工程材料原理

工程材料原理第一頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日相圖是描述系統(tǒng)的狀態(tài)、溫度、壓力及成分之間的關(guān)系的一種圖解，又稱為狀態(tài)圖或平衡圖。利用相圖，我們可以了解各種成分的材料在不同溫度、壓力下的相組成，多種相的成分與相對(duì)量及組織的變化規(guī)律等。因此，掌握和了解相圖的基本知識(shí)和分析方法，對(duì)制定材料熱加工工藝、分析和檢測(cè)材料的性能以及研究開(kāi)發(fā)新材料等都有重要作用和指導(dǎo)意義。材料的微觀組織及其性能是由材料的相決定的，要研究和掌握材料的組織與性能之間的關(guān)系，必須了解材料中各種相的形成與變化規(guī)律。相圖正是研究這些規(guī)律的重要工具。第二頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第一節(jié)相、相平衡與相律一.相的概念

相：在金屬或合金中，凡化學(xué)成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同并有界面與其它部分分開(kāi)的均勻組成部分叫做相。一般地，各種氣體能以任意比例混合，因此無(wú)論多少種氣體很合只能形成一個(gè)相——?dú)庀?；多種液體混合視互溶程度不同，有的形成單相（水和乙醇），有的為多相（水和苯）；多相固體通常有幾種固體就有幾種固相，但金屬中合金要區(qū)分，形成固溶體為單相。第三頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日二.相平衡

相與相之間的轉(zhuǎn)變稱為相變。如果系統(tǒng)中各相經(jīng)歷很長(zhǎng)時(shí)間而不互相轉(zhuǎn)化，即各相中每種物質(zhì)濃度不隨時(shí)間變化，則體系處于平衡狀態(tài)。相平衡是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，從微觀角度看，在相界面處兩相之間的轉(zhuǎn)化是不停地進(jìn)行著，只是同一時(shí)間內(nèi)各相之間的轉(zhuǎn)化速率相等。第四頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日三.相律（一）組元與獨(dú)立組元組元：組成體系的每一種能獨(dú)立存在的物質(zhì)，也稱組分、成分；獨(dú)立組元：體系中不受任何限制可獨(dú)立變動(dòng)的組元。獨(dú)立組元數(shù)C是確定平衡體系中各相組成所需的最小組元數(shù)，因?yàn)槠胶怏w系中各組元之間往往存在著某種關(guān)系或約束條件，因此獨(dú)立組元數(shù)通常等于或小于體系中存在的組元數(shù)n。第五頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（二）自由度自由度：一定條件下平衡體系中可在一定范圍內(nèi)獨(dú)立變化而不影響（不破壞）相平衡的變量數(shù)稱之為自由度f(wàn)。體系自由度是隨體系中相數(shù)的增加而減小的。如單元單相系統(tǒng)——液態(tài)水，T和P可在一定范圍內(nèi)獨(dú)立變動(dòng)而體系不會(huì)發(fā)生變化，即體系中不會(huì)出現(xiàn)冰或水蒸氣，自由度為2，如單元二相平衡體系——水和水蒸氣，T和P只有一個(gè)可在一定范圍內(nèi)獨(dú)立變動(dòng)而體系不會(huì)發(fā)生變化，體系自由度為1。第六頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日一般溫度和壓力下，水有三種聚集狀態(tài)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出兩相達(dá)平衡時(shí)的壓力和溫度圖，以壓力為縱坐標(biāo)，溫度為橫坐標(biāo)得到水的相圖。第七頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日在“水”、“冰”、“水蒸氣”三個(gè)區(qū)域內(nèi)，體系都是單相，Φ=1（相數(shù)），所以f=2。在該區(qū)域內(nèi)可以有限度地獨(dú)立改變溫度和壓力，而不會(huì)引起相的改變。我們必需同時(shí)指定溫度和壓力這兩個(gè)變量，然后體系的狀態(tài)才能完全確定。圖中三條實(shí)線是兩個(gè)區(qū)域的交界線。在線上

Φ=2，是兩相平衡，f=1，指定了溫度就不能再任意指定壓力，壓力應(yīng)由體系自定，反之亦然。OA是水蒸氣和水的平衡曲線，即水在不同溫度下的蒸氣壓曲線。OA線不能任意延長(zhǎng)，它終止于臨界點(diǎn)B(647K，2.2×107Pa。在臨界點(diǎn)液體的密度與蒸氣的密度相等，液態(tài)和氣態(tài)之間的界面消失)。OB是冰和水蒸氣兩相的平衡線(即冰的升華曲線)，OB線在理論上可延長(zhǎng)到絕對(duì)零度附近。OC線為冰和水的平衡線，OC線不能無(wú)限向上延長(zhǎng)，大約從2.03×108Pa開(kāi)始，相圖變得比較復(fù)雜，有不同結(jié)構(gòu)的冰生成。第八頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日O點(diǎn)是三條線的交點(diǎn)，稱為三相點(diǎn)，在該點(diǎn)三相共存。Φ=3,f=0.三相點(diǎn)的溫度和壓力皆由體系自定，我們不能任意改變。三相點(diǎn)的溫度為273.16K，壓力為610.62Pa。

現(xiàn)在國(guó)際單位規(guī)定水的三相點(diǎn)的溫度為273.16K，并以此來(lái)規(guī)定熱力學(xué)溫標(biāo)的單位，即每一開(kāi)爾文(K)是水的三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1／273.16(也就是說(shuō)在0K和水的三相點(diǎn)之間，分為273.16格，每一格就是1K)。第九頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（三）.相律相律（吉布斯相律）是分析和使用相圖的重要理論依據(jù)，它表示在平衡條件下，系統(tǒng)的自由度數(shù)、組元數(shù)和平衡相數(shù)之間的關(guān)系式。對(duì)于不含氣相的凝聚系統(tǒng)，可視為恒壓條件，相律表述為：f=C－Ф+N式中：f－自由度數(shù)；C－獨(dú)立組元數(shù)；Ф－平衡相數(shù)N—影響體系平衡狀態(tài)的外界或內(nèi)部因素?cái)?shù)（溫度，壓力，重力場(chǎng)，表面張力等）只考慮溫度和壓力對(duì)平衡狀態(tài)的影響，N=2，相律表述為：f=C－Ф+2f=C－Ф+1第十頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第二節(jié)二元相圖為了對(duì)廣泛使用的合金進(jìn)行熔鑄、鍛壓和熱處理，必須首先了解它們的熔點(diǎn)和固態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，并弄清楚它們的凝固過(guò)程及凝固后的相和組織結(jié)構(gòu)。相圖是描述系統(tǒng)的狀態(tài)、溫度、壓力及成分之間的關(guān)系的一種圖解，又稱為狀態(tài)圖或平衡圖。利用相圖，我們可以了解各種成分的材料在不同溫度、壓力下的相組成，多種相的成分與相對(duì)量及組織的變化規(guī)律等。因此，掌握和了解相圖的基本知識(shí)和分析方法，對(duì)制定材料熱加工工藝、分析和檢測(cè)材料的性能以及研究開(kāi)發(fā)新材料等都有重要作用和指導(dǎo)意義。第十一頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日一.二元相圖的表示與建立方法（一）二元相圖的表示方法對(duì)二組元凝聚系統(tǒng)，常壓范圍內(nèi)對(duì)體系的影響可以忽略不計(jì)，二元相圖可以用一個(gè)二維平面圖形來(lái)表示。通常以溫度和成分為坐標(biāo)軸的溫度-成分圖來(lái)表示，圖中任一點(diǎn)叫做表象點(diǎn)，表象點(diǎn)的坐標(biāo)值反映了一個(gè)給定合金的成分和溫度。WB（%）Et/℃第十二頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（二）二元相圖的建立方法實(shí)驗(yàn)測(cè)定相圖的方法有：熱分析法、金相法、X射線衍射法等。現(xiàn)以熱分析法確定Cu-Ni相圖的建立過(guò)程：1）純銅（熔點(diǎn)1083℃）2）wCu80%+wNi20%的合金3）wCu60%+wNi40%的合金4）wCu40%+wNi60%的合金5）wCu20%+wNi80%的合金6）純鎳（熔點(diǎn)1452℃）（1）先配制一系列不同成分的Cu-Ni合金；CrystalStructurer(nm)NiFCC0.1246CuFCC0.1278第十三頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日Meltingofpuremetalsandalloys第十四頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（2）在非常緩慢冷卻條件下測(cè)定各合金從液態(tài)到室溫的冷卻曲線100%Ni溫度℃

時(shí)間Cu20406080NiNi%TNiTCu80%Ni60%Ni40%Ni20%Ni100%Cu

特點(diǎn)：純金屬冷卻曲線上有水平臺(tái)階，是因?yàn)槟虝r(shí)釋放的結(jié)晶潛熱補(bǔ)償了冷卻時(shí)的熱量散失，故溫度不變；說(shuō)明純金屬凝固是恒溫過(guò)程；合金冷卻出現(xiàn)二次轉(zhuǎn)折，是因?yàn)楹辖鹉虝r(shí)釋放的結(jié)晶潛熱只能部分補(bǔ)償冷卻時(shí)的熱量散失，使冷卻速率降低，出現(xiàn)第一個(gè)拐點(diǎn)，凝固結(jié)束后，沒(méi)有潛熱補(bǔ)償，冷卻速率加快，出現(xiàn)第二個(gè)拐點(diǎn)，兩個(gè)點(diǎn)分別為凝固開(kāi)始點(diǎn)和凝固結(jié)束點(diǎn)。Cu-Ni合金相圖的測(cè)繪冷卻曲線第十五頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（3）找出各合金冷卻曲線上的臨界點(diǎn),并將它們標(biāo)注在成分—溫度坐標(biāo)系。將各成分線上具有相同意義的點(diǎn)連接成線,并根據(jù)已知條件和實(shí)際分析結(jié)果寫(xiě)上數(shù)字、字母和各區(qū)所存在的相或組織名稱,就得到一個(gè)完整的二元合金相圖。

100%Ni溫度℃

時(shí)間Cu20406080NiNi%TNiTCu80%Ni60%Ni40%Ni20%Ni100%Cu（a）（b）Cu-Ni合金相圖的測(cè)繪（a）冷卻曲線（b）Cu-Ni相圖第十六頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日PhaseDiagramsCu-Ni相圖?2個(gè)相:

L

(liquid)a

(FCCsolidsolution)?3個(gè)相區(qū):LL+aawt%Ni2040608010001000110012001300140015001600T(°C)L(liquid)a

(FCCsolidsolution)L+aliquidussolidus第十七頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日二.杠桿定律合金凝固過(guò)程中，各相成分以及相對(duì)量都隨著凝固的進(jìn)行而不斷變化，可以利用杠桿定律確定在任一平衡狀態(tài)下各平衡相的成分及相對(duì)量。wt%Ni2012001300T(°C)L(liquid)a(solid)L+aliquidussolidus304050L+aBTBtielineCoCLCaSRMLMRS第十八頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日運(yùn)用杠桿定律時(shí)要注意，它只適用于相圖中的兩相區(qū)，并且只能在平衡狀態(tài)下使用。杠桿的兩個(gè)端點(diǎn)為給定溫度時(shí)兩相的成分點(diǎn)，而支點(diǎn)為合金的成分點(diǎn)。第十九頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日三.二元相圖的基本類型（一）勻晶相圖（二）共晶相圖（三）包晶相圖（四）其他類型的相圖1.形成化合物的相圖2.偏晶相圖3.熔晶相圖4.合晶相圖5.具有固態(tài)轉(zhuǎn)變的相圖第二十頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（一）勻晶相圖勻晶轉(zhuǎn)變：從液相中不斷結(jié)晶出單相固溶體的過(guò)程稱為勻晶轉(zhuǎn)變。勻晶相圖：二組元在液態(tài)、固態(tài)時(shí)均能無(wú)限互溶的二元合金相圖就是勻晶相圖。這樣的二元合金系稱為勻晶系。

屬于勻晶系的合金系有Cu-Ni、Nb-Ti、Ag-Au、Cr-Mo、Fe-Ni、Mo-W等。幾乎所有二元合金相圖都包含有勻晶轉(zhuǎn)變部分，因此掌握這一類相圖是學(xué)習(xí)二元合金相圖的基礎(chǔ)。2023/6/18第二十一頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日A1083℃B1452℃LL+α溫度CuNiNi%Cu-Ni合金相圖液相線固相線α相圖結(jié)構(gòu)：（1）三個(gè)相區(qū)：兩個(gè)單相區(qū)和一個(gè)雙相區(qū)（L+α相區(qū)）。（2）兩條線：液相線，固相線。α是固溶體，即為銅、鎳兩組元組成的二元互溶體系。第二十二頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日1.固溶體的平衡凝固平衡凝固：是指凝固過(guò)程中的每一時(shí)刻都處于平衡狀態(tài)，實(shí)際上很難達(dá)到，因此通常是指極緩慢冷卻條件下的凝固或者冷卻速率足夠小的條件下的凝固。平衡組織：平衡凝固所得到的組織稱為平衡組織。第二十三頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日IA1083℃B1452℃L1L2L3L4

α4

α3

α2LαL+α溫度CuXLX0XαNi%Ni時(shí)間（a）（b）圖3-4Cu-Ni合金相圖

L

Lα

α

α1t1t2t3、3t4第二十四頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日合金的凝固過(guò)程是一個(gè)形核和長(zhǎng)大過(guò)程，第九章討論。合金溫度略低于T1時(shí)開(kāi)始析出α1，由于α1含鎳量比合金高，因此近旁的液體含Ni量必然降低，隨著凝固進(jìn)行液相沿液相線變化，固相沿固相線變化。某一兩相區(qū)溫度下兩相含量和成分可以確定。第二十五頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日勻晶結(jié)晶有下列特點(diǎn)：1）固溶體結(jié)晶是在一個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行，即為一個(gè)變溫結(jié)晶過(guò)程；2）在兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定時(shí)，兩相的成分（即Ni含量）是確定的；3）在兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定時(shí)，兩相的質(zhì)量比是一定的（杠桿定律）；第二十六頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.具有極值的勻晶相圖特點(diǎn)：對(duì)應(yīng)極大點(diǎn)和極小點(diǎn)成分的合金，液相線與固相線在極值點(diǎn)處重合，液固二相成分相同凝固時(shí)不存在凝固溫度區(qū)間，在恒溫下凝固。第二十七頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（二）共晶相圖共晶反應(yīng)：由一種液相在恒溫下同時(shí)結(jié)晶出兩種固相的反應(yīng)。生成的兩相混合物叫共晶（Eutectic）組織。共晶反應(yīng)：L≒α+β結(jié)構(gòu)：3個(gè)單相區(qū)3個(gè)兩相區(qū)1個(gè)三相區(qū)MNFG400A300200100溫度℃327.5L

α1961.997.5βL+β

231.9

B183E

α+βMNFG1231212Pb20406080SnWSn（%）Pb-Sn相圖第二十八頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日1）AEB，ACENB：Pb—Sn合金相圖，AEB為液相線，AMENB為固相線，合金系有三種相，相圖中有三個(gè)單相區(qū)（L、α、β）；三個(gè)兩相區(qū)（L+α、L+β、α+β）；一條的三相L+α+β共存線（水平線cde）。E點(diǎn)為共晶點(diǎn)。2）MEN：這種由一種液相在恒溫下同時(shí)結(jié)晶出兩種固相的反應(yīng)叫做共晶反應(yīng)。所生成的兩相混合物叫共晶體。水平線MEN為共晶反應(yīng)線。3）MF：為Sn在Pb中的溶解度線（或α相的固溶線）。溫度降低，固溶體的溶解度下降。從固態(tài)α相中析出的β相稱為二次β，常寫(xiě)作βⅡ。這種二次結(jié)晶可表示為：α→βⅡ。4）NG：為Pb在Sn中溶解度線（或相的固溶線）。Sn含量小于g點(diǎn)的合金，冷卻過(guò)程中同樣發(fā)生二次結(jié)晶，析出二次α；即β→αⅡ。第二十九頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日α固溶體合金（含Sn量小于19％的Pb-Sn合金）；共晶合金（含Sn量為61.9％的Pb-Sn合金）；亞共晶合金（含Sn量為大于19％小于61.9％的Pb-Sn合金）；過(guò)共晶合金（含Sn量為大于61.9％小于97.5％的Pb-Sn合金）；β固溶體合金（含Sn量大于97.5％的Pb-Sn合金）；相圖分析典型合金的平衡結(jié)晶：第三十頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日MNFG400A300200100溫度℃327.5L

α1961.997.5βL+β

231.9

B183E

α+βMNFG1231212Pb20406080SnWSn（%）Pb-Sn相圖1234由相律可知三相共存時(shí)自由度為：f=C－Ф+1=2-3+1=0，因此共晶轉(zhuǎn)變必定是恒溫過(guò)程，共晶線為一水平線，且三相成分確定。第三十一頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日(1)合金Ⅰ的平衡結(jié)晶過(guò)程第三十二頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

合金室溫組織由α和βⅡ組成，即為組織組成物。組織組成物是指合金組織中那些具有確定本質(zhì)，一定形成機(jī)制的特殊形態(tài)的組織部分。第三十三頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第三十四頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日(2)合金Ⅱ的結(jié)晶過(guò)程第三十五頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

合金的室溫組織全部為共晶體，即只含一種組織組成物（即共晶體）；而其組成相仍為α和β相。

共晶合金組織的形態(tài)LE=αM+βN第三十六頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第三十七頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日(3)合金Ⅲ的結(jié)晶過(guò)程第三十八頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日合金的室溫組織為初生α+βⅡ+(α+β)合金的組成相為α和β。第三十九頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日(4)合金IV的結(jié)晶產(chǎn)物bbbbbbβ+αⅡ+(α+β)第四十頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日合金5的冷卻MNFG400A300200100溫度℃327.5L

α1961.997.5βL+β

231.9

B183E

α+βMNFG1231212Pb20406080SnWSn（%）Pb-Sn相圖第四十一頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第四十二頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日其它共晶相圖2023/6/18第四十三頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日2023/6/18第四十四頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（三）包晶相圖兩組元在液態(tài)無(wú)限互溶,在固態(tài)有限溶解,并發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí),所構(gòu)成的相圖,稱為包晶相圖。包晶反應(yīng)：LC+αP≒βD

線條的含義：

液相線ACB

固相線AP,DB

固溶線PE,DF

包晶線PDC第四十五頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日以Pt-Ag相圖為例：相區(qū)：3個(gè)單相區(qū)L，α，β

3個(gè)兩相區(qū)L+α，L+β，α+β

1個(gè)三相區(qū)水平線PDC123456第四十六頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（1）wAg=42.4%的合金，組織β+αII，1186℃發(fā)生包晶反應(yīng)。

平衡凝固過(guò)程包晶反應(yīng)：LC+αP≒βD

第四十七頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日包晶反應(yīng)要開(kāi)始的瞬間，L和α兩相的含量可用杠桿定律求得：包晶反應(yīng)后冷卻到室溫，α和β兩相的含量也可用杠桿定律求得：第四十八頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（2）wAg=10.15~42.4%的合金包晶反應(yīng)后α相有剩余組織：α+β+αII+βII

第四十九頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（3）wAg=42.4~66.3%的合金包晶反應(yīng)后L相有剩余組織：β+αII

第五十頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日其它包晶相圖2023/6/18第五十一頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日作業(yè)：畫(huà)出教材中圖8-7和8-15相圖，并且討論8-7圖中I，II，III，VI和V合金以及8-15圖中合金I，II，III的平衡凝固過(guò)程及顯微組織的變化，畫(huà)出這些合金的冷卻曲線。第五十二頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（四）其他類型的相圖形成化合物的相圖偏晶相圖熔晶相圖合晶相圖具有固態(tài)轉(zhuǎn)變的相圖第五十三頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日1.形成化合物的相圖(1)形成穩(wěn)定化合物的相圖2023/6/18第五十四頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日2023/6/18第五十五頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（2）形成不穩(wěn)定化合物的相圖2023/6/18第五十六頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日2023/6/18第五十七頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.偏晶相圖宏觀偏析（區(qū)域偏析）：在宏觀區(qū)域的成分不均勻現(xiàn)象；比重偏析：由于兩相比重不同而造成鑄錠上下部分化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。偏晶轉(zhuǎn)變L1=L2+α偏晶轉(zhuǎn)變L1=L2+α第五十八頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.熔晶相圖

熔晶轉(zhuǎn)變：β=α+L4.合晶相圖合晶轉(zhuǎn)變L1+L2=α第五十九頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.具有固態(tài)轉(zhuǎn)變的相圖2023/6/18第六十頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日2023/6/18第六十一頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日四.二元相圖的分析（一）二元相圖的幾何規(guī)律1)圖中相界線是相平衡的體現(xiàn)，平衡相的成分必定沿相界線隨溫度而變化；2)相鄰相區(qū)的相數(shù)差為1（點(diǎn)接觸除外），這一規(guī)律稱為相接觸法則，兩個(gè)單相區(qū)之間是由這兩個(gè)相所構(gòu)成的兩相區(qū)所隔開(kāi)，兩個(gè)兩相區(qū)是由單相區(qū)或三相水平線隔開(kāi)；3)三相平衡共存區(qū)是一條水平線段，此水平線段上有三個(gè)表示平衡相濃度的成分點(diǎn)，且該水平線段的上下方分別由兩兩平衡相組合而成的三個(gè)兩相區(qū)相鄰；第六十二頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日4）若兩個(gè)恒溫轉(zhuǎn)變中有兩個(gè)相是相同的，則此兩個(gè)恒溫轉(zhuǎn)變的兩條水平等溫線間一定是由相同的這兩個(gè)相所構(gòu)成的兩相區(qū)；5）當(dāng)兩相區(qū)和單相區(qū)的分界線與三相水平等溫線相交時(shí)，則該分界線的延伸線一定進(jìn)入另一個(gè)兩相區(qū)，而不會(huì)進(jìn)入單相區(qū)；第六十三頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（二）二元相圖的分析分析方法：（1）先看相圖中是否存在穩(wěn)定化合物，如有穩(wěn)定化合物，則可將這些穩(wěn)定化合物視作獨(dú)立組元而將相圖分成幾個(gè)部分進(jìn)行分析；（2）根據(jù)相圖接觸法則，分清各個(gè)不同的相區(qū)；（3）找出三相平衡共存水平線，并根據(jù)與其接觸的三個(gè)單相區(qū)與水平線的位置關(guān)系確定恒溫轉(zhuǎn)變的類型；（4）運(yùn)用相圖分析具體合金隨溫度變化而發(fā)生的相變和組織變化；第六十四頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日二元相圖各類等溫反應(yīng)總結(jié)

1．分解型：共晶轉(zhuǎn)變L=α+β共析轉(zhuǎn)變?chǔ)?α+β偏晶轉(zhuǎn)變L1=L2+α偏析轉(zhuǎn)變?chǔ)?=α2+β熔晶轉(zhuǎn)變：β=α+L2．合成型：包晶轉(zhuǎn)變L+α=β包析轉(zhuǎn)變?chǔ)?β=γ合晶轉(zhuǎn)變L1+L2=α第六十五頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日五.相圖與性能的關(guān)系合金的性能在很大程度上取決于組元的特性及其所形成的組織和相對(duì)量，而相圖反映了平衡狀態(tài)下合金成分與其組織的關(guān)系，故可通過(guò)相圖所反映出的特性和參量來(lái)判斷合金的使用性能與工藝性能，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)作用。第六十六頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日合金的使用性能與相圖的關(guān)系示意圖合金的使用性能與相圖的關(guān)系:溶質(zhì)的溶入量越多，晶格畸變?cè)酱?，合金的?qiáng)度、硬度越高，電阻越大。性能與成分關(guān)系呈透鏡狀。有化合物成分處出現(xiàn)極值。第六十七頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日合金的工藝性能與相圖的關(guān)系：鑄造性能：純組元和共晶成分的合金的流動(dòng)性最好，縮孔集中，鑄造性能好；兩相混合物或脆性的中間相對(duì)壓力加工性能不利，因此壓力加工(如鍛造)通常選取單相固溶體。第六十八頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日工業(yè)材料為多元合金二元合金中雜質(zhì)可以當(dāng)作三元合金來(lái)討論研究合金的成分、組織和性質(zhì)之間的關(guān)系，以及制訂合金的生產(chǎn)工藝時(shí)，還需要參考三元相圖第四節(jié)三元相圖第六十九頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日完整的三元相圖是一個(gè)立體模型，圖形比較復(fù)雜，類型也很多實(shí)測(cè)一個(gè)完整的三元相圖，工作量很繁重，立體圖形不方便，也不必要PbBiSne3

e2

e1

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第七十頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日與二元相圖聯(lián)系和區(qū)別：基本結(jié)晶原理一致分析過(guò)程一致相區(qū)接觸法則基本相同不同：由點(diǎn)到線，由線到面對(duì)三元合金而言，在常規(guī)壓力條件下有三個(gè)獨(dú)立參數(shù)：溫度和兩個(gè)成分參數(shù)，故三元相圖是一個(gè)立體相圖。第七十一頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日一.三元相圖的表示方法需用一平面表示成分通常是用等邊三角形或等腰三角形或直角坐標(biāo)表示第七十二頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日三元相圖的濃度三角形三個(gè)頂點(diǎn)A、B、C三角形的邊AB、BC、CA三角形內(nèi)的任一點(diǎn)頂點(diǎn)A、B、C分別表示三個(gè)純組元邊AB、BC、CA分別表示三個(gè)二元系的合金成分代表某一成分的三元合金第七十三頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日三角形內(nèi)任一點(diǎn)x合金的成分求法C%102030405060708090A%=100%-40%B-40%C=20%C%=40%B%=40%第七十四頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日三角形內(nèi)任一點(diǎn)x合金的成分求法三邊AB、BC、CA按順時(shí)針?lè)较蚍謩e代表三組元B、C、A的含量x點(diǎn)分別作三邊平行線，順序交三邊的三線段之和等于三角形任一邊長(zhǎng)，即xa+xb+xc=AB=BC=CA=合金總量(100%)xa=Cb，代表A組元的含量xb=Ac，代表B組元的含量xc=Ba，代表Ｃ組元的含量由x點(diǎn)作各組元對(duì)邊平行線，交于代表各組元的邊上，可以直接讀出x合金中A、B、C各組元的百分含量第七十五頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日已知x合金的成分求位置若已知合金中三個(gè)組元的百分含量，欲求該合金在三角形內(nèi)的位置，也可從代表各組元濃度線上的相應(yīng)點(diǎn)，分別作其對(duì)邊的平行線，從這些平行線的交點(diǎn)即可讀出合金的成分三角形代表三元合金的濃度，故稱為濃度三角形如圖X合金點(diǎn)第七十六頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日直線上合金含此線對(duì)頂角的組元的量相等濃度三角形中特殊線1平行濃度三角形任一邊的直線2從濃度三角形的一個(gè)頂點(diǎn)到對(duì)邊的任意直線直線上合金含此線兩旁的兩組元的量的比值相等如Bp線上的全部合金，含A和C兩組元的比值相等，即A/C=Cp/Ap如平行AC邊的線上的所有合金，含B組元的量都為Ad%第七十七頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日當(dāng)一組元的含量較少，而另兩組元的含量較多時(shí)，合金成分點(diǎn)就靠近三角形的一邊等腰三角形表示三元合金的成分用等腰三角形表示三元合金的成分第七十八頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日等腰三角形為了清晰地表示相圖，而將等腰三角形的兩腰放大，如圖所示實(shí)際應(yīng)用時(shí)，只取靠AB邊的一部分，于是就成為等腰梯形合金o成分與等邊三角形的求法一樣，即A、B、C的含量分別為Ba(30%)、Ab(60%)、Ac(10%)第七十九頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日以一組元為主，其它二組元量很少時(shí)合金中的兩組元可利用垂線從直角坐標(biāo)上求得，其余即為另一組元如鋁中的硅含量?jī)H千分之幾，鐵含量?jī)H萬(wàn)分之幾，可采用直角坐標(biāo)，而且可取不同標(biāo)尺圖中的x合金0.8%Si，0.06%FeAl=(100-0.8-0.06)%=99.14%直角三角形第八十頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日二.三元相圖平衡相的定量法則

（杠桿定律和重心法則）三元相圖的杠桿定律和重心法則用來(lái)計(jì)算平衡相的百分含量分析合金在溫度變化過(guò)程中的相成分變化規(guī)律及三元合金重熔配料等問(wèn)題第八十一頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（一）直線法則和杠桿定律杠桿定律（直線定律）三元合金O分解為兩個(gè)不同成分的平衡相D和ED、E和O三點(diǎn)必然位于一條直線上D和E兩相的重量比與其到O點(diǎn)的距離成反比或第八十二頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（一）直線法則和杠桿定律杠桿定律（直線定律）如果一合金O在液體冷凝過(guò)程中，析出相D的成分不變時(shí)，則液相的成分一定沿著DO的反延線OE上變化第八十三頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（二）重心定律（法則）三元合金o分解為三個(gè)不同成分的平衡相x、y和z圖6-5三元相圖的杠桿定律和重心法則o合金的成分點(diǎn)必然位于由x、y和z三相成分點(diǎn)所連成的三角形內(nèi)計(jì)算表明，o點(diǎn)位于xyz三角形的質(zhì)量重心，故稱為重心法則第八十四頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第八十五頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（二）重心法則圖6-5三元相圖的杠桿定律和重心法則x、y和z的重量百分?jǐn)?shù)可分別按杠桿定律進(jìn)行計(jì)算c點(diǎn)相當(dāng)于x和y兩相之和的成分點(diǎn)a點(diǎn)相當(dāng)于y和z兩相之和的成分點(diǎn)）b點(diǎn)相當(dāng)于x和z兩相之和的成分點(diǎn)第八十六頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（二）重心法則x、y和z的重量百分?jǐn)?shù)可分別按杠桿定律進(jìn)行計(jì)算算出x后，y和z的含量也可用yz作杠桿計(jì)算第八十七頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（二）重心法則將已知成分和重量的x、y和z熔合成一個(gè)o合金時(shí)o合金只能位于xyz三角形內(nèi)，不能配制出位于三角形以外的任何合金第八十八頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日三.勻晶三元相圖3.1相圖的空間模型三個(gè)組元在液態(tài)和固態(tài)下均能無(wú)限地互相溶解，形成均勻的溶液和固溶體Au-Ag-Pd、Au-Ag-Pt、Au-Pt-Cu、Cu-Ni-Pt等也有具有極大點(diǎn)和極小點(diǎn)的相圖第八十九頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（一）勻晶相圖空間模型三個(gè)側(cè)面為三個(gè)勻晶二元相圖液相面以上區(qū)域均為液相三個(gè)二元相圖的液相線連成三元相圖的液相面三個(gè)二元相圖的固相線連成固相面固相面以下區(qū)間均為固相液相面和固相面之間為液相和固相共存的兩相區(qū)第九十頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日勻晶三元相圖的空間模型液相區(qū)固相區(qū)液、固兩相區(qū)第九十一頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（二）合金的凝固過(guò)程及組織開(kāi)始凝固x合金緩慢冷卻過(guò)程當(dāng)冷至與液相面相遇于t1時(shí)繼續(xù)冷卻凝固的固相量增多第九十二頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（二）合金的凝固過(guò)程及組織溫度降至與固相面相遇于t2時(shí)x合金緩慢冷卻過(guò)程凝固完畢第九十三頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（二）合金的凝固過(guò)程及組織x合金的冷卻曲線x合金緩慢冷卻過(guò)程與二元固溶體合金完全相似第九十四頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日合金凝固過(guò)程中的相成分變化---蝶形法則固、液相成分沿固相面、液相面呈曲線變化液相成分沿L1L2L3L4變化固相成分沿α1α2α3α4變化每一個(gè)溫度下的固、液相成分連線在濃度三角形中投影呈蝴蝶狀第九十五頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日相圖空間模型很難看出具體相變溫度、相變過(guò)程中的相成分變化，以及計(jì)算各平衡相的百分含量（三）三元相圖截面實(shí)際應(yīng)用的是某些等溫截面、變溫截面以及各種相區(qū)和等溫線的投影圖實(shí)驗(yàn)測(cè)定三元相圖時(shí)，也是先測(cè)出一系列截面，然后根據(jù)這些截面建立空間模型第九十六頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日從立體模型截取等溫截面(a)及t1溫度的等溫截面(b)1.勻晶三元系的等溫截面（或水平截面）三元系在某一溫度下的狀態(tài)第九十七頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日勻晶三元系的等溫截面（或水平截面）t1溫度的等溫截面與液相面和固相面分別交截于L1L2和α1α2線段將兩條交線投影到濃度三角形上，即得t1溫度的等溫截面第九十八頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日從立體模型截取等溫截面(a)及t1溫度的等溫截面(b)勻晶三元系的等溫截面（或水平截面）t1溫度的等溫截面各種合金在t1溫度下存在的狀態(tài)可一目了然第九十九頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日兩相區(qū)中的連線（共軛線）等溫截面兩相區(qū)，根據(jù)相律f=2

每一固定成分的液相只有一固定成分的固相與之平衡

溫度固定，處于平衡的兩相可以有不同的相成分

共軛線

等溫截面的兩相區(qū)中都有這種連線

每對(duì)平衡相成分點(diǎn)的連線

第一百頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日共軛線的確定用實(shí)驗(yàn)確定：測(cè)定兩平衡相中任一相的一個(gè)組元含量(a)確定連線的方法；兩相區(qū)中的連線彼此不能相交，呈放射狀第一百零一頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日凝固時(shí)共軛線連線方向的判定固相中含高熔點(diǎn)組元的量比液相中的高固相中含低熔點(diǎn)組元的量比液相中的低所以第一百零二頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日共軛線連線方向的判定連線不可能與通過(guò)頂點(diǎn)的Bxf直線一致，因?yàn)樵摼€上的所有相，其CA/CC比值相等，不符合規(guī)律通過(guò)x點(diǎn)的正確連線位置液相成分點(diǎn)m位于Bxf線的下方，而固相成分點(diǎn)n位于Bxf線的上方這樣才符合第一百零三頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日等溫截面杠桿定律已知x合金兩平衡相的成分為m和n兩個(gè)相的百分含量第一百零四頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日(a)截取EF和BG變溫截面；(b)EF變溫截面；(c)BG變溫截面某組合金不同溫度下?tīng)顟B(tài)，分析合金的相變過(guò)程2.變溫截面（或垂直截面）第一百零五頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日與二元相圖類似三元相圖變溫截面變溫截面上不能表示相的成分縱坐標(biāo)表示溫度，橫坐標(biāo)表示成分線條表示相變溫度與二元相圖一樣分析合金的相變過(guò)程因?yàn)槠胶庀嗟某煞植皇嵌悸湓谝粋€(gè)變溫截面上在變溫截面上不能應(yīng)用杠桿定律計(jì)算平衡相的百分含量第一百零六頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日四、簡(jiǎn)單三元共晶相圖

1．立體模型：簡(jiǎn)單三元共晶相圖模型3個(gè)初晶液相面，3條單變量線或二元共晶線，一個(gè)三元共晶點(diǎn),三相區(qū)開(kāi)始面，結(jié)束面，第一百零七頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日第一百零八頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日各相區(qū)在濃度三角形上的投影圖第一百零九頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日簡(jiǎn)單三元共晶中共晶點(diǎn)第一百一十頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日簡(jiǎn)單三元共晶結(jié)晶過(guò)程如圖x合金L→A，L→A+B，L→A+B+C第一百一十一頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日2． 合金的凝固過(guò)程和組織第一百一十二頁(yè)，共一百二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日簡(jiǎn)單三元共晶