《復(fù)雜相圖分析 相圖的熱力學(xué)基礎(chǔ)西安交大材料科學(xué)基礎(chǔ)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《復(fù)雜相圖分析 相圖的熱力學(xué)基礎(chǔ)西安交大材料科學(xué)基礎(chǔ)（72頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級(jí),,第三級(jí),,第四級(jí),,第五級(jí),,,*,第三節(jié) 復(fù)雜相圖分析,,一.分析方法步驟,,(1)相圖中若有穩(wěn)定中間相，可依此把相圖分為幾,,個(gè)部分，根據(jù)需要選取某一部分進(jìn)行分析。,(2)根據(jù)相區(qū)接觸法則填寫個(gè)空白相區(qū)。,(3)利用典型成分分析合金的結(jié)晶過(guò)程及組織轉(zhuǎn)變，,,并利用杠桿定律分析各相相對(duì)量隨溫度的變化,,情況。,下頁(yè),后退,,二、復(fù)雜二元相圖的分析方法,,（1）先看清它的組元，然后找到它的單相區(qū)，分清哪些是固溶體，哪些是中間相。,,（2）根據(jù)相接觸法測(cè)，檢查所有雙相區(qū)是否填寫完全并正確無(wú)誤，如有疏漏，可將它們完善。,,（3）

2、找出所有水平線，分析每一個(gè)三相平衡反應(yīng)是何種類型。,,（4）如果相圖中存在穩(wěn)定的化合物，則可把它看成一個(gè)組元。,,二.復(fù)雜相圖分析,,下頁(yè),后退,,●鐵碳相圖,下頁(yè),后退,,●分析思路：,%C,%C,%C,三.Fe-Fe,3,C相圖,下頁(yè),后退,,三個(gè)重要反應(yīng),：,五個(gè)基本組織,：,五條特征線,:,冷凝過(guò)程,利用杠桿定律求相對(duì)量,C %對(duì)碳鋼性能的影響,實(shí)際應(yīng)用,下頁(yè),后退,,一、五個(gè)單相,,（1）,液相,；,,（2）,δ-,相,：碳在,α-Fe,中的固溶體，稱高溫鐵素體，體心立方結(jié)構(gòu)，在1394,oC,以上存在；,,（3）,γ,相,：碳在,γ-Fe,中的固溶體，稱為奧氏體，常用A表示，面心立

3、方結(jié)構(gòu)，在727,o,C以上存在，在1148,o,C時(shí)有最大的碳溶解度為2.1,%,；,,（4）,α,相,：碳在,α-,Fe中的固溶體，稱為鐵素,,（體，體心立方，在912,o,C以下存在，在,下頁(yè),后退,,727,°,C時(shí)碳溶解度最大為0.02,%,，在室溫下，僅為0.008,%,常用F表示；,,,5）,Fe,3,C,：中間相，屬于間隙相，復(fù)雜正交結(jié)構(gòu)，稱為滲碳體。,,二、三條水平線,,（1）,HB線,包晶轉(zhuǎn)變 L+,δ γ,,（2）,EF線,共晶轉(zhuǎn)變 L,γ+Fe3C,共晶體稱為萊氏體。,,（3）,PK線,共析轉(zhuǎn)變,γ α

4、+Fe3C,共析體稱為珠光體。,,,1495,o,C,1148,o,C,727,o,C,下頁(yè),后退,,三、ES線,,ES線是,γ,相中碳的溶解度極限，這是一條很重要的線，在1148,o,C時(shí)，,γ,中碳的溶解度最高，達(dá)2.11,%,，隨溫度下降，溶解度大幅度減小，727,o,C時(shí)僅0.77,%,。,,四、Fe3C的形成條件,,（1）含碳4.3,%,至6.69,%,的合金凝固時(shí)在液相線CD以下，從液體中結(jié)晶出Fe,3,C，稱為,一次滲碳體,，記作Fe,3,C,I,；,,（2）含碳0.77,%,至2.11,%,的合金，從,γ,相冷卻低于ES線時(shí)，由于,γ,相中碳過(guò)飽和，從而從,γ,相中析出Fe,3

5、,C稱為,二次滲碳體,，記為Fe,3,C,Ⅱ,；,,,（3）含碳0.008,%,至0.02,%,的,α,相，當(dāng)冷至PQ線以下時(shí)，從過(guò)飽和的,α,相中析出的Fe,3,C稱為,三次滲碳體,，記作Fe,3,C,Ⅲ,。三次滲碳體由于數(shù)量及少，一般可以忽略。,,四、典型合金的平衡凝固過(guò)程和顯微組織,,（1）共析成分（0.77%C）的Fe-C合金（共析鋼）,,當(dāng)冷至BC線以下時(shí)，從液相中結(jié)晶出,γ,相，至BE線結(jié)晶完成，當(dāng),γ,相繼續(xù)冷卻至727,o,C時(shí)，,,,,,發(fā)生共析分解：,γ α+,Fe,3,C，直至室溫，共析體也稱為珠光體（P），典型形貌是層片狀，P中,α,和

6、Fe,3,C兩相的相對(duì)量可通過(guò)杠桿定理來(lái)求得，即,,,,α/,Fe,3,C= =7.87,,,（2）共晶成分Fe-C合金（共晶鑄鐵， 4.3%C）,,共晶合金冷至1143,o,C時(shí)發(fā)生共晶反應(yīng)，L,γ+,Fe,3,C，共晶產(chǎn)物為萊氏體（La）。 La,727°C,6.69,—0.77,0.77,—0.02,1143,o,C,,中的,γ,相含碳量為2.11,%,，這是,γ,相中最高的碳溶解度，隨溫度下降，,γ,相中碳溶解度大大降低，因此從,γ,相中析出Fe,3,C,Ⅱ,，剩余,γ,相中的含碳量沿ES線變化，直到727,o,C，,γ,相中含碳量

7、達(dá)到0.77,%,，這時(shí)發(fā)生共析分解：,,,,γ α+,Fe,3,C，,,形成珠光體。由此可見(jiàn)，室溫下的萊氏體是（ Fe,3,C,Ⅱ,+P,）+ Fe,3,C，的機(jī)械混合物，與共晶產(chǎn)物已有區(qū)別，室溫萊氏體常記作La,′,。,,萊氏體中的,γ,和Fe,3,C兩相相對(duì)量可用杠桿定理求得，即,,,,,727°C,,,γ= = 51.9%,,,,,Fe,3,C= =48.1,%,,,,萊氏體中的,γ,相冷至室溫過(guò)程中又轉(zhuǎn)變?yōu)镕e,3,C,Ⅱ,和P兩部分，這兩部分相對(duì)量也可通過(guò)杠桿定理

8、求得，即,,,P= =77.5,%,,6.69,–,4.3,6.69,–,2.1,4.3,–,2.1,6.69,–,2.1,6.69,–,2.1,6.69,–,0.77,,,,,,,,Fe,3,C,Ⅱ,= =22.5%,,,顯示在整個(gè)萊氏體中,,P=0.775×0.519=40.2%,,Fe,3,C,Ⅱ,=0.225×0.519=11.7%,,（3）亞共析鋼的凝固過(guò)程,,含碳量,<,0.77,%,的Fe-C合金為亞共析鋼。這種合金在凝固時(shí)，一部分在高溫區(qū)可能產(chǎn)生包晶轉(zhuǎn)變，由于對(duì)以后的結(jié)晶過(guò)程影響不大，

9、分析時(shí)從略，凝固結(jié)束時(shí)得到全部,γ,相，當(dāng)冷至GS線時(shí)，一部分,γ,相轉(zhuǎn)變?yōu)?α,，進(jìn)入,2.1,–,0.77,6.69,–,0.77,,α+γ,兩相區(qū)，隨溫度降低，兩相平衡成分分別沿GP和GS線變化，至727,o,C，剩余,γ,相含碳量達(dá)0.77,%,，因此產(chǎn)生共析反應(yīng)，最后得到F+P的組織。設(shè)某亞共析鋼的含碳量為C，則該鋼室溫組織中的,α,和P兩部分的相對(duì)量可用杠桿定理求出，即,,,,α=,,,P=,,,,,C,–,0.02,0.77,–,0.02,0.77,–C,0.77,–,0.02,,,,,(4)過(guò)共析鋼的凝固過(guò)程,,含碳量,>,0.77,%,至,,2.11,%,之間的Fe-C合金為

10、過(guò)共析鋼，凝固過(guò)程較簡(jiǎn)單，從略，其室溫組織為P+ Fe,3,C,Ⅱ,。,,,（5）亞共晶鑄鐵的凝固過(guò)程,,含碳量在2.11,%,至4.3,%,之間為亞共晶鑄鐵，當(dāng)冷至液相線BC以下時(shí)開(kāi)始結(jié)晶出,γ,相，在（L+,γ,）兩相區(qū)中，L、,γ,的平衡成分分別沿BC和JE線變化，當(dāng)達(dá)到1148,o,C時(shí)，剩余液相成分為4.3,%,，因此產(chǎn)生共晶反應(yīng)，,,L,γ+,Fe3C,1148,o,C,,再繼續(xù)冷卻時(shí)， La 變?yōu)長(zhǎng)a,′,，而先共晶結(jié)晶出的,γ,相也和萊氏體中的,γ,相一樣轉(zhuǎn)變成P+ Fe,3,C,Ⅱ,，因此亞共晶鑄鐵的室溫組織為L(zhǎng)a,′,+P+ Fe,3,C,Ⅱ,。令合金成分為3,%C,，則室

11、溫組織中各部分的相對(duì)量為,,,La,′= =40.9%,,,Fe,3,C,Ⅱ,=,×59.1%=13.3%,,3,– 2.1,4.3,–,2.1,2.1,–,0.77,6.69,–,0.77,,,,P=1 –,La,′ –,Fe,3,C,Ⅱ,=45.8%,,(6)過(guò)共晶鑄鐵,,這種鑄鐵含碳量在4.3,%,至6.69,%,之間，室溫組織為L(zhǎng)a,′ +,Fe,3,C,I,。,,●鐵碳合金中的相及組織,,珠光體P,——F與 Fe,3,C的機(jī)械混合物，強(qiáng)度、硬 度較高。,,鐵素體F(,α,),——C在-Fe中的間隙固溶體，體心立 方結(jié)構(gòu),強(qiáng)度低塑性忍性好

12、、鋼中軟忍相。,,,,δ,鐵素體,——C在-Fe中的間隙固溶體，體心立方結(jié)構(gòu)，與性能相似,,滲碳體Fe,3,C,——間隙化合物，具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)。 很硬、很脆塑忍性幾乎為零。鋼中強(qiáng)化相，其粗細(xì)程度、分布狀態(tài)對(duì)鋼的性能影響很大。,,奧氏體A(r),——C在r-Fe中的間隙固溶體，面心立方結(jié)構(gòu)，塑性好，具有順磁性。,,萊氏體Ld,——r與Fe,3,C機(jī)械混合物。,下頁(yè),后退,,,中各主要點(diǎn)的溫度，含碳量及意義,下頁(yè),后退,,●含碳量對(duì)鋼的組織和性能的影響,亞共析鋼,：隨含碳量增加，珠光體量增加，,,鋼的強(qiáng)度、硬度增加，塑性韌性降低。,過(guò)共析鋼,：隨含碳量增加，二次滲碳體量,,增加，鋼的強(qiáng)度增加，而

13、塑性、韌性降低，,,但含碳量小于1.0%時(shí)，強(qiáng)度增加，而含碳,,量大于1.0%時(shí)，強(qiáng)度減小。,圖5-63 鐵碳合金的成分與組織的關(guān)系,圖5-64 含碳量對(duì)平衡狀態(tài)下彈力學(xué)性能的影響,下頁(yè),后退,,返回,,返回,下頁(yè),,●鐵碳相圖應(yīng)用,1.依據(jù) Fe-C相圖臨界點(diǎn)，確定熱處理工藝；,,2.依據(jù)Fe-C相圖，研究新的工藝方法，提高,,材料強(qiáng)韌性；,,(1)深冷處理,,(2)確定相變超塑性在焊接工藝上的加熱溫,,度對(duì)鋼材、上限溫度超過(guò)相變點(diǎn)(50-100) ℃,,(3)提高表面化學(xué)熱處理效果,下頁(yè),后退,,下頁(yè),后退,,本節(jié)思考題,1.在bcc中的溶碳量一般低于在fcc中的溶碳量，為什么？,,2

14、.為什么只畫出Fe-Fe3C相圖，而不畫出Fe-C相圖？,,3.比較Fe-Fe3C系及Fe-C系哪個(gè)更穩(wěn)定？,,4.為什么Fe-C相圖平衡線位于Fe-Fe3C相圖平衡線左邊，,,且成分點(diǎn)相同時(shí),Fe-C平衡溫度要高于Fe-Fe3C平衡溫,,度?,,5. Fe-C穩(wěn)定系，但常按Fe-Fe3C相圖冷凝，卻不是按,,Fe-C系，這是為什么？,,6.依所講Fe-Fe3C系思路，分析冷凝過(guò)程，會(huì)計(jì)算各種,,條件下的相及組織相對(duì)量。,下頁(yè),后退,,第四節(jié) 相圖的熱力學(xué)基礎(chǔ),,一．G-X曲線,,A,B,B%,G,對(duì)于理想溶體，,ΔHm=0,下頁(yè),后退,,二．相平衡條件,化學(xué)位可視作組元從某相中逸出的能力

15、,組,,元i在某相中化學(xué)位越高,它相化學(xué)位較低的,,一相轉(zhuǎn)移傾向越大,當(dāng)組元,i,在各相的化學(xué)位,,相等時(shí),即處于平衡狀態(tài)。組元,i,在相,j,中的化學(xué)位可用下式表示,,,,μ,i,(j),,=,下頁(yè),后退,,1、化學(xué)位,?G,i,?χ,i,,如圖溶液的成分為,χ,，可過(guò)曲線上與此成分對(duì)應(yīng)點(diǎn)作切線，與縱軸的交點(diǎn),a,、,b,的吉布斯自由能值便是組元,A,、,B,再成分為,χ,溶體中的化學(xué)位。,下頁(yè),后退,,2、相圖中的相平衡,（1）多相平衡條件,,,若組元在各相中的化學(xué)位不相等，這個(gè)組元就會(huì)從化學(xué)位高的相中向化學(xué)位低的相發(fā)生遷移，使系統(tǒng)的自由能降低，直到它在各相中的化學(xué)位相等為至，可見(jiàn)，溶液中

16、化學(xué)位梯度是物質(zhì)遷移的驅(qū)動(dòng)力。,下頁(yè),后退,,（2）一元系統(tǒng)的相平衡,,1）兩相平衡,f=C–P+2,，其中,f=1,，兩相平衡共存的關(guān)系在,p–T,圖上表現(xiàn)為一曲線。,,純物質(zhì)的兩相平衡包括,L–S,、,S–G,、,L–G,、,S–S,等。,,2）三相平衡,f=0,，在,p–T,圖上表現(xiàn)為一個(gè)點(diǎn)，即三相點(diǎn)。,,3）二元系統(tǒng)的相平衡公切線法則,下頁(yè),后退,,,三,,.,,G,,曲,,線,,與,,相,,平,,衡,下頁(yè),后退,,下頁(yè),后退,,下頁(yè),后退,,第五節(jié) 三元系相圖及其類型,,一．三元相圖表示方法,,●,等邊三角形法,,下頁(yè),上頁(yè),返回,圖5-77，以其三個(gè)頂點(diǎn)表示三個(gè)純組元；三邊各定為

17、100%，分別代表三個(gè)二元素,A-B,、,B-C,和,C-A,的成分；位于三角形內(nèi)部的點(diǎn)代表三,,元系的成分，且,χa+χb+χc=AB=BC=CA=100%,,兩條特殊意義的線：,,（1）平行于三角形某一邊的直線位于該線上的材料，它們所含的、由這條邊對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)所代表的組元量均相等。如圖5-78中,ab,線上的兩種材料,χ,1,、,χ,2,的,C,組元含量相等：,下頁(yè),后退,,下頁(yè),后退,圖5-78 成分三角形中兩條特殊直線,利用成分三角形網(wǎng)絡(luò)標(biāo)定合金,χ,成分 成分三角形中兩條特殊直線,,χ,1,b,1,=χ,2,b,2,=χ,n,b,n,●等腰三角形法,,（2）通過(guò)三角形頂點(diǎn)的任

18、一直線。位于該直線上的三元系材料，它們所含的由另兩個(gè)頂點(diǎn)所代表的兩組元含量之比是一定值。圖5-78中,CE,線上的各種成分。,下頁(yè),后退,,●,直角三角形法,,三元系中以兩個(gè)組元為主，而第三組元的濃度很低，可用等腰三角形。,三元系中以一個(gè)組元為主，其余兩個(gè)組元的濃度都相當(dāng)?shù)蜁r(shí)，可用直角三角形法。如圖5-79。,下頁(yè),后退,,圖5-79 三元相圖成分的其它表示方法,,a),等腰三角形法,b),直角三角形法,下頁(yè),后退,,二、三元相圖的建立,,三元合金在,T1,溫度下成分不同出現(xiàn)三個(gè)相區(qū)：,,曲線,s,1,s′,1,右側(cè)為固相,α,相區(qū)；,,曲線,l,1,l′,1,左側(cè)為液相區(qū)；,,兩曲線之間為

19、,L+α,兩相區(qū)。,,對(duì)于三元合金系，當(dāng)：,,ΔP=1,時(shí)，,n=2,即相鄰相區(qū)為面接觸,ΔP=2,時(shí)，,n=1,即相鄰相區(qū)為線接觸,ΔP=3,時(shí)，,n=0,即相鄰相區(qū)為點(diǎn)接觸,下頁(yè),后退,,三．三元?jiǎng)蚓鄨D,,下頁(yè),后退,,,W,,β,= ×100%,on,mn,W,α,=,×,100%,mo,mn,下頁(yè),后退,,3、勻晶相圖的平衡結(jié)晶過(guò)程分析,,四　具有兩相共晶反應(yīng)的三元系相圖,,（１）相圖分析（圖５－８８所示）,,１）面及相區(qū),,液相面：abe′e，ce′e．,,固相面aa′b′b，cc′d．,,液固兩相區(qū)aa′b′e′eab為L(zhǎng)＋,α兩相區(qū),,ce′edc′e′

20、為L(zhǎng)＋β兩相區(qū)．,,下頁(yè),后退,,下頁(yè),后退,,（２）相接觸情況及三相區(qū)．,,三個(gè)單相區(qū)：L＋,α，L＋β，,,α＋β．兩相區(qū)與單相區(qū)是以面相連；,,三相區(qū)與兩相區(qū)為面接觸，與單相區(qū)是,,以線相連的．,,２,、,三相平衡及三相平衡反應(yīng),,三元系中三相平衡時(shí)f＝４－３＝１．,,若溫度給定，三個(gè)共存相的成分都不可,,變．,下頁(yè),后退,,下頁(yè),后退,,（１）,重心法則,處于三相平衡的,,合金，其成分點(diǎn)必位于共軛三角形的,,重心位置．有以下平衡關(guān)系：,o,α,a′,a,b′,c′,b,L,β,c,圖5-91 重心法則,下頁(yè),后退,,,,,,,W,β,Wo,＝,ob',bb',＝,W,β,W,L,W

21、,ο,＝,oc',cc',＝,W,L,W,α,Wo,＝,oa',aa',＝,W,α,下頁(yè),后退,,（2）三相平衡反應(yīng),兩種類型：,,,,類共晶反應(yīng)：,L (α+β,）分解型,,,類包晶反應(yīng)：,L+α β,合成型,,,如圖5-93所示。,下頁(yè),后退,,,下頁(yè),后退,,五、三元系中的相平衡分析,1,、吉布斯自由能-成分曲面,三元系的自由能擴(kuò)展為一個(gè)內(nèi)凹的空間曲面。如圖5-95所示。,,2、三元系中兩相平衡及公切面,,,如圖5-96所示。,下頁(yè),后退,,下頁(yè),后退,,,3,、三元系三相平衡及共軛三角形,如圖5-97所示,4,、三元系四相平衡與四相平衡平面,如圖5-

22、98所示,六、具有四相平衡反應(yīng)的三元系相圖,,,（1）四相區(qū)及周圍相區(qū)的接觸,下頁(yè),后退,,下頁(yè),后退,,1,）四相區(qū)與三相區(qū)的接觸：面接觸,,①,共軛三角形,U+V+R,、,V+R+Q,、,U+R+Q,組成四相平面的上表面，,U+V+Q,組成下表面；,,②,共軛三角形,U+V+Q,、,U+V+R,、組成四相平面的上表面，,V+R+Q,、,U+R+Q,組成下表面；,,,③,共軛三角形,U+V +Q,組成四相平面的上,+,表面，,U+V+R,、,V+R+Q,、,U+R+Q,組成下表面；,下頁(yè),后退,,2,）與兩相區(qū)的接觸：線接觸,,六個(gè)兩相區(qū)：,U+V,、,V+Q,、,Q+U,、,U+R,、,R

23、+V,、,R+Q,。,,3）與單相區(qū)的銜接：點(diǎn)接觸,,四個(gè)單相區(qū)：,U,、,V,、,Q,、,R,。,（2）四相平衡反應(yīng),,1）共晶型：,,,R,（,Q+V+U,）,T,下頁(yè),后退,,下頁(yè),后退,,2,）包晶型反應(yīng)：,,,R+Q U+V,,,3,）雙包晶型：,,,U+V+Q R,,,2,、具有共晶型四相平衡反應(yīng)的三元系相圖（圖5-103）,,T,下頁(yè),后退,,下頁(yè),后退,,1）相圖分析：,液相面,：,ce,3,Ee,2,c,、,ae,1,Ee,3,a,、,be,2,Ee,1,b,。,固相面,：,cipkc,、,afmla,、,bgnhb,。,,固溶度曲面,：,ff′m′

24、mf,、,ll′m′ml,、,gg′n′ng,、,hh′n′nh,、,ii′p′pi,、,kk′p′pk,。,液相線,：,e,1,E,、,e,2,E,、,e,3,E,。,,成分變溫線,：,mm′,、,nn′,、,pp′,。,下頁(yè),后退,,圖5-106為立體分解圖,,●四個(gè)單相區(qū)：,,●六個(gè)兩相區(qū)：,●四個(gè)三相區(qū)：,●一個(gè)四相平衡：,下頁(yè),后退,,,,,2,）相圖中的相區(qū),,水平截面：,,可用杠桿定律及重心法則求相對(duì)量、某,,溫度下相的狀態(tài)。,垂直截面：,,不能用杠桿定律及重心法則求相對(duì)量、,,不同溫度下的冷凝過(guò)程。,投影圖：,分析冷凝過(guò)程，室溫下的組織。,下頁(yè),后退,,下頁(yè),后退,,,,四、三

25、元相圖舉例,步驟：,,1）,首先確定是垂直、水平或投影圖，然后具體分析；,,2）,找水平線，判斷其四相平衡反應(yīng)類型，并寫出反應(yīng)式；,,3）,分析合金的冷凝過(guò)程；,,4）,在水平截面上運(yùn)用杠桿定律、重心法則求相對(duì)量；,,5）,給出室溫下的組織，說(shuō)明合金在一定條件下的特征、 組織，預(yù)測(cè)性能。,下頁(yè),后退,,1,、三元系變溫截面圖分析,,六個(gè)單相區(qū),：,α,、,γ,、,C,1,、,C,2,、,C,3,、,L,,,八個(gè)三相區(qū),：L+,α+γ,、L+,γ+C,1,、,,,γ+C,1,+C,2,、,γ+C,1,+C,3,、,α+γ+C,1,、,,,α+γ+C,2,、,α+C,1,+C,2,、,α+C,1,+C,3,下頁(yè),后退,,1.有關(guān)材料相結(jié)構(gòu)及相圖的基本概念？,,2.固容體與中間相的結(jié)構(gòu)與性能？,,3.二元相圖及鐵碳相圖的分析與討論。,,4.三元相圖的分析方法？,,5.二元相圖與三元相圖的異同？,本節(jié)思考題,下頁(yè),后退,,