,L+A,L+B,L,L+A+C,L+A+C,L+B+C,L+A+B,L+A+B+C,L+C,L+A,L,L+A+C,L+A+B,L+B+C,L,L+A,L+B,L+C,A+B+C,74,,,75,3.垂直截面,1）等比截面,,,,,,,,,,,,,,,,,例一：,L,L+A,L+B,L+A+C,L+B+A,A+B+C,76,,,,,,,,,例二：,,,L,L+A,L+B,L+A+C,A+B+C,77,,,,,,,,,2）定量截面,,,,,L,L+A,L+B,L+A+C,L+B+C,A+B+C,78,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,L,L+A,L+B,L+A+C,L+A+B,A+B+C,L+B+C,79,4.投影圖為了簡化和便于研究，可將空間模型圖中各類區(qū)、面、線投影到成分三角形上，構(gòu)成平面投圖。,80,,,,,,,,,,C,A,B,e1’,e2’,e3’,Ⅴ,Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅵ,E,81,A,B,C,82,L?B,,,,L,A+B+C,相組成：,組織組成：,A+B+C,B初+(A+B)+(A+B+C),,,L?A+B,L?A+B+C,83,L?A+B+C,e,,,,,,,1）E點(diǎn)合金,,,,L,A+B+C,,e1,e2,e3,相組成：,組織組成：,A+B+C,(A+B+C),5.結(jié)晶過程,,84,e,,,,,,,2）e1-e線上的合金,,,A+B+C,,e1,e2,e3,相組成：,組織組成：,A+B+C,(A+B)+(A+B+C),,,L?A+B,L?A+B+C,,85,,e,,,,,,,3）A-e線上的合金,,,A+B+C,,e1,e2,e3,相組成：,組織組成：,A+B+C,A初+(A+B+C),,,L?A,L?A+B+C,86,L?A,,e,,,,,,,4）A-e-e1內(nèi)合金,,,,L,A+B+C,,e1,e2,e3,相組成：,組織組成：,A+B+C,A初+(A+B)+(A+B+C),,,,L?A+B,L?A+B+C,87,88,5.3.2固態(tài)有限溶解的三元共晶相圖,89,90,91,1.相圖分析,92,93,94,95,96,三組元在液態(tài)完全互溶，在固態(tài)部分互溶或完全不互溶，冷卻過程發(fā)生共晶反應(yīng)。,點(diǎn)：熔點(diǎn)；二相共晶點(diǎn)；三相共晶點(diǎn)。,線：兩相共晶線；液相面交線；兩相共晶面交線；液相區(qū)與兩相共晶面交線；,97,液相面固相面(組成)面：二相共晶面三相共晶面溶解度曲面：6個(gè)兩相區(qū)：6個(gè)區(qū)：單相區(qū)：4個(gè)三相區(qū)：4個(gè)四相區(qū)：1個(gè),98,99,2.等溫截面圖：,100,,101,102,103,104,105,等溫截面圖：應(yīng)用：可確定平衡相及其成分；可運(yùn)用杠桿定律和重心定律。三相平衡區(qū)：是直邊三角形；兩相區(qū)與之線接（水平截面與棱柱面交線）；單相區(qū)與之點(diǎn)接（水平截面與棱邊的交點(diǎn)，表示三個(gè)平衡相成分。）,106,107,3.垂直截面圖,108,4.投影圖,,109,,110,,5.凝固過程,111,,I：L?α,相：α組織：α,112,,II：L?αα?β,相：α+β組織：α+β,113,,III：L?αα?β+γ,相：α+β+γ組織：α+β+γ,114,,IV：L?αL?α+β,相：α+β組織：α+（α+β）,115,,V：L?αL?α+βα?γ，β?γ,相：α+β+γ組織：α+（α+β）+γ,116,,VI：L?αL?α+βL?α+β+γ,相：α+β+γ組織：α+（α+β）+（α+β+γ）,117,118,5.4其他形式的三元合金相圖,三相平衡等壓條件下相律：F=C-f+1三相平衡時(shí)，自由度F=1三個(gè)平衡相的成分各是一根隨溫度變化的線。它們兩兩構(gòu)成一個(gè)面，三個(gè)面圍成的區(qū)域?yàn)槿鄥^(qū)。,119,R、Q和U分別表示參與平衡的三個(gè)相，三根相線在空間的配置有兩種方式：,1.中間的相線R比兩側(cè)的相線（Q和U）高，這是共晶型的三相反應(yīng)：R?Q+U,2.中間的相線U比兩側(cè)的相線（Q和R）低，這是包晶型的三相反應(yīng)：Q+R?U,120,考慮x成分合金：在T2溫度時(shí)，只有一個(gè)R相。冷卻到T2‘溫度時(shí)，有兩個(gè)相：Q+U，R相消失。所以，合金x從T2冷卻到T2‘過程中確實(shí)發(fā)生了R?Q+U的共晶反應(yīng)。,121,考慮x成分合金：在T2溫度時(shí)，有兩個(gè)相：Q+R，U相為0。冷卻到T2‘溫度時(shí)，只有一個(gè)U相。所以，合金x從T2冷卻到T2‘過程中確實(shí)發(fā)生了R+Q?U的包晶反應(yīng)。,122,三相平衡區(qū)域在恒溫截面和垂直截面圖中的形狀,123,I三相平衡的空間結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為三根不共面的平衡相成分的變溫線；II三根相線兩兩組成的面圍成三相區(qū)，三個(gè)相的平衡成分只由該溫度的平衡相線來決定；III共晶型三相平衡的三個(gè)相線，中間的相線位置比兩邊的相線高。包晶型的三相平衡的三根相線，中間的相線位置比兩邊的相線低；IV三相區(qū)在恒溫截面圖上表現(xiàn)為直邊三角形，垂直截面圖上表現(xiàn)為曲邊三角形，共晶型的三角形頂點(diǎn)朝上；包晶型的三角形頂點(diǎn)朝下。,124,5.5三元合金相圖的四相平衡轉(zhuǎn)變,等壓條件下自由度F=0表現(xiàn)為在恒定溫度下四個(gè)平衡相的成分點(diǎn)。平面的四個(gè)點(diǎn)可以分別連成四個(gè)三角形，這四個(gè)三角形分別是與四相平衡面接觸的四個(gè)三相區(qū)。四個(gè)點(diǎn)又可以兩兩連成六條線，分別是六個(gè)兩相平衡區(qū)與四相平衡接觸的位置。,125,根據(jù)四個(gè)三相區(qū)與四相平面接觸的情況，可以把四相反應(yīng)分為三種類型（四個(gè)平衡相：R、U、V和Q）,I.第一類四相反應(yīng)：四相平面在高溫與三個(gè)三相區(qū)相接觸，低溫與一個(gè)三相區(qū)相接觸。R?U+V+Q,II.第二類四相反應(yīng)：四相平面在高溫和低溫分別與兩個(gè)三相區(qū)相接觸。R+Q?U+V,III.第三類四相反應(yīng)：四相平面在高溫與一個(gè)三相區(qū)相接觸，低溫與三個(gè)三相區(qū)相接觸。R+U+Q?V,126,1.第一類四相反應(yīng),127,特征：四個(gè)相點(diǎn)都與三根相線連接；中間的相點(diǎn)的三根相線都從高溫來；外邊的三個(gè)相點(diǎn)的三根相線都是兩根從高溫來，一根到低溫去。,128,129,2.第二類四相反應(yīng),130,特征：四個(gè)相點(diǎn)都與三根相線連接；四相區(qū)中間與高溫連接的兩相區(qū)兩個(gè)相點(diǎn)的三根相線有兩根從高溫來，一根往低溫去；另外的兩個(gè)相點(diǎn)的三根相線一根從高溫來，兩根到低溫去。,131,選擇一個(gè)會發(fā)生四相反應(yīng)的成分x，在Tp+dT溫度時(shí)，存在Q、U、R三相。,在Tp-dT溫度時(shí)，存在Q、U、V三相。,132,133,3.第三類四相反應(yīng),134,特征：四個(gè)相點(diǎn)都與三根相線連接；四相區(qū)外面的三個(gè)相點(diǎn)的三根相線有一根從高溫來，兩根往低溫去；四相區(qū)中心的相點(diǎn)的三根相線都往低溫去。,135,136,由液相面投影圖判斷四相平衡反應(yīng)類型,137,I.四相平衡表現(xiàn)為一個(gè)等溫面上的四個(gè)成分點(diǎn)，四個(gè)點(diǎn)組成的面為四相區(qū)。四個(gè)平衡成分點(diǎn)分別與四個(gè)單相區(qū)連接；II.四個(gè)平衡成分點(diǎn)三三平衡，所以四相平面和四個(gè)三相區(qū)以面的方式連接；III.四個(gè)平衡成分點(diǎn)兩兩平衡，所以四相平面和六個(gè)兩相區(qū)以線的方式連接；IV.四相平面與四個(gè)三相區(qū)連接的方式不同決定了三類四相反應(yīng)；V.根據(jù)上述關(guān)系，若在垂直截面截出四個(gè)三相區(qū)，則可以判斷四相反應(yīng)的類型和反應(yīng)式，也可根據(jù)液相面的投影判別反應(yīng)類型和反應(yīng)式。,138,5.6具有化合物的三元相圖及三元相圖的簡化分割,若三元系中有t個(gè)三元穩(wěn)定化合物。有b個(gè)二元穩(wěn)定化合物，可以簡化分割成簡單三元系數(shù)目n為：n=2t+b+1,139,若有多個(gè)穩(wěn)定化合物，從表面看，分割方式可能有多種，但是只有唯一的一種方式是正確的，需要有實(shí)驗(yàn)確定。,140,5.7三元合金相圖應(yīng)用舉例,5.7.1Fe-C-Si三元系的垂直截面圖,141,,三個(gè)三相區(qū)：L+δ+γL+γ+Cγ+α+C,142,143,5.7.2Fe-Cr-C三元系的垂直截面圖C1：Cr7C3，C2：Cr23C6，C3：(Fe,Cr)3C,144,8個(gè)兩相區(qū)8個(gè)三相區(qū)3條水平線,1175oC：,795oC：,760oC：,145,2Cr13不銹鋼（0.2%C，13%Cr）,2.Cr12模具鋼（2%C，13%Cr）,146,3.GCr15軸承鋼（1%C，1.6%Cr）,147,5.7.3Fe-Cr-C三元系的水平截面圖,148,三元相圖,幾種相共存的體系隨外界條件的變化,重心定律,直線法則,成分三角形,共晶三元相圖,勻晶三元相圖,垂直截面圖,水平截面圖,凝固過程,投影圖,,,,三相平衡轉(zhuǎn)變四相平衡轉(zhuǎn)變,,,轉(zhuǎn)變類型、反應(yīng)式、在截面圖、投影圖中的形狀及判斷,149,章節(jié)要點(diǎn),三元相圖的基本法則及適用條件勻晶及兩種共晶三元相圖的截面圖、投影圖及凝固過程三元相圖中三相與四相平衡轉(zhuǎn)變的判斷,作業(yè)：習(xí)題1、3、6,150,