第五部分材料的相结构及相图.docx
- 文档编号:28988950
- 上传时间:2023-07-20
- 格式:DOCX
- 页数:26
- 大小:31.34KB
第五部分材料的相结构及相图.docx
《第五部分材料的相结构及相图.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第五部分材料的相结构及相图.docx(26页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
第五部分材料的相结构及相图
第五部分材料的相结构及相图
5.1相图的基本知识
一、组元、合金系
1.组元(component):
组成合金最基本的、可以独立存在的物质。
一元合金:
纯Fe、纯Cu
二元合金:
Fe-C、Cu-Zn、Cu-Ni
三元合金:
1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13
2.合金系(alloysystem):
一系列成分不同的合金
二(三、多)元系合金
二、相、相变、相平衡、相律
1.相(phase):
单相合金:
如单相A体不锈钢,单相黄铜(30%Zn)
多相合金:
如双相不锈钢(A+F、A+M)、双相黄铜(40%Zn)
2.相变(phasetransformation):
旧相→新相的转变过程
固态相变(solidphasetransformation)。
从液相转变为固相的过程称为凝固(solidification)。
若凝固后的产物为晶体称为结晶(crystallization)。
金属转变过程为:
汽态←液态←→固态
3.相平衡(phaseequilibrium):
没有量的增减和成份的改变。
实际上是一种动态平衡
相平衡条件:
每个组元在各相中的化学势都彼此相等。
4.相律(phaserule)
相律数学表达式:
f=c-p+2
式中p—平衡相数c—体系的组元数
f—体系自由度数2-温度和压力
自由度数f:
f≥0
在恒压下,相律表达式:
f=c-p+1
5.相律的应用
①利用相律可以判断在一定条件下系统最多可能平衡共存的相数
②利用它可解释纯金属与二元合金结晶时的差别。
注意:
使用相律有一些限制:
①只适用于热力学平衡状态。
②只表示体系中组元和相的数目,不能指明组元和相的类型和含量。
③不能预告反应动力学(即反应速度问题)。
④f≧0
三、相图的分类(平衡图、状态图)
相图(phasediagram):
根据组元数分为一元相图、二元相图、三元相图。
一元相图:
纯水、纯铁相图
二元相图:
匀晶、共晶、包晶相图
三元相图:
匀晶、共晶
5.2单元系相图
单元系相图:
1.水的单元相图分析
2.纯铁的相图分析
纯铁的冷却曲线及晶体结构变化图示
3.SiOHYPERLINK"file:
///D:
/My%20Documents/材料科学基础多媒体课件20050604/第五章/Flash/SiO2相图.SWF"2HYPERLINK"file:
///D:
/My%20Documents/材料科学基础多媒体课件20050604/第五章/Flash/SiO2相图.SWF"相平衡图
5.3二元系相图
一、二元相图的表示法
二元系合金由于合金有成分变化,相图需用纵、横两个坐标轴表示,纵轴表示温度,横轴表示成分,通常用质量百分数表示。
二、二元相图的建立
相图的建立:
有实验测定和理论计算两种方法。
二元相图是测定材料的临界点绘制。
测定临界点有两种方法:
(1)动态法:
热分析法、膨胀法、电阻法
(2)静态法:
金相法、X-ray衍射分析法
这些方法主要是利用合金在相结构变化时,引起物理性能、力学性能及金相组织变化的特点来测定。
举例:
Cu—Ni相图测定
① 配制一系列不同成分的Cu—Ni合金。
②熔化均匀后测出所配合金及纯Cu、纯Ni的冷却曲线。
③ 确定合金的凝固温度。
求出各冷却曲线上的临界点。
④将各临界点分别投到对应的合金成分、温度坐标中,连接各相同意义的临界点(开始点或终了点)。
⑤填写相区即得到Cu—Ni合金的二元相图。
三、二元相图中的点、线、区
点(表象点):
可以确定任一合金在任一温度下所处的状态。
线:
液相线(liquidusline):
固相线(solidusline):
相区(phaseregions):
表明存在的平衡相类型和数目。
单相区(singlephaseregion)、
两相区(twophaseregion)
三相区(threephaseregion)
四、杠杆法则(杠杆定律)(theleverrule)
杠杆法则:
应用:
杠杆定律仅适应于平衡相图的两相区
(1)确定两平衡相的成分(浓度)。
(2)确定两平衡相的相对量。
5.4匀晶相图和共晶相图
匀晶相图概述
∙由液相直接结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。
∙完全具有匀晶转变的相图称为匀晶相图。
∙特点:
两组元在液态和固态都能无限互溶。
举例:
Cu-Ni、Au-Ag、Au-Pt、Fe-Ni、Cr-Mo、Fe-Cr等;
CaO-MnO、NiO-CoO、CoO-MgO、NiO-MgO等
∙匀晶相图分析(Cu-Ni为例)
∙两种特殊的匀晶相图
①具有极大点:
Pb-Tl
②具有极小点:
Au-Cu、Cr-Mo、Fe-Co
2.固溶体的平衡凝固
平衡凝固(equilibriumsolidification):
平衡组织(equilibriummicrostructure):
固溶体合金平衡结晶过程示意图
固溶体合金与纯金属结晶时的异同点:
共同点:
形核与长大过程,但合金中存在第二组元,凝固过程比纯金属复杂。
区别:
①固溶体结晶是在一温度范围内完成,而纯金属在恒温下完成。
②固溶体合金结晶析出的固相成分与液态成分不同(选分结晶)而纯金属结晶过程中固相与液相的成分始终相同(同分结晶)
∙固溶体结晶过程的实质:
①液、固相内成分扩散、均匀过程;
②固相长大过程
3.固溶体的不平衡结晶
不平衡凝固(结晶)(non-equilibriumsolidification)
不平衡组织(non-equilibriummicrostructure)
固溶体合金不平衡结晶
通过对非平衡凝固分析得到如下结论:
(1) 固相、液相的平均成分分别与固相线、液相线不同,有一定的偏离。
其偏离程度与冷速有关。
液相线的偏离程度较固相线小。
(2) 先结晶部分含有较多的高熔点组元(Ni),后结晶部分含有较多的低熔点组元(Cu)。
(3) 非平衡结晶条件下,凝固的终结温度低于平衡时的终止温度。
∙晶内偏析(coring):
固溶体不平衡结晶时,由于先后从液相中结晶出来的固相成分不同,并因冷速较快而不能扩散均匀,结果使每个晶粒内部的化学成分不均匀,这种现象称为晶内偏析。
∙枝晶偏析(dendriticsegregation)。
由于工业用合金固溶体通常以树枝状方式结晶,枝晶轴(干)含高熔点组元多,而枝晶间含低熔点的组元多,导致先结晶的枝干和后结晶的枝间成分不同,故亦称枝晶偏析。
∙晶内偏析对合金的力学性能影响较大。
容易导致合金塑性,韧性下降;易引起晶间腐蚀,降低合金的抗蚀性能。
∙枝晶偏析可通过均匀化退火(扩散退火)来消除。
二、共晶相图及合金凝固
共晶相图的概念
∙共晶转变(theeutecticreaction):
∙共晶组织(eutecticstructure):
∙共晶相图(theeutecticphasediagram):
∙共晶温度(theeutectictemperature):
∙共晶点(theeutecticpoint)或共晶成分:
∙共晶相图的特点:
液态下两组元能无限互溶,固态下只能部分互溶,甚至有时完全不溶,并具有共晶转变。
举例:
Pb-Sn、Pb-Sb、Al-Si、Al-Cu、Mg-Si、Al-Mg等
1.共晶相图分析(以Pb-Sn为例)
点与线:
相区:
单相区、双相区、三相区
共晶转变:
LE→αM+βN
2.共晶系合金的平衡凝固
(1) 端部固溶体合金
结晶过程:
L→L+α→α→α+βⅡ
匀晶反应+脱溶转变
室温组织:
α+βⅡ
(2) 共晶合金(eutecticalloy)
结晶过程:
L→L+(α+β)→(α+β)共
共晶反应+脱溶转变
室温组织:
(α+β)共
(3)亚共晶合金(hypoeutecticalloys)
结晶过程:
L→L+α→L+α+(α+β)共→α+(α+β)共→α+βⅡ+(α+β)共
匀晶反应+共晶反应+脱溶转变
室温组织:
α+βⅡ+(α+β)共
先共晶相(pro-eutecticphase)。
(4) 过共晶合金(hypereutecticalloys)
凝固过程和组织特征与亚共晶合金相类似,只是初生相为β固溶体而不是α固溶体。
其结晶过程组织变化示意图如图:
结晶过程:
L→L+β→L+β+(α+β)共→β+(α+β)共→
β+αⅡ+(α+β)共
匀晶反应+共晶反应+脱溶转变
室温组织:
β+αⅡ+(α+β)共
组织织成物与相组成物的区别:
∙组织织成物:
在结晶过程中形成的,有清晰轮廓的独立组成部分,如α、αⅡ、β、βⅡ、(α+β)共都是组织组成物。
∙相组成物:
组成显微组织的基本相,它有确定的成分及结构但没有形态上的概念。
Pb-Sn组织分区图
3.共晶系合金的非平衡凝固
(1)伪共晶(pseudo-eutectic)
在不平衡结晶条件下,成分在共晶点附近的合金(亚共晶合金或过共晶合金)也可能全部转变成共晶组织。
由非共晶成分合金所得到的共晶组织称为伪共晶(pseudo-eutectic)。
(2)不平衡共晶组织
对于小于饱和溶解度的合金(a点以左,c点以右)在不平衡结晶时固相线下移,使其冷却到共晶温度时仍有少量液相发生共晶转变而形成不平衡共晶组织。
(3)离异共晶(HYPERLINK"file:
///D:
/My%20Documents/材料科学基础多媒体课件20050604/第五章/晏传鹏相关图片动画/Flash/F06_15.SWF"divorcedeutecticHYPERLINK"file:
///D:
/My%20Documents/材料科学基础多媒体课件20050604/第五章/晏传鹏相关图片动画/Flash/F06_15.SWF")
当合金中共晶组织(α+β)相对量较少,先共晶相(α)相对量很多时,有时共晶组织中与先共晶相相同的那一个相就会依附在先共晶相上形核长大,把另一相推向最后凝固的晶界处,从而使共晶体两组成相相间的组织特征消失,这种两相分离的共晶组织称为离异共晶(HYPERLINK"file:
///D:
/My%20Documents/材料科学基础多媒体课件20050604/第五章/晏传鹏相关图片动画/Flash/F06_15.SWF"divorcedeutecticHYPERLINK"file:
///D:
/My%20Documents/材料科学基础多媒体课件20050604/第五章/晏传鹏相关图片动画/Flash/F06_15.SWF")。
5.5包晶相图及其它二元相图、相图分析与应用
一、包晶相图及其合金凝固
包晶相图概述
包晶转变(peritecticreaction)
包晶相图(theperitecticphasediagram)
举例:
Cu-Sn、Fe-C、Cu-Zn、Ag-Sn、Pt-Ag
1.包晶相图分析(以Pt-Ag为例)
点与线:
相区:
单相区、双相区、三相区
2.包晶系合金的平衡凝固
①包晶点(P)合金
包晶反应:
Lc+αD=βP
结晶过程:
L→L+α→L+α+β→β→αⅡ+β
匀晶反应+包晶反应+脱溶转变
室温组织:
αⅡ+β
②包晶点(P)以右合金
结晶过程:
L→L+α→L+α+β→L+β→β→αⅡ+β
匀晶反应+包晶反应+匀晶反应+脱溶转变
室温组织:
αⅡ+β
③包晶点(P)以左合金
结晶过程:
L→L+α→L+α+β→α+β→α+β+αⅡ+βⅡ
匀晶反应+包晶反应+脱溶转变
室温组织:
α+β+αⅡ+βⅡ
3.包晶系合金的不平衡凝固
二、其他类型的二元相图
1.具有化合物的二元相图
根据化合物的稳定性,可分为稳定化合物和不稳定化合物。
(1)形成稳定化合物的相图
∙稳定化合物:
具有固定的熔点,且在熔点以下不发生分解。
∙相图特征:
形成的没有溶解度的化合物在相图上表现为一条垂线。
可以把它作为一个独立的组元而把相图分为两部分。
∙形成稳定化合物的二元相图有:
Mg-Si、Cu-Ti、Fe-P、
Mg-Cu、Ag-Sr、Na2SiO3-SiO2、BeO-Al2O3、SiO2-MgO
(2)形成不稳定化合物的相图
∙不稳定化合物:
在加热到一定温度时会发生分解的化合物。
∙包晶反应所形成的中间相均属于不稳定化合物。
它们不能视为独立组元而把相图划分为简单相图。
例如:
K-Na相图
2.具有偏晶转变的相图
∙偏晶转变(monotecticreaction):
L1→α+L2
∙相图特点:
在一定的成分和温度范围内,两组元在液态下也只能有限溶解,存在两种不同浓度的液相L1和L2。
∙具有偏晶转变的二元系有:
Cu-S、Cu-O、Mn-P
3.具有合晶转变的相图
∙合晶转变(syntecticreaction):
L1+L2→β
∙相图特点:
二元组在液态下有限溶解,存在不熔合线,不熔合线以下为两液相L1和L2。
∙具有合晶转变的二元系如:
Na-Zn、K-Zn等
4.具有熔晶转变的相图
∙熔晶转变(metatecticreaction):
δ→L+γ
∙具有熔晶转变的合金很少,如Fe-S、Cu-Sb
5.具有固态转变的二元相图
当合金中组元具有同素(分)异构转变时,则其固溶体会出现三种情况:
固溶体的多晶型转变,共析转变、包析转变、偏析转变。
(1)具有固溶体多晶型转变的相图
固溶体的多晶型转变又称为多型性转变。
具有这类转变的合金有:
Fe-C、Fe-Ti合金等。
(2)具有共析转变(eutectoidreaction)的相图
共析转变与共晶转变相似,区别在于它是由一个固相在恒温下转变为另外两个固相。
共析转变对热处理强化意义很大。
钢的热处理是以共析转变为基础的。
(3)具有包析转变(peritectoidreaction)的相图
包析转变:
类似于包晶转变,区别在于包析转变是由两个固相反应生成另外一个固相。
(4)具有脱溶沉淀过程的相图
随着温度降低固溶体中溶解度下降,析出第二相的过程,称为脱溶过程。
(5)具有有序—无序转变的相图
(6)具有固溶体形成中间相转变的相图
(7)具有磁性转变的相图
三、二元相图的几何规律
二元相图应遵循如下规律:
(1)相图中所有的线条都代表发生相转变的温度和平衡相的成分,所以相界线是相平衡的体现,平衡相的成分必须沿着相界线随温度而变化。
(2)两个单相区之间必定有一个由该两相组成的两相区分开,而不能以一条线接界。
两个两相区必须以单相区或三相水平线分开。
即相邻相区相数之差均为1,为相区接触法则。
(3)二元相图中的水平线均表示三相平衡共存的恒温转变(如表5-1)。
三个单相区分别处于水平线的两端和中间,水平线的上下方分别与3个两相区相接。
(4)当两相区与单相区的分界线与三相等温线相交则分界线的延长线应进入另一两相区内,而不会进入单相区。
(5)若两个恒温转变中有两个共同的相,则这两条水平线之间必定是这两个相组成的相区。
四、复杂二元相图的分析方法
(1)首先看相图中是否存在化合物,如有稳定化合物,则以这些稳定化合物为界,把相图分成几个区域(基本相图)进行分析。
(2)根据相区接触法则,弄清各相区的组成相。
(3) 找出所有的三相共存水平线及与其接触的三个单相区,根据3个单相区与水平线的相互位置确定三相平衡转变的类型及反应式。
(4) 应用相图分析典型合金的结晶过程和组织变化规律。
单相区:
相成分与原合金相同。
双相区:
两相成分分别沿相界线变化,相对量可由杠杆法则求得。
三相共存(平衡)时:
三个相的成分固定不变,可用杠杆法则求出恒温转变前、后相组成的相对量。
(5) 相图只表示平衡状态的情况,而实际生产条件下很难达到平衡状态,因此要特别重视它们的非平衡条件下可能出现的相和组织。
(6) 相图的正确与否可用相律来判断。
在分析和认识了相图中的相、相区及相变线的特点之后,就可分析具体合金随温度改变而发生的相变及组织变化。
五、根据相图推测合金的性能
1.使用性能(力学、物理性能)
2.判断合金的工艺性能
(1)合金铸造性能
(2)合金压力加工性能
(3)合金切削加工性能
(4)热处理工艺性能:
可借助于相图判断合金能否通过热处理强化,并能为热处理提供数据。
∙相图中无固态相变的合金不能进行热处理强化,但能进行消除枝晶偏析的扩散退火。
∙具有多晶型转变的合金,可通过再结晶退火和正火处理使合金晶粒细化,以提高强度、硬度,称为细晶强化。
∙具有溶解度变化的合金,可通过固溶处理及时效处理来提高合金的硬度、强度,称为时效强化或析出强化。
∙具有共析转变的合金,原则上可进行淬火处理。
5.6铁碳相图
Fe-C合金概述
∙铁碳合金:
钢(Steels)和铸铁(Castirons)基本组成都是Fe和C两种元素,属于铁碳合金;合金钢和合金铸铁是有意加入合金元素的铁碳合金。
∙铁碳相图描述了钢铁材料的成分、温度与组织(相)之间的关系,是了解钢铁材料的基础。
∙在铁碳合金中,Fe与C可形成一系列化合物:
Fe3C、Fe2C、FeC。
Fe-C相图可划分成Fe-Fe3C,Fe3C-Fe2C,Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。
只有Fe-Fe3C部分有实际应用价值。
一、Fe-Fe3C合金中的组元
铁碳合金中组元:
纯铁(Fe)、渗碳体(Fe3C)
1.纯铁(Fe)
∙纯铁(pureiron)WFe>99.8%,纯铁的熔点1538℃。
∙纯铁固态下具有同素异构转变(allotropictransformation):
∙纯铁具有磁性转变(770℃磁性转变、magnetictransformation)。
纯铁的强度低,塑性好,很少用于结构材料。
主要利用铁磁性(ferromagnetism)。
2.渗碳体(Fe3C)(cementite)
∙渗碳体具有复杂的晶格(正交晶系),其晶体结构如图。
∙Fe3C熔点为1227℃,Fe3C是一种亚稳化合物。
Fe—Fe3C相图叫介稳定系相图,Fe-C相图叫稳定系相图,二者画在同一图上称为Fe-C合金双重相图。
∙Fe3C在230℃以下具有铁磁性,常用A0表示这个临界点。
∙Fe3C在钢和铸铁中呈现片状,粒状,网状和板条状。
渗碳体硬而脆(HB800),塑性极低,延伸率接近于0。
它是钢铁材料中的主要强化相。
二、Fe—C合金中的基本相
五(六)个基本相:
L相、δ相、γ相、α相、Fe3C相、(石墨G)
(1)液相(L):
(2)δ相:
C在δ-Fe中的间隙固溶体。
bcc结构。
在1459℃时最大溶解量可达0.09%。
,也称高温铁素体。
(3)奥氏体(γ或A)(austenite):
C在γ—Fe中的间隙固溶体。
fcc结构,可以溶解较多的碳,1148°C时最多可以溶解2.11%的碳,到727°C时含碳量降到0.77%。
奥氏体的硬度(HB170~220)较低,塑性(延伸率δ为40%~50%)高。
晶粒呈平直多边形。
γ是顺磁性。
(4)铁素体(α或F)(ferrite):
C在α-Fe中的间隙固溶体。
bcc结构。
含碳量非常低,在727℃时最大溶解量为0.0218%。
其性能与纯铁相似。
硬度(HB50~80)低,塑性(延伸率δ为30%~50%)高。
铁素体的显微组织与工业纯铁相同。
晶粒常呈多边形。
770℃以下为铁磁性。
(5)渗碳体(cementite)前面已讨论过
(6)石墨(C)
在一些条件下,碳可以游离态石墨(graphite)(hcp)稳定相存在。
所以石墨在Fe-C合金铸铁中也是一个基本相。
三、Fe-Fe3C相图分析
1.Fe-Fe3C相图的点
Fe-Fe3C相图中的各特性点所对应的温度、成分和意义。
A、B、C、D、E、F、G、H、J、K、N、P、S、Q
2.Fe-Fe3C相图的线
(1)三条水平线
①HJB--包晶转变线:
1459℃
L0.53+δ0.09γ0.17
转变产物为奥氏体(austenit),强度低,塑性好
②ECF--共晶转变线:
1148℃
L4.3γ2.11+Fe3C
转变产物为莱氏体(ledeburite),Ld表示,硬、脆、无法加工。
③PSK--共析转变线(A1线):
727℃
γ0.77α0.0218+Fe3C
珠光体(pearlite),P表示。
塑性、韧性、硬度介于α和Fe3C之间。
(2)两条磁性转变线
①A0线(虚线):
渗碳体的磁性转变线,230℃以上无磁性,230℃以下铁磁性。
②MO(A2线):
铁素体的磁性转变线。
770℃以上无磁性,770℃以下铁磁体。
A2温度又称居里点
●磁性转变时,晶格类型并不改变,故不属于相变
(3)三条重要的相界线(固态转变线)
①GS线(A3线):
冷却时从γ中开始析出或加热时α全部溶入γ中的转变线。
又称为先共析α相开始析出线。
②ES线(Acm线):
碳在γ中的溶解度曲线。
冷却时从γ中开始析出Fe3CⅡ或加热时Fe3CⅡ全部溶入γ中的转变线。
从L中析出的Fe3C称Fe3CⅠ,从γ中析出的Fe3C称(Fe3CⅡ)。
③PQ线:
碳在α中的溶解度线。
冷却时从α中开始析出Fe3CⅢ或加热时Fe3CⅢ全部溶入α中的转变线。
从α析出的Fe3C称(Fe3CⅢ)。
以区别于L和γ中析出的Fe3C。
A0、A1、A2、A3、Acm线温度依次升高。
3.Fe—Fe3C相图中的区
5个单相区:
L、δ、γ、α、Fe3C
7个两相区:
L+δ、L+γ、L+Fe3C、δ+γ、γ+Fe3C、γ+α、
α+Fe3C
3个三相共存区:
L+γ+Fe3C(ECF线)、L+δ+γ(HJB线)、γ+α+Fe3C(PSK线)
四、Fe-C合金分类
Fe-C合金通常按其含碳量(Wc)及其室温平衡组织分为三大类:
工业纯铁(pureiron)、碳钢(carbonsteel)、铸铁(castiron)。
根据碳钢和铸铁的相变、组织特征可把二者细分。
即:
(1)工业纯铁:
(Wc<0.0218%)显微组织为固溶体。
(2)钢(Wc=0.0218~2.11%)之间的Fe、C合金。
高温组织为单相γ,塑性好,可锻造、轧制等压力加工。
根据其室温组织的不同,碳钢(carbonsteel)又可分为:
共析钢(eutectoidsteel):
Wc=0.77%
亚共析钢(hypoeutectoidsteel):
Wc=0.0218~0.77%
过共析钢(hypereutectoidsteel):
Wc=0.77~2.11%
(3)白口铸铁(Wc=2.11~6.69%)之间的Fe、C合金。
其特点都发生共晶反应,有良好的流动性,具有良好的铸造性能。
但硬、脆,不能锻造。
其断口呈银白色,故称为白口铸铁。
根据白口铸铁室温组织不同,可分为三种:
共晶白口铸铁(eutectoidcastiron):
Wc=4.30%
亚共晶白口铸铁(h
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第五部分 材料的相结构及相图 第五 部分 材料 结构 相图