1、第六章 三元合金相图与凝固,河北工业大学材料学院,实际使用的材料多为多元合金 多元相图结构复杂、测定困难 三元相图是最简单的多元相图 本章介绍简单三元相图的分析与使用方法。 三元相图有成分变量2个，温度变量一个，是立体图形，相区之间以曲面分开； 三元相图的各种截面、投影图用得较多。,6.1 三元相图基本知识 6.1.1浓度的表示方法,（1）浓度三角形 三元合金有两个组元的浓度可以独立变化，成分常用等边三角形中的一个点来表示，称为浓度三角形。边长=100%，三个顶点代表三个纯组元，每个边是一个二元合金系的成分轴,三元合金的浓度,例如点代表一个三元合金。过O点作A组元对边平行线交于AC、AB边于b
2、、e两点，bC或Be分别表示合金中的含A；同理可以求出B和C 三元合金0的成分：A%Cb= Be BAc =Cf% CBa=Ad%,(2) 其它三角形,当三元合金中各组元含量相差较大时，可以采用其它形式的三角形，否则，合金成分点可能非常靠近一边或某一顶点。常用的有 直角三角形 等腰三角形,等腰三角形,当某一个组元（如C）含量远小于其它二组元时，可以采用等腰三角形。 一般把含量较高的组元放在底边位置，两腰代表少组元的含量，即,直角三角形,当某一个组元（如A）含量远大于其它二组元时，可以采用直角三角形。 一般把含量最高的组元放在直角位置，两直角边则代表其它两组元的含量。例如O1点所代表的三元合金成
3、分 CAc1 BAb1% A1CB,浓度三角形中的特殊线,平行于三角形任意一边的直线，一个组元的浓度为定值。 过三角形顶点的直线，两个组元浓度之比为定值。如CE线上的任意一个三元合金符合,6.1.2 自由焓成分曲面与公切面法则,二元合金的自由焓成分关系表现为一条平面曲线， 三元合金的自由焓化学成分（两个变量）关系表现为一个空间曲面，最简单情况下为下凹曲面。,二元合金平衡相成分用公切线法则确定，且在一定温度下只有一条公切线，两平衡相成分可以唯一的确定。 三元合金中，两平衡相成分也用公切面的切点来确定，但是在一定温度下两个曲面的公切面不止一个.当公切面沿着两个曲面滚动时，可以得到一系列切点。F=2
4、 。 公切面法则,同一公切面上两个切点之间的连线称为共轭线， 共轭线端点的轨迹在浓度三角形内的投影就是单相区与双相区的边界。 在等温面上双相区与单相区之间的边界是一条平面曲线,在等温面上双相区与单相区之间的边界是一条平面曲线，在一定温度下组成相的成分不能唯一地确定。 对于指定成分的合金，在一定温度下只有一个公切面，也即只有一条共轭线。如果能够确定其中一相的成分或者合金的成分，此时各组成相的成分也就唯一地确定。,在一定温度下三相平衡时，三个自由焓曲面的公切面只能有一个。因此一定温度时三平衡相的成分是唯一确定的。f=1,三相平衡时，其中的两相也一定处于平衡状态； 因此SP等也是一条共轭线，因而等温
5、截面上三相区是直边三角形-共轭三角形。 三相区以一条直线（共轭线）与两相区相邻，以相成分点与单相区相邻。,6.1.3 直线法则、重心法则和杠杆定律 （1）直线法则,如果合金O在T1温度时处于两相平衡，无论在自由焓-成分关系的立体图形还是在浓度三角形中合金成分与两平衡相成分均位于同一共轭线上。而且合金成分位于两平衡相成分之间。mon线为共轭线。,两条推论 （1）给定合金在一定温度下处于两相平衡时，若其中一个相的成分给定，另一个相的成分点必然位于已知成分点连线的延长线上。 （2）若两个平衡相的成分点已知，合金的成分点必然位于两个已知成分点的连线上。,(2)杠杆定律,在一定温度下，与二元合金相似利用
6、杠杆定律可求出两平衡相的重量百分比。 例如合金O处于L和两相平衡状态，两相的相对量,(3)重心法则,重心法则是杠杆定律与直线法则的推广。 如果合金N在某一温度Ti时处于 、 、 三相平衡， 、 、 三相的成分分别是D、E、F，DEF称为共轭三角形。 合金成分点位于共轭三角形的重心位置。重心法则。,根据直线法则，、二相混合物的成分应该位于EF线上的一点，而此点应位于N与D的延长线上，即、二相混合物的成分为d。利用杠杆定律可求出相的重量百分比同理可得,6.1.4三元合金相图的平面化,测定一个立体相图需要进行大量试验积累数据、而且使用不便，实际上经常使用三元相图的二维剖面或投影图。 当假定一个变量不
7、变或者两个变量之间有某种关系时，就可以得到二维图形。 例如温度一定，就可以得到等温截面（水平截面）； 当假定一个组元的浓度为常数或者两组元浓度之间有某种关系时，就可以得到变温截面（垂直截面） 把不同温度下的等温截面或空间曲线投影至成分三角形内（就是去掉温度变量），就可以得到投影图。,6.2 三元匀晶相图,立体三元相图是一个三棱柱，合金成分用水平放置的浓度三角形表示，温度轴垂直于浓度三角形。三个柱面分别是三个二元系的相图，相区都是空间体，相区与相区之间由曲面分开。,相图,flash,6.2.1相图分析,点：a、b、c分别表示三组元A、B、C的熔点。 面：底面ABC是浓度三角形，三个侧面分别是AB
8、、BC、CA三个二元匀晶相图。两个空间曲面上面abc为液相面，下面abc为固相面。 相：L和相， 均为A、B、C三组元组成的溶体。 相区： 单相区： L相区（液相面以上）和相区（固相面以下） 双相区： L （液、固相面之间）,6.2.2固溶体合金的平衡结晶,三元合金的结晶过程与二元匀晶系合金相似， 当合金冷却到T1温度（成分线oo与液相面的交点温度），开始发生匀晶转变，即L。 冷却到T2温度（成分线oo与固相面的交点温度），匀晶转变结束。 在这两个温度之间，L、两相平衡共存。结晶过程中L的成分沿着液相面变化，的成分沿着固相面变化。,立体图,共轭线的走向,由于结晶速度较慢，液、固相据均能充分扩散
9、，固相成分分别由S1 S2 S3 S4变化，液相成分分别由L1 L2 L3 L4 ,直至液相耗尽。S4成分和原合金成分相同，最后得到与合金组成完全相同、成分均匀的三元固溶体 。,6.2.3等温截面图（水平截面图）,动态演示,在等温截面上,可确定在此温度时任意三元合金所处的状态。如：o点成分合金在t1时处于两相平衡。 利用多个截面可以分析状态变化，分析结晶过程。 在共轭线mon上可用杠杆定律确定平衡相的成分及其相对重量。,6.2.4变温截面图（垂直截面图）,动态演示1，动态演示2,运用变温截面图可以分析位于该面上的三元合金的相变过程，起始温度， 变温界面一般不反映平衡相的成分，一般不能应用杠杆定
10、律,6.2.5等温线投影图,将不同温度液相面、固相面的截线投影到成分三角形中，得到等温线投影图。,等温线投影图的作用,同时具有垂直截面、水平截面的功能 利用等温线投影图，可以确定任意合金的浇铸温度和凝固终了温度。 如：合金O低于t3温度开始结晶，低于t5温度结晶终了。 可以运用杠杆定律求平衡相的成分及相对重量。,6.3 具有三相平衡的三元相图,与二元合金类似，三相平衡可以分为两类 一类是降温时从一相转化为两相的转变，共晶型转变包括共晶转变、共析转变、偏晶转变、熔晶转变等； 另一类是降温时由两相转化为一相的转变，包括包晶转变、包析转变、合晶转变等，合称为包晶型转变。 以下分别举例介绍含有这两种三
11、相平衡的三元相图。,6.3.1具有共晶型三相区的三元相图,动态演示,截面图,其它水平截面,三相区的走向,水平截面上三相区为直边三角形，顶点与单相区相连，边与两相平衡区为邻； 随着温度降低，共轭三角形逐渐移动， 三角形移动时以一顶点（高温相L）为前导，一条边（低温相，成分连线）为后队。 动态模拟,垂直截面上的三相区,与二元相图相似，高温相L位于中间； 与二元相图不同，三相平衡不再是等温转变。,6.3.2 具有包晶型三相区的三元相图,动态演示,截面图,动态演示,水平截面,三相区的走向,水平截面上三相区为直边三角形，顶点与单相区相连，边与两相平衡区为邻； 随着温度降低，共轭三角形逐渐移动， 三角形移
12、动时以一边（高温相成分连线L+ ）为前导，一顶点（低温相）为后队。 动态模拟,垂直截面上的三相区,与二元相图相似，低温相位于中间； 与二元相图不同，三相平衡不再是等温转变。,6.4 三元共晶相图,一些三元系中含有四相平衡，例如三相共晶转变。 实际上经常遇到固态下三组元相互溶解度很小的三元系，近似地可以认为三组元互不溶解，结晶时将以纯组元的形式析出。 下边先介绍液相完全互溶、固态完全不溶的共晶相图。,6.4.1 固态完全不溶的三相共晶相图,(1)相图分析,相：L,A,B,C 点：熔点，二元共晶点，三元(相)共晶点 单变量线：三相区的棱边 面：底面，侧面，液相面，固相面，二元共晶开始面 相区：单相
13、区4，双相区（3+3），三相区4，四相区1（水平面） 动态演示,二元共晶开始曲面,（2）等温截面,设TATBTCE1E2E3E,动态演示,含有液相的两相区内发生匀晶转变含有液相的三相区内发生两相共晶转变,（3）垂直截面,（4）三元合金的平衡凝固,利用适当的垂直截面可以分析凝固过程； 在了解相图空间结构（面、相区相互位置关系）的基础之上，利用投影图同样可以分析凝固过程 液相面下：匀晶转变（三块，三个转变）； 二元共晶开始面-固相面：二元共晶转变； 四相平衡面：三相共晶转变 四相平衡面以下：无转变,在降温过程中x成分合金将依次发生如下转变 L+A相区 匀晶转变LA,剩余L成分沿着Ax的延长线变化。
14、 L+A+B相区 共晶转变LA+B，此时剩余L成分沿着E1E变化。 四相平衡面 三相共晶转变LA+BC,恒温转变 A+BC相区 无变化 室温组织：A+(A+B)+(A+BC),两相共晶转变时，液相成分将沿着nE方向移动。新生成的（A+B）的成分点应位于nE线在n点切线与AB的交点上。 当液相成分达到E点，两相共晶转变结束，（A+B）的成分点到达D点。,组织组成物相对量,不同成分合金的室温组织,不同成分合金的室温组织容易知道，如 AE1E内:A+ (A+B) + (A+B+C) E1E: (A+B)+ (A+B+C) AE:A+ (A+B+C) E：(A+B+C) 组织组成物、相组成可用重心法则
15、、杠杆定律,6.4.2 固态有限互溶三元共晶相图,固态组元有限互溶时，将形成以A，B，C三个组元为溶剂的有限固溶体，原来的三条线（单相区）扩展成为空间区域，相互之间由溶解度面隔开,（1）相图分析,点：熔点、二元共晶点、三元共晶点 线：单变量线12 面：底面1、侧面3、液相面3、固相面7、溶解度面9，二元共晶开始面6，二元共晶终了面3 相区：单相4，双相区6，三相区4，四相区1 动态演示,单变量线,（2）等温截面,降温时三相区的走向,共晶转变特征,（3）投影图与变温截面,将空间曲线及直线投影到浓度三角形内，得到投影图。,变温界面（动态）,（4）凝固过程,依据垂直截面和投影图可以分析平衡凝固过程；
16、 推断室温组织。 高温转变与固相完全不溶相似，但是如果继续冷却，合金可能发生脱溶转变形成二次相。,6.5 三元相图小结 6.5.1 其它四相平衡相图,6.5.2 三元系中相区特点,根据相律，在压力恒定时，可以出现14相平衡。 单相区： f=3，任意形状，截面上任意形状 相成分=合金成分。,两相平衡区,自由度f=2, 由一对共轭曲面把它与两个组成相所在的单相区隔开。在截面上单相区与两相区的界限为平面曲线。 两相区与三相区的界面是由不同温度下两平衡相的共轭线组成的，因此在水平截面上两相区与三相区的界线是该温度下的共轭线。除非该共轭线恰好在截面上，在垂直截面上一般界限呈曲线。 组成相与合金成分三点成
17、一条直线，组成相的相对量符合杠杆定律。,三相平衡区,自由度f=1，三相区是由三条单变量线组成的不规则三棱柱体。其棱边与单相区相连，柱面与两相区接壤。三棱柱体开始（或终止）于二元系的三相平衡线，或四相平衡水平面。 在水平截面上，三相区是直边三角形，顶点触及单相区，三角形的边是2/3相区的分界线。在垂直截面上，三相区一般都是曲边三角形或四边形。,在立体相图中，降温反应的反应相的单变量线总是高于生成相的单变量线，因此在降温时共轭三角形总是以反应相为先导移动。 对于共晶型转变，共轭三角形是以一个顶点（反应相，如L）为先导移动；而包晶型转变则以一条边（两个反应相，如L+）为先导移动。,垂直截面上，两种三
18、相区也明显不同,四相平衡,在三元系中，四相平衡可以分为如下三种类型 共晶型：降温时，由一相转化为三相，如L 包共晶型：由两相转化为另外两相,如L 包晶型：降温时，由三相转化为一相，如L,四相平衡时 f=0，成分固定，温度不变，垂直截面上为水平线； 四相平衡面以四个平衡相的成分点与四个单相区相连（4点） 以两个平衡相之间的共轭线与六个双相区相连（6线） 以三个平衡相的共轭三角形与四个三相区相连（4角）,四相平衡面附近的相区,放大显示,6.6 三元相图举例 （1）Fe-C-Si垂直截面,灰口铸铁基本上是Fe-C-Si系 包含的相、相变类型与二元系相同 三相平衡扩展到一个温度区间，C，E，S等左移。
19、,Si含量增加时，共析、共晶温度上升，A区缩小， C，E，S等左移。,（2）Fe-C-Cr相图截面,Fe-Cr-C三元合金应用很广，例如铬不锈钢0Cr13,1Cr13,2Cr13,3Cr13,4Cr13以及Cr12模具钢等，添加其它合金元素还可以变换出其他钢种。 相图中共含有7个组成相，除了L、以外，还有C1、C2、C3三种化合物。其中C1是Cr7C3或(Cr,Fe)7C3，C2是(Cr,Fe)23C6、C3是(Cr,Fe)3C或Fe3C,从相区的邻接关系、转变的可能性、相区的形状可以判断一些反应的类型，有些则需要更多的资料才能确定反应的类型。 例如795等温转变，该截面包括所有相邻的四个三相
20、平衡区，四相平衡C2+C1。 例如根据反应的可能性可以判断，在C1两相区降温时将发生C1、在L+C1两相区降温时将发生LC1。 根据相区的形状、邻接情况可以判断，在L+中L+，在L+C1相区中发生L+C1，在+C2相区中发生+C2。,发生的转变有,Cr12(2%C)模具钢的凝固过程与亚共晶白口铸铁相似，平衡组织P+Ld，实际组织M+Ld； 2Cr13(0.2%C)与过共析钢相似，平衡组织为C2+P,(3)Fe-C-P投影图,相：L,(),Fe3C,Fe3P 三个四相平衡转变含磷铸铁(如3.5%C,0.4-0.6%P)的凝固与亚共晶白口铸铁相似，但是P偏析严重时可以形成三元磷共晶。,(4) Al-Cu-Mg相图投影图,Al-Cu-Mg合金在航空行业及仪表制造业用于很广。 图为Al-Cu-Mg合金的Al角。图中细线是等温线，每一块液相面上的字母表示液相面下将析出的初晶类型。,相,-铝基固溶体 -CuAl2 -Mg2Al3 -Mg17Al12 T-Mg32(Al,Cu)49 S-CuMgAl2 Q-Cu3Mg6Al7。,四相平衡,根据液相面交线的走向，能够判断四相平衡的类型,5100C等温截面,Fe-Cr-W-C四元系的一个截面（18%W，4%Cr）,截面的形状与用法与三元相图相似。但是，由于组元数增加了，四相平衡区不再是恒温线。,休息一下,再回来,
