相圖的建立及勻晶相圖分析.ppt

1、1,本章知識(shí)結(jié)構(gòu),二元合金相圖的建立,相圖分析,二元相圖的分析和使用,勻晶相圖及固溶體的凝固,共晶相圖及合金的凝固,包晶相圖及合金的凝固,其他類型的二元合金相圖,合金中的相及相結(jié)構(gòu),2,3.2 二元合金相圖的建立,（1）相平衡條件,在平衡條件下，合金系中各相的成分保持著相對的穩(wěn)定性，宏觀上沒有組元在相間轉(zhuǎn)移。 在恒溫恒壓下，相間成分的改變引起的體系自由能的變化等于組元的轉(zhuǎn)移量和它們在各相化學(xué)位乘積的疊加，即,式中,為i組元的化學(xué)位；dni為i組元在相間的轉(zhuǎn)移量。,化學(xué)位差是組元在相間轉(zhuǎn)移的驅(qū)動(dòng)力。,3,（1）相平衡條件,如果dni的i組元從相中轉(zhuǎn)移到相中，則體系的自由能變化,在平衡條件下dG=

2、0,故,既、兩相平衡的條件是，兩相中同一組元的化學(xué)位相等。 若合金有n個(gè)組元，P個(gè)相，則它們的平衡條件可以寫成：,.,4,（2）相 律,在平衡條件下，合金的組元數(shù)和相數(shù)之間存在一定的關(guān)系，這種關(guān)系稱為相律。Gibbs相律：在只受外界溫度和壓力影響的平衡系統(tǒng)中，它的自由度數(shù)等于系統(tǒng)的組元數(shù)和相數(shù)只差再加上2。,式中f為系統(tǒng)的自由度數(shù)；C為系統(tǒng)的組元數(shù)；P為相數(shù)。 所謂的系統(tǒng)的自由度數(shù)，就是平衡系統(tǒng)的獨(dú)立可變因素（如溫度、壓力、濃度等）的數(shù)目。這些因素可在一定范圍內(nèi)任意獨(dú)立地改變而不會(huì)影響到原有的共存相數(shù)和狀態(tài)，即不會(huì)影響原有的平衡狀態(tài)。對于不含氣相的凝聚系統(tǒng)，通常范圍的壓力改變對平衡影響極小，一

3、般可忽略壓力的影響，則自由度數(shù) f=C-P+1,5,3.2 二元合金相圖的建立,（3）二元相圖表示方法,二元合金相圖常用溫度、成分相圖，表示合金的狀態(tài)隨成分和溫度變化而發(fā)生變化的情況。,二元Pb-Sb合金相圖,6,在相圖中，任意一點(diǎn)都叫“表象點(diǎn)”。 一個(gè)表象點(diǎn)的坐標(biāo)值反映一個(gè)給定合金的成分和溫度。,在相圖中，由表象點(diǎn)所在的相區(qū)可以判定在該溫度下合金由哪些相組成。 二元合金在兩相共存時(shí)，兩個(gè)相的成分可由過表象點(diǎn)的水平線與相界線的交點(diǎn)確定。,7,二元相圖中的成分按國家標(biāo)準(zhǔn)有兩種表示法： 質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w）： 摩爾分?jǐn)?shù)（x）： 式中：wA、wB分別為A、B組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；xA、xB分別為A、B組元的摩爾

4、分?jǐn)?shù)，RA、RB分別為A、B組元的相對原子質(zhì)量。,8,建立相圖的關(guān)鍵是要準(zhǔn)確地測出各成分合金的相變臨界點(diǎn)（臨界溫度）。 臨界點(diǎn)：物質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生本質(zhì)變化的相變點(diǎn)。 測臨界點(diǎn)的方法通常有熱分析法、硬度法、金相分析、X射線結(jié)構(gòu)分析、磁性法、膨脹法、電阻法等。 由于合金凝固時(shí)的結(jié)晶潛熱較大，結(jié)晶時(shí)冷卻曲線上的轉(zhuǎn)折比較明顯，因此常用熱分析法來測合金的結(jié)晶溫度，即測液相線、固相線。,（4）二元相圖的建立,9,熱分析法,利用合金在轉(zhuǎn)變時(shí)伴有熱學(xué)性能變化的特性，通過測量系統(tǒng)溫度的變化來得到臨界溫度，從而建立起相圖。,10,11,熱分析法建立二元合金相圖的步驟,將給定兩組元配制成一系列不同成分的合金； 將它們

5、分別熔化后在緩慢冷卻的條件下，分別測出它們的冷卻曲線； 找出各冷卻曲線上的相變臨界點(diǎn)（曲線上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)）； 將各臨界點(diǎn)注在溫度成分坐標(biāo)中相應(yīng)的合金成分線上； 連接具有相同意義的各臨界點(diǎn)，并作出相應(yīng)的曲線； 用相分析法測出相圖中各相區(qū)（由上述曲線所圍成的區(qū)間）所含的相，將它們的名稱填入相應(yīng)的相區(qū)內(nèi)，即得到一張完整的相圖。,12,銅-銀合金相圖,13,熱膨脹法,利用材料在發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)伴隨有體積變化的特性，通過測量試樣長度隨溫度的變化得到臨界點(diǎn)，從而作出相圖。,14,電阻法,利用材料電阻率隨溫度的變化來建立相圖的。,15,杠桿定理是利用相圖確定和計(jì)算合金在兩相區(qū)中，兩平衡相的成分和相對量的方法，由于它與

6、力學(xué)中的杠桿定律很相似，故稱為杠桿定律。,（5）杠桿法則,16,相圖中所有的線條都代表發(fā)生相轉(zhuǎn)變的溫度和平衡相的成分，所以相界線是相平衡的體現(xiàn)，平衡相成分必須沿著相界線隨溫度而變化；,（6）二元相圖中的幾何規(guī)律,17,兩個(gè)單相區(qū)之間必定有一個(gè)由該兩相組成的兩相區(qū)把它們分開，而不能以一條線接界，兩個(gè)兩相區(qū)必須以單相區(qū)或三相水平線隔開，也就是說，在二元相圖中，相鄰相區(qū)的相數(shù)差為1(點(diǎn)接觸情況除外)，這個(gè)規(guī)則稱為相區(qū)接觸法則；,18,二元相圖中的三相平衡必為一條水平線，表示恒溫反應(yīng)，在這條水平線上存在三個(gè)表示平衡相的成分點(diǎn)，其中兩點(diǎn)應(yīng)在水平線的兩端，另一點(diǎn)在端點(diǎn)之間，水平線的上下方分別與三個(gè)兩相區(qū)相

7、接；,19,當(dāng)兩相區(qū)與單相區(qū)的分界線與三相等溫線相交，則分界線的延長線應(yīng)進(jìn)入另一兩相區(qū)內(nèi)，而不會(huì)進(jìn)入單相區(qū)內(nèi)。,20,由液相結(jié)晶出單相固溶體的過程稱為勻晶轉(zhuǎn)變。 兩組元在液態(tài)無限溶解，在固態(tài)無限固溶，并且發(fā)生勻晶反應(yīng)的相圖，稱為勻晶相圖。,3.4 勻晶相圖及固溶體的凝固,（1）相圖分析,Tb,Ta,21,點(diǎn)：相圖中Ta，Tb點(diǎn)分別為純組元Cu，Ni的熔點(diǎn)。 線：TaTb凸曲線為液相線。各不同成分的合金加熱到該線以上時(shí)全部轉(zhuǎn)變?yōu)橐合?，而冷卻到該線時(shí)開始凝固出固溶體。,TaTb凹曲線為固相線。各不同成分的合金加熱到該線時(shí)開始熔化，而冷卻到該線時(shí)全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘荏w。,22,相區(qū)：在TaTb凸曲線以上為

8、液相的單相區(qū)，用L表示；在TaTb凹曲線以下為固相的單相區(qū)，用表示；是Cu-Ni互溶形成的置換式無限固溶體。在 TaTb凸曲線和TaTb凹曲線之間為液、固兩相平衡區(qū)，用L+表示。,23,平衡結(jié)晶：每個(gè)時(shí)刻都能達(dá)到平衡的結(jié)晶過程。,（2）固溶體合金的平衡凝固及組織,平衡結(jié)晶過程分析 冷卻曲線：溫度時(shí)間曲線；,24,當(dāng)合金緩慢冷卻至L1點(diǎn)以前時(shí)，均為單一的液相; 冷卻到L1點(diǎn)時(shí)，開始從液相中析出固溶體，冷卻到a3點(diǎn)時(shí)，合金全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘荏w; 若繼續(xù)從a3點(diǎn)冷卻到室溫，為單一的固溶體。,25,勻晶轉(zhuǎn)變過程中原子擴(kuò)散示意圖,26,27,0%,a1,100%,L1,t1,a2,L2,t2,a3,成分,變

9、化趨勢,溫度,100%,0%,L3,t3,變化趨勢,質(zhì)量分?jǐn)?shù),質(zhì)量分?jǐn)?shù),成分,在液固兩相共存區(qū)，隨著溫度的降低，液相的量不斷減少，固相的量不斷增多，同時(shí)液相的成分沿液相線變化，固相成分沿固相線變化。,28,（）異分結(jié)晶 固溶體合金結(jié)晶時(shí)所結(jié)晶出的固相成分與液相成分不同，這種結(jié)晶出的晶體與母相化學(xué)成分不同的結(jié)晶稱為異分結(jié)晶，或稱選擇結(jié)晶。 （）固溶體合金的結(jié)晶需要在一定的溫度范圍 固溶體合金的結(jié)晶需要在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，在此溫度范圍內(nèi)的每一溫度下，只能結(jié)晶出一定數(shù)量的固相。 隨著溫度的降低，固相的數(shù)量增加，同時(shí)固相和液相的成分分別沿著固相線和液相線而連續(xù)地改變，直至固相的成分與原合金的成分相

10、同時(shí)，才結(jié)晶完成。,固溶體結(jié)晶的特點(diǎn),29, 相同點(diǎn)：基本過程：形核長大； 熱力學(xué)條件：T0； 能量條件：能量起伏； 結(jié)構(gòu)條件：結(jié)構(gòu)起伏。 不同點(diǎn)：合金在一個(gè)溫度范圍內(nèi)結(jié)晶 可能性：相律分析； 必要性：成分均勻化。 合金結(jié)晶是異分結(jié)晶：需成分起伏。,與純金屬結(jié)晶的比較,30,平衡分配系數(shù)：在一定溫度下，固、液兩平衡相中溶質(zhì)濃度的比值。,表明k0的示意圖 (a) k01 ； (b) k01,（3）固溶體合金凝固時(shí)的溶質(zhì)分布,31,平衡凝固時(shí)固相的溶質(zhì)分布,形核相界平衡擴(kuò)散破壞平衡長大相界平衡,32,本節(jié)要點(diǎn),概念：勻晶轉(zhuǎn)變、平衡凝固 勻晶相圖的分析 固溶體的凝固過程,下節(jié)內(nèi)容：共晶相圖及其合金凝固,33,二元合金相圖的坐標(biāo)系為 A 壓力溫度；B 壓力成分；C 溫度成分。,思考題,答案：C 單元系相圖一般采用“壓力溫度”坐標(biāo)系統(tǒng)，二元系相圖則采用“溫度成分”坐標(biāo)系統(tǒng)。,34,2.杠桿定律僅適用于平衡相圖的二相區(qū)。 是 否,思考題,答案：A 杠桿定律只能在平衡相圖的二相區(qū)應(yīng)用。,35,思考題,答案：A 勻晶合金的室溫組織為單相固溶體，即使是非平衡凝固的勻晶合金也是如此。,3. 勻晶合金的室溫組織為單相固溶體。 是 否,36,4. 下述哪些下列說法哪些是正確的? A 溫度高于液相線的合金為液態(tài)；B 溫度低