第四章 二元相图课件.ppt

《第四章 二元相图课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四章 二元相图课件.ppt（65页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、1,第4章 二元相图,4.1 相图的基本知识4.2 二元相图的基本类型4.3 二元相图的分析和使用4.4 铁碳相图和铁碳合金,2,2,4.1相图的基本知识,相图：描述物质的状态与温度、压力及成分之间关系的图解。 根据相图可确定不同成分的材料在不同温度下组成相的种类、各相的相对量、成分及温度变化时可能发生的变化。 仅在热力学平衡条件下成立，不能确定结构、分布状态和具体形貌。 4.1.1 相图的表示 状态与成分表示法 状态表示：温度成分坐标系。 坐标系中的点表象点。 成分表示：质量分数或摩尔分数。,3,3,杠杆定律 （1）平衡相成分的确定（根据相律，若温度一定，则自由度为0，平衡相成分随之确定。）

2、 （2）数值确定：直接测量计算或投影到成分轴测量计算。 （3）注意：只适用于两相区；三点（支点和端点）要选准。,4,4,4.1.2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：两点、两线、三区。,5,4.1.3 相平衡与相律 1. 相平衡条件相平衡：在指定的温度和压力下，若多相体系的各相中每一组元的浓度均不随时间而变，则体系达到相平衡。动态平衡各组元在它存在的各相中的化学位相等。2.相律 （1）相律：热力学平衡条件下，系统的组元数、相数和自由度数之间的关系。 （2）表达式：f=c-p+2;压力一定时，f=c-p+1。 （3）应用 可确定系

3、统中可能存在的最多平衡相数。如单元系2个，二元系3个。 可以解释纯金属与二元合金的结晶差别。纯金属结晶恒温进行，二元合金变温进行。,6,6,4.1.4 二元相图的几何规律（1）相区接触法则：两个单相区之间必定有一个由这两个相组成的两相区，而不能以一条线接界。两个两相区必须以单相区或三相水平线隔开。由此可以看出二元相图中相邻相区的相数差一个(点接触除外)。 （2）在二元相图中，若是三相平衡，则三相区必为一水平线这条水平线与三个单相区的接触点确定了三个平衡相及相浓度。每条水平线必与三个两相区相邻。 （3）如果两个恒温转变中有两个相同的相，则这两条水平线之间一定是由这两个相组成的两相区。 （4）当两

4、相区与单相区的分界线与三相等温线相交，则分界线的延长线应进入另一两相区，而不会进入单相区。,7,8,8,4.2 二元匀晶相图,4.2.1 匀晶相图1.相图分析匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的转变。 匀晶相图：具有匀晶转变特征的相图。相图分析 两点：纯组元的熔点； 两线：L, S相线； 三区：L, , L+。,9,9,4. 2 固溶体合金的平衡结晶 （1）平衡结晶：每个时刻都能达到平衡的结晶过程。（2）平衡结晶过程分析 冷却曲线：温度时间曲线 相（组织）与相变（各温区相的类型、相变反应式、杠杆律应用）； 组织示意图； 成分均匀化：,10,*在每一温度下，平衡凝固实质包括三个过程：液相内的扩

5、散过程；固相的继续长大；固相内的扩散过程。,11,11,（3）与纯金属结晶的比较 相同点：基本过程：形核长大； 热力学条件：T0； 能量条件：能量起伏； 结构条件：结构起伏。 不同点：合金在一个温度范围内结晶（可能性：相律分析；必要性：成分均匀化。） 合金结晶是选分结晶：需成分起伏。,12,12,3 固溶体的不平衡结晶 （1）原因：冷速快（假设液相成分均匀、固相成分不均匀）。 （2）结晶过程特点：固相成分按平均成分线变化（但每一时刻符合相图）； 结晶的温度范围增大；组织多为树枝状。,13,13,（3）成分偏析： 晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀现象。 枝晶偏析：树枝晶的枝干和枝间化学成分不

6、均匀的现象。 （消除：扩散退火，在低于固相线温度长时间保温。）,14,14,4 固溶体合金凝固时的溶质量分布 （1）稳态凝固：从液固界面输出溶质速度等于溶质从边界层扩散出去速度的凝固过程。 （2）平衡分配系数：在一定温度下，固、液两平衡相中溶质浓度的比值。 k0=Cs/Cl,15,15,（3）溶质分布： A 液、固相内溶质完全混合（平衡凝固） B 固相不混合、液相完全混合 C 固相不混合、液相完全不混合 D 固相不混合、液相部分混合,16,16,E 区域熔炼（上述溶质分布规律的应用）,17,17,5 成分过冷及其对晶体生长形态的影响 （1）成分过冷：由成分变化与实际温度分布共同决定的过冷。 （

7、2）形成：界面溶质浓度从高到低液相线温度从低到高。 （图示：溶质分布曲线匀晶相图液相线温度分布曲线实际温度分布曲成分过冷区。）,18,18,5 成分过冷及其对晶体生长形态的影响 （3）成分过冷形成的条件和影响因素 条件：G/RmC0(1-k0)/Dk0 合金固有参数：m, k0; 实验可控参数：G, R。,19,19,（4）成分过冷对晶体生长形态的影响,20,20,4.2.2 二元共晶相图及合金凝固,共晶转变：由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相的转变。 共晶相图：具有共晶转变特征的相图。 （液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶，且发生共晶反应。 共晶组织：共晶转变产物。（是两相混合物）

8、,21,1 共晶相图分析（相图三要素） （1）点：纯组元熔点；最大溶解度点；共晶点（是亚共晶、过共晶合金成分分界点）等。 （2）线：结晶开始、结束线；溶解度曲线；共晶线等。 （3）区：3个单相区；3个两相区；1个三相区。,22,2 合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例） （1） 固溶体合金（WSn19）及固溶体合金（WSn97.5） 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。 二次相（次生相）的生成：脱溶转变（二次析出或二次再结晶）。 室温组织（）及其相对量计算。,图4.13 Pb-Sn合金相图,图4.14 含10%Sn的Pb-Sn合金平衡冷却示意图,23,（2）共晶合金 （WSn=61

9、.9） 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。 共晶线上两相的相对量计算。 室温组织（）及其相对量计算。,图4.13 Pb-Sn合金相图,图4.16 Pb-Sn共晶合金平衡冷却示意图,24,（3）亚共晶合金及过共晶合金 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。 共晶线上两相的相对量计算。 室温组织（）及其相对量计算。,图4.18 亚共晶合金平衡冷却示意图,25,（4）组织组成物与组织图 组织组成物：组成材料的中各个不同本质和形态的部分。 组织图：用组织组成物填写的相图。 组织组成物相对量的计算：杠杆定律。,26,26,3 共晶组织的形成 （1）共晶体的形成 成分互惠交替形核 片间搭桥促进生长

10、 两相交替分布 （共晶组织）,27,27,（2）共晶体的形态 金属-金属型（粗糙粗糙界面）：层片状（一般情况）、棒状、纤维状（一相数量明显少于另一相） 金属-非金属型（粗糙光滑界面）：具有不规则或复杂组织形态（由于两相微观结构不同） 非金属-非金属（光滑 光滑界面） 所需动态过冷度不同，金属相任意长大，另一相在其间隙长大。可得到球状、针状、花朵状、树枝状共晶体。 非金属相与液相成分差别大。形成较大成分过冷，率先长大，形成针状、骨骼状、螺旋状、蜘蛛网状的共晶体。,28,29,（3）初生晶的形态： 金属固溶体：粗糙界面树枝状； 非金属相：光滑界面规则多面体。,2h,30,4. 伪共晶 伪共晶：由非

11、共晶成分的合金所得到的完全共晶组织。 形成原因：不平衡结晶；成分位于共晶点附近。,31,5.不平衡共晶体 不平衡共晶：位于共晶线以外成分的合金发生共晶反应而形成的组织。 原因：不平衡结晶。成分位于共晶线以外端点附件。 不平衡组织 由非共晶成分的合金得到的完全共晶组织。 共晶成分的合金得到的亚、过共晶组织。（伪共晶区偏移）,32,32,6. 离异共晶 离异共晶：两相分离的共晶组织。 形成原因 平衡条件下，成分位于共晶线上两端点附近。 不平衡条件下，成分位于共晶线外两端点附。 消除：扩散退火。,33,4.2.3 二元包晶相图及合金凝固,包晶转变：由一个特定成分的固相和液相生成另一个特点成分固相的转

12、变。 包晶相图：具有包晶转变特征的相图。 1 包晶相图分析 点、线、区。,34,2 平衡结晶过程及其组织 （1）包晶合金（含42.4%）的结晶 结晶过程：包晶线以下，L, 对过饱和界面生成三相间存在浓度梯度扩散长大全部转变为。 室温组织：或。,图4.27 （a）Pt-Ag相图,35,（2）成分在D-C之间合金（42.4%Ag66.8%)的结晶 结晶过程： 剩余； 室温组织：,图4.27 （a）Pt-Ag相图,36,（3）成分在P-D之间合金（10.5% Ag42.4%)的结晶 结晶过程：剩余； 室温组织：。,图4.27 （a）Pt-Ag相图,37,2 平衡结晶过程及其组织,38,3 具有包晶转

13、变的合金的不平衡结晶 包晶转变产物相包在 相外面，这样，两个反应相L， 的原子必须通过 相来传递以维持反应的进行。原于在固相中的扩散速度比在液相中慢得多。所以包晶转变速度往往很慢。 实际生产中，由于冷速较快，包晶转变不能充分进行。此外，在不平衡凝固条件下，一些原来不应发生包晶转变的合金，也会部分发生包晶转变，组织中出现了少量相。 包晶转变产生的不平衡组织，可采用长时间的扩散退火来减少或消除。,39,4.3二元相图的分析和使用4.3.1 其他类型的二元相图1、 其他类型的恒温转变相图（1）熔晶转变相图定义：一个固相在恒温下转变成一个液相和另一个固相的转变。（2）偏晶转变相图定义：一个液相在恒温下

14、分解为一个固相和另一个液相的转变。（3）共析转变相图定义：一定成分的固相在恒温下生成另外两个一定成分的固相的转变。（4）包析转变相图定义：两个一定成分的固相，在恒温下，转变为一个新的固相的转变。,40,2、 组元间形成化合物的相图稳定化合物：具有一定熔点，在熔点以下不分解的化合物。3、具有异晶转变的相图一个固相转变为另一个固相的转变称为异晶转变也称同素异构转变。4、具有固溶体形成中间相转变的相图5、具有有序-无序转变的相图6、具有磁性转变的相图,41,4.3.2 复杂二元相图的分析和使用,1、复杂二元相图的分析步骤 以稳定的化合物分割相图； 根据相区接触法则，确定各点、线、区的意义； 分析水平

15、线，确定相比特性点及转变反应式； 分析具体合金的结晶过程及其组织变化。 注：虚线、点划线的意义尚未准确确定的数据、磁学转变线、有序无序转变线。 2、 应用相图时要注意的问题 相图只能给出合金在平衡条件下存在的相和相对量，并不表示相的形状、大小和分布，而这些主要取决于相的特征及形成条件。相图只表示平衡状态的情况，而实际生产条件下，合金很少能达到平衡状态。,42,表4.1 二元系各类恒温转变图型,43,3、根据相图判断合金的性能 根据相图判断材料的力学和物理性能,44,根据相图判断材料的工艺性能 铸造性能：根据液固相线之间的距离X X越大，成分偏析越严重（因为液固相成分差别大）； 流动性越差（因为

16、枝晶发达）； 热裂倾向越大（因为液固两相共存的温区大）。,45,塑性加工性能：选择具有单相固溶体区的合金。 热处理性能：选择具有固态相变或固溶度变化的合金。,46,4.4 铁碳相图和铁碳合金,铁石墨相图：Fe-C; 铁渗碳体相图：Fe-Fe3C。 1 铁碳合金中的组元和相 L, , A(), F(), Fe3C（渗碳体）,47,2 Fe-Fe3C相图分析 点：16个。 线：两条磁性转变线；三条等温转变线； 其余三条线： GS,ES,PQ。 区：5个单相区，7个两相区，3个三相区。 相图标注：相组成物标注的相图。组织组成物标注的相图。,48,点：16个。,49,线：两条磁性转变线（770 A2、

17、230）； 三条等温转变线；（包晶、共晶、共析A1） 其余四条重要的固态转变线： GS （A3）、 ES、 GP、PQ。 区：5个单相区，7个两相区，3个三相区。 相图标注：相组成物标注的相图。 组织组成物标注的相图。,50,3 典型铁碳合金的平衡凝固 合金分类： 工业纯钛（C%2.11%）：共晶铸铁、亚共晶铸铁、过共晶铸铁,51,典型合金（7种）的平衡结晶过程、组织变化、室温组织及其相对量计算。 工业纯铁结晶过程（+Fe3C ） 三次渗碳体最大量计算,52,共析钢结晶过程 P（+Fe3C）珠光体P中的相对量的计算,53,亚共析钢结晶过程 （+P） 相对量的计算,54,过共析钢结晶过程（P+F

18、e3C，二次渗碳体最大量计算） 相对量的计算,55,共晶白口铁结晶过程 Ld（P+ Fe3C+ Fe3C共晶） Ld（+ Fe3C共晶） （ Ld-Ld转变）,56,亚共晶白口铁结晶过程 （ P+ Fe3C+ Ld ）,57,过共晶白口铁结晶过程 （ Fe3C+ Ld ）,58,58,（2）重要问题： Fe3C, Fe3C, Fe3C 的意义 及其最大含量计算。 Ld-Ld转变。 二次杠杆的应用。,59,含碳量对平衡组织和性能的影响 （1）对平衡组织的影响（随C%提高） 组织：Fe3C LdFe3C； 相：减少，Fe3C增多； Fe3C形态：Fe3C（薄网状、点状） 共析Fe3C（层片状） F

19、e3C（网状） 共晶Fe3C（基体） Fe3C（粗大片状）。,60,60,4.4.2碳和杂质元素对碳钢组织和性能的影响 1.碳的影响 A、对力学性能的影响： 强度、硬度升高，塑韧性下降。 B、对工艺性能的影响： 适合锻造：C%2.11%， 可得到单相组织。 适合铸造：C%4.3%， 流动性好。 适合冷塑变：C%0.25%， 变形阻力小。 适合热处理：0.0218-2.11%， 有固态相变。,61,2. 锰的影响3. 硅的影响4. 硫的影响5. 磷的影响6. 氮的影响7. 氢的影响8. 氧的影响,62,4.4.3 合金铸件的组织与缺陷,1 铸锭（件）的三晶区 （1）铸锭三区：表层细晶区、柱状晶区

20、、中心等轴晶区。 三晶区的形成机理： （2）铸锭（件）组织的控制：受浇铸温度、冷却速度、化学成分、变质处理、机械振动与搅拌等因素影响。,63,2 铸件缺陷 （1）宏观偏析:整个铸锭范围内的成分不均匀现象. 正常偏析: k01的合金铸锭中心溶质含量较高的现象. 反常偏析: . 比重（密度）偏析:由于初生相与剩余液体密度差异而 导致铸锭上下部分成分不均匀的现象.（2）显微偏析 胞状偏析 当成分过冷小的时候，固溶体呈胞状方式生长。 枝晶偏析,64,晶界偏析,65,（3）夹杂与气孔 夹杂：外来夹杂和内生夹杂。 气孔：析出型和反应型。 （4）缩孔和疏松 形成：凝固时体积缩小补缩不足形成缩孔。 分类：集中缩孔（缩孔、缩管）和分散缩孔（疏松，枝晶骨架相遇，封闭液体，造成补缩困难形成。）,