一文讀懂金屬材料的三元相圖（動圖講解）
三元系統(tǒng)是包括三個獨立單元的系統(tǒng)，三元相圖即三元系統(tǒng)的相圖。工業(yè)上所使用的金屬材料，如各種合金鋼和有色合金，大多由兩種以上的組元構(gòu)成，這些材料的組織，性能和相應(yīng)的加工，處理工藝等通常不同于二元合金，因為在二元合金中加入第三組元后，會改變原合金組元間的溶解度，甚至?xí)霈F(xiàn)新的相變,產(chǎn)生新的組成相。
英文:ternary diagram 釋文: 指獨立組分?jǐn)?shù)為3的體系，該體系最多可能有四個自由度，即溫度、壓力和兩個濃度項，用三維空間的立體模型已不足以表示這種相圖。若維持壓力不變，則自由度最多等于3，其相圖可用立體模型表示。若壓力、溫度同時固定，則自由度最多為2，可用平面圖來表示。通常在平面圖上用等邊三角形(有時也有用直角坐標(biāo)表示的)來表示各組分的濃度。
工業(yè)上所使用的金屬材料,如各種合金鋼和有色合金,大多由兩種以上的組元構(gòu)成,這些材料的組織,性能和相應(yīng)的加工,處理工藝等通常不同于二元合金,因為在二元合金中加入第三組元后,會改變原合金組元間的溶解度,甚至?xí)霈F(xiàn)新的相變,產(chǎn)生新的組成相.
因此,為了更好地了解和掌握金屬材料,除了使用二元合金相圖外,還需掌握三元甚至多元合金相圖,由于多元合金相圖的復(fù)雜性,在測定和分析等方面受到限制,因此,用的較多的是三元合金相圖,簡稱三元相圖(TernaryPhaseDiagram).
三元相圖與二元相圖比較,組元數(shù)增加了1個,即成分變量是兩個,故表示成分的坐標(biāo)軸應(yīng)為2個,需要用一個平面表示,再加上垂直于該平面的溫度軸,這樣三元相圖就演變成一個在三維空間的立體圖形,分隔相區(qū)的是一系列空間曲面,而不是二元相圖的平面曲線.
等邊成分三角形中特定意義的線
平行于三角形某一邊的直線
凡成分位于該線上的所有合金,它們所含的由這條邊對應(yīng)頂點所代表的組元的含量為一定值。
通過三角形頂點的任一直線
凡成分位于該直線上的所有合金，它們所含的由另兩個頂點所代表的兩組元的含量之比為一定值。
定量法則
應(yīng)用相律f=c-p+1
當(dāng)三元系時f=4-p
故當(dāng)兩相平衡共存時,有f=4-2=2
即兩個平衡相的成分只有一個獨立改變,當(dāng)一個平衡相的成分發(fā)生變化時,另一相的成分隨之而改變,即兩相的成分之間具有一定的關(guān)系,此關(guān)系稱為直線法則.
①直線法則
直線法則:三元合金中兩相平衡時,合金的成分點和兩個平衡相的成分點,必須在同一直線上.如圖5-105所示,當(dāng)合金O在某一溫度處于α+β兩相平衡時,這兩個相的成分點便定為a和b,則aob三點必位于同一條直線上，且o點位于a，b兩點之間，此時α，β兩相的質(zhì)量比為:
由直線法則可得到以下規(guī)律:
a:當(dāng)溫度一定時，若已知兩平衡相的成分,則合金的成分必位于兩平衡相成分的連線上;
b:當(dāng)溫度一定時，若已知一相的成分及合金的成分，則另一平衡相的成分必位于兩已知成分點的連線的延長線上;
c:當(dāng)溫度變化時，兩平衡相的成分變化時，其連線一定繞合金的成分點而轉(zhuǎn)動;
1 相圖分析
a,b,c為三組元A,B,C的熔點,且Tb>Ta>Tc.
液相面:abc黃色面;
固相面:abc藍色面;
液相區(qū)L:abc黃色面以上空間;
固相區(qū)α:abc藍色面以下空間;
液固兩相共存區(qū)L+α:abc黃色面和藍色面之間區(qū)域。
2,結(jié)晶過程分析
當(dāng)合金O自液態(tài)緩冷至于液互相相交時，開始從液相中結(jié)晶出α固溶體，此時液相的成分l1即為合金成分，而固相的成分為固相面某一點s。隨著溫度進一步下降，析出的α相越來越多，固相的成分由s1點沿固相面移至s2點，液相成分自l1點移至l2點,由直線法則可知,合金的成分點必落在l2和s2的連線上。當(dāng)溫度冷至t3時，連接線為l3s3，當(dāng)冷至t4時，與固相面相交，連接線為l4s4，此時，所有的液相全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?固相的成分即為合金的成分。l1l2l3l4和s1s2s3s4在成分三角形上的投影為l1'l2'l3'l4'和s1's2's3's4'，很像一只蝴蝶，所以稱為固溶體合金結(jié)晶過程的蝴蝶形規(guī)律。
3,等溫截面(水平截面)
等溫截面是由表示溫度的水平面與空間模型中各個相界面相截得到交線投影到成分三角形中得到的,它表示三元系合金在某一溫度下的狀態(tài).如圖5-202所示,表示t1溫度的水平面與液相面相交于L1L2,與固相面相交于s1s2,將這兩條線投影到成分三角形中就得到等溫截面.
第三節(jié),包共晶型三元系
1,相圖分析
包共晶轉(zhuǎn)變的反應(yīng)式為:
L+α→β+γ
從反應(yīng)相的數(shù)目看,這種轉(zhuǎn)變具有包晶轉(zhuǎn)變的性質(zhì),從生成相看,這種轉(zhuǎn)變又具有共晶轉(zhuǎn)變的性質(zhì).因此稱為包共晶轉(zhuǎn)變.
發(fā)生包共晶轉(zhuǎn)變的三元系很多.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轉(zhuǎn)變.
空間模型中包共晶轉(zhuǎn)變四相平衡時一個四邊形水平面,稱為包共晶轉(zhuǎn)變面.反應(yīng)相和生成相成分點的連接線是四邊形的兩條對角線.這個水平面上,下兩側(cè)各有兩個三相平衡棱柱與之相接.
包共晶轉(zhuǎn)變平面上方兩個三相平衡棱柱,一般是一個屬于共晶型,另一個屬于包晶型,但也可能都是共晶型或包晶型.
包共晶轉(zhuǎn)變平面下方兩個三相平衡棱柱,一個屬于α+β+γ三相平衡區(qū),另一個屬于L+β+γ三相平衡區(qū).這種情況與二元系包晶轉(zhuǎn)變非常相似,二元系包晶轉(zhuǎn)變結(jié)束后,可能留有反應(yīng)固相和生成固相平衡,也可能留有液相與生成固相平衡.
同理,包共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束后,除極少數(shù)合金外,兩個反應(yīng)相不可能同時消失凈盡或同時留有剩余,只能是一個完全消失,另一個有所剩余,結(jié)果形成L+β+γ和α+β+γ兩種三相平衡.
2,典型合金結(jié)晶過程分析
下面借助于投影圖分析合金的結(jié)晶過程(以合金O為例).
在冷卻時,首先碰到AE2pp'A液相面,液相中開始析出初生相α,然后析出的α相不斷增多,當(dāng)溫度冷至與二元包晶面dapp'相交時,液相的成分到達p'p,α相的成分到達da,要發(fā)生二元包晶轉(zhuǎn)變L+α→γ.
當(dāng)溫度下降時，α相成分沿da線變化，而液相成分沿p'p線變，當(dāng)冷至四相平衡包共晶轉(zhuǎn)變平面abcp時，液相的成分到達p點，α相的成分到達a點，要發(fā)生包共晶轉(zhuǎn)變L+α→β+γ，在三元包晶轉(zhuǎn)變結(jié)束后，α相消失，開始發(fā)生二元包晶轉(zhuǎn)變。
由于O點在△abc內(nèi)，故包共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束后，液相全部消失，而α相有殘留，從而進入三相區(qū)α+β+γ，隨著溫度的下降，由于α，β和γ溶解度的下降，將有次生相αⅡ，βⅡ和γⅡ析出，至室溫后的組織為初晶α+包晶β+包共晶β+γ+αⅡ+βⅡ+γⅡ。
第四節(jié)三元包晶相圖
三元包晶轉(zhuǎn)變的反應(yīng)式為:
L+α+β→γ
1,相圖分析
四相平衡的平面是一個三角形abP,P,a,b,c分別是液相α,β
和γ的成分點.即LP+αa+βb→γc.
在四相平衡包晶轉(zhuǎn)變之后,由于三個反應(yīng)相不可能在轉(zhuǎn)變結(jié)束同時完全消失,也不可能都有剩余,一般只有一個反應(yīng)相消失,其余兩個反應(yīng)相有剩余,與生成相γ形成新的三相平衡.
因此,在abP面下,共有三個三相平衡棱柱,分別存在L+α+γ,
L+β+γ,α+β+γ三相平衡,與abP面的接觸面分別為acP,PCP和abc三角形.
合金O在冷卻過程中,首先碰到液相面BE1PP1B,從液相中析出β初生相,然后碰到二元共晶面E1PbeE1,液
相的成分到達E1P線,液相要發(fā)生二元共晶轉(zhuǎn)變L→α+β,在此轉(zhuǎn)變過程中,L,α和β三相的成分分別沿E1P,da和eb而變化,當(dāng)冷至四相平衡包晶轉(zhuǎn)變平面abP時,L,α和β相三相的成分分別為P,a和b點,在此溫度下要發(fā)生三元包晶轉(zhuǎn)變LP+αa+βb→γc.
L+β→γ,直至所有的液相全部消失,進入兩相區(qū)β+γ,在冷卻過程中,由于溶解度的變化,將從β和γ相中析出次生相γⅡ,aⅡ,當(dāng)溫度冷至與bcb1c1面相交時,將從β和γ相中析出次生相aⅡ,室溫下的組織為:初晶β+包晶γ及次生相aⅡ,βⅡ,γⅡ.
三元相圖的成分表示方法
等邊成分三角形
常用三角形來表示三元合金的成分,這樣的三角形稱為濃度三角形或成分三角形(CompositionTriangle).常用的成分三角形是等邊三角形和直角三角形.
如圖5-101所示:
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組元的含量,
ob代表B組元的含量,
oc代表C組元的含量.
直角成分坐標(biāo)表示法
當(dāng)三元系成分以某一組元為主,其他兩個組元含量很少時,合金成分點將靠近等邊三角形某一頂點.若采用直角坐標(biāo)表示成分,則可使該部分相圖更為清楚的表示出來,一般用坐標(biāo)原點代表高含量組元,而兩個互相垂直的坐標(biāo)軸代表其他兩個組元的成分。
等腰成分三角形
當(dāng)三元系中某一組元含量較少,而另兩組元含量較大時,合金成分點將靠近等邊成分三角形的某一邊.為了使該部分相圖清晰的表示出來,常采用等腰三角形,即將兩腰的刻度放大,而底邊的刻度不變.如圖5-103所示.
對于O點成分的合金,其成分的確定方法與前述等邊三角形的確定方法相同,即過O點分別引兩腰的平行線與AC邊相交于a和c點,則:
Ca=WA=30%
Ac=WC=60%
Ab=WB=10%.
雖然,上述成分表示方法在三元相圖中都有應(yīng)用,但應(yīng)用最為廣泛的還是等邊三角形.
下面就是動圖：
三元相圖比較難，相圖中的三個組元兩兩之間都可以形成共晶化合物，且該化合物與純組元之間有一定的互溶度。
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