材料科学导论-第七章相图.

1重点内容：1)二元相图的表示与建立；2)相律、杠杆原理及其应用；3)匀晶系相图；4)共晶系相图；5)包晶系相图。第7章相图2材料的性能组织结构相种类数量尺寸形状分布3相图又叫状态图或平衡图，是研究合金的一种重要工具。常见的相图是系统在平衡状态下的相组成与温度及成分之间关系的一种图形。这里相组成包括相的数目、成分及相对含量。学习相图的好处1.预测不同成分合金熔化与凝固温度；2.合金可能有的固态相变与其他转变；3.预测合金的某些性能。例：可以根据相图确定合金的熔炼温度和浇铸温度，确定热加工温度范围，预期进行热处理的可能性和确定热处理规范。4§7.1二元相图的表示和建立1、相(Phase)在一个系统中，成分、结构相同，性能一致的均匀的组成部分叫做相，不同相之间有明显的界面分开,该界面称为相界面。一.基本概念例1、恒定大气压下，0℃的冰水混合物。条件：气压一定，恒温。相1:冰相2:水界面明显5例2、含20%锑的铅锑合金显微图片。图中白色块状物为初生（Sb）相，就是以Sb为溶剂，Pt为溶质的固溶体。图7.1含20%锑的铅锑合金显微图片62、组元(Component)组元通常是指系统中每一个可以单独分离出来，并能独立存在的化学纯物质，在一个给定的系统中，组元就是构成系统的各种化学元素或化合物。按组元数目，将系统分为：一元系二元系三元系……化学元素：Cu,Ni,Fe等化合物：NiO,CoO,MgO,CaO,Al2O3，SiO2等73、相平衡在某一温度下，系统中各个相经过很长时间也不互相转变，处于平衡状态，这种平衡称为相平衡。各组元在各相中的化学势相同。AB热力学动态平衡8二、二元相图的表示与建立1、二元相图表示图7.2Cu—Ni合金相图9二元相图采用两个坐标轴,纵坐标用来表示温度,横坐标用来表示成分。令A和B代表合金的两个组元,则横坐标的一端代表纯组元A,另一端代表纯组元B,任何一个由A,B二组元组成的合金,其成分都可以在横坐标上找到相应的一点。合金的成分可以用质量分数或原子百分数表示。一般情况下,如果没有特别的注明,都是指质量分数。10BAABABLLβαβαL+αL+αL+ααL+βL+βα+βα+βL图7.3三个不同类型的二元相图相图中有一系列曲线．有时还有水平线段,这些线把相图分成若干个不同的相区,图7.3给出了三个不同类型的二元相图.一定成分的合金加热或冷却时,在相图上的表示就是对应于该合金的成分点平行于温度轴上下移动,若与相图上的某一条线相遇,则交点所对应的温度就是该合金从一种相组成状态转变为另一种相组成状态的温度,又称临界点。临界点因此,相图的建立过程也就是合金临界点的测定过程。112相图的建立方法：实验法和计算法。过程：配制合金－测冷却曲线－确定转变温度－填入坐标－绘出曲线。相图结构(匀晶)：两点、两线、三区。Cuw图7.4相图的建立12说明：当合金的相组成状态因温度改变而发生变化，合金某些性质的变化或多或少带点突变性，这样就可以通过测量合金的性质来确定其临界点。1、目前测定临界点方法有热分析、差热分析、金相分析、X射线、电阻、热膨胀、磁性、力学性能等；不论那种合金系，各种方法配合使用，以充分利用每种方法的特点。2、相图也可以根据合金热力学原理及有关的热力学数据计算出，对于比较简单的相图，有时计算还比较精确。随着计算机的发展，相图计算不断取得新的进展，但由于合金中原子相互作用比较复杂，目前还不能普遍的精确计算出相图，特别是相平衡比较复杂的相图，但是用来预测未知的多元相图，可以大大减轻实验工作量。13§7.2相律、杠杆定律及其应用相律能定量的表示出系统的自由度数与组元数和相数之间的关系。系统的自由度数是指系统本身的可变变量，即温度、压力和相的成分。一.相律F=C-P+2说明：1、F为自由度数，C为组元数，P为相数，2代表温度和压力可变；2、若为恒压，则F=C-P+1。14例1、图7.5为铁的单组元系统相图，它能够告诉我们铁的状态和温度及压力之间的关系。图7.5铁的相图OA、OB、OC把图分成3个区域：1、在AOB以左为体心立方晶格α－Fe；2、在AOC以上为面心立方晶格γ－Fe；3、在BOC以右为密排六方的ε－Fe。练习：1、在AOB区域，F=2；2、在AO线上，两相平衡F=1；3、在O点，三相平衡，F=0。15例2金属及合金的加工处理过程通常都在大气压力下进行，压力不再是系统中的变量，因此系统的可变因素数应当减去一个，即F=C-P+1当纯金属系统处于单相（固相或液相）时，系统的自由度数F=1，那温度可以在一定范围内任意变动而仍保持为固相(或液相），当金属开始熔化（或凝固）处于固液两相平衡时，系统的自由度数F=0，即温度必须保持不变。这说明纯金属的熔化(或凝固）是在恒温下进行的。16二.杠杆定律设合金m在温度T1时处于（α+β）两相平衡，α和β两相成分分别在a，b两点。具体数据如下：abmww图7.6杠杆定律的推导1.合金总质量为M，含B组元百分含量；2.α相质量为，占总质量的百分数，含B组元百分含量；3.β相质量为，占总质量的百分含量，B组元百分含量。wwmTMbTwMaTwM111MwMwM（总质量守恒）（B组元质量守恒）mT1a1Tb1TMM17即1wwmTbTwaTw111得出,abmbw,aabmw,mambwwabmww说明：（1）mb＝T1b－T1m，ma＝T1m－T1a，ab＝T1b－T1a，其实就是B组元百分含量之差；（2）ab长度类比于力学上第一类杠杆的杠杆长度，合金的成分点可作为杠杆支点，两个相的质量分数可看成分别集中在各自的成分点，当杠杆达到平衡，即得出杠杆原理。杠杆原理18§7.3匀晶系相图匀晶系是指合金二组元在固态及液态均能完全互溶的系统。镍铜系就是一个实例。无限互溶条件：两者的晶体结构相同原子尺寸相近，尺寸差小于15%两者有相同的原子价和相似的电负性一.相图概述相图结构(匀晶)：两点、两线、三区。1920二.固溶体的“平衡”凝固过程现在来分析图7.7中含50%铜的合金自液相非常缓慢冷却时的凝固过程。并假定固、液相平衡。图7.7固溶体的“平衡”凝固过程凝固过程：（1）高温——T1，从液相要凝固出成分为x1固相，它的含镍量比原液相要高；随着温度的降低，凝固过程不断进行。液相及固相成分分别沿着液相线及固相线改变；（2）到T2时，液相成分在x3，固相成分在x2。这里所指的固相是合金中所有的固相，而在温度在T1到T2之间凝固的固相，其含镍量在x1到x2之间；（3）当温度接近T3，合金中只剩下很少的液相，其成分接近x4;（4）当温度到达T3时，所有固相成分都在50%Cu处。21从以上分析可以看出，固溶体合金在整个凝固过程中，由液相凝固出与它自身成分不同的固相，而且液相和固相的成分还不断地分别沿液相线bdf和固相线ace变化；液相和固相的成分变化是通过扩散进行的(有时液相中还有对流的作用），而固相中的扩散要比液相中的扩散慢几个数量级，因此，如果按照上述方式进行扩散，即使合金的数量不多，扩散也要很长的时间才能完成。图7.7固溶体的“平衡”凝固过程22三.固溶体的不平衡凝固过程在实际生产中，即使在实验室中，也不能使合金随时达到平衡。假定在凝固过程中，通过扩散与对流的作用，液相的成分保持均匀，而固相中的扩散可忽略不计。图7.7固溶体的不平衡凝固过程凝固过程：（1）当温度冷却到T2时，已凝固的固相，其成分在a，c之间，因此固相中平均成分应在a，c之间的某一点c，，液相成分改变到d点；（2）当合金的温度冷却到T3时，固相的平均成分在e，，即尚未达到50%铜；（3）当温度降低到T4，固相的平均成分到达50%（即g点），凝固过程才结束，图中虚线ac，e，g代表固相平均成分变化的轨迹。固溶体的不平衡凝固过程，使合金的凝固终了温度降低，而且固相的成分是不均匀的，先凝固的部分含高熔点的组元较多。23四.晶内偏析与扩散退火1.晶内偏析合金凝固一般先以枝晶的形式长大，枝晶的主干(即先凝固部分）含高熔点组元较多，而枝晶分枝的间隙部分（即后凝固部分）含低熔点组元较多，这种在一个枝晶范围内成分不均匀的现象，叫做枝晶偏析。由于一个枝晶相当于一个晶粒，所以枝晶偏析又叫做晶内偏析。枝晶偏析程度的大小与相图的形状有密切的关系，固相线与液相线的水平距离及垂直距离愈大，合金凝固时．固、液二相的成分变化就愈大，枝晶偏析就愈显著。2.扩散退火（1）枝晶缺陷：具有枝晶偏析的铸锭或铸件，通常强度不高，也比较脆，它的机械性能和物理性能也不均匀。枝晶偏析组织还容易引起晶内腐蚀，降低合金的抗腐蚀性；枝晶偏析组织对于变形加工也是很不利的。因此，铸锭和大多数铸件是不希望有枝晶偏折的。（2）为了消除枝晶偏忻，需要进行专门的热处理，即在相当高的温度下长时间加热。这种热处理叫做扩散退火或均匀化。对于大多数合金，温度每降低50℃，扩散速率大约要减慢%，因此扩散退火的温度应尽可能地高，但是应低于实际凝固终了温度，否则合金将部分溶化（又称过烧）而使铸锭或铸件报废。铸锭经过均匀化处理后，塑性会有明显的提高，为随后的变形加工提供了有利的条件。24图7.8Ni-70%Cu合晶的显微组织b）均匀化后a）铸造后此时合金的显微组织由均匀的固溶体晶粒组成，看起来和纯金属的组织一样，图中的黑色小颗粒为氧化物。25五.具有极小点的匀晶系相图在匀晶系相图中，在高熔点组元中加入低熔点组元，将使台金的开始凝固温度降低，而在低熔点组元中加入高熔点组元，将使合金的开始凝固温度升高。但是在有些情况下，无论在哪一种组元中加入另一种组元都将使合金的开始凝固温度降低。这样在相图上将出现极小点，图7.9金-镍相图图中液相线和固相线都是连续的曲线并切于极小点。成分对应于极小点的合金在其凝固过程中，固相的成分始终与液相的成分一样。因此，恒。温下进行凝固，不会偏析26六.匀晶系中固溶体分解有些匀晶系低于一定温度后，二组元只能有限互溶，固溶体将分解成成分不同的两个固溶体。例：见图7.9金—镍合金相图下部有一条不互溶线。图7.9金-镍相图在此线范围内为+两相区。1227§7.4共晶系相图绝大多数二元合金在固态不能完全互溶，而是有限互溶，其中有共晶转变的相图是二元相图中最基本的一种。两组元的混合物使合金的熔点比各组元低，液相线从两端纯组元向中间凹下,两条液相线的交点所对应的温度称为共晶温度。28简单共晶相图LA+BABL+AL+BwB%两组元完全不溶29典型二元共晶相图有限互溶30相图分析Lαβα+βL+αL+β31固溶线αB原子溶入A基体中形成的固溶体βA原子溶入B基体中形成的固溶体固溶线，固溶度曲线：反映不同温度时的溶解度变化。32Lαβα+βL+αL+β共晶转变？33共晶反应的合金的结晶过程Pb-Sn、Al-Si、Ag-Cu合金具有共晶相图。Pb-Sn合金相图中有三个单相区:L：Pb与Sn形成的液溶体α：Sn溶于Pb中的有限固溶体β：Pb溶于Sn中的有限固溶体三个双相区：L+α、L+β、α+β一条L+α+β三相共存线(水平线cde)。这种相图称共晶相图。Pb-Sn合金相图d点为共晶点,表示d点成分(共晶成分)的液相合金冷却到d点温度(共晶温度)时,共同结晶出c点成分的α相和e点成分的β相。Ld→(αc+βe)共晶反应：一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应，生成的两相混合物叫共晶体。发生共晶反应时三相共存,三相各自成分确定,恒温进行。34Pb-Sn合金相图水平线cde为共晶反应线,成分在ce之间的合金平衡结晶时都会发生共晶反应。cf线为Sn在Pb中的溶解度线(α相的固溶线)。Sn含量大于f点的合金从高温冷却到室温时,从α相中析出β相，叫二次β：α→βII。eg线为Pb在Sn中溶解度线。Sn含量小g点的合金,冷却过程中同样发生二次结晶,析出二次α。351.合金I的平衡结晶过程合金室温组织为α+βII。其组成相是：f点成分的α相g点成分的β相。运用杠杆定律,两相的质量分数为：36组织组成物可以是单相,或是两相混合物。组织组成