材料科學(xué)基礎(chǔ)4-2二元相圖及其類(lèi)型課件

1、第二節(jié) 二元相圖及其類(lèi)型 一.相圖基本知識(shí) 利用相圖可以獲取的信息 (1)不同成分的材料在不同溫度下存在哪些變化 (2)各穩(wěn)定相的相對(duì)量是多少(3)成分與溫度變化時(shí)所可能發(fā)生的變化 下頁(yè)返回了解相圖的分析和使用方法后，就可以了解合金的組織狀態(tài)，進(jìn)而預(yù)測(cè)合金的性能。另外，可以根據(jù)相圖來(lái)制訂合金的鍛造和熱處理工藝。組元組成材料最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)。合金有兩種或兩種以上的金屬、或金屬與非金屬經(jīng)熔煉或用其它方法制成的具有金屬特性的物質(zhì)。后退下頁(yè)相合金中具有同一聚積狀態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特性并以界面相互隔開(kāi)的均勻組成部分。相描述系統(tǒng)的狀態(tài)、溫度、壓力及成分之間關(guān)系的一種圖解。所謂相即體系中一切具有相同的物理性

2、能與化學(xué)性能的均勻部分，與其它有明顯界面分開(kāi)，超越界面會(huì)有性質(zhì)突變，否則仍為同一相。相后退下頁(yè)對(duì)于合金系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要保持物理性能、化學(xué)性能相同則要滿(mǎn)足：成分相同和結(jié)構(gòu)相同。 相變由一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱肆硪幌嗟倪^(guò)程。相律f=C-P+2 C系統(tǒng)組元，P平衡時(shí)共存的相數(shù)目，f自由度 后退下頁(yè)相平衡L4.3=r2.11+Fe3C6.69 溫度：1148一、相圖的基本知識(shí)合金相圖是應(yīng)用圖解的方法，表示合金的成分、平衡相狀態(tài)及外界條件（溫度、壓力等）之間關(guān)系的圖線，它是研究合金中的相變規(guī)律的基礎(chǔ)。一、單元系相圖返回下頁(yè)下圖是水的相圖，在以溫度和壓力為兩坐標(biāo)的平面圖上，表示出水的3種存在狀態(tài)與溫度和壓力的關(guān)系。（如

3、圖）二、合金的相平衡概念及相律 由于相平衡條件的約束，處于平衡狀態(tài)的合金中可能存的相數(shù)，將受到組元數(shù)及外界條件的限制，這種限制可從相平衡的熱力學(xué)條件推處，這就是相律，即 f=CP+2返回下頁(yè)水的狀態(tài)示意圖PT水冰氣其中f為系統(tǒng)的自由度數(shù)，C為組元數(shù)，P為相數(shù)。相律表明：在只受外界溫度和壓力影響的平衡系統(tǒng)中，其自由度數(shù)等于組元數(shù)與相數(shù)之差再加上2。所謂自由度，即指獨(dú)立可變的因返回下頁(yè)素，包括各組成相的成分、數(shù)量及溫度、壓力等。在金屬及合金的制造和應(yīng)用過(guò)程中，一般都是在常壓下進(jìn)行的，因此常把壓力看成一個(gè)常數(shù)，相律的表達(dá)式可寫(xiě)成 f=CP+1返回下頁(yè)相律在相圖中的應(yīng)用組元數(shù)（C） 相數(shù)（P） f=C

4、P+1二元系2三元系3單相合金，成分和溫度都可變兩相平衡，成分、相對(duì)量和溫度等因素中只有一個(gè)獨(dú)立變量三相平衡，三相的成分、相對(duì)量及溫度都確定單相合金其中兩個(gè)組元的含量及溫度三個(gè)因素均可變兩相平衡，兩相的成分、數(shù)量及溫度中有兩個(gè)獨(dú)立變量三相平衡，所有變量中只有一個(gè)是獨(dú)立變量四相平衡所有因素都確定不變12312342103210含義下頁(yè)返回相圖的建立上頁(yè)下頁(yè)杠桿定律abABab溫度后退下頁(yè)二.二元系相圖 1.勻晶相圖tAABX12tBL0L12冷卻曲線tB%后退下頁(yè)形成：液態(tài)完全互溶，固態(tài)完全互溶 ，即形成 勻晶相圖。冷凝過(guò)程：液相線:合金凝固的開(kāi)始轉(zhuǎn)變線L=時(shí)液相 的平衡成分線 。固相線:合金凝

5、固終了線L=時(shí)固相的平衡成分線。 組成圖5-15后退下頁(yè)7/24/202213返回不平衡凝固：出現(xiàn)枝晶偏析(主枝與分枝成分不均勻)圖5-16后退下頁(yè)固溶體與純金屬結(jié)晶的不同之處：（1）固溶體結(jié)晶是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)完成的，而純金屬結(jié)晶是在恒溫下完成的。（2）合金結(jié)晶過(guò)程中，結(jié)晶出的固相與共寸液相的成分不同，這種結(jié)晶稱(chēng)為選分結(jié)晶。而純金屬在結(jié)晶過(guò)程中，固相與液相的成分始終是相同的。上頁(yè)下頁(yè)2.共晶相圖 形成：液相完全互溶，固相有限互溶，有共晶反應(yīng)的相圖。 后退下頁(yè)后退下頁(yè)（1）相圖分析 液相線：e 、be固相線：m 、bnmf為Sn在Pb中的固溶度曲線ng為Pb在Sn中的固溶度曲線三個(gè)單相區(qū)：L、

6、三個(gè)兩相區(qū)：L+、L+、+。三個(gè)兩相區(qū)的接觸線men為共晶反應(yīng)線，此線表示三相共存區(qū)后退下頁(yè)（2）共晶轉(zhuǎn)變 在三相共存水平線men上，兩條液相線匯交于e點(diǎn)。e點(diǎn)以上是液相區(qū)，e點(diǎn)下方是+兩相共存區(qū)。這說(shuō)明，相當(dāng)于e點(diǎn)成分的液相，當(dāng)冷至三相共存線men時(shí)會(huì)同時(shí)結(jié)晶出成分為m的相與成分為n的相。三個(gè)單相區(qū)：三個(gè)兩相區(qū)：后退下頁(yè)共晶反應(yīng)：固相線：液相線：凝固過(guò)程：合金1： 合金2 ：組成后退下頁(yè)不平衡凝固偽共晶 在非共晶成分處獲得100%的共晶組織，只能在非平衡條件下得到。 如圖所示后退下頁(yè)后退下頁(yè)不平衡共晶 m點(diǎn)以左，n點(diǎn)以右合金不平衡凝固時(shí)出現(xiàn)的共晶組織 。后退下頁(yè)離異共晶 當(dāng)初相較多，當(dāng)發(fā)生共

7、晶反應(yīng)時(shí)，與當(dāng)初相相同的一相優(yōu)先形核，將另一相推到最后處形成，失去了共晶形貌，即組織為離異組織。 上頁(yè)下頁(yè)包晶相圖 后退下頁(yè)后退下頁(yè)后退下頁(yè)1.包晶型反應(yīng)有何特點(diǎn)？與共晶反應(yīng)相比，你能否總結(jié)其規(guī)律？2.分析其冷凝過(guò)程，比較平衡與非平 衡凝固的異同？上頁(yè)下頁(yè)起他類(lèi)型的二元系相圖（1）熔晶反應(yīng)：一個(gè)固相在某一恒溫下分解成一個(gè)固相與一個(gè)液相的反應(yīng)。（2）合晶反應(yīng)：由兩個(gè)不同成分的液相在某一恒溫下生成一個(gè)一定成分的固相的反。應(yīng)。（3）偏晶反應(yīng)：在某一恒溫下，由一定成分的液相分解出另一成分的液相，并同時(shí)結(jié)晶出一定成分的固相的反應(yīng)。后退下頁(yè)（4）共析反應(yīng)：在某一恒溫下，一定成分的固相同時(shí)分解成兩個(gè)成分與結(jié)

8、構(gòu)不同的固相反應(yīng)。（5）包析反應(yīng)：兩個(gè)不同成分的固相，在某一恒溫下相互作用生成另一固相的反應(yīng)。表5-6是對(duì)以上反應(yīng)類(lèi)型的總結(jié)上頁(yè)下頁(yè)后退下頁(yè)二元相圖的分析方法一、二元相圖的一些基本規(guī)律（1）相接觸法則：在二元相圖中，相鄰相區(qū)的相數(shù)差為1，點(diǎn)接觸除外。（2）在二元相圖中，三相平衡一定是一條水平線，該向上一定與3個(gè)單相區(qū)有點(diǎn)接觸，其中兩點(diǎn)在水平線的兩端，另一點(diǎn)在水平線中間某處，3點(diǎn)對(duì)應(yīng)于3個(gè)平衡相的成分，此外該線一定與3個(gè)兩相區(qū)相鄰。（3）兩相區(qū)與單相區(qū)的分界線與水平線相交處，前者的延長(zhǎng)線應(yīng)進(jìn)入另一個(gè)兩相區(qū)。后退下頁(yè)四.相圖與性能的關(guān)系1、根據(jù)相圖判斷材料的力學(xué)性能和物理性能圖5-42所示。1）對(duì)于勻晶系，固溶體的強(qiáng)度和硬度均隨溶質(zhì)組元含量的增加而提高。2）固溶體的塑性、電導(dǎo)率隨溶質(zhì)含量的增加而降低。3）電阻隨溶質(zhì)量的增加而增加。上頁(yè)下頁(yè)對(duì)于共晶系和包晶系：1）當(dāng)兩相混合物中兩相的大小及分布都較均勻時(shí)，材料的性能是兩組成相的平均值，即呈線性關(guān)系。2）當(dāng)共晶組織十分細(xì)密，且在不平衡結(jié)晶出現(xiàn)偽共晶時(shí)，其強(qiáng)度和硬度在共晶成分俯近偏離直線關(guān)系而出現(xiàn)峰值。圖5-42中虛線所示。上頁(yè)下頁(yè)2、根據(jù)相圖判斷合金的工藝性能合金的鑄造性能主要表現(xiàn)為合金液體的流動(dòng)性、縮