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1、材料科学基础课件第六章三元相图第1页，此课件共39页哦 第一节 三元相图基础 工业上所使用的金属材料，如各种合金钢和有色合金，大多由两种以上的组元构成，这些材料的组织、性能和相应的加工、处理工艺等通常不同于二元合金，因为在二元合金中加入第三组元后，会改变原合金组元间的溶解度，甚至会出现新的相变，产生新的组成相。因此，为了更好地了解和掌握金属材料，除了使用二元合金相图外，还需掌握三元甚至多元合金相图，由于多元合金相图的复杂性，在测定和分析等方面受到限制，因此，用的较多的是三元合金相图，简称三元相图三元相图(Ternary Phase Diagram）。第2页，此课件共39页哦 三元相图与二元相图
2、比较，组元数增加了1个,即成分变量是两个，故表示成分的坐标轴应为2个,需要用一个平面表示，再加上垂直于该平面的温度轴，这样三元相图就演变成一个在三维空间的立体图形，分隔相区的是一系列空间曲面，而不是二元相图的平面曲线。第3页，此课件共39页哦 1、三元相图的成分表示方法(1)等边成分三角形常用三角形来表示三元合金的成分，这样的三角形称为浓度三角形浓度三角形或成分三角成分三角形形(Composition Triangle)。常用的成分三角形是等边三角形和直角三角形。第4页，此课件共39页哦第5页，此课件共39页哦如图5-101所示：oaobocABBCCA由于oabcWAobACWBoaaboc
3、BaWCAa因此，可用oa代表A组元的含量，ob代表B组元的含量，oc代表C组元的含量。第6页，此课件共39页哦(2)直角成分坐标表示法当三元系成分以某一组元为主，其他当三元系成分以某一组元为主，其他两个组元含量很少时，合金成分点将靠近两个组元含量很少时，合金成分点将靠近等边三角形某一顶点。等边三角形某一顶点。若采用直角坐标表示成分，则可使该部分相图更为清楚的表示出来，一般用坐标原点代表高含量组元，而两个互相垂直的坐标轴代表其他两个组元的成分，如图5-102所示 第7页，此课件共39页哦第8页，此课件共39页哦(3)等腰成分三角形当三元系中某一组元含量较少，而另当三元系中某一组元含量较少，而另
4、两组元含量较大时，合金成分点将靠近等两组元含量较大时，合金成分点将靠近等边成分三角形的某一边。边成分三角形的某一边。为了使该部分相图清晰的表示出来，常采用等腰三角形，即将两腰的刻度放大,而底边的刻度不变。如图5-103所示。第9页，此课件共39页哦第10页，此课件共39页哦对于O点成分的合金，其成分的确定方法与前述等边三角形的确定方法相同，即过O点分别引两腰的平行线与AC边相交于a和c点，则：CaWA30AcWC60AbWB10。虽然，上述成分表示方法在三元相图中都有应用，但应用最为广泛的还是等边三角形。第11页，此课件共39页哦2、等边成分三角形中特定意义的线(1)平行于三角形某一边的直线凡
5、成分位于该线上的所有合金，它们凡成分位于该线上的所有合金，它们所含的由这条边对应顶点所代表的组元的所含的由这条边对应顶点所代表的组元的含量为一定值含量为一定值。如图5-103中ef直线上代表B组元的含量均为Ae。第12页，此课件共39页哦第13页，此课件共39页哦(2)通过三角形顶点的任一直线凡成分位于该直线上的所有合金凡成分位于该直线上的所有合金，它们所含的由另两个顶点所代表的两组，它们所含的由另两个顶点所代表的两组元的含量之比为一定值元的含量之比为一定值。如图5-104 中Bg 线上的所有合金A、C两组元的质量分数之比为WA/WC=Cg/Ag。第14页，此课件共39页哦 3、三元系平衡相的
6、定量法则 应用相律f=c-p+1 当三元系时f=4-p故当两相平衡共存时，有f=4-2=2 即两个平衡相的成分只有一个独立改变，当一个平衡相的成分发生变化时，另一相的成分随之而改变，即两相的成分之间具两相的成分之间具有一定的关系有一定的关系,此关系称为直线法则直线法则。第15页，此课件共39页哦 直线法则和杠杆定律直线法则直线法则：三元合金中两相平衡时，合金的成分点和两个平衡相的成分点，必须在同一直线上。如图5-105所示，当合金O在某一温度处于两相平衡时，这两个相的成分点便定为a和b，则aob三点必位于同一条直线上，且o点位于a、b两点之间,此时、两相的质量比为：第16页，此课件共39页哦第
7、17页，此课件共39页哦第18页，此课件共39页哦 由直线法则可得到以下规律：由直线法则可得到以下规律：a、当温度一定时，若已知两平衡相的成分，则合金的成分必位于两平衡相成分的连线上；b、当温度一定时，若已知一相的成分及合金的成分，则另一平衡相的成分必位于两已知成分点的连线的延长线上；c、当温度变化时，两平衡相的成分变化时，其连线一定绕合金的成分点而转动。第19页，此课件共39页哦 第二节 三元匀晶相图 三组元在液相和固相均完全互溶的相图为三元匀晶相图。第20页，此课件共39页哦1、相图分析a、b、c 为三组元 A、B、C 的熔点，且 Tb Ta Tc。液相面：abc黄色面；固相面：abc蓝色
8、面；液相区L：abc黄色面以上空间；固相区：abc蓝色面以下空间；液固两相共存区L：abc黄色面和蓝色面之间区域。第21页，此课件共39页哦 2、结晶过程分析当合金 O 自液态缓冷至于液互相相交时，开始从液相中结晶出 固溶体，此时液相的成分l1即为合金成分，而固相的成分为固相面某一点 s。随着温度进一步下降，析出的 相越来越多，固相的成分由s1点沿固相面移至s2点，液相成分自l1点移至l2点，由直线法则可知，合金的成分点必落在l2和s2的连线上。第22页，此课件共39页哦 当温度冷至t3时，连接线为l3s3，当冷至t4时，与固相面相交，连接线为l4s4，此时，所有的液相全部转变为固相，固相的成
9、分即为合金的成分。1234和s1s2s3s4在成分三角形上的投影为1234和s1s2s3s4，很像一只蝴蝶,所以称为固溶体合金结晶过程的蝴蝶形规律蝴蝶形规律。第23页，此课件共39页哦 3、等温截面（水平截面）等温截面是由表示温度的水平面与空等温截面是由表示温度的水平面与空间模型中各个相界面相截得到交线投影到间模型中各个相界面相截得到交线投影到成分三角形中得到的，它表示三元系合金成分三角形中得到的，它表示三元系合金在某一温度下的状态。在某一温度下的状态。如图5-202所示，表示t1温度的水平面与液相面相交于L1L2,与固相面相交于s1s2，将这两条线投影到成分三角形中就得到等温截面。第24页，
10、此课件共39页哦第25页，此课件共39页哦 第三节、包共晶型三元系 1、相图分析包共晶转变的反应式为：L 从反应相的数目看，这种转变具有包晶转变的性质，从生成相看，这种转变又具有共晶转变的性质。因此称为包共晶转变。第26页，此课件共39页哦 发生包共晶转变的三元系很多。Cu-Sn-Zn、Cu-Sn-Si、Cu-Sn-P、Cu-Al-Ni、Al Cu-Mg、Al Cu-Mn、pb Sn-Bi 等合金系都有包共晶转变。第27页，此课件共39页哦 空间模型中包共晶转变四相平衡时一个四边形水平面，称为包共晶转变面。反应相和生成相成分点的连接线是四边形的两条对角线。这个水平面上、下两侧各有两个三相平衡棱
11、柱与之相接。包共晶转变平面上方两个三相平衡棱柱，一般是一个属于共晶型，另一个属于包晶型，但也可能都是共晶型或包晶型。第28页，此课件共39页哦 包共晶转变平面下方两个三相平衡棱柱，一个属于 三相平衡区，另一个属于 L 三相平衡区。这种情况与二元系包晶转变非常相似，二元系包晶转变结束后，可能留有反应固相和生成固相平衡，也可能留有液相与生成固相平衡。同理，包共晶转变结束后，除极少数合金外，两个反应相不可能同时消失净尽或同时留有剩余，只能是一个完全消失，另一个有所剩余，结果形成 L 和 两种三相平衡。第29页，此课件共39页哦 2、典型合金结晶过程分析 下面借助于投影图分析合金的结晶过程（以合金 O
12、 为例）。在冷却时,首先碰到A E2 p pA 液相面，液相中开始析出初生相，然后析出的 相不断增多，当温度冷至与二元包晶面 d a p p 相交时，液相的成分到达 p p，相的成分到达 d a,要发生二元包晶转变 L 。第30页，此课件共39页哦第31页，此课件共39页哦 当温度下降时，相成分沿 da 线变化,而液相成分沿 pp 线变，当冷至四相平衡包共晶转变平面 abcp 时,液相的成分到达 p 点，相的成分到达 a 点，要发生包共晶转变 L+，在三元包晶转变结束后，相消失，开始发生二元包晶转变。第32页，此课件共39页哦 由于 O 点在 a b c 内，故包共晶转变结束后，液相全部消失，
13、而 相有残留，从而进入三相区 ，随着温度的下降，由于、和 溶解度的下降，将有次生相 、和 析出，至室温后的组织为初晶 包晶 包共晶 。第33页，此课件共39页哦 第四节 三元包晶相图 三元包晶转变的反应式为：L 1、相图分析 四相平衡的平面是一个三角形 abP，P、a、b、c分别是液相、和的成分点。即 LPabc。第34页，此课件共39页哦 在四相平衡包晶转变之后，由于三个反应相不可能在转变结束同时完全消失，也不可能都有剩余，一般只有一个反应相消失，其余两个反应相有剩余，与生成相 形成新的三相平衡。第35页，此课件共39页哦 因此，在 abP 面下，共有三个三相平衡棱柱,分别存在 L 、L 、
14、三相平衡，与 a b P面的接触面分别为 a c P、P C P 和 a b c 三角形。第36页，此课件共39页哦第37页，此课件共39页哦 合金 O 在冷却过程中，首先碰到液相面BE1PP1B，从液相中析出 初生相，然后碰到二元共晶面 E1PbeE1,液相的成分到达E1P线，液相要发生二元共晶转变L，在此转变过程中，L、和 三相的成分分别沿E1P，da和 eb 而变化，当冷至四相平衡包晶转变平面abP时，L、和相三相的成分分别为P、a和b点，在此温度下要发生三元包晶转变LPabc。第38页，此课件共39页哦 L ，直至所有的液相全部消失，进入两相区 ，在冷却过程中，由于溶解度的变化，将从和相中析出次生相 、a，当温度冷至与 b c b1 c1 面相交时，将从和相中析出次生相 a，室温下的组织为：初晶包晶及次生相 a、。第39页，此课件共39页哦