第四章 相图优秀PPT.ppt

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1、第四章 相图1第一页，本课件共有44页能能否否用用一一个个较较为为直直观观的的方方式式建建立立材材料料科科学学四四要要素素之之间间的的联系联系,且能够用于指导生产且能够用于指导生产?Properties:MechanicalAndFunctionalProcessing,Synthesis,AndphasetransformationStructureandcharacterizationTheoryandModeling2第二页，本课件共有44页第四章 二元相图 相图：描述系统的状态、温度、压力及成分之相图：描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的图解。间关系的图解。3第三页，本课件共有4

2、4页第四章 二元相图 根根据据相相图图可可确确定定不不同同成成分分的的材材料料在在不不同同温温度度下下组组成成相相的的种种类类、各各相相的的相相对对量量、成分及温度变化时可能发生的变化。成分及温度变化时可能发生的变化。仅仅在在热热力力学学平平衡衡条条件件下下成成立立，不不能能确确定结构、分布状态和具体形貌。定结构、分布状态和具体形貌。4第四页，本课件共有44页第一节第一节 相图的基本知识相图的基本知识 1 1 相律相律 （1 1）相相律律：热热力力学学平平衡衡条条件件下下，系系统统的的组组元元数数、相相数数和和自由度数之间的关系。自由度数之间的关系。（2 2）表达式：）表达式：f=c-p+2;

3、f=c-p+2;压力一定时，压力一定时，f=c-p+1f=c-p+1。（3 3）应用）应用 可可确确定定系系统统中中可可能能存存在在的的最最多多平平衡衡相相数数。如如单单元元系系2 2个，二元系个，二元系3 3个。个。可可以以解解释释纯纯金金属属与与二二元元合合金金的的结结晶晶差差别别。纯纯金金属属结结晶晶恒恒温温进行，二元合金变温进行。进行，二元合金变温进行。第四章相图第一节基本知识5第五页，本课件共有44页第一节第一节 相图的基本知识相图的基本知识 2 2 相图的表示与建立相图的表示与建立（1 1）状态与成分表示法）状态与成分表示法 状态表示：温度成分坐标系。状态表示：温度成分坐标系。坐标

4、系中的点表象点。坐标系中的点表象点。成分表示：质量分数或摩尔分数。成分表示：质量分数或摩尔分数。第四章相图第一节基本知识6第六页，本课件共有44页第一节第一节 相图的基本知识相图的基本知识 2 2 相图的表示与建立相图的表示与建立 （2 2）相图的建立）相图的建立 方法：实验法和计算法。方法：实验法和计算法。过程：配制合金测冷却曲线确定转变温度过程：配制合金测冷却曲线确定转变温度 填入坐标绘出曲线。填入坐标绘出曲线。相图结构相图结构(匀晶匀晶)：两点、两线、三区。：两点、两线、三区。第四章相图第一节基本知识7第七页，本课件共有44页第一节第一节 相图的基本知识相图的基本知识 3 3 杠杆定律杠

5、杆定律-相含量的计算工具相含量的计算工具（1 1）平衡相成分的确定（根据相律，若温度一定，则自由）平衡相成分的确定（根据相律，若温度一定，则自由 度为度为0 0，平衡相成分随之确定。），平衡相成分随之确定。）（2 2）数值确定：直接测量计算或投影到成分轴测量计算。）数值确定：直接测量计算或投影到成分轴测量计算。（3 3）注意：只适用于两相区；三点）注意：只适用于两相区；三点(支点和端点支点和端点)要选准。要选准。第四章相图第一节基本知识8第八页，本课件共有44页第二节第二节 二元匀晶相图二元匀晶相图 1 1 匀晶相图及其分析匀晶相图及其分析 （1 1）匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的转变

6、。）匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的转变。（2 2）匀晶相图：具有匀晶转变特征的相图。）匀晶相图：具有匀晶转变特征的相图。(两组元在液态和固态都无限互溶两组元在液态和固态都无限互溶)第四章相图第二节匀晶相图 （3 3）相图分析）相图分析 两点：纯组元的熔点；两点：纯组元的熔点；两线：两线：L,SL,S相线；相线；三区：三区：L,L+L,L+。9第九页，本课件共有44页第二节 二元匀晶相图 2 2 固溶体合金的平衡结晶固溶体合金的平衡结晶 （1 1）平衡结晶：每个时刻都能达到平衡的结晶过程。）平衡结晶：每个时刻都能达到平衡的结晶过程。（2）平衡结晶过程分析）平衡结晶过程分析 冷却曲线：温度

7、时间曲线；冷却曲线：温度时间曲线；第四章相图第二节匀晶相图2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.10第十页，本课件共有44页第二节 二元匀晶相图 2 2 固溶体合金的平衡结晶固溶体合金的平衡结晶 相相（组组织织）与与相相变变（各各温温区区相相的的类类型型、相相变变反反应应式式，杠杆定律应用。）；杠杆定律应用。）；组织示意图；组织示意图；成分均匀化：每时刻结晶出的固溶体的成分不同。成分均匀化：每时刻结晶出的固溶体的成分不同。第四章相图第二节匀

8、晶相图2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.11第十一页，本课件共有44页第二节 二元匀晶相图 2 2 固溶体合金的平衡结晶固溶体合金的平衡结晶 （3 3）与纯金属结晶的比较）与纯金属结晶的比较 相同点：基本过程：形核长大；相同点：基本过程：形核长大；热力学条件：热力学条件：T0T0；能量条件：能量起伏；能量条件：能量起伏；结构条件：结构起伏。结构条件：结构起伏。不同点：合金在一个温度范围内结晶（可能性：相不同点：合金在一个温度范围内结晶（

9、可能性：相 律分析；必要性：成分均匀化。）律分析；必要性：成分均匀化。）合金结晶是选分结晶：需成分起伏。合金结晶是选分结晶：需成分起伏。第四章相图第二节匀晶相图12第十二页，本课件共有44页第二节第二节 二元匀晶相图二元匀晶相图 3 3 固溶体的不平衡结晶固溶体的不平衡结晶（1 1）原因）原因:冷速快冷速快(假设液相成分均匀、固相成分不均匀假设液相成分均匀、固相成分不均匀)。（2 2）结晶过程特点：固相成分按）结晶过程特点：固相成分按平均成分线平均成分线变化变化 （但每一时刻符合相图）；（但每一时刻符合相图）；结晶的温度范围增大；结晶的温度范围增大；组织多为树枝状。组织多为树枝状。第四章相图第

10、二节匀晶相图13第十三页，本课件共有44页第二节第二节 二元匀晶相图二元匀晶相图 3 3 固溶体的不平衡结晶固溶体的不平衡结晶 第四章相图第二节匀晶相图2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.14第十四页，本课件共有44页第二节 二元匀晶相图 3 3 固溶体的不平衡结晶固溶体的不平衡结晶（3）微观偏析）微观偏析晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀现象。晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀现象。枝晶偏析：树枝晶的枝干和枝间化学成分不均匀的现象。

11、枝晶偏析：树枝晶的枝干和枝间化学成分不均匀的现象。（消除：扩散退火，在低于固相线温度长时间保温。）（消除：扩散退火，在低于固相线温度长时间保温。）第四章相图第二节匀晶相图3h15第十五页，本课件共有44页第二节第二节 二元匀晶相图二元匀晶相图 4 4 宏观偏析宏观偏析（1 1）平衡分配系数：在一定温度下，固、液两平衡相中溶质）平衡分配系数：在一定温度下，固、液两平衡相中溶质浓度的比值。浓度的比值。k0=Cs/Cl 第第四四章章相相图图第第二二节节匀匀晶晶相相图图16第十六页，本课件共有44页第二节第二节 二元匀晶相图二元匀晶相图 4 4 宏观偏析宏观偏析(2)2)溶质分布（溶质分布（k01）稳

12、态凝固/正常凝固冷却速度无限慢有扩散和对流液、固相内溶质完全混合 （平衡凝固）a;冷却速度非常慢有扩散和对流固相不混合、液相完全混合b;冷却速度很大仅有扩散固相不混合、液相完全不混合c；冷却速度一般部分扩散和对流固相不混合、液相部分混合d。第第四四章章相相图图第第二二节节匀匀晶晶相相图图17第十七页，本课件共有44页第二节第二节 二元匀晶相图二元匀晶相图 4 4 宏观偏析宏观偏析(3)区域熔炼（区域熔炼（上述溶质分布规律的应用）第四章相图第二节匀晶相图18第十八页，本课件共有44页第二节第二节 二元匀晶相图二元匀晶相图 5 5 成分过冷成分过冷及其对晶体生长形态的影响及其对晶体生长形态的影响（

13、1）成分过冷：由成分变化与实 际温度分布共同决定的过冷。（2）形成：界面溶质浓度从高到低 液相线温度从低到高。（图示：溶质分布曲线 匀晶相图 液相线温度分布曲线 实际温度分布曲线 成分过冷区。）第四章相图第二节匀晶相图液相完全不混合19第十九页，本课件共有44页第二节第二节 二元匀晶相图二元匀晶相图 5 5 成分过冷及其对晶体生长形态的影响成分过冷及其对晶体生长形态的影响（3）成分过冷形成的条件和）成分过冷形成的条件和影响因素影响因素条件：条件：G/RmC0(1-k0)/Dk0合金固有参数：合金固有参数：m(液相线斜率液相线斜率),k0;实验可控参数：实验可控参数：G(温度梯度温度梯度),R(

14、凝固速度凝固速度)。第四章相图第二节匀晶相图20第二十页，本课件共有44页第二节第二节 二元匀晶相图二元匀晶相图 5 5 成分过冷及其对晶体生长形态的影响成分过冷及其对晶体生长形态的影响（4）成分过冷对生长形态的影响）成分过冷对生长形态的影响（正温度梯度下）G越小，成分过冷越小，成分过冷越大生长形态：平面状胞状越大生长形态：平面状胞状树枝状。树枝状。第四章相图第二节匀晶相图21第二十一页，本课件共有44页第三节 二元共晶相图及合金凝固 共共晶晶转转变变：由由一一定定成成分分的的液液相相同同时时结结晶晶出出两两个个一一定定成成分分固固相相的的转变。转变。Eutectic Reaction 共晶相

15、图：具有共晶转变特征的相图。共晶相图：具有共晶转变特征的相图。（液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶，且发生共（液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶，且发生共 晶反应。晶反应。共晶组织：共晶转变产物。（是两相混合物）共晶组织：共晶转变产物。（是两相混合物）第四章相图第三节共晶相图22第二十二页，本课件共有44页第三节第三节 二元共晶相图及合金凝固二元共晶相图及合金凝固 1 1 相图分析（相图三要素）相图分析（相图三要素）（1 1）点：纯组元熔点；最大溶解度点；）点：纯组元熔点；最大溶解度点；共晶共晶点（是点（是亚共亚共 晶晶、过共晶合金过共晶合金成分分界点）等。成分分界点）等。（2 2）线：结

16、晶开始、结束线；溶解度曲线；共晶线等。）线：结晶开始、结束线；溶解度曲线；共晶线等。（3 3）区：）区：3 3个单相区；个单相区；3 3个两相区；个两相区；1 1个三相区。个三相区。第四章相图第三节共晶相图23第二十三页，本课件共有44页第三节 二元共晶相图及合金凝固 2 2 合金的平衡结晶及其组织（以合金的平衡结晶及其组织（以Pb-SnPb-Sn相图为例）相图为例）（1 1）Wsn2Wsn2的合金的合金 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。第四章相图第三节共晶相图(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearni

17、ng,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.24第二十四页，本课件共有44页第三节 二元共晶相图及合金凝固 2 2 合金的平衡结晶及其组织（以合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例）相图为例）（2 2）2 2Wsn19Wsn19的合金的合金 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。二二次次相相（次次生生相相）的的生生成成：脱脱溶溶转转变变（二二次次析析出出或或二次结晶）。二次结晶）。室温组织（室温组织（）及其相对量计算。）及其相对量计算。第四章相图第三节共晶相图(c)2003Br

18、ooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.25第二十五页，本课件共有44页(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.第三节第三节 二元共晶相图及合金凝固二元共晶相图及合金凝固 2 2 合金的平衡结晶及其组织（以合金的平衡结晶及其组织（以Pb-SnPb-Sn相图为例）相图为例）（3 3）共晶合金）共晶合

19、金 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。共晶线上两相的相对量计算。共晶线上两相的相对量计算。室温组织（室温组织（）及其相对量计算。）及其相对量计算。第四章相图第三节共晶相图(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.26第二十六页，本课件共有44页第三节第三节 二元共晶相图及合金凝固二元共晶相图及合金凝固 2 2 合金的平衡结晶及其组织（以合金的平衡结晶及其组织（以Pb-SnPb-Sn相图为例）相

20、图为例）（3 3）共晶合金）共晶合金 第四章相图第三节共晶相图(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.27第二十七页，本课件共有44页第三节第三节 二元共晶相图及合金凝固二元共晶相图及合金凝固 2 2 合金的平衡结晶及其组织（以合金的平衡结

21、晶及其组织（以Pb-SnPb-Sn相图为例）相图为例）（4 4）亚共晶合金）亚共晶合金 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。共晶线上两相的相对量计算。共晶线上两相的相对量计算。室温组织（室温组织（）及其相对量计算。）及其相对量计算。第四章相图第三节共晶相图(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.(c)2003 Brooks/Cole,a division of Thomson Learning

22、,Inc.Thomson Learning is a trademark used herein under license.28第二十八页，本课件共有44页第三节第三节 二元共晶相图及合金凝固二元共晶相图及合金凝固 2 2 合金的平衡结晶及其组织（以合金的平衡结晶及其组织（以Pb-SnPb-Sn相图为例）相图为例）（4 4）亚共晶合金）亚共晶合金第四章相图第三节共晶相图(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.29第二十九页，本课件共有

23、44页第三节第三节 二元共晶相图及合金凝固二元共晶相图及合金凝固 2 2 合金的平衡结晶及其组织（以合金的平衡结晶及其组织（以Pb-SnPb-Sn相图为例）相图为例）（5 5）组织组成物与组织图组织组成物与组织图 组织组成物：组成材料的中各个不同本质和形态的部分。组织组成物：组成材料的中各个不同本质和形态的部分。组织图：用组织组成物填写的相图。组织图：用组织组成物填写的相图。组织组成物相对量的计算：杠杆定律。组织组成物相对量的计算：杠杆定律。第四章相图第三节共晶相图30第三十页，本课件共有44页第三节第三节 二元共晶相图及合金凝固二元共晶相图及合金凝固 3 3 不平衡结晶及其组织不平衡结晶及其

24、组织（1 1）伪共晶）伪共晶 伪共晶：由非共晶成分的合金所得到的完全共晶组织。伪共晶：由非共晶成分的合金所得到的完全共晶组织。形成原因：不平衡结晶；合金成分位于共晶点附近。形成原因：不平衡结晶；合金成分位于共晶点附近。不平衡组织不平衡组织 由非共晶成分的合金得到的完全共晶组织。由非共晶成分的合金得到的完全共晶组织。共晶成分的合金得到的亚、过共晶组织。（伪共晶区偏移）共晶成分的合金得到的亚、过共晶组织。（伪共晶区偏移）第四章相图第三节共晶相图31第三十一页，本课件共有44页第三节第三节 二元共晶相图及合金凝固二元共晶相图及合金凝固 3 3 不平衡结晶及其组织不平衡结晶及其组织 （2 2）不平衡共

25、晶）不平衡共晶 不不平平衡衡共共晶晶：位位于于共共晶晶线线以以外外成成分分的的合合金金发发生生共共晶晶反反应应而而形形成的组织。成的组织。原因：不平衡结晶。成分位于共晶线以外端点附件。原因：不平衡结晶。成分位于共晶线以外端点附件。第四章相图第三节共晶相图32第三十二页，本课件共有44页第三节第三节 二元共晶相图及合金凝固二元共晶相图及合金凝固 3 3 不平衡结晶及其组织不平衡结晶及其组织 （3 3）离异共晶）离异共晶 离异共晶：两相分离的共晶组织。离异共晶：两相分离的共晶组织。形成原因形成原因 平衡条件下，成分位于共晶线上两端点附近。平衡条件下，成分位于共晶线上两端点附近。不平衡条件下，成分位

26、于共晶线外两端点附。不平衡条件下，成分位于共晶线外两端点附。消除：扩散退火。消除：扩散退火。第四章相图第三节共晶相图6h33第三十三页，本课件共有44页第三节第三节 二元共晶相图及合金凝固二元共晶相图及合金凝固 4 4 共晶组织的形成共晶组织的形成 （1 1）共晶体的形成）共晶体的形成成分互惠交替成分互惠交替形核 片间搭桥促进片间搭桥促进长大 两相交替分布两相交替分布 （共晶组织）（共晶组织）第四章相图第三节共晶相图34第三十四页，本课件共有44页第三节第三节 二元共晶相图及合金凝固二元共晶相图及合金凝固 4 4 共晶组织的形成共晶组织的形成（2 2）共晶体的形态）共晶体的形态 粗糙粗糙界面粗

27、糙粗糙界面：层片状（一般情况）、层片状（一般情况）、棒状、纤维状（一相数棒状、纤维状（一相数量明显少于另一相）量明显少于另一相）第四章相图第三节共晶相图35第三十五页，本课件共有44页第三节第三节 二元共晶相图及合金凝固二元共晶相图及合金凝固 4 4 共晶组织的形成共晶组织的形成（2 2）共晶体的形态）共晶体的形态 粗糙平滑界面粗糙平滑界面：具有不规则或复杂组织形态：具有不规则或复杂组织形态.（由于两相微观结构不同）（由于两相微观结构不同）所所需需动动态态过过冷冷度度不不同同，金金属属相相任任意意长长大大，另另一一相相在在其其间间隙隙长长大大。可可得得到到球球状状、针状、花朵状、树枝状共晶体。

28、针状、花朵状、树枝状共晶体。非非金金属属相相与与液液相相成成分分差差别别大大。形形成成较较大大成成分分过过冷冷，率率先先长长大大，形形成成针针状状、骨骼状、螺旋状、蜘蛛网状的共晶体。骨骼状、螺旋状、蜘蛛网状的共晶体。第四章相图第三节共晶相图36第三十六页，本课件共有44页第三节第三节 二元共晶相图及合金凝固二元共晶相图及合金凝固 4 4 共晶组织的形成共晶组织的形成 （3 3）初生晶的形态：）初生晶的形态：金属固溶体：粗糙界面树枝状；金属固溶体：粗糙界面树枝状；非金属相：平滑界面规则多面体。非金属相：平滑界面规则多面体。第四章相图第三节共晶相图37第三十七页，本课件共有44页第四节第四节 二元

29、包晶相图及合金凝固二元包晶相图及合金凝固 第四章相图第四节包晶相图包包晶晶转转变变：由由一一个个特特定定成成分分的的固固相相和和液液相相生生成成另另一一个个特特点点成分固相的转变。成分固相的转变。Peritectic Reaction 包晶相图：具有包晶转变特征的相图。包晶相图：具有包晶转变特征的相图。1 1 相图分析相图分析 点、线、区。点、线、区。38第三十八页，本课件共有44页第四节 二元包晶相图及合金凝固 第四章相图第四节包晶相图2 2 平衡结晶过程及其组织平衡结晶过程及其组织（1 1）包晶合金的结晶）包晶合金的结晶结结晶晶过过程程：包包晶晶线线以以下下，L,L,对对过过饱饱和和界界面

30、面生生成成三相间存在浓度梯度扩散三相间存在浓度梯度扩散长大全部转变为长大全部转变为。室温组织：室温组织：或或。39第三十九页，本课件共有44页第四节 二元包晶相图及合金凝固 第四章相图第四节包晶相图2 2 平衡结晶过程及其组织平衡结晶过程及其组织（1 1）包晶合金的结晶）包晶合金的结晶结结晶晶过过程程：包包晶晶线线以以下下，L,L,对对过过饱饱和和界界面面生生成成三相间存在浓度梯度扩散三相间存在浓度梯度扩散长大全部转变为长大全部转变为。室温组织室温组织：或或。40第四十页，本课件共有44页第四节 二元包晶相图及合金凝固 第四章相图第四节包晶相图2 2 平衡结晶过程及其组织平衡结晶过程及其组织

31、（2 2）成分在）成分在d-pd-p之间合金的结晶之间合金的结晶 结晶过程：结晶过程：剩余剩余(量的计算量的计算)；室温组织：室温组织：。41第四十一页，本课件共有44页第四节第四节 二元包晶相图及合金凝固二元包晶相图及合金凝固 第四章相图第四节包晶相图2 2 平衡结晶过程及其组织平衡结晶过程及其组织42第四十二页，本课件共有44页第四节 二元包晶相图及合金凝固 第四章相图第四节包晶相图3 3 不平衡结晶及其组织不平衡结晶及其组织 异异常常相相导导致致包包晶晶偏偏析析包包晶晶转转变变要要经经扩扩散散。包包晶晶偏偏析析：因因包包晶晶转转变不能充分进行而导致的成分不均匀现象。变不能充分进行而导致的

32、成分不均匀现象。异异常常相相由由不不平平衡衡包包晶晶转转变变引引起起。成成分分在在靠靠近近固固相相、包包晶晶线线以以外外端端点点附附近。近。Smith W F.Foundations of Materials Science and Engineering.McGRAW.HILL.3/E43第四十三页，本课件共有44页第四节 二元包晶相图及合金凝固 第四章相图第四节包晶相图4 4 包晶转变的应用包晶转变的应用 （1 1）组织设计。如轴承合金需要的软基体上分布硬质点）组织设计。如轴承合金需要的软基体上分布硬质点 的组织。的组织。（2 2）晶粒细化。如在铝合金中添加少量的钛（）晶粒细化。如在铝合金中添加少量的钛（TiAlTiAl3 3)44第四十四页，本课件共有44页