8.7包晶相图

三元相图具有三相平衡的三元共晶相图具有三相平衡的三元包晶相图具有四相平衡的三元包共晶相图具有四相平衡的三元包晶相图三元相图举例三相平衡的三元相图由相律可知三元合金在三相平衡时，其自由度为1，所以温度和三个平衡相的成分只有一个可以独立改变，即在温度一定时三个平衡相的成分是一定的，温度改变时三个平衡相的成分也随之改变，当一个相的成分被确定后，则温度和另外两个相的成分就随之而定了。因此三元合金的三相平衡区也是一个固定的空间立体区域，由重心定律可知，三元合金在三相平衡时符合重心定律，所以三相平衡区通常为三棱柱体。具有三相平衡的三元合金相图很多，但主要可以分为共晶型三相平衡相图和包晶型三相平衡。一、具有共晶三相平衡的三元相图该类相图一般是三个组元在液态完全互溶，两对组元组成二元共晶系，一对组元组成二元匀晶系时所构成的。E1E2线称为共晶沟线，凡是成分位于该线上的液相都要发生两相共晶反应，即共晶三相平衡转变LE1E2线也称为液相的单变量线，它是三相平衡时，液相的成分随温度的变化轨迹。a1a2线是相的单变量线，它是三相平衡时，相的成分随温度的变化轨迹。b1b2线是相的单变量线，它是三相平衡时，相的成分随温度的变化轨迹。1a2a2b1c2c1d2d1b1E2EABCa1c1线，b1d1线分别是B-C二元系中相和相的固溶度曲线；a2c2线，b2d2线分别是A-C二元系中相和相的固溶度曲线。C1C2线是相（三元）在室温时的溶解度线；d1d2是相（三元）在室温时的溶解度线。1a2a2b1c2c1d2d1b1E2EABCABTEET21是的开始面LABTaaT21是的终止面L21EETcL是的开始面21bbTcL是的终止面1a2a2b1c2c1d2d1b1E2EABC中间面：有两个a1E1E2a2是三相平衡共晶转变开始面，当合金与该面相交时开始发生L它也是L和相的直纹面，因为它是由L和相的单变量线所构成。Lb1E1E2b2三相平衡共晶转变开始面，当合金与该面相交时，开始发生转变，它也是L和相的直纹面，因为它是由L和相的单变量线所构成。a1b1b2a2面是三相平衡共晶转变的终止面，当合金与该面相交时L1a2a2b1c2c1d2d1b1E2EABC液相消失。它也是和相的直纹面（即由各温度时和的连接线所组成）因为它是由和相的单变量线所构成。2211caac面是相的溶解度曲面，冷却时合金遇到该面从相中析出次生相2211dbbd面是相的溶解度曲面单相区有三个L、两相区有三个三相区有一个123456成分位于1相区，初生相为成分位于6相区，初生相为成分位于2相区，初生相为成分位于5相区，初生相为成分位于3相区，初生相为)(凝固完毕后的组织为成分位于4相区，初生相为凝固完毕后的组织为成分位于液相线上的合金，无初生相，凝固完毕后组织为具有包晶三相平衡的三元相图三个组元在液态完全互溶，两对组元组成二元包晶系，一对组元组成二元匀晶系时所构成的应注意它的三相平衡区与具有共晶三相平衡的三元相图中的三相平衡区有何不同。它与共晶三相平衡区不同的是三棱柱的底边向上，而一个顶角向下，即反应相在前，生成相在后L（a）共晶三相平衡(b)包晶三相平衡区水平截面由图可以看出在水平截面图上，包晶三相平衡区为正立的直边三角形。而共晶三相平衡区是倒立的直边三角形，这一点也可以作为判断相图类型的依据。垂直截面在垂直截面图中，包晶三相平衡区是倒立的曲边三角形共晶三相平衡区是正立的曲边三角形共晶型反应三相区包晶型反应三相区水平截面图直边三角形倒立正立垂直截面图曲边三角形正立倒立上（下）顶点与液相区连接侧顶点与液相区相连接共晶型反应与包晶型反应相图的特征投影图（1）三相平衡的空间结构表现为三根不共面的平衡相成分的变温线。（2）三根相线两两组成的面围成三相区，三个相的平衡成分只由该温度的平衡相线来决定。（3）共晶型三相平衡的三根相线，中间的相线的位置比两边的相线高，包晶型三相平衡的三根相线，中间的相线的位置比两边的相线低。（4）三相区在恒温截面上表现为直边三角形，垂直截面上表现为曲边三角形，共晶型和包晶型顶点的位置不一样。总结具有四相平衡的三元包共晶相图三元合金能够发生包共晶四相平衡转变的情况较多，如三组元组成三个二元共晶或两个二元共晶，一个二元包晶或两个二元包晶一个二元共晶时，都可能发生包共晶四相平衡转变。但要真正发生包共晶四相平衡转变，通常要求三对组元的三个三相平衡转变温度的差别较大，一般是二个三相平衡转变的温度高于四相平衡转变温度，一个三相平衡转变的温度低于四相平衡转变温度。这样的三元合金系一般就会发生包共晶四相平衡转变。右图是三组元在液态无限互溶，在固态有限互溶，两对组元形成二元包晶系，一对组元形成二元共晶系，具有包共晶四相平衡转变的相图。对三元包共晶相图，主要应掌握它的四相平衡区，与三元共晶相图的四相平衡区有什么不同。并且会用其综合投影图分析各合金的凝固过程。由图可以看出它的四相平衡区为abpca四边形水平面（而三元共晶相图中的四相平衡区为三角形水平面），在四相平衡水平面上有L和L+r两个三相平衡区。它们分别由111222,,,,ppaabbppaacc和三条单变量线围成。Lr在四相平衡水面下有和r两个三相平衡区。33,,pebbcc000,,afbgch它们分别由和三条单变量线围成。L和L+rpTLrrLr成分位于abpca四边形水平面内的三元合金，在凝固时都要发生四相平衡包共晶转变。pTLr而成分位于中的合金在abcLr反应后，L消失，剩余，进入r三相区而成分位于bpc中的合金在Lr反应后，进入Lr三相区而成为位于ap线上的三元合金在凝固时不发生三相平衡包晶转变。(,)LLr在匀晶转变后L在Tp温度发生四相平衡包共晶转变pTLr图可以看出它的四相平衡区为四边形。由它的液相图投影图中三液相面的交线，即单变线走向可以看出，四相平衡包共晶转变时为两进一出。而四相平衡共晶转变时为三进。另外还可以看出三液相面的交点(即三液相的单变线的交点)在四边形四相平衡水平面的一个顶角上而不是在四边形水平面中。O点位于四边形abP'c之内,材料应发生包共晶转变pTLrO点位于对角线aP‘以上的三角形aP’b内,而三角形aP‘b又是包晶型三相平衡棱柱的端面,所以材料在包共晶转变前应发生上述包晶转变:LO点位于对角线bc左侧的三角形abc内,此三角形是三相平衡棱柱的上端面,所以材料O在包共晶转变后应处于的三相平衡状态。rrO点位于初晶a的液相面投影所占的范围内,材料析出的初晶应是a。r室温平衡相组成为:综上所述，室温平衡组织为:初晶＋包晶产物＋包共晶产物（忽略二次晶的析出）。Q点同样位于四边形abP‘c之内,对角线aP’以上,但却位于对角线bc之右,所以它与材料O的差别在于包共晶转变结束后处于三相平衡状态,在随后的冷却过程中发生的共晶转变，直至液相消失为止。LrL在图中，Q位于三角形a1b1c1内，因此当材料凝固完毕继续冷却至一定温度后，将发生次生相的沉淀析出。此材料室温下的相组成仍为:，不过不是剩余的初生相，而是沉淀析出的次生相。r室温平衡组织为：＋二次晶)(在不同温度时的水平截面图如上图，由图可以看出三元包共晶相图的四相平衡面为四边形水平面，在其上有两个三相平衡区，在其下有两个三相平衡区。水平截面图，由垂直截面图可以看出，四相平衡面为一水平直线，在它以上有两个三相区，LrL和在四相平衡面下有两个三相区rLr和即为两上两下。垂直截面图具有四相平衡的三元包晶相图具有四相平衡包晶转变的三元相图一般是由一对组元形成二元共晶系，两对组元形成二元包晶系，并且三相平衡共晶转变温度高于四相平衡包晶转变温度，而两个包晶三相平衡转变温度低于四相平衡包晶转变温度。这样的三个组元就能形成三元包晶相图。三个液相面三个固相面液相面210ppeA液相面110ppeB液相面201pcPP固相面210aaaA固相面210bbbB固相面201cccc该相图的四相平衡转变特征是L它的四相平衡区为三角形水平面，即△abp。它与十二条单变量线相连，每三条单变量线围成一个三相平衡区，该面共与四个三相平衡区相接；在四相平衡水平面上有L一个三相平衡区。由c1p,a1a,b1b三条单变量线围成，它与四相平衡区以面接触交线为△abp；L由p2p,a2a,c2c三条单变量线围成在四相平衡水平面下有L由p3p,b2b,c3c三条单变量线围成由af,bg,ch三条单变量线围成三个三相平衡区。它们与四相平衡区都以面接触，交线分别为△pac,△pbc和△abc。即三相平衡区与四相平衡区的接触特征是一上三下。三元包晶相图的四相平衡面为三角形水平面，在其上有一个三相平衡区，在其下有三个三相平衡区，四相平衡面为一水平直线，在它上方有一个三相平衡区L在它下方有三个三相平衡区LL，，即也存在一上三下的特征。由图可以看出它的四相平衡区为三角形。由它的液相面投影，即三个液相面交线的走向可以看出，四相平衡包晶转变为一进两出，且一进两侧的两个相与液相为反应相，而两出所夹的相为生成相。并且三液相面的交点落在三角形四相平衡水平面的一个顶角上，而不是在三角形水平面中。O点位于左图的三角形a‘b’Pr'内，并位于三角形b'c'Pr'内。可见合金应发生四相平衡包晶转变在发生这一转变的前后，应发生共晶转变包晶转变及O点位于初晶的液相面内，其初生相应为。综上所述，合金O的平衡凝固过程为：由于O点位于L、单变量线之间转变结束后，L、两相平衡然后发生转变合金凝固后的组织应为单一的相。但因O点位于三角形a1b1c1内，所以在进行冷却过程中会析出次生的室温的平衡组织为＋次生＋次生。Q点位于三角形a'b'Pr'外，初晶a的液相面内，同时还位于三角形a1b1c1内，由此可以推断，此合金的凝固顺序应为:共晶转变的L、a单变量线之间,室温组织为初晶＋共晶＋次生。R点位于三角形a'b'Pr'外，包晶转变的L、单变量线之间初晶的液相面内，同时还位于三角形a1b1c1内，由此可以推断，此合金的凝固顺序应为：,,,室温组织为初晶＋次生＋次生。1.四相平衡共晶转变平面（1）四相平衡共晶转变的反应式为：L→α+β+γ。（2）在立体图中四相平衡平面，其上面与三个三相平衡棱柱衔接，下面与一个三相平衡棱柱衔接。图中带箭头的线分别为平衡相的单变量线，也就是三棱柱的棱边。总结：如何区分四相平衡的类型（3）在投影图中，四个相点都与三根相线连接，中间的相点的三根相线都从高温来，外边的三个相点的三根相线都是一根从高温来，两根到低温去。2.四相平衡包共晶转变平面（1）四相包共晶转变的反应式为：L+α→β+γ。（2）这种四相平衡平面为四边形，上面与L+α+β及L+α+γ两个三相平衡棱柱衔接，下面与L+β+γ及α+β+γ两个三相平衡棱柱衔接。（1）四个相点都与三根相线连接；四相区中间与高温连接的两相区的两个相点的三根相线有两根从高温来，一根往低温去；另外的两个相点的三根相线是一根从高温来，两根到低温去。3.四相平衡包晶转变平面（1）四相共晶转变的反应式为：L+α+β→γ。（2）这种四相平衡平面也是三角形，它的上面与L+α+β三相平衡棱柱衔接，下面与L+α+γ，L+γ+β及α+β+γ三个三相平衡棱柱衔接。四个相点都与三根相线连接；四相区外面的三个相点的三根相线有一根从高温来，两根往低温区；四相区中心的相点的三根相线都往低温去。图与四相平