材料科学基础第七章.ppt
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1、第七章第七章 二元系相图二元系相图及其合金凝固及其合金凝固 纯金属在人类生活和生产中获得了一定程度的纯金属在人类生活和生产中获得了一定程度的应用,但它们的性能远不能满足多方面的需求。应用,但它们的性能远不能满足多方面的需求。在工业中更广泛地被应用的是合金。为了正确在工业中更广泛地被应用的是合金。为了正确地对各种合金进行熔铸、锻压和热处理,必须了解地对各种合金进行熔铸、锻压和热处理,必须了解它们的熔点和发生固态转变的温度,并研究它们的它们的熔点和发生固态转变的温度,并研究它们的凝固进程和凝固后的组织。凝固进程和凝固后的组织。合金相图是一种能够反映给定合金系中合金相图是一种能够反映给定合金系中合金
2、成合金成分分、温度温度与其与其组织状态组织状态之间关系的图形,是制订合之间关系的图形,是制订合金熔铸、锻压及热处理工艺规范的重要依据,也是金熔铸、锻压及热处理工艺规范的重要依据,也是分析合金组织的重要参考资料。分析合金组织的重要参考资料。由于相图是在平衡条件下测定的,所以也叫平由于相图是在平衡条件下测定的,所以也叫平衡状态图。衡状态图。7.1 7.1 二元相图表示和测定方法二元相图表示和测定方法 如果同时考虑成分、压力及温度的影响,二元相图是如果同时考虑成分、压力及温度的影响,二元相图是一个复杂的三维立体图形。一个复杂的三维立体图形。为了简化,通常情况下压力的影响不予考虑。这样,二为了简化,通
3、常情况下压力的影响不予考虑。这样,二元相图就变为一个平面图形。元相图就变为一个平面图形。二元相图二元相图-它表示由两个组元组成的合金系统中它表示由两个组元组成的合金系统中合金合金平衡状态平衡状态、温度温度和和成分成分之间的关系,它以纵轴表示温度之间的关系,它以纵轴表示温度,横轴表示合金成分。,横轴表示合金成分。如果合金由如果合金由A A和和B B两个组元组成,横轴的一端表示纯两个组元组成,横轴的一端表示纯组元组元A A,另一端表示纯组元,另一端表示纯组元B B,则任何一个合金的成分都,则任何一个合金的成分都可以在横轴上找到相应的一点。可以在横轴上找到相应的一点。二者之间的换算关系如下:二者之间
4、的换算关系如下:A组元的重量分数为组元的重量分数为wA,摩尔分数为,摩尔分数为xA,相对,相对原子量为原子量为m;B组元的重量分数为组元的重量分数为wB,摩尔分数为,摩尔分数为xB,相对原子量为,相对原子量为n,则:,则:合金成分有两种表示方法:合金成分有两种表示方法:一种是采用质量分一种是采用质量分数,另一种是采用摩尔分数。数,另一种是采用摩尔分数。二元相图的基本知识二元相图的基本知识 在由温度轴和成分轴构成的坐标平面中的在由温度轴和成分轴构成的坐标平面中的任意一点都叫做任意一点都叫做“表象点表象点”。二元合金相图可以看成是由许多表象点构二元合金相图可以看成是由许多表象点构成的。一个表象点的
5、坐标值就反映了一个给定成的。一个表象点的坐标值就反映了一个给定合金的合金的成分成分和和温度温度。在相图中,根据表象点所在相图中,根据表象点所在的区域,便可以确定这个合金在这个温度下在的区域,便可以确定这个合金在这个温度下含有哪些相。含有哪些相。相图仅在热力学平衡条件下成立,不能确相图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。定结构、分布状态和具体形貌。二元相图的基本知识二元相图的基本知识 确定新材料的成分确定新材料的成分制定生产热处理工艺制定生产热处理工艺推断不平衡状态下可能的组织变化推断不平衡状态下可能的组织变化预测材料的性能预测材料的性能对生产过程中的故障进行分析对生产过
6、程中的故障进行分析研究相图的意义研究相图的意义:1 1、二元相图的测定方法、二元相图的测定方法 二二元元相相图图的的测测定定是是根根据据各各种种成成分分材材料料的的临临界界点点(criticalpoint)绘制。绘制。临临界界点点:表表示示物物质质结结构构状状态态发发生生本本质质变变化化的的相相变点。变点。测定材料临界点有两种方法类型:测定材料临界点有两种方法类型:(1)动态垂直截线法动态垂直截线法:热分析法、膨胀法、电阻法。热分析法、膨胀法、电阻法。(2)静态水平截线法静态水平截线法:金相法、金相法、X-ray衍射分析法。衍射分析法。这些方法主要是利用合金在相结构变化时,这些方法主要是利用合
7、金在相结构变化时,引起物理性能、力学性能及金相组织变化的特点引起物理性能、力学性能及金相组织变化的特点来测定。来测定。热分析装置示意图热分析装置示意图 二元相图的热分析测定方法二元相图的热分析测定方法 合金的冷却曲线合金的冷却曲线a、冷却过程中无相变发生、冷却过程中无相变发生;b、纯金属结晶或二元合金中发生某、纯金属结晶或二元合金中发生某些三相平衡转变时的冷却曲线;些三相平衡转变时的冷却曲线;c、放出的潜热不足以抵消散热时;、放出的潜热不足以抵消散热时;d、综合情况(、综合情况(c、d、合金在冷却过程中发生转变、合金在冷却过程中发生转变)热分析法测绘热分析法测绘CuNi相图相图动态垂直截线法动
8、态垂直截线法CuNi相图测定相图测定1.按按质质量量分分数数先先配配制制一一系系列列具具有有代代表表性性成成分分不不同同的的CuNi合金。合金。2.测出上述所配合金及纯测出上述所配合金及纯Cu、纯、纯Ni的冷却曲线。的冷却曲线。3.求求出出各各冷冷却却曲曲线线上上的的临临界界点点。纯纯Cu、纯纯Ni的的冷冷却却曲曲线线上上有有一一平平台台,表表示示其其在在恒恒温温下下凝凝固固。合合金金的的冷冷却却曲曲线线上上没没有有平平台台,而而为为二二次次转转折折,温温度度较较高高的的折折点点表表示示凝凝固固的的开始温度,而温度低的转折点对应凝固的终结温度。开始温度,而温度低的转折点对应凝固的终结温度。4.
9、将将各各临临界界点点分分别别投投到到对对应应的的合合金金成成分分、温温度度坐坐标标中中,每每个临界点在二元相图中对应一个点。个临界点在二元相图中对应一个点。5.连接各相同意义的临界点连接各相同意义的临界点(开始点或终了点开始点或终了点)就得到了就得到了CuNi合金的二元相图。合金的二元相图。热分析法测绘热分析法测绘CuNi相图相图热分析法建立共晶相图热分析法建立共晶相图热膨胀法测定相图示意图热膨胀法测定相图示意图电阻法测相图电阻法测相图 静态水平截线法静态水平截线法取一系列不同成分的合金,取一系列不同成分的合金,在某一个温度下,长时间加热、在某一个温度下,长时间加热、保温。当达到平衡状态后,将
10、试保温。当达到平衡状态后,将试样迅速放入冷却液中快速冷却,样迅速放入冷却液中快速冷却,以保持高温时的平衡状态。以保持高温时的平衡状态。在室温下测定这些试样在这在室温下测定这些试样在这一温度加热后急冷状态的某些参一温度加热后急冷状态的某些参数(如点阵常数)或性能(如硬数(如点阵常数)或性能(如硬度、电阻率、热膨胀和磁性等),度、电阻率、热膨胀和磁性等),当有相变发生时,这些参数或性当有相变发生时,这些参数或性能将发生突变,突变处即为固态能将发生突变,突变处即为固态转变的临界点。转变的临界点。2 2、相图的类型和结构、相图的类型和结构 (1)二组元在液态无限溶解,在固态无限固溶,并形成连续二组元在
11、液态无限溶解,在固态无限固溶,并形成连续固溶体的固溶体的匀晶相图匀晶相图。(2)二组元在液态无限溶解,在固态有限固溶,并有共晶反二组元在液态无限溶解,在固态有限固溶,并有共晶反应的应的共晶相图共晶相图。(3)二组元在液态无限溶解,在固态有限固溶,有包晶反应二组元在液态无限溶解,在固态有限固溶,有包晶反应的的包晶相图包晶相图。(4)二组元在液态无限溶解,在固态形成化合物的相图。二组元在液态无限溶解,在固态形成化合物的相图。(5)二组元在液态无限溶解,在固态有共析或包析转变的相二组元在液态无限溶解,在固态有共析或包析转变的相图。图。(6)二组元在液态有限溶解,并有偏晶或合晶反应的相图。二组元在液态
12、有限溶解,并有偏晶或合晶反应的相图。(7)其他相图。其他相图。相图的组成相图的组成(1)组元:组元:是组成相图是组成相图的独立组成物。作为组的独立组成物。作为组元的元的条件有两个:一是有确定的熔点,二是条件有两个:一是有确定的熔点,二是不会转化为其他组成物。组元可以是纯的元不会转化为其他组成物。组元可以是纯的元素,如金属材料的纯金属,也可以是稳定的素,如金属材料的纯金属,也可以是稳定的化合物,如陶瓷材料的化合物,如陶瓷材料的Al2O3,SiO2等。等。(2)相界线:相界线:连接具有相同转变特性的临界温连接具有相同转变特性的临界温度点的线称为相界线,它将相图中代表不同度点的线称为相界线,它将相图
13、中代表不同平衡状态的区域分隔开来。平衡状态的区域分隔开来。液相线:液相线:由凝固开始温度连接起来的相界线称为由凝固开始温度连接起来的相界线称为液相线,其上方全为液相。液相线,其上方全为液相。固相线:固相线:由凝固终了温度连接起来的相界线称为由凝固终了温度连接起来的相界线称为固相线,其下方全为固相。固相线,其下方全为固相。固溶线:固溶线:当单相固溶体处于有限溶解时,其饱和当单相固溶体处于有限溶解时,其饱和溶解度决定于温度。随温度降低,溶解度下降,溶解度决定于温度。随温度降低,溶解度下降,将从固溶体中析出第二相。相图中以固溶线反映将从固溶体中析出第二相。相图中以固溶线反映这种析出转变。这种析出转变
14、。水平反应线:水平反应线:在共晶,包晶等类型相图中有水平在共晶,包晶等类型相图中有水平线,代表在此恒定温度下发生某种三相反应。线,代表在此恒定温度下发生某种三相反应。其他相界线:其他相界线:上述四种相界线以外的其他相界线。上述四种相界线以外的其他相界线。根据相界线的特性,可将其区分为:根据相界线的特性,可将其区分为:液相线固相线固溶线水平反应线(3)相区:相区:相图中由相界线划分出来的区域称相图中由相界线划分出来的区域称为相区,相区表明在此范围内存在的平衡相为相区,相区表明在此范围内存在的平衡相类型和数目。类型和数目。在二元合金系中有单相区、两相区、三相区。在二元合金系中有单相区、两相区、三相
15、区。v单相区内、单相区内、f=2,T和成分都可变。和成分都可变。v双相区内、双相区内、f=1,T和成分只有一个可以独立变和成分只有一个可以独立变化(化(在此相区内温度改变则成分随之改变在此相区内温度改变则成分随之改变)。)。v若三相共存、若三相共存、f=0,T和成分都不变,属恒温转和成分都不变,属恒温转变。变。7.2 7.2 相图热力学的基本要点相图热力学的基本要点由图可见,固溶体的自由能由图可见,固溶体的自由能-成分曲线至少有一个极小值。成分曲线至少有一个极小值。1 1、固溶体的、固溶体的自由能(自由能(G G)成分(成分(%)曲线)曲线b是理想固溶体,是理想固溶体,a和和c是实际固溶体是实
16、际固溶体 2、多相平衡的公切线原理、多相平衡的公切线原理 二二元元合合金金系系中中当当两两相相平平衡衡时时,两两组组元元分分别别在在两两相相中中化化学学势势相相等等。两两相相平平衡衡时时的的成成分分由由两两相相自自由由能能成成分分曲曲线线的的公公切切线线所所确确定定,两两相相曲曲线线的的切切线线斜斜率率相等,即它们的公切线。相等,即它们的公切线。两相平衡时两相平衡时的公切线的公切线 二元合金系在特定温度条件下三相平衡,其二元合金系在特定温度条件下三相平衡,其热力学热力学条条件为两组元分别在三相中的化学势相等,三相的切线斜率件为两组元分别在三相中的化学势相等,三相的切线斜率相等,并且为它们的公切
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