材料科学课件：第五章 材料的相结构及相图（二）.ppt

1、2/8/20221第五章第五章 材料的相结构及相图（二）材料的相结构及相图（二） 相图及其类型相图及其类型2/8/20222材料的性能材料的性能组织结构组织结构相种类种类数量数量尺寸尺寸形状形状分布分布2/8/20223相图相图 表示物质的状态与温度、压力、组成之间的关系的表示物质的状态与温度、压力、组成之间的关系的简明图解。简明图解。表示物质在热力学平衡条件下的情况，又称为表示物质在热力学平衡条件下的情况，又称为平衡相图。2/8/20224一、有关相图的基本知识一、有关相图的基本知识1. 1. 相相 (Phase)(Phase) 在一个系统中，在一个系统中，成分、结构相同，性能一致的均匀的组

2、成部分叫做相，不同相之间有明显的叫做相，不同相之间有明显的界面分开分开, ,该界面称为该界面称为相界面。 注意：注意： 相在物理性能和化学性能上是均匀的。相在物理性能和化学性能上是均匀的。 相界面和晶界的区别。相界面和晶界的区别。2/8/202252. 2. 组元组元 (Component)(Component) 组元通常是指系统中每一个可以单独分离出来，并组元通常是指系统中每一个可以单独分离出来，并能独立存在的化学纯物质，在一个给定的系统中，组元能独立存在的化学纯物质，在一个给定的系统中，组元就是构成系统的各种就是构成系统的各种化学元素或或化合物。 按组元数目，将系统分为：按组元数目，将系统

3、分为：一元系一元系二元系二元系三元系三元系化学元素：化学元素：Cu, Ni, Fe等等化合物：化合物：Al2O3, MgO, Na2O, SiO2等等2/8/202263. 3. 相平衡相平衡 在某一温度下，系统中各个相经过很长时间也不互在某一温度下，系统中各个相经过很长时间也不互相转变，处于平衡状态，这种平衡称为相转变，处于平衡状态，这种平衡称为相平衡。各组元在各相中的化学势相同。各组元在各相中的化学势相同。AB热力学动态平衡热力学动态平衡平衡相类型 液溶体 固溶体 金属间化合物2/8/20227 处于热力学平衡状态的系统中自由度与组元数和处于热力学平衡状态的系统中自由度与组元数和相数之间的

4、关系定律，通常简称为相数之间的关系定律，通常简称为相律。只考虑只考虑温度和和压力对系统平衡状态的影响对系统平衡状态的影响: :f=c-p+2f=c-p+2凝聚系统凝聚系统( (可视为恒压条件）可视为恒压条件）: : f=c-p+1f=c-p+1 式中：式中：f f是自由度数；是自由度数；c c是组成材料系统的独立组元数；是组成材料系统的独立组元数；p p是平衡相的数目。是平衡相的数目。4.4.吉布斯相律（吉布斯相律（Gibbs Phase Rule）压力给定下，系统中可能出现的最多平衡相数比组元数多12/8/20228组元数组元数 C=1 根据相律：根据相律： F=1-P+2=3-PF0, P

5、3若，若，F=0，则，则P=3，即最多有三相平衡。，即最多有三相平衡。 若，若，P=1，则，则F=2可以用可以用和和作坐标的平面图作坐标的平面图 (p-T图图) 来表示来表示系统的相图。系统的相图。二、一元系统相图二、一元系统相图2/8/20229例例 水的相图水的相图状态点3条线：条线：C=1，P=2，F=1 OA是水与冰两相平衡线是水与冰两相平衡线OB是冰与蒸汽两相平衡线是冰与蒸汽两相平衡线OC是水与蒸汽两相平衡线是水与蒸汽两相平衡线 3个单相区：个单相区： C=1，P=1，F=2 固相区、液相区和气相区固相区、液相区和气相区 O点是气、液、固三相的平衡共存点点是气、液、固三相的平衡共存点

6、 F=02/8/202210as1s2气相（G）液相晶相（I）晶相（II）升华凝结升华凝结蒸发b温度温度压力压力单组元物质的单组元物质的T-p图图ED2/8/202211纯铁的相图纯铁的相图温度压力气液-Fe-Fe-Fe2/8/202212二元系统有两个组元，根据相律：二元系统有两个组元，根据相律：F=C-P+1，二元系统，二元系统最大的自由度数目最大的自由度数目F=2，这两个自由度就是温度和成分。，这两个自由度就是温度和成分。故二元凝聚系统的相图，仍然可以采用二维的平面图形故二元凝聚系统的相图，仍然可以采用二维的平面图形来描述。即以温度和任一组元浓度为坐标轴的温度来描述。即以温度和任一组元浓

7、度为坐标轴的温度-成分成分图表示。图表示。 三、三、 二元系相图二元系相图2/8/202213成分轴成分轴温度轴温度轴状态点状态点2/8/202214成分的表示方法成分的表示方法材料的成分是指材料各组元在材料中所占的数量。材料的成分是指材料各组元在材料中所占的数量。质量分数质量分数 w wB B摩尔分数摩尔分数 x xB B两者存在着换算关系！两者存在着换算关系！2/8/202215二元系相图的建立二元系相图的建立物理方法物理方法热分析法热分析法金相组织法金相组织法X射线分析法射线分析法硬度法硬度法电阻法电阻法热膨胀法热膨胀法磁性法磁性法计算法计算法相图热力学计算相图热力学计算2/8/2022

8、16热分析法热分析法 时间温度凝固开始凝固终了LL+SS2/8/202217Cu-NiCu-Ni相图相图Cu30%Ni50%Ni70%NiNi时间温度CuNi305070wNi(%)L2/8/202218)()(LLCCQCCQ液固两相质量符合杠杆规律适用于所有的两相平衡！适用于所有的两相平衡！2/8/202219三、二元相图的基本类型三、二元相图的基本类型根据两组元相互溶解特点确定相图种类：根据两组元相互溶解特点确定相图种类：1、匀晶相图：两组元在液态、固态都无限互溶、匀晶相图：两组元在液态、固态都无限互溶2、共晶相图：两组元在液态无限互溶，固态有、共晶相图：两组元在液态无限互溶，固态有限互

9、溶或完全不互溶限互溶或完全不互溶3、包晶相图：两组元在液态无限互溶，固态有、包晶相图：两组元在液态无限互溶，固态有限互溶或不互溶。限互溶或不互溶。4、其它类型的二元系相图、其它类型的二元系相图2/8/2022201. 匀晶相图匀晶相图 当两个组元化学性质相近，晶体结构相同，晶格常当两个组元化学性质相近，晶体结构相同，晶格常数相差不大时，它们不仅可以在液态或熔融态完全互溶，数相差不大时，它们不仅可以在液态或熔融态完全互溶，而且在固态也完全互溶，形成成分连续可变的固溶体，而且在固态也完全互溶，形成成分连续可变的固溶体，称为无限固溶体或连续固溶体，它们形成的相图即为称为无限固溶体或连续固溶体，它们形

10、成的相图即为匀晶相图(Isomorphous system)。 2/8/202221二元匀晶相图二元匀晶相图ABTATBLL+2/8/202222二元匀晶相图二元匀晶相图1 1）相图分析）相图分析液相线液相线固相线固相线液相区液相区固相区固相区两相共存区两相共存区ABTATBLL+2条线：条线：C=2，P=2，F=1 液相线液相线 固相线固相线2个单相区：个单相区： C=2，P=1， F=2 固相区、液相区固相区、液相区1个两相区：个两相区： C=2，P=2， F=12/8/2022232）平衡凝固）平衡凝固ABL+Lt1t22/8/202224ABCoCLCTATBt1LL+abo杠杆规则的

11、应用（确定液相、固相成份比值）杠杆规则的应用（确定液相、固相成份比值）2/8/202225固溶体结晶的特点固溶体结晶的特点 固溶体的结晶是在一个温度范围内完成的。固溶体的结晶是在一个温度范围内完成的。 纯金属纯金属 F=0F=0 固溶体固溶体 F=1F=1 选分结晶：结晶出的固相与共存液相的成分不同选分结晶：结晶出的固相与共存液相的成分不同 结晶过程中固相和液相的成分在不断变化，结晶过程中固相和液相的成分在不断变化，因此有原子的扩散，纯金属结晶过程中，固相与因此有原子的扩散，纯金属结晶过程中，固相与液相成分始终相同。液相成分始终相同。2/8/2022263）匀晶系的不平衡结晶）匀晶系的不平衡结

12、晶 不平衡结晶，使固溶体先结晶部分与后结晶部分的不平衡结晶，使固溶体先结晶部分与后结晶部分的成份出现了差异，这种在晶粒内部出现的成份不均匀的成份出现了差异，这种在晶粒内部出现的成份不均匀的现象，称为晶内偏析！现象，称为晶内偏析！平衡成分的维持依靠原子的扩散，如果冷却速度过快，则会影响其扩散。平衡成分的维持依靠原子的扩散，如果冷却速度过快，则会影响其扩散。固溶体内部富含高熔点组元，而后结晶的外部则富含低熔点组元。固溶体内部富含高熔点组元，而后结晶的外部则富含低熔点组元。不平衡凝固不平衡凝固时固相的平时固相的平均成分线均成分线2/8/202227 枝晶偏析枝晶偏析 如果固溶体是以树枝状结晶并长大的

13、则枝干与枝间如果固溶体是以树枝状结晶并长大的则枝干与枝间也会出现成分的差异也会出现成分的差异。影响晶内偏析的因素影响晶内偏析的因素a、 冷却速度b、 元素的扩散能力晶内偏析的危害晶内偏析的危害强度降低、耐蚀性降低、枝晶熔化强度降低、耐蚀性降低、枝晶熔化预防措施：预防措施：通过扩散退火或均匀化退火，使异类原子互相通过扩散退火或均匀化退火，使异类原子互相 充分扩散均匀，可消除晶内偏析。充分扩散均匀，可消除晶内偏析。低于固相线低于固相线1002000C2/8/2022282、共晶相图及其结晶、共晶相图及其结晶 液态无限固溶、固态有限固溶或完全不互溶，且冷却液态无限固溶、固态有限固溶或完全不互溶，且冷

14、却过程中发生过程中发生共晶反应共晶反应的相图！的相图！液相线液相线 AE、BE 固相线固相线 AM、BN固溶度线（溶解度曲线）固溶度线（溶解度曲线） MF、NG共晶线共晶线 MEN ,成分位于成分位于共晶线上的合金，可发共晶线上的合金，可发生共晶转变生共晶转变三个单相区：三个单相区：L、；三个两相区：；三个两相区：一个三相共存区一个三相共存区常见的具有共晶相图的合金常见的具有共晶相图的合金系：系：Pb-Sn; Pb-Sb; Al-Si; Ag-Au;Pb-Bi2/8/202229（1） 共晶转变共晶转变 相当于相当于E点成分的液相，当冷却至三相共存线点成分的液相，当冷却至三相共存线MEN时时会

15、同时结晶出成分为会同时结晶出成分为M的的相和成分为相和成分为N N的的相相共晶反应式：共晶反应式：)(nmteeL共晶反应、共晶温度、共晶组织？共晶反应、共晶温度、共晶组织？)(nmteeL某一成分的液相，在恒某一成分的液相，在恒温下同时结晶出两个成温下同时结晶出两个成分不同的固相的反应分不同的固相的反应共晶反应共晶反应问题：问题：是否只有满足成分的液相是否只有满足成分的液相在冷却时才会发生共晶反在冷却时才会发生共晶反应？应？2/8/202230（2）共晶系合金的平衡组织）共晶系合金的平衡组织1）wSn19%，12，匀晶反应；，匀晶反应；2 3，无任何变化；，无任何变化；3 4，相过饱和，发生

16、二次相过饱和，发生二次析出反应（脱溶），析出富析出反应（脱溶），析出富SnSn的的相相二次相（或次生相）用二次相（或次生相）用II表示，其可在晶界上析出也可在表示，其可在晶界上析出也可在晶内缺陷处析出；其质量分数可通过杠杆规则求出！晶内缺陷处析出；其质量分数可通过杠杆规则求出！ 33221ttttttLL化无变2/8/202231二次相在晶界二次相在晶界或晶内或晶内缺陷处产生缺陷处产生2/8/2022322）共晶合金）共晶合金恒温下进行，恒温下进行，获得两相机械获得两相机械混合物，百分混合物，百分含量可用杠杆含量可用杠杆定理得出！定理得出！黑色层黑色层片为富片为富Pb的的相，白相，白色为富色为

17、富SnSn的的相相呈片层状呈片层状分布分布)(nmteeL2/8/2022332/8/2022342/8/2022353）亚共晶合金）亚共晶合金成分位于成分位于E点以左点以左 + II先共晶相先共晶相(初初生相）生相）二次相二次相IIII来源来源室温下合金组织室温下合金组织组织组成物组织组成物（显微组织中能（显微组织中能清晰分辨的独立清晰分辨的独立组成部分，可以组成部分，可以使单相也可以是使单相也可以是多相）多相）组织组成组织组成物的计算。物的计算。)()(1 IIttnmmttteeeLLL)(eLII杠杆规则的充分利用！2/8/2022364）过共晶合金）过共晶合金 II(+)成分位于E点

18、以右 II与亚共晶合金类似。与亚共晶合金类似。初生相、二次相、室温组织初生相、二次相、室温组织结晶过程结晶过程)()()(1IIIIenmnmmeeettLtLLttL2/8/202237（4）不平衡结晶及组织）不平衡结晶及组织1）伪共晶）伪共晶平衡结晶条件下只有共晶成分的合金才能获得平衡结晶条件下只有共晶成分的合金才能获得完全的共晶组织完全的共晶组织 非平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的合金也可能非平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的合金也可能全部转变为共晶组织，此非共晶成分的共晶组织为伪共晶全部转变为共晶组织，此非共晶成分的共晶组织为伪共晶组织。组织。2/8/202238在不平衡条件下，因冷

19、却速度较在不平衡条件下，因冷却速度较快，将产生过冷！快，将产生过冷！过冷的合金溶液同时具备了结晶出A相和B相的热力学条件，两相可同时析出并长大，形成具有共晶组织特征的伪共晶组织。考虑动力学条件考虑动力学条件，某一组成相成分与液相的成分相差较大，这个相要通过原子扩散来达到其形成时所需的浓度就较为困难，而生长速度就较慢。此时热力学、动力学均有利的会优先析出规律：两组元有相近熔点时，出现对称型伪共晶区；熔点相差较大，共晶点偏向低熔点组元，伪共晶区偏向高熔点一方。2/8/202239伪共晶实例解释：在不平衡解释：在不平衡凝固条件下，共凝固条件下，共晶成分的晶成分的Al-Si合合金得不到共晶组金得不到共

20、晶组织。织。2/8/2022402）不平衡共晶）不平衡共晶 不平衡共晶：位于共晶线以不平衡共晶：位于共晶线以外成分的合金发生共晶反应而形外成分的合金发生共晶反应而形成的组织。成的组织。原因：不平衡结晶。成分位于原因：不平衡结晶。成分位于共晶线以外端点附件。共晶线以外端点附件。不平衡凝固时，因固相线下移，使其不平衡凝固时，因固相线下移，使其冷却到共晶温度时，仍有少量液相冷却到共晶温度时，仍有少量液相 ，这部分液相将发生这部分液相将发生共晶转变共晶转变。2/8/2022413） 离异共晶离异共晶 当合金的成分离共晶点很远时，在当合金的成分离共晶点很远时，在不平衡凝固不平衡凝固条件下，形成条件下，形

21、成的共晶组织数量很少而初生晶相量很多，这时与初生晶相相同的共晶组织数量很少而初生晶相量很多，这时与初生晶相相同的组成相就会依附于初晶相长大，而把另一组成相孤立出来，的组成相就会依附于初晶相长大，而把另一组成相孤立出来，结果另一组成相单独地分布在初晶相的晶粒边界上。这种两相结果另一组成相单独地分布在初晶相的晶粒边界上。这种两相分离的共晶组织叫做分离的共晶组织叫做离异共晶离异共晶。 危害机械性能，消除方法是在稍低于共晶温度下进行扩散退火，通过原子扩散，危害机械性能，消除方法是在稍低于共晶温度下进行扩散退火，通过原子扩散，使其成为均匀的单相组织。使其成为均匀的单相组织。共晶体中相依附于初生晶相相上2

22、/8/2022423、包晶相图及其结晶、包晶相图及其结晶 两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶，并发生包晶两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶，并发生包晶反应的相图。反应的相图。 包晶反应：包晶反应：在一定温度下，由一定成分的液相与一定在一定温度下，由一定成分的液相与一定成分的固相相互作用，生成另一个一定成分的新固相的过成分的固相相互作用，生成另一个一定成分的新固相的过程。在该过程中新固相依附于原固相生核，将原固相包围程。在该过程中新固相依附于原固相生核，将原固相包围起来，通过消耗液相和原固相而长大。起来，通过消耗液相和原固相而长大。线条的含义：线条的含义：液相线abc; 固相线ad, pc

23、固溶线df,pg 包晶线dpb2/8/202243包晶系合金的结晶过程包晶系合金的结晶过程1）包晶点成分合金的结晶过程）包晶点成分合金的结晶过程包晶点处于L、三相平衡。ppp在在p点处：点处：p点以下：点以下：液相及液相及相均处于对相均处于对相的过饱和状态，相的过饱和状态，液相与液相与相以析出相以析出相来相来降低过饱和度，降低过饱和度， 相便相便在液相及在液相及相界面处形成。相界面处形成。LLb +dtpp p2/8/2022442）成分在）成分在d-p之间的合金凝固过程之间的合金凝固过程温度tp时：Lb +d d p 此时此时相的质量分数，大于完全包晶反相的质量分数，大于完全包晶反应所需的应

24、所需的相的质量分数，相的质量分数，包晶反应结束，包晶反应结束， 相将剩余相将剩余（+）II及及II析出tp以下LL+d d + + p+ + +IIII + +IIt1tpL tpLb +d d p ttpIIII2/8/2022453) pb间成分范围的合金的结晶过程间成分范围的合金的结晶过程LL+t1tpL tpLb +d d p Lb+ptpt2Lt2t3无变化+IItt3II2/8/2022464 4）不平衡结晶及其组织）不平衡结晶及其组织 异常异常相相导致导致包晶偏析包晶偏析包晶转变要经包晶转变要经扩散。包晶偏析：因包扩散。包晶偏析：因包晶转变不能充分进行而导致的成分不均匀现象。在包

25、晶点发生晶转变不能充分进行而导致的成分不均匀现象。在包晶点发生 异常异常相相由不平衡包晶转变引起。成分在靠近固相、包晶线以外由不平衡包晶转变引起。成分在靠近固相、包晶线以外端点附近，产生了一些不应出现的端点附近，产生了一些不应出现的相相。 Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E2/8/202247四、相图与性能的关系四、相图与性能的关系相图反映了不同成分材料的结晶特点相图反映了不同成分材料的结晶特点由相图可以看出一定温度下材料的成分与其组成由相图可以看出一定温度下材料的成分与其组成

26、相之间的关系相之间的关系相图与材料成分、材料性能之间存在着一定的联系！相图与材料成分、材料性能之间存在着一定的联系！2/8/2022481、依据相图判断材料的力学性能和物理性能、依据相图判断材料的力学性能和物理性能1）对匀晶系统）对匀晶系统A、B强度相当，固溶体强度最高处应在溶质强度相当，固溶体强度最高处应在溶质含量等于含量等于50%附近；附近；不同，则偏向高强度组元；不同，则偏向高强度组元；导电率随溶质组元的增加而降低；导电率随溶质组元的增加而降低；2）对于共晶系统）对于共晶系统形成两相混合物，材料性能与成分成直线关系；形成两相混合物，材料性能与成分成直线关系；出现伪共晶时，组织细密，强度和

27、硬度在共晶成出现伪共晶时，组织细密，强度和硬度在共晶成分附近偏离直线关系而出现峰值分附近偏离直线关系而出现峰值2/8/2022492、根据相图判断合金的工艺性能、根据相图判断合金的工艺性能主要指合金的铸造性能主要指合金的铸造性能 合金液体的流动性、缩孔、热裂倾合金液体的流动性、缩孔、热裂倾向及成分偏析等。向及成分偏析等。主要取决于相图上液相线与固相线之间主要取决于相图上液相线与固相线之间的水平距离与垂直距离，也就是结晶的的水平距离与垂直距离，也就是结晶的温度间隔与液温度间隔与液-固相间的成分间隔。固相间的成分间隔。间隔越大，流动性越差，分散孔越间隔越大，流动性越差，分散孔越多，枝晶偏析越严重多，枝晶偏析越严重对共晶系来说，对共晶系来说，共晶成分合金的熔点低，凝固在恒共晶成分合金的熔点低，凝固在恒温下进行，流动性最好，分散孔少，温下进行，流动性最好，分散孔少，热裂倾向小。铸造合金一般选用接热裂倾向小。铸造合金一般选用接近共晶成分的合金近共晶成分的合金缩孔性质流动性对于匀晶系对于匀晶系压力加工合金选择：单相固溶体；压力加工合金选择：单相固溶体；切削加工合金：多相合金；切削加工合金：多相合金；可进行热处理合金：存在固态相变或固溶可进行热处理合金：存在固态相变或固溶度变化的合金度变化的合金