材料基礎(chǔ)-第七章熱力學(xué)及其相圖x

1、整理課件第七章 材料熱力學(xué)及其相圖7.1 引言引言 材料的顯微組織和相結(jié)構(gòu)決定材料的性能。 相相是合金中同一聚集狀態(tài)、同一晶體結(jié)構(gòu)、同一性質(zhì)并以界面隔開(kāi)的均勻組成部分。 組元組元是組成材料最基本、獨(dú)立的物質(zhì)，可以是純?cè)?，也可以是化合物。材料由單組元組成，如純Fe、-Al2O3等，也可以是多組元組成，如Cu-Zn金屬材料等。 多組元組成的金屬叫合金，如鐵碳合金。 材料性能是組元之間的相互作用，也是系統(tǒng)狀態(tài)的變化及其相轉(zhuǎn)變的具體表現(xiàn)。 整理課件7.2 7.2 相圖建立的基本方法相圖建立的基本方法1.1.相圖相圖 相圖是用圖解方法描述在平衡條件下相的狀態(tài)和轉(zhuǎn)變與成分、溫度、壓力的相互關(guān)系。 相圖有

2、二元相圖、三元相圖和多元相圖。 二元相圖是相圖的基礎(chǔ)，應(yīng)用最廣泛。通過(guò)相圖分析，可以了解：(1)不同條件下材料的相轉(zhuǎn)變及相平衡的狀態(tài);(2)預(yù)測(cè)材料的性能;(3)為新材料研制提供依據(jù)。整理課件2. 相律相律 相律是描述系統(tǒng)的組元數(shù)、相數(shù)和自由度之間關(guān)系的法則。 吉布斯（Gibbs）相律是最基本的相律。通式為： f =CP2 （71）式中，C為系統(tǒng)組元數(shù)，P為平衡共存相的數(shù)目，f 為自由度。 自由度是在平衡相數(shù)不變的前提下確定系統(tǒng)可以獨(dú)立變化的數(shù)目。 相律可以了解系統(tǒng)在平衡共存下的相的數(shù)目。整理課件 (71) 式表示，自由度越小，平衡共存相就越大。 自由度f(wàn) 為零時(shí)，(71)式變?yōu)椋?PC2 （

3、72） 再壓力給定去掉一個(gè)自由度,(72)式變?yōu)?: PC1 （73） 表明系統(tǒng)中平衡相數(shù)最多比組元數(shù)多一個(gè) 一元系：C1,P2，最多二相平衡共存。 例如，純Fe結(jié)晶時(shí)，同時(shí)存在的平衡共存相僅為液相和固相。整理課件 二元系： C2，P3，最多三相平衡共存。3. 相圖的建立相圖的建立 二元相圖采用兩個(gè)坐標(biāo)軸描述。圖71所示的是三種不同類(lèi)型的二組元相圖。 用縱坐標(biāo)表示溫度、橫坐標(biāo)表示成分，并且 A、B代表合金的兩個(gè)組元，橫坐標(biāo)左邊為純組元A，右邊為純組元B。 因而，任何一個(gè)由A、B二組元組成的合金，其成分都可以在橫坐標(biāo)上找到，合金的成分可以用質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（）表示。整理課件 圖71 三個(gè)不同類(lèi)型的二元

4、相圖 整理課件 圖72 相圖建立的方法 一定成分的合金在加熱、冷卻時(shí)，相圖上表示的是與溫度線平行的縱向線的上下移動(dòng)，曲線交點(diǎn)是該合金從一種相的組成狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的組成狀態(tài)時(shí)的溫度，稱(chēng)為臨界點(diǎn)或臨界溫度，見(jiàn)圖72。整理課件 建立相圖的方法主要有：熱分析、差熱分析、金相分析、X射線、電阻、熱膨脹、力學(xué)等。 也可以用計(jì)算法建立，依據(jù)合金熱力學(xué)的基本原理及熱力學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算確定。比較簡(jiǎn)單的二元合金通過(guò)計(jì)算模擬可得到很精確的結(jié)果。4. 杠桿定律杠桿定律 根據(jù)相律, 二元系統(tǒng)兩相平衡共存時(shí)的自由度為 f1 若溫度一定，自由度f(wàn)0，表明此溫度下，兩平衡相的成分也隨之已定。整理課件圖73 二元相圖的杠桿定律

5、合金結(jié)晶過(guò)程中，其各相的成分及其相對(duì)量在不斷地變化。 不同條件下相的成分及相對(duì)量，可通過(guò)杠桿定律求得。圖73所示的鎳合金相圖。整理課件 分析步驟如下：(1) 確定兩平衡相的成分（濃度） 如圖73所示，沿合金O點(diǎn)在 t 溫度時(shí)表象點(diǎn)O作水平線，水平線與液相線、固相線分別交于a、b兩點(diǎn)。點(diǎn)a、b在成分軸上的投影點(diǎn) ，表示此溫度下液相L及固相 a 的成分或質(zhì)量分?jǐn)?shù)。(2) 確定兩平衡相的相對(duì)量確定兩平衡相的相對(duì)量 設(shè)合金總重量為Q0、溫度t下的液相重量為QL、固相重量為Qa。Niw 及LNiw整理課件 固液兩相的質(zhì)量和等于合金總質(zhì)量Q0 , 即 Q0 QL Qa （74） 設(shè)液相中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 、

6、固相中鎳的質(zhì)量為 , 合金中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 ，則整理后得： （75）NiNiNiNiww).(ww QQQQQwQLoLLoNio o%100wwww%100wwwwNiNiNiNiNiNiNiNiaboQQabboQQabaoQQLLOoLLLOo即 LNiwoNiwNiw整理課件 把（75）式中的重量比變換，則有： （76） 對(duì)比圖73b，可以看出(76)式的形式與力學(xué)的杠桿原理相似，故稱(chēng)杠桿定律，或稱(chēng)線段法則。 如上所述，杠桿定律說(shuō)明平衡條件下二元合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比等于各自相區(qū)距離較遠(yuǎn)的線段（即反線段）之比。 需要需要指出，杠桿定律只適用兩相共存時(shí)組指出，杠桿定律只適用兩相共存時(shí)組元質(zhì)量分

7、數(shù)的計(jì)算，對(duì)三相共存時(shí)并不適用。元質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計(jì)算，對(duì)三相共存時(shí)并不適用。 bo.Q.aoQ L整理課件7.3 二元相圖的基本類(lèi)型和分析二元相圖的基本類(lèi)型和分析7.3.1 均晶相圖均晶相圖 凡二元系中兩個(gè)組元在液態(tài)、固態(tài)下均能無(wú)限互溶時(shí)，其相圖稱(chēng)為勻晶相圖。 二元合金中，如Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Fe-Ni及W-Mo等屬此類(lèi)相圖。 以Cu-Ni合金相圖為例進(jìn)行分析。1. 相圖分析相圖分析 圖7-4為Cu-Ni合金的均晶相圖。 圖中只有兩條曲線，其中曲線Al1B稱(chēng)為液整理課件 圖74 Cu - Ni合金的均晶相圖 相線，是各種成分Cu-Ni合金冷卻時(shí)開(kāi)始結(jié)晶或加熱時(shí)結(jié)束熔化溫度的連結(jié)線

8、。 曲線Aa4B稱(chēng)為固相線，是各種成分合金在冷卻時(shí)結(jié)晶終了或加熱時(shí)開(kāi)始熔化溫度的連結(jié)線。整理課件 液相線以上為液相L，稱(chēng)液相區(qū)；固相線以下為固相a，稱(chēng)固相區(qū)。液相線與固相線之間，則為液、固兩相區(qū)（L+a）。左軸A點(diǎn)為Cu的熔點(diǎn) （ 1 0 8 3 ） ； 右 軸 B 點(diǎn) 為 N i 的 熔 點(diǎn)（1452）。2. 合金的結(jié)晶過(guò)程合金的結(jié)晶過(guò)程 以合金I為例，討論合金的結(jié)晶過(guò)程。 當(dāng)合金自高溫液態(tài)緩慢冷卻至液相線上t1溫度時(shí)，開(kāi)始從液相中結(jié)晶出固溶體a，此時(shí)a的成分為a1。隨溫度的下降，固溶體a量逐漸增多，剩余的液相L量逐漸減少。整理課件 當(dāng)溫度冷卻至t2時(shí)，固溶體的成分為a2，液相的成分為l2；

9、當(dāng)最后一滴成分為l4的液相也轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘荏w時(shí)完成結(jié)晶，此時(shí)固溶體成分為合金成分a4。 結(jié) 晶 過(guò) 程 中 ， 液 相 成 分 沿 液 相 線l1l2l3l4變化，固溶體成分沿固相線a1a2a3a4，由高鎳量向低鎳量變化。 液相和固相在結(jié)晶過(guò)程中，其成分在變化過(guò)程中逐步均勻化，在緩慢冷卻的條件下，不同成分的液相與液相、液相與固相、以及先后析出的固相與固相之間，原子得到了充分的擴(kuò)散和遷移。 整理課件7.3.2 二元共晶相圖二元共晶相圖 兩個(gè)組元液態(tài)下能無(wú)限互溶，固態(tài)下只能有限互溶且發(fā)生共晶反應(yīng)時(shí)，其相圖稱(chēng)為二元共晶相圖。 Pb-Sn, Al-Si, Sb-Sn, Ag-Cu等二元合金屬于此類(lèi)相圖。以

10、Pb-Sn合金為例來(lái)說(shuō)明。 相圖分析相圖分析(1) 相及相區(qū)相及相區(qū) 圖7-5表示一般共晶型Pb-Sn相圖。 圖中有、L三個(gè)相。 a是以Pb為溶劑整理課件圖75 Pb-Sn 合金相圖 Sn為溶質(zhì)的有限固溶體；是以Sn為溶劑、Pb為溶質(zhì)的有限固溶體。 圖中有a、L三個(gè)單相區(qū)，還有L+ a ，L+ ，a+ 三個(gè)雙相區(qū)。整理課件 (2) 合金結(jié)晶過(guò)程1）合金I的結(jié)晶過(guò)程（wsn10） 由圖75可見(jiàn)，成分為I（ws=0.1）的合金在緩冷至液相線1點(diǎn)時(shí)，發(fā)生勻晶反應(yīng)，開(kāi)始析出a相，稱(chēng)為一次晶。 隨溫度下降，a相不斷增多，液相減少，固相成分沿AM線變化，液相沿AE線變化，冷至2點(diǎn)，結(jié)晶完畢。溫度在2、3點(diǎn)

11、之間，合金為a單相組織。當(dāng)溫度降至3點(diǎn)時(shí)，碰到a固相線MF，過(guò)飽和狀態(tài)的a相不斷析出富相，這種析出過(guò)程稱(chēng)為脫溶過(guò)程或稱(chēng)二次析出反應(yīng)，析出的II相叫二次晶，其結(jié)晶過(guò)程和冷卻曲線整理課件 圖76 合金I冷卻曲線及組織（wsn10） 的組織變化分別見(jiàn)圖76a、b。 利用杠桿定律，可以分別計(jì)算出a相、II相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。整理課件 由式（75），可以計(jì)算如下： 二次晶在晶界上析出，也可在晶內(nèi)缺陷處析出。二次晶由于析出溫度較低不易長(zhǎng)大，一般都十分細(xì)小。二次晶是從固相中析出，相間圓滑，呈細(xì)小顆粒的形態(tài)，見(jiàn)圖77。 合金I在結(jié)晶過(guò)程中的反應(yīng)：勻晶反應(yīng)二次析出，室溫下的顯微組織為 a + II。%2 . 8%10

12、02100210%10010FGFwII%8 .911IIww整理課件 400 圖77 合金I冷卻后的室溫組織形態(tài) 整理課件2）合金II的結(jié)晶過(guò)程（wsn61.9） 合金II具有共晶成分E（61.9%Sn），冷卻曲線如圖78所示。 由圖75可見(jiàn)，此緩冷至tE溫度時(shí)，也就是共晶溫度時(shí)，成分為E的液相L發(fā)生共晶反應(yīng)，同時(shí)析出成分為M的a相和成分為N的相，獲得a 的共晶組織。其反應(yīng)式為： 根據(jù)杠桿定律可知，共晶組織中a相和相的質(zhì)量比為： NMELMEEN整理課件 圖7-8 合金II冷卻曲線 （wsn61.9） 共晶反應(yīng)在恒溫條件下經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后才能完成，得到的 a 、二相的機(jī)械混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可用杠

13、桿定律計(jì)算： 整理課件 共晶反應(yīng)完成后，在溫度下降過(guò)程中，a固溶體和固溶體分別沿MF線和NG線不斷變化，合金II從a相中析出二次晶II，從相中析出二次晶aII，可用杠桿定律計(jì)算。 由于aII和II量小，在組織中不易分辨，一般不予區(qū)別。 所以，合金II在結(jié)晶過(guò)程中的反應(yīng)為共晶反應(yīng)二次析出，其室溫組織為(a)共晶，其形態(tài)見(jiàn)圖79。%6 .54%1000 .195 .970 .199 .61%100%4 .45%1000 .195 .979 .615 .97%100MNMEwMNENwNM整理課件 （a )片狀共晶 400 圖79 Pb-Sn 二元合金的共晶顯微組織 圖中黑色為Pb的 a相，白色為S

14、n的相 , a相、相呈片層狀相間分布，稱(chēng)片層狀共晶。 整理課件3 3）合金合金IIIIII的結(jié)晶過(guò)程（的結(jié)晶過(guò)程（wsn50） 合金III的成分在M、E點(diǎn)之間，稱(chēng)為亞共晶合金。圖7-10為其冷卻曲線及組織變化。 當(dāng)緩冷到1點(diǎn)時(shí)，結(jié)晶出一次晶a相，溫度在1、2點(diǎn)之間為勻晶反應(yīng)。溫度降到2點(diǎn)共晶溫度tE時(shí)，液相L具有共晶成分E，發(fā)生共晶反應(yīng)。共晶反應(yīng)后的組織為a+(a)共晶。 隨溫度下降，a相成分沿MF線改變，此時(shí)勻晶和共晶中的a相都要析出II，室溫組織為 a+(a)共晶 II ，顯微組織見(jiàn)圖711。 圖中黑色粗大樹(shù)枝狀組織為一次晶a相，粗黑色間的白色顆粒狀組織為二次晶II，其余黑白相間部分為共晶

15、組織(a)共晶。整理課件 圖7-10 亞共晶合金III冷卻曲線及組織 （wsn0.5） 整理課件 200 圖7-11 亞共晶合金III的室溫組織 （wsn0.5） 整理課件 由上述可見(jiàn)，合金III在結(jié)晶過(guò)程中的反應(yīng)為：勻晶反應(yīng)+共晶反應(yīng)+二次析出。 其組成物的相對(duì)量可用杠桿定律求出。 室溫時(shí)wsn50的Pb-Sn亞共晶合金組織組成物的相對(duì)量為 也可以按三相總量進(jìn)行計(jì)算。%8 . 4)2100219(199 .61509 .61%100)(2%23)210019100(199 .61509 .61%100)(2%2 .72%100199 .611950%1002FGMFMEEwFGMGMEEwM

16、EMwII%8 . 41)(wwwII整理課件 同例，對(duì)于過(guò)共晶合金IV，其結(jié)晶過(guò)程與合金III（即亞共晶合金）類(lèi)似，有勻晶反應(yīng)+共晶反應(yīng)+二次析出，不同的是勻晶反應(yīng)的一次晶為；二次晶為aII。所以，其室溫組織為: +(a)共晶+a II 。 從相的角度來(lái)看，Pb-Sn合金的結(jié)晶產(chǎn)物只有a、兩相。室溫下各合金結(jié)晶得a相、相、aII二次晶、II二次晶和共晶相(a + )共晶，在顯微鏡下可以看到各個(gè)具有一定組織的特征，它們稱(chēng)為組織組成物。按組織來(lái)填寫(xiě)，其相圖如圖7-12所示，這樣填寫(xiě)的合金組織與顯微鏡看到的金相組織是一致的。 整理課件 圖7-12 相圖的組織組成物整理課件7.3.3 二元包晶相圖二

17、元包晶相圖 兩組元在液態(tài)下無(wú)限互溶，固態(tài)下有限互溶或不互溶，并發(fā)生包晶反應(yīng)的二元相圖，稱(chēng)為包晶相圖。 包晶反應(yīng)的二元合金系有Pt-Ag, Cu-Sn, Cu-Sn，F(xiàn)e-Fe3C等, 以及某些陶瓷如ZrO2-CaO等。1. 相圖分析 以Fe-Fe3C系相圖中包晶反應(yīng)為例來(lái)說(shuō)明。 由圖7-13可見(jiàn)，這一包晶相圖是由三個(gè)局部的勻晶相圖，其中包括一個(gè)固相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟膭蚓鄨D和一條水平線組成。勻晶部分與前述相同，按兩側(cè)的單相區(qū)即可進(jìn)行分析。整理課件圖713 包晶相圖 圖714 包晶反應(yīng)示意圖 （Fe-Fe3C）整理課件 共晶反應(yīng)是液相中同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)固相。 包晶反應(yīng)則在某一溫度(1495)上液相成分與

18、固相成分發(fā)生相互作用生成另一固相：即成分B(0.53%C)的液相LB與成分H(0.09%C)的初晶相互作用，形成成分J(0.017%C)的固溶體。 包晶反應(yīng)的結(jié)晶過(guò)程如圖7-14所示。反應(yīng)產(chǎn)物是在液相L與固相的交界面上形核和長(zhǎng)大，形成一層外殼,三相共存。新相對(duì)外消耗液相向液相內(nèi)長(zhǎng)大，對(duì)內(nèi)不斷“吃掉”固相向內(nèi)擴(kuò)張，直到液相和固相任一方消耗為止。由于是一相包著另一相反應(yīng)，故稱(chēng)包晶反應(yīng)。JHBL整理課件7.3.4 7.3.4 其它類(lèi)型的二元合金反應(yīng)及其相圖其它類(lèi)型的二元合金反應(yīng)及其相圖 熔晶反應(yīng)熔晶反應(yīng) 一個(gè)固相在某一恒溫下，分解成一個(gè)固相與另一個(gè)液相的反應(yīng)稱(chēng)為熔晶反應(yīng)（見(jiàn)圖715a）：2.2.合晶

19、反應(yīng)合晶反應(yīng) 由兩個(gè)不同成分的液相L1、L2在某一恒溫下相互作用，生成一個(gè)一定成分的固相反應(yīng)，稱(chēng)為合晶反應(yīng)（圖715b）： L21LL整理課件圖715 具有熔晶、合晶、偏晶、共析、包析反應(yīng)相圖a.熔晶反應(yīng)；b.合晶反應(yīng)；c.偏晶反應(yīng)；d.共析反應(yīng)；e.包析反應(yīng)整理課件3.3.偏晶反應(yīng)偏晶反應(yīng) 在某一恒溫下，由兩個(gè)不同成分的液相L1 分解出另一液相L2，同時(shí)結(jié)晶出一定成分的固相的反應(yīng)（圖715c）：4.4.共析反應(yīng)共析反應(yīng) 在某一恒溫下，一定成分的固相，同時(shí)分解出兩個(gè)成分與結(jié)構(gòu)均不相同的固相的反應(yīng)（圖715d）：5.5.包析反應(yīng)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)

20、（圖715e）：21LLbdcbdc整理課件7.4 7.4 相圖與合金性能之間的關(guān)系相圖與合金性能之間的關(guān)系 合金的各項(xiàng)性能起決于成分和組織。相圖與合金性能之間存在一定的聯(lián)系。掌握這些規(guī)律，對(duì)選用或配研制新的合金是重要的。1. 根據(jù)相圖判斷材料的力學(xué)、物理性能根據(jù)相圖判斷材料的力學(xué)、物理性能 圖716表示具有均晶相圖、共晶相圖的合金的機(jī)械性能和物理性能隨成分而變化的一般規(guī)律。 固溶體的性能與溶質(zhì)元素溶入量有關(guān)。溶質(zhì)的溶入量越多，晶格畸變?cè)酱螅?dāng)成分達(dá)50時(shí)，存在性能的極限值。整理課件 圖716 合金的使用性能與相圖的關(guān)系一般情況下，合金的強(qiáng)度、硬度等隨含碳量的增加而增加，如10鋼、20鋼、40

21、鋼(工具鋼)。 像硬度，基本上可以依據(jù)二組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)而求出。 整理課件2. 根據(jù)相圖判斷材料的工藝性能根據(jù)相圖判斷材料的工藝性能 圖717 表示合金的鑄造工藝性能與相圖的相互關(guān)系。 純組元和共晶成分的合金流動(dòng)性最好。 縮孔集中，鑄造性能好。 相圖中液相線和固相線的距離越短，液體合金結(jié)晶的溫度范圍越窄，對(duì)鑄造質(zhì)量和澆鑄越有利。若液相線和固相線的距離越遠(yuǎn)，則會(huì)出現(xiàn)枝晶偏析。 所以，鑄造合金選共晶或接近共晶的成分。整理課件 圖7-17 合金鑄造性能與相圖的關(guān)系整理課件7.5 7.5 鐵鐵-碳合金相圖碳合金相圖 碳鋼和鑄鐵是工業(yè)中用量最多的金屬材料，是以鐵、碳為基本組元的合金，稱(chēng)為鐵碳合金。鐵是鐵碳

22、合金的基本成分，碳是影響鐵碳合金性能的主要成分。 含碳量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.0218-2.11%的鐵碳合金叫鋼。含碳量大于2.11%的叫鑄鐵。含碳量大于5的鑄鐵，性能變脆，無(wú)實(shí)用價(jià)值。鋼和鑄鐵都是鐵碳合金，但性能差別很大。 鐵碳相圖是研究鐵碳合金性能的工具，是研究碳鋼、鑄鐵的成分、溫度、組織和性能之間關(guān)系的基礎(chǔ),是制定各種熱加工工藝的依據(jù)。 整理課件1.1.鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖 鐵碳合金相圖中，左邊組元為Fe，右邊組元為Fe3C，相圖如圖718。鐵與碳組成的合金相主要有鐵素體相、奧氏體相、滲碳體和石墨相。室溫下的鐵素體形態(tài)如圖719所示。 鐵在不同溫度下有不同的晶體結(jié)構(gòu)。 碳溶于-Fe和-Fe

23、中形成的間歇固溶體叫鐵素體，晶體具有體心立方結(jié)構(gòu)。 碳溶于Fe中形成的間歇固溶體稱(chēng)為奧氏體，晶體具有面心立方結(jié)構(gòu)。 在鐵碳合金相圖中，鐵碳合金在相圖中的各點(diǎn)溫度、碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)及含義見(jiàn)表71。整理課件 圖7-18 鐵碳合金相圖整理課件 圖7-19 鐵素體的顯微結(jié)構(gòu)金相圖整理課件表71 FeFe3C 相圖中各點(diǎn)的溫度碳含量及含義整理課件 鐵素體用符號(hào)“F”或“”表示，顯微組織如圖720所示。鐵素體是一種強(qiáng)度、硬度低，但塑性、韌性好的相結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能一般和晶粒度大小有關(guān)。 奧氏體用符號(hào)“A”或“”表示，是一種塑性和韌性均很高的相結(jié)構(gòu)。 滲碳體是一種具有復(fù)雜晶格的間隙化合物，用 “Fe3C”或“Cm”

24、符號(hào)表示。滲碳體含碳量為6.69%，熔點(diǎn)為1227，硬度很高（HB=800）但性脆，塑性幾乎為零。 滲碳體在鋼和鑄鐵中，一般呈片狀、網(wǎng)狀或球狀存在。它的形狀和分布對(duì)鋼的性能影響整理課件很大，是鐵碳合金的重要強(qiáng)化劑。它是一種亞穩(wěn)定化合物，在一定條件下能分解成石墨狀的游離碳： Fe3C3Fe+C(石墨)。 碳鋼材料的脆化和劣化與此相關(guān)。 圖7-20 鐵素體的顯微結(jié)構(gòu)400整理課件2. 鐵碳相圖中重要的點(diǎn)和線 圖中J、C、S為三個(gè)重要的點(diǎn)。 J 點(diǎn)為包晶點(diǎn)點(diǎn)為包晶點(diǎn) 合金在平衡結(jié)晶過(guò)程中冷卻到14950C時(shí)，B點(diǎn)成分的液相L與H點(diǎn)成分的固相發(fā)生包晶反應(yīng)，生成J點(diǎn)成分的固相A， C點(diǎn)點(diǎn) 為共晶點(diǎn)為共晶

25、點(diǎn) 合金在平衡結(jié)晶過(guò)程中冷卻到11480C時(shí)，C點(diǎn)成分的液相L發(fā)生共晶反應(yīng)，生成E點(diǎn)成分的A點(diǎn)、Fe3C的固相。共晶反應(yīng)時(shí)L、A、 Fe3C三相共存，反應(yīng)式為：JHBALCFeALEC3整理課件 共晶反應(yīng)的產(chǎn)物是奧氏體與滲碳體的混合物，稱(chēng)為萊氏體，用Le表示。 S點(diǎn)點(diǎn) 為共析點(diǎn)為共析點(diǎn) 合金在平衡結(jié)晶過(guò)程中冷卻到7270C時(shí)，S點(diǎn)成分的固相A發(fā)生共析反應(yīng)，生成P點(diǎn)成分的F和Fe3C。共析反應(yīng)在恒溫下進(jìn)行，反應(yīng)過(guò)程中 A、F、 Fe3C三相共存，反應(yīng)式為： HJB為包晶反應(yīng)線為包晶反應(yīng)線 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.09%-0.53%的鐵碳合金在平衡結(jié)晶過(guò)程中均發(fā)生包晶反應(yīng)。CFeFAPS3整理課件 ECF

26、為共晶反應(yīng)線為共晶反應(yīng)線 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.11%-6.69%之間的鐵碳合金，在平衡結(jié)晶過(guò)程中均發(fā)生共晶反應(yīng)。 PSK為共析反應(yīng)線為共析反應(yīng)線 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.0218%-6.69%之間的鐵碳合金，在平衡結(jié)晶過(guò)程中均發(fā)生共析反應(yīng)。PSK稱(chēng)為A1線。 GS線線 合金冷卻時(shí)自A相中開(kāi)始析出F相的臨界溫度線，通常叫A3線。 整理課件 ES線線 碳在A相中的固溶線叫Acm線。在11480C時(shí)A相中溶碳量很大，可達(dá)2.11%，在7270C時(shí)僅0.77%。從11480C冷卻到7270C時(shí)，將從A相中析出Fe3C，稱(chēng)為二次滲碳體Fe3C II。 PQ線線 碳在F相中的固溶線。在7270C時(shí)F相中溶碳量最大，碳

27、質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)0.0218%, 室溫時(shí)僅為0.0008%,因此碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.0008%的鐵碳合金自7270C冷卻到室溫時(shí)，從F相中析出Fe3C，析出的滲碳體為三次滲碳體Fe3CIII 。 PQ線是從F相中析出Fe3CIII的臨界線。 整理課件3. 含碳量對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響含碳量對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響(1) 含碳量對(duì)力學(xué)性能的影響含碳量對(duì)力學(xué)性能的影響 根據(jù)前述可知，鐵素體是軟韌相，滲碳體是硬脆的強(qiáng)化相。滲碳體含量越多，分布越均勻，材料的硬度和強(qiáng)度越高，塑性和韌性越低。 當(dāng)滲碳體分布在晶界或作為基體存在時(shí)，材料的塑性和韌性大為下降,強(qiáng)度也隨之降低。這就是過(guò)共析鋼和白口鑄鐵脆性高的原因

28、。 當(dāng)含碳量大于1.0%時(shí)，因出現(xiàn)網(wǎng)狀，導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度下降，但硬度仍保持直線上升。整理課件(2 2) 含碳量對(duì)工藝性能的影響含碳量對(duì)工藝性能的影響1 1）切削加工性切削加工性 一般認(rèn)為中碳鋼的塑性比較適中，硬度在HB200左右，切削加工性能最好，含碳量過(guò)低和過(guò)高，都會(huì)降低其切削加工性能。2）鑄造性）鑄造性 鑄鐵的流動(dòng)性比鋼好，易于鑄造，特別是靠近共晶成分的鑄鐵，其結(jié)晶溫度低，流動(dòng)性好，具有良好的鑄造性能。 由于含碳量不同，相圖上的凝固溫度區(qū)間大小也不同，此區(qū)間越大，越容易形成分散縮孔，流動(dòng)性越低，而且越容易產(chǎn)生嚴(yán)重偏析。整理課件3) 焊接性焊接性 鋼的塑性越好，焊接性能越好。所以，低碳鋼比高碳鋼

29、易于焊接。4) 熱處理性熱處理性 鋼中組織轉(zhuǎn)變的規(guī)律稱(chēng)為熱處理原理。根據(jù)熱處理原理而制定的溫度，時(shí)間，介質(zhì)等參數(shù)稱(chēng)為熱材料工藝，如普通熱處理的退火、正火、淬火和回火等、表面熱處理的表面淬火和化學(xué)處理以及特殊氣氛處理等。根據(jù)鋼中的含碳量不同，制定相關(guān)的熱處理工藝。整理課件7.6 7.6 相圖熱力學(xué)基礎(chǔ)相圖熱力學(xué)基礎(chǔ) 相圖是描述系統(tǒng)中各相的存在條件及相與相之間平衡關(guān)系的一種圖解. 系統(tǒng)的不同狀態(tài)對(duì)應(yīng)于一定的成分、溫度及壓力范圍，超過(guò)這個(gè)范圍，會(huì)發(fā)生狀態(tài)或相的轉(zhuǎn)變，處于范圍內(nèi)，就呈穩(wěn)定范圍或相平衡。系統(tǒng)的相平衡與其它物理化學(xué)的平衡，如力平衡、熱平衡、化學(xué)平衡一樣，遵循一般的熱力學(xué)規(guī)律。 相圖是以熱力

30、學(xué)為基礎(chǔ)，因而熱力學(xué)理論對(duì)于相圖的建立、理解、分析及應(yīng)用等方面具有重要意義。整理課件1. 吉布斯（吉布斯（Gibbs）自由能與成分關(guān)系）自由能與成分關(guān)系 在一個(gè)給定系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生任意無(wú)限小可逆變化時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)能的變化可用通式表示為： 由熱力學(xué)基本理論，吉布斯自由能 表示總的相數(shù)。的摩爾分?jǐn)?shù)為組元由能；布斯自的化學(xué)位，或偏摩爾吉代表組元式中，n , i x i 7)-(7 iiiniidxpdVTdsdU 8)-(7 TSpVUTS-HG 整理課件 對(duì)（78）式作全微分，得 dG=dU+pdVVdpTdSSdT （79）將（77）式代入（79）式得： 此式即為可變體系的吉布斯自由能的微分式，是熱力學(xué)的

31、基本方程式。 顯然，溫度和壓力一定時(shí)，吉布斯自由能主要受成分控制。10)-(7 ikiidxSdTVdpdG整理課件 以二元系為例。當(dāng)A、B兩種金屬組元混合形成固溶體時(shí)，自由能發(fā)生變化。取熱力學(xué)溫度為T(mén)，吉布斯自由能的改變?yōu)椋?為混合焓和混合熵。、吉布斯自由能總和，金屬組元混合前的、為，式中，mmmmmmSHGSTHGBAGGG11)-(7 oo。組元的摩爾分?jǐn)?shù)，且、分別為時(shí)的化學(xué)位；組元在溫度、分別為、式中，顯然，、1xxBxx TA12)-(7 x xG BABAoBoABoBAoAoAB整理課件 由（711）、（712）式得 按照熵的統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)定義： 的熵。、前純組元分別為固溶體、為固溶

32、體的增量，式中。）（的增量：體后系統(tǒng)的熵為混合熵，即形成固溶式中，BASSS147 SSSS S13)-(7 ST-HxxGG BAABBAABmmmmBoBAoAomG klnwS 整理課件 利用Stering 公式:lnN！NlnNN，簡(jiǎn)化上式得： 16)-(7 !/)!(kln lnW !/)!( W ABABBABABABANNNNNNNN的總數(shù)目。列原子互相混合的任意排個(gè)原子和個(gè)表示固溶體中為波爾茲曼常數(shù)；式中，）（）（上式可寫(xiě)成BNANWk157 lnWlnWlnWkS BAABABBAm整理課件 kNRR 16)-(7 )lnxxlnxR(x ) NNln NN NNln NN(

33、)(S BBAAABABAAAAAB為氣體常數(shù)，式中，BBBBBANNNNkNN: 137167 , 0lnW1 W, 0lnW1 WWWBBAABA的吉布斯自由能表達(dá)式，即得固溶體）代入（將式（，以是同類(lèi)原子的排列，所和整理課件 如果是理想溶體，由于形成時(shí)沒(méi)有熱效應(yīng)，因而熱焓的增量 所以理想溶體的吉布斯自由能 17)-(7 H )lnln(xxG mBoBAoABBAAxxxxRT 0,Hm18)-(7 )lnln(xxG BoBAoABBAAxxxxRT溶體。則為具有放熱效應(yīng)的固若溶體；則為具有吸熱效應(yīng)的固若, 0H 0,H mm整理課件 圖721表示了三種情況下固溶體的吉布斯自由能成分曲

34、線。 對(duì)于 的情況，在某一溫度范圍內(nèi)自由能成分曲線出現(xiàn)兩個(gè)極小值，如圖721c，說(shuō)明此種固溶體有一定的溶解度間隙，在兩個(gè)極小值成分范圍內(nèi)合金分解成兩個(gè)成分不同的固溶體。 一般而言，稀薄固溶體可以當(dāng)作理想溶體。在稀薄固溶體中，溶質(zhì)的微量增加對(duì)內(nèi)能的影響很小，但可以使熵值增加，從（716）式看出，xA等于0.5時(shí)混合熵最大，xA接近于1時(shí)，曲線斜率很大，見(jiàn)圖722。 0Hm整理課件 圖7-21 二元溶體的三種吉布斯 自由能成分曲線0H c. 0;H b. 0;H .mmma整理課件 圖7-22 混合熵和濃度的關(guān)系整理課件2. 2. 克勞修斯克萊普隆方程克勞修斯克萊普隆方程 某物質(zhì)在一定溫度和壓力下

35、處于兩相平衡狀態(tài)，若溫度改變dT，壓力相應(yīng)地改變dp，兩相仍呈平衡狀態(tài)。 根據(jù)等溫等壓下平衡條件 ;考慮1摩爾物質(zhì)吉布斯自由能變化，由于平衡狀態(tài)， 0G ）（即）（）式得應(yīng)用（按217 VSVVSSdTdp 207 dpVdTSdpVdTS 197 Vdp,-SdTG 12122211整理課件 因?yàn)檫^(guò)程是在恒溫恒壓下進(jìn)行 此式即為克勞修斯克萊普隆方的程，適用于任何物質(zhì)的兩相平衡體系。 ）（）式，得代入（）（237 VHdTdp 217227 dHdQS2121TTHTT整理課件3. 3. 相平衡方程相平衡方程（1 1）化學(xué)位）化學(xué)位 化學(xué)位也稱(chēng)為偏摩爾吉布斯自由能，它是溫度、壓力和成分的函數(shù)。

36、 對(duì)于一個(gè)多組元多相系統(tǒng)，組元i在相j中的化學(xué)位可表示為： 的吉布斯自由能。為相的摩爾濃度；為組元式中，（ j G i x)247 ji)(ijjidxdG整理課件 化學(xué)位的物理意義是指某組元從某相中逸出的能力，是一種勢(shì)能函數(shù)。 組元i在某相中的化學(xué)位越高，該組元向化學(xué)位低的一相轉(zhuǎn)移的傾向越大；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)，因此化學(xué)位可作為系統(tǒng)狀態(tài)是否平衡或不可逆過(guò)程的依據(jù)。若二元系統(tǒng)的溶體吉布斯自由能成分曲線已知，就可用切線法求取兩個(gè)組元的化學(xué)位（圖723）。 例如，溶體成分為x，在曲線上成分點(diǎn)x處作一切線，切線與縱軸的交點(diǎn)a、b的吉布斯自由能便是組元A、B在成分為x溶體的化學(xué)位。整理課件 圖7-23 由自由能曲線的切線求組元的化學(xué)位 Bb G )257 Aa G BAAABBdxdGxdxdGx（即整理課件(2)(2)相圖的相平衡相圖的相平衡 1 1）多相平衡條件）多相平衡條件 多組元系統(tǒng)中多相平衡的條件是任一組元在各相中的化學(xué)位相等：2 2）一元系統(tǒng)