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一文读懂金属材料的三元相图(动图讲解)

一文读懂金属材料的三元相图(动图讲解)


三元系统是包括三个独立单元的系统,三元相图即三元系统的相图。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。

英文:ternary diagram 释文: 指独立组分数为3的体系,该体系最多可能有四个自由度,即温度、压力和两个浓度项,用三维空间的立体模型已不足以表示这种相图。若维持压力不变,则自由度最多等于3,其相图可用立体模型表示。若压力、温度同时固定,则自由度最多为2,可用平面图来表示。通常在平面图上用等边三角形(有时也有用直角坐标表示的)来表示各组分的浓度。

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(TernaryPhaseDiagram).

三元相图与二元相图比较,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.

等边成分三角形中特定意义的线

平行于三角形某一边的直线

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含量为一定值。

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,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。

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有一定的关系,此关系称为直线法则.

①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α+β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α,β两相的质量比为:

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;

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蓝色面;

液相区L:abc黄色面以上空间;

固相区α:abc蓝色面以下空间;

液固两相共存区L+α:abc黄色面和蓝色面之间区域。

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α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α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。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,固相的成分即为合金的成分。l1l2l3l4和s1s2s3s4在成分三角形上的投影为l1'l2'l3'l4'和s1's2's3's4',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。

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+α→β+γ

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.

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.

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.

包共晶转变平面下方两个三相平衡棱柱,一个属于α+β+γ三相平衡区,另一个属于L+β+γ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+β+γ和α+β+γ两种三相平衡.

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为例).

在冷却时,首先碰到AE2pp'A液相面,液相中开始析出初生相α,然后析出的α相不断增多,当温度冷至与二元包晶面dapp'相交时,液相的成分到达p'p,α相的成分到达da,要发生二元包晶转变L+α→γ.

当温度下降时,α相成分沿da线变化,而液相成分沿p'p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,α相的成分到达a点,要发生包共晶转变L+α→β+γ,在三元包晶转变结束后,α相消失,开始发生二元包晶转变。

由于O点在△abc内,故包共晶转变结束后,液相全部消失,而α相有残留,从而进入三相区α+β+γ,随着温度的下降,由于α,β和γ溶解度的下降,将有次生相αⅡ,βⅡ和γⅡ析出,至室温后的组织为初晶α+包晶β+包共晶β+γ+αⅡ+βⅡ+γⅡ。

第四节三元包晶相图

三元包晶转变的反应式为:

L+α+β→γ

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α,β

和γ的成分点.即LP+αa+βb→γc.

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γ形成新的三相平衡.

因此,在abP面下,共有三个三相平衡棱柱,分别存在L+α+γ,

L+β+γ,α+β+γ三相平衡,与abP面的接触面分别为acP,PCP和abc三角形.

合金O在冷却过程中,首先碰到液相面BE1PP1B,从液相中析出β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→α+β,在此转变过程中,L,α和β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,α和β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LP+αa+βb→γc.

L+β→γ,直至所有的液相全部消失,进入两相区β+γ,在冷却过程中,由于溶解度的变化,将从β和γ相中析出次生相γⅡ,aⅡ,当温度冷至与bcb1c1面相交时,将从β和γ相中析出次生相aⅡ,室温下的组织为:初晶β+包晶γ及次生相aⅡ,βⅡ,γⅡ.


三元相图的成分表示方法

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或成分三角形(CompositionTriangle).常用的成分三角形是等边三角形和直角三角形.

如图5-101所示:

t01cc469bf1d2514041.jpg  t012ef1a3ed39801f16.png

oa+ob+oc=AB=BC=CA

由于oa=bC=WA

ob=Ac=WB

oc=Ba=WC

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.

直角成分坐标表示法

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。

等腰成分三角形

当三元系中某一组元含量较少,而另两组元含量较大时,合金成分点将靠近等边成分三角形的某一边.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.

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:

Ca=WA=30%

Ac=WC=60%

Ab=WB=10%.

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.

下面就是动图:


01
固态有限互溶相图


三元相图比较难,相图中的三个组元两两之间都可以形成共晶化合物,且该化合物与纯组元之间有一定的互溶度。

   


   


02
均晶相图
相图中的三个组元两两之间都可以形成无限互溶的固溶体。让我们看一下它的水平截面(等温截面)图和竖直截面(变温截面)图以及平衡结晶过程分析吧。


   

03
固态不互溶共晶相图
相图中的三组元两两之间都可以形成共晶化合物,且与纯组元不互溶。
三元共晶相图:特殊点
熔点:
tA、tB、tC分别是三组元A、B、C的熔点
二元共晶点:
E1、E2、E3分别是AB、BC、CA二元系的共晶点
三元共晶点:
E点,凡位于成分三角形之内的合金,冷却到tE温度时,将发生三元共晶反应(恒温结晶):
LEÞ(A+B+C)
三元共晶相图:特殊线
二元共晶曲线(沟线):
E1E线、E2E线、E3E线分别是L→(A+B)、L→(B+C)、L→(A+C)的二元共晶曲线,也是液相面的交线。
还有特殊面,具体可以仔细看下面的动图哦

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