材料科学基础三元合金相图省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

原子规则排列点阵、结构晶系/布拉菲点阵三维描述7/14，二者差异？原子规则排列金属单质fcc，bcc，hcp非金属单质合金相结构结构参数原子个数配位数密排面影响原因固溶体、中间相材料结构第1页晶体缺点第2页成型第一个步骤回答：1.凝固热力学条件 2.凝固过程遵照基本规律 3.怎样控制使性能最正确基本规律凝固前液体/晶胚形核长大 本质原子跨过界面；方式？界面/扩散控制？类别热力学条件（临界半径/形核功）影响原因及控制纯金属凝固第3页二元相图包晶相图共晶相图匀晶相图平衡凝固非平衡凝固晶内偏析、枝晶偏析、成份过冷、伪共晶、离异共晶、包晶偏析相图与性能：力学性能、加工性能、铸造性能、热处理可能性第4页铁碳相图碳及元素对碳钢性能影响平衡凝固过程（纯铁、亚共析碳钢、共析碳钢、过共析碳钢、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁）碳钢中主要组元与相碳钢分类及牌号第5页第五章 三元合金相图Ternaryalloyphasediagram第6页主要内容l5.1三元合金相图表示方法l5.2三元匀晶相图l5.3三元共晶相图l5.4其它形式三元合金相图l5.5三元合金相图总结l5.6三元合金相图应用举例第7页依据相律，对于恒压三元系有：F=3-f+1=4-f最大可能自由度数为3。可能出现最大相数为4。对于恒压三元相图，普通采取T、xA（或wA）和xB（或wB）3个强度量作为变量，这么相图占一个三维空间。三元系第8页二元相图与三元相图关系：二元相图（二维平面图）三元相图（三维立体图）1维维平面相区立体相区线面点线1维维1维维1维维第9页5.1三元合金相图表示方法5.1.1成份表示方法等边三角型顺时针坐标BCAA%B%C%1.成份（浓度）三角形第10页B BCA AA%B%C%确定O点成份1）过O作A角对边平行线2）求平行线与A坐标截距得组元A含量O3）同理求组元B、C含量第11页课堂练习 确定合金确定合金I I、II II、IIIIII、IVIV成份成份A AB BC C908070605040302010102030405060708090102030405060708090A%B%C%IIIIIIIV第12页A AB BC C908070605040302010102030405060708090102030405060708090A%B%C%标出标出75%A+10%B75%A+10%B+15%C+15%C合金合金50%A+20%B50%A+20%B+30%C+30%C合金合金课堂练习第13页其它浓度三角形其它浓度三角形1）等腰浓度三角形当合金中某一组元含量较少，而另两个组元含量较多时，可将成份三角形两腰放大成为等腰三角形,只取等腰梯形部分即可。第14页2）直角浓度三角形当合金成份以某一组元为主，其它两组元含量极少时，合金成份将靠近等边三角形某一顶角，采取直角坐标，则可使该部分相图清楚地表示出来。第15页2浓度三角形中含有特定意义直线ABC908070605040302010102030405060708090102030405060708090A%B%C%IIIIIIV1）平行于某一条边直线第16页2）过三角形顶点直线DCB AHGIDCBDGIHGWB/WC=GI/HG=DC/BDWB/WC=DC/BD第17页5.1.2三元合金相图建立BCA第18页二元相图（二维平面图）三元相图（三维立体图）1维维平面相区立体相区线面点线1维维1维维1维维第19页5.1.3三元相图定量法则1直线法则直线法则一定温度下三元合金两相平衡时，合金成份点和两个平衡相成份点必定位于成份三角形内同一条直线上。第20页直线法则直线法则BCAA%B%C%efgefgR第21页假设：合金O在一定温度下处于,两相平衡，成份点分别为及b,O,中A组元含量分别为Cf,Ce,Cg，B组元含量分别为Af,Ae,Ag,合金O重量分数为1。BCAA%B%C%efgefgO第22页CeW+Cg(1-W)=(W+W)CfAeW+Ag(1-W)=(W+W)AfW（Af-Ae)=W（Ag-Af)W（Cf-Ce)=W（Cg-Cf)得出：fg/ef=fg/ef，正是解析几何中三点一线第23页杠杆定律XLXXabrLAB第24页杠杆定律l由直线法则导出即三元合金系中两相平衡杠杆定律应用条件la,某一温度下，成份给定三元合金处于液固平衡，其中成份可知，可求另一成份lb,已知成份固相在某一温度下析出一新相时，新相成份已知，可确定母相成份第25页2重心定律BCAA%B%C%abcefd适合用于三相平衡情况R第26页不过，作图求三相平衡不够准确而产生误差，用代数法求解，可防止误差。已知条件：lR合金中A,B,C组元含量为xR,yR,zRl相中A,B,C组元含量为x,y,zl相中A,B,C组元含量为x,y,zl相中A,B,C组元含量为x,y,z第27页设三个平衡相重量分数为W,W,W，则下式成立：第28页解上述三个方程得：第29页5.1.4三元相图热力学自由能自由能-成份曲线成份曲线第30页第31页匀晶相图第32页AB第33页第34页等边三角型顺时针坐标BCAA%B%C%成份（浓度）三角形内容回顾第35页共切面及连接线第36页共轭曲线共轭曲线共轭连线共轭连线ab水平面与液相面交线cd水平面与固相面交线成份点：L、LS、S第37页三相平衡时共切面第38页CABE EE E3 3E E1 1E E2 2C C1 1C C2 2C C3 3A A1 1A A2 2A A3 3B B1 1B B2 2B B3 3T TC CT TAAT TB B四相平衡时共切面第39页5.2三元匀晶相图三元系中任意两个组元均能够无限互溶，它们组成三元合金也能够形成无限固溶体。这么相图称为三元匀晶相图。第40页BCA固相面液相面由液相线演化而来由固相线演化而来单相区：单相区：L、双相区：双相区：L+5.2.1相图分析第41页BCA第42页5.2.2合金平衡结晶过程第43页第44页l伴随温度不停下降，液固两相成份将分别沿液相曲面和固相曲面改变。l依据直线法则，两平衡相成份点连线(共轭线)必定经过原合金成份点l液相成份点划过液相曲面，固相成份点划过固相曲面；轨迹是空间曲线l在成份三角形上投影则呈蝶状。合金平衡结晶过程第45页5.2.3截面图1.等温截面图（水平截面图）BCA第46页第47页BCALL+第48页第49页第50页第51页第52页2.变温截面图（垂直截面图）类型一：类型一：BCAC第53页BCA类型二：类型二：第54页注意由变温截面图能够分析合金在加热或冷却过程中发生相变，确定相变临界点，并可推测出不一样温度下合金组织。不过，变温截面图不能反应相成份以及相对含量，直线法则和杠杆定律不能使用。第55页5.2.4投影图液相面等温线投影图固相面及固溶度面等温线投影图第56页第57页第58页5.3三元共晶相图5.3.1组元在固态互不相溶，含有共晶转变相图CAB第59页第60页ABC第61页CABE EE E3 3E E1 1E E2 2C C1 1C C2 2C C3 3A A1 1A A2 2A A3 3B B1 1B B2 2B B3 3T TC CT TAAT TB B第62页L L A AL L B BL L C CCABE EE E3 3E E1 1E E2 2C C1 1C C2 2C C3 3A A1 1A A2 2A A3 3B B1 1B B2 2B B3 3T TC CT TAAT TB B第63页L A+CL A+BL B +C CABE EE E3 3E E1 1E E2 2C C1 1C C2 2C C3 3A A1 1A A2 2A A3 3B B1 1B B2 2B B3 3T TC CT TAAT TB B第64页A+B+CA+B+CL L A+B +C A+B +C CABE EE E3 3E E1 1E E2 2C C1 1C C2 2C C3 3A A1 1A A2 2A A3 3B B1 1B B2 2B B3 3T TC CT TAAT TB B第65页单相区：单相区：双相区：双相区：三相区：三相区：四相区：四相区：L LL+AL+A、L+BL+B、L+CL+CL+A+BL+A+B、L+B+CL+B+C、L+A+CL+A+C、A+B+CA+B+C一个一个一个一个三个三个三个三个四个四个四个四个一个一个一个一个L+A+B+CL+A+B+CCABE EE E3 3E E1 1E E2 2C C1 1C C2 2C C3 3A A1 1A A2 2A A3 3B B1 1B B2 2B B3 3T TC CT TAAT TB B第66页E EE E3 3E E1 1T TAAE EE E1 1E E2 2T TB BE EE E3 3E E2 2T TC CL L A AL L B BL L C CCABE EE E3 3E E1 1E E2 2C C1 1C C2 2C C3 3A A1 1A A2 2A A3 3B B1 1B B2 2B B3 3T TC CT TAAT TB B第67页液相面 初生相开始析出初生相开始析出CABE EE E3 3E E1 1E E2 2C C1 1C C2 2C C3 3A A1 1A A2 2A A3 3B B1 1B B2 2B B3 3T TC CT TAAT TB B第68页E EC C1 1A A1 1B B1 1L L A+C A+CL L A+B A+BL L B +C B +C L L A+B +C A+B +C 固相面 三相平衡共晶转变结束三相平衡共晶转变结束 四相平衡共晶四相平衡共晶CABE EE E3 3E E1 1E E2 2C C1 1C C2 2C C3 3A A1 1A A2 2A A3 3B B1 1B B2 2B B3 3T TC CT TAAT TB B第69页CABE EE E3 3E E1 1E E2 2C C1 1C C2 2C C3 3A A1 1A A2 2A A3 3B B1 1B B2 2B B3 3T TC CT TAAT TB BL L A+C A+CL L A+B A+BL L B +C B +C E EA A1 1A A2 2B B1 1B B2 2E E1 1E EE E3 3C C1 1C C3 3A A1 1A A3 3E EE E2 2C C1 1C C2 2B B1 1B B3 3中间面 三相三相平衡共晶平衡共晶转变开始转变开始第70页E EE E3 3E E1 1E E2 2L L A+C A+CL L A+B A+BL L B +C B +C 三相平衡共晶线CABE EE E3 3E E1 1E E2 2C C1 1C C2 2C C3 3A A1 1A A2 2A A3 3B B1 1B B2 2B B3 3T TC CT TAAT TB B第71页 四四 相相 平平 衡衡 共共 晶晶 点点CABE EE E3 3E E1 1E E2 2C C1 1C C2 2C C3 3A A1 1A A2 2A A3 3B B1 1B B2 2B B3 3T TC CT TAAT TB B第72页2.2.等温截面等温截面CABE EE E3 3E E1 1E E2 2C C1 1C C2 2C C3 3A A1 1A A2 2A A3 3B B1 1B B2 2B B3 3T TC CT TAAT TB B第73页ABCL LL+CL+CL+CL+CL+AL+AL+BL+BL LL+A+CL+A+CL+A+CL+A+CL+B+CL+B+CL+A+BL+A+BL+A+B+CL+A+B+CL+CL+CL+AL+AL LL+A+CL+A+CL+A+BL+A+BL+B+CL+B+CL LL+AL+AL+BL+BL+CL+CA+B+CA+B+C第74页第75页3.垂直截面垂直截面1）等比截面e ee e1 1e e2 2e e3 3ABCCABE EE E3 3E E1 1E E2 2C C1 1C C2 2C C3 3A A1 1A A2 2A A3 3B B1 1B B2 2B B3 3T TC CT TAAT TB B例一：例一：L LL+AL+AL+BL+BL+A+CL+A+CL+B+AL+B+AA+B+CA+B+CCABE EE E3 3E E1 1E E2 2C C1 1C C2 2C C3 3A A1 1A A2 2A A3 3B B1 1B B2 2B B3 3T TC CT TAAT TB B第76页e ee e1 1e e2 2e e3 3ABCCABE EE E3 3E E1 1E E2 2C C1 1C C2 2C C3 3A A1 1A A2 2A A3 3B B1 1B B2 2B B3 3T TC CT TAAT TB B例二：例二：L LL+AL+AL+BL+BL+A+CL+A+CA+B+CA+B+CCABE EE E3 3E E1 1E E2 2C C1 1C C2 2C C3 3A A1 1A A2 2A A3 3B B1 1B B2 2B B3 3T TC CT TAAT TB B第77页CABE EE E3 3E E1 1E E2 2C C1 1C C2 2C C3 3A A1 1A A2 2A A3 3B B1 1B B2 2B B3 3T TC CT TAAT TB Be ee e1 1e e2 2e e3 3ABC2）定量截面L LL+AL+AL+BL+BL+A+CL+A+CL+B+CL+B+CA+B+CA+B+CCABE EE E3 3E E1 1E E2 2C C1 1C C2 2C C3 3A A1 1A A2 2A A3 3B B1 1B B2 2B B3 3T TC CT TAAT TB B第78页e ee e1 1e e2 2e e3 3ABCL LL+AL+AL+BL+BL+A+CL+A+CL+A+BL+A+BA+B+CA+B+CL+B+CL+B+CCABE EE E3 3E E1 1E E2 2C C1 1C C2 2C C3 3A A1 1A A2 2A A3 3B B1 1B B2 2B B3 3T TC CT TAAT TB B第79页4.投影图为了简化和便于研究，可将空间模型图中各类区、面、线投影到成份三角形上，组成平面投图。第80页CABe1e2e3E第81页ABC第82页LBLA+B+C相组成：相组成：组织组成：组织组成：A+B+CB初+(A+B)+(A+B+C)LA+BLA+B+C第83页LA+B+Ce eABC1）E点合金LA+B+Ce e1 1e e2 2e e3 3相组成：相组成：组织组成：组织组成：A+B+C(A+B+C)5.5.结晶过程结晶过程CABE EE E3 3E E1 1E E2 2C C1 1C C2 2C C3 3A A1 1A A2 2A A3 3B B1 1B B2 2B B3 3T TC CT TAAT TB B第84页e eABC2 2）e e1 1-e-e线上合金线上合金LA+B+Ce e1 1e e2 2e e3 3相组成：相组成：组织组成：组织组成：A+B+C(A+B)+(A+B+C)LA+BLA+B+CCABE EE E3 3E E1 1E E2 2C C1 1C C2 2C C3 3A A1 1A A2 2A A3 3B B1 1B B2 2B B3 3T TC CT TAAT TB B第85页e eABC3 3）A A-e-e线上合金线上合金LA+B+Ce e1 1e e2 2e e3 3相组成：相组成：组织组成：组织组成：A+B+CA初+(A+B+C)LALA+B+CCABE EE E3 3E E1 1E E2 2C C1 1C C2 2C C3 3A A1 1A A2 2A A3 3B B1 1B B2 2B B3 3T TC CT TAAT TB B第86页LAe eABC4 4）A-e-eA-e-e1 1内合金内合金LA+B+Ce e1 1e e2 2e e3 3相组成：相组成：组织组成：组织组成：A+B+CA初+(A+B)+(A+B+C)LA+BLA+B+CCABE EE E3 3E E1 1E E2 2C C1 1C C2 2C C3 3A A1 1A A2 2A A3 3B B1 1B B2 2B B3 3T TC CT TAAT TB B第87页第88页5.3.2固态有限溶解三元共晶相图第89页第90页ABC第91页1.相图分析第92页第93页第94页第95页第96页三组元在液态完全互溶，在固态部分互溶或完全不互溶，冷却过程发生共晶反应。点：熔点；二相共晶点；三相共晶点。线：两相共晶线；液相面交线；两相共晶面交线；液相区与两相共晶面交线；第97页液相面固相面(组成)面：二相共晶面三相共晶面溶解度曲面：6个两相区：6个区：单相区：4个三相区：4个四相区：1个第98页第99页2.等温截面图：第100页第101页第102页第103页第104页第105页等温截面图：应用：可确定平衡相及其成份；可利用杠杆定律和重心定律。三相平衡区：是直边三角形；两相区与之线接（水平截面与棱柱面交线）；单相区与之点接（水平截面与棱边交点，表示三个平衡相成份。）第106页第107页3.垂直截面图第108页4.投影图第109页第110页5.凝固过程第111页I：L相：组织：第112页II：L相：+组织：+第113页III：L+相：+组织：+第114页IV：LL+相：+组织：+（+）第115页V：LL+，相：+组织：+（+）+第116页VI：LL+L+相：+组织：+（+）+（+）第117页第118页5.4其它形式三元合金相图三相平衡等压条件下相律：F=C-f+1三相平衡时，自由度F=1三个平衡相成份各是一根随温度改变线。它们两两组成一个面，三个面围成区域为三相区。第119页R、Q和U分别表示参加平衡三个相，三根相线在空间配置有两种方式：1.中间相线R比两侧相线（Q和U）高，这是共晶型三相反应：RQ+U2.中间相线U比两侧相线（Q和R）低，这是包晶型三相反应：Q+RU第120页考虑x成份合金：在T2温度时，只有一个R相。冷却到T2温度时，有两个相：Q+U，R相消失。所以，合金x从T2冷却到T2过程中确实发生了RQ+U共晶反应。第121页考虑x成份合金：在T2温度时，有两个相：Q+R，U相为0。冷却到T2温度时，只有一个U相。所以，合金x从T2冷却到T2过程中确实发生了R+QU包晶反应。第122页三相平衡区域在恒温截面和垂直截面图中形状第123页I三相平衡空间结构表现为三根不共面平衡相成份变温线；II三根相线两两组成面围成三相区，三个相平衡成份只由该温度平衡相线来决定；III共晶型三相平衡三个相线，中间相线位置比两边相线高。包晶型三相平衡三根相线，中间相线位置比两边相线低；IV三相区在恒温截面图上表现为直边三角形，垂直截面图上表现为曲边三角形，共晶型三角形顶点朝上；包晶型三角形顶点朝下。第124页5.5三元合金相图四相平衡转变等压条件下自由度F=0表现为在恒定温度下四个平衡相成份点。平面四个点能够分别连成四个三角形，这四个三角形分别是与四相平衡面接触四个三相区。四个点又能够两两连成六条线，分别是六个两相平衡区与四相平衡接触位置。第125页依据四个三相区与四相平面接触情况，能够把四相反应分为三种类型（四个平衡相：R、U、V和Q）I.第一类四相反应：四相平面在高温与三个三相区相接触，低温与一个三相区相接触。RU+V+QII.第二类四相反应：四相平面在高温和低温分别与两个三相区相接触。R+QU+VIII.第三类四相反应：四相平面在高温与一个三相区相接触，低温与三个三相区相接触。R+U+QV第126页1.第一类四相反应第127页特征：1.四个相点都与三根相线连接；2.中间相点三根相线都从高温来；3.外边三个相点三根相线都是两根从高温来，一根到低温去。第128页第129页2.第二类四相反应第130页特征：1.四个相点都与三根相线连接；2.四相区中间与高温连接两相区两个相点三根相线有两根从高温来，一根往低温去；3.另外两个相点三根相线一根从高温来，两根到低温去。第131页选择一个会发生四相反应成份x，在Tp+dT温度时，存在Q、U、R三相。在Tp-dT温度时，存在Q、U、V三相。第132页第133页3.第三类四相反应第134页特征：1.四个相点都与三根相线连接；2.四相区外面三个相点三根相线有一根从高温来，两根往低温去；3.四相区中心相点三根相线都往低温去。第135页第136页由液相面投影图判断四相平衡反应类型第137页I.四相平衡表现为一个等温面上四个成份点，四个点组成面为四相区。四个平衡成份点分别与四个单相区连接；II.四个平衡成份点三三平衡，所以四相平面和四个三相区以面方式连接；III.四个平衡成份点两两平衡，所以四相平面和六个两相区以线方式连接；IV.四相平面与四个三相区连接方式不一样决定了三类四相反应；V.依据上述关系，若在垂直截面截出四个三相区，则能够判断四相反应类型和反应式，也可依据液相面投影判别反应类型和反应式。第138页5.6含有化合物三元相图及三元相图简化分割若三元系中有t个三元稳定化合物。有b个二元稳定化合物，能够简化分割成简单三元系数目n为：n=2t+b+1第139页若有多个稳定化合物，从表面看，分割方式可能有各种，不过只有唯一一个方式是正确，需要有试验确定。第140页5.7三元合金相图应用举例5.7.1Fe-C-Si三元系垂直截面图第141页http:/