三元合金相图
工业上使用的各种材料大多数是多元合金。多元合金相图的测定比较复杂，所得到的相图也很少，应用较多的多元相图是三元相图。
三元合金相图由两个独立的成分变量，再加上温度变量应该用立体图形来表示;由一些空间曲面构成相图。但是实际所用的三元相图主要是它们的各种截面图或投影图。本章除了学习一些典型的立体相图以外，着重进行各种截面图或投影图分析。
§3－1 三元相图的基本知识
一．浓度的表示方法
三元合金有两个组元的浓度是可以独立变化的，成分常用三角形中的一个点来表示，称为浓度三角形。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。
1.等边三角形
在★图9－1浓度三角形中的任意一点（例如Ｏ点）均代表一个三元合金。三个组元的含量按如下规则确定。过0点作A组元对边平行线交于AＣ或A B边于b、e两点，bC％或Be％分别表示合金0中的含A％；同理可以求出含B％和含C％。
三元合金0的成分：
A%＝Cb％= Be％
B％＝Ac％=Cf%
C％＝Ba％=Ad%（或1－A%－B％）
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。当某一个组元含量远大于其它二组元时，可以采用直角三角形，例如★图9－２直角三角形ABC。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01点所代表的三元合金成分
C％＝Ac1％
B％＝Ab1%
A％＝1－A％－B％
当某一个组元含量远小于其它二组元时，可以采用★图9－３等腰三角形。一般把含量最高的组元放在底边位置，两腰则代表其它两组元的含量。例如ｘ点所代表的三元合金成分C％＝Ac％
B％＝Ab%
A％＝Ba％
3.成分三角形中两条特殊线浓度三角形中有两条特殊性质的直线
（1）过三角形顶点的直线，两个组元浓度之比为定值。如★图9-4b中CE线上的任意一个三元合金含A%/B%为定值。(A%/B%=BE/A E)
（2）平行于三角形任意一边的直线，一个组元的浓度为定值。如★图9-4b中ab线上的三元合金含C％为定值。（＝Bb%或Aa％）
附：★图9-4a利用成分三角形网格标定合金x成分
二．自由焓成分曲面及公切面法则
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，如★图9-5 三元系的自由焓成分曲面。
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。与此类似，三元合金平衡相成分用公切面的切点来确定，但是在一定温度下两个曲面公切面不止一个。★图9-6
公切面法则当公切面沿着两个曲面滚动时，可以得到一系列切点。同一公切面上两个切点之间的连线（公切线）称为共轭线，这些切点（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。可以想象在等温面上双相区与单相区之间的边界是一条平面曲线，即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。
三相平衡时，三个曲面的公切面只能有一个。因此在一定温度下三相成分是唯一确定的,★图９-8。其中SP也是一条共轭线，因而三相区的边界是直线，等温截面上三相区是直边三角形。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。
三、三元相图的直线法则、重心法则和杠杆定律
1．直线法则
根据以上讨论，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，如★图9－7所示mon线为共轭线。
2．杠杆定律
在一定温度下，与二元合金相似利用杠杆定律可求出两平衡相的重量百分比。例如图9-7中合金O处于L和α两相平衡状态，两相的相对量
L％＝mo/mn×100％, α％＝no/mn×100％
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T i时处于α、β、γ三相平衡，且α、β、γ三相的成分分别是D、E、F，三角形DEF为共轭三角形。根据直线法则，β、γ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，β、γ二相混合物的成分为d。利用杠杆定律可求出α相的重量百分比
α％＝Nd/Dd ×100％
β％＝Ne/Ee ×100％
γ％＝Nf/Ff ×100％
如果合金在某一温度处于三相平衡，合金成分点位于由三个平衡相成分点组成共轭三角形的重心位置。这就是重心法则。如★图9－9 三元相图重心法则。
四、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两组元浓度间有某种关系时，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。
§3－2 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。一．相图分析
1．点：a、b、c分别表示三组元A、B、C的熔点。
2．面：底面A BC是浓度三角形，三个侧面分别是AB、BC、CA三个二元系的相图。两个空间曲面上面abc为液相面，下面abc为固相面。
3．相：L和α相：★图9－10a 三元匀晶相图
α相为A、B、C三组元组成的无限固溶体。L相为A（B、C）；B（A、C）；C（A、B）4．相区：单相区：L相区（液相面以上）和α相区（固相面以下）
双相区：L＋α（液、固相面之间）★图9－10b 三元匀晶相图液相面及固相面
二．固溶体合金的平衡结晶
三元合金的结晶过程与二元云晶系合金相似，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→a。冷却到T4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、a两相平衡共存。结晶过程中L的成分沿着液相面变化，a的成分沿着固相面变化：
当T＝T1温度时，固相成分为S1，L相为L1；
当T＝T2温度时，固相成分为S2，L相为L2；
当T＝T3温度时，固相成分为S3，L相为L3；
当T＝T4温度时，固相成分为S4，L相为L4，液相结晶完毕。
固相成分点S1 S2 S3 S4和液相成分L1 L2 L3 L4分别在固相面和液相面上。如★图9－11所示。将S1 S2 S3 S4和L1 L2 L3 L4各点分别投影到成分三角形A BC上，便得到“蝴蝶形轨迹。”
由于结晶速度较慢，液、固相据均能充分扩散，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α 。
三．等温截面图（水平截面图）
1．等温截面图的获得（模拟操作）：用t1水平面截取立体图如★图9－12中的(a)图，将t1水平面上的曲线S1 S2和曲线L1L2分别投影到底面上（成分三角形），将得到如★图9－12中的（b）图，即为等温截面图。（实际的等温截面图是通过试验方法测取的）
2．等温截面图的应用
（1）可确定在某一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。（2）用杠杆定律在共轭线mon上可确定在任意温度时平衡相的成分及其相对重量。如图9－12中：o点成分合金在t1时的L％＝mo/mn×100％，L％＝no/mn×100％.
四．变温截面图（垂直截面图）
1．变温截面图的获得（模拟操作）：相当于垂直于成分三角形的平面与三元立体图相截取而得到。实际变温截面图是通过实验方法测取的。
2．通过成分三角形某一顶点CK平面截取的CK变温截面，如★图9－13中的(a)、（b）图。位于该面上的三元合金A%/B% ＝K（为常数）。通过平行于成分三角形一边的A…B?平面截取的A…B?变温截面，如★图9－14中的(c)、（d）图。位于该面上的三元合金含C％为定值。
3．变温截面图的使用注意事项：
①运用变温截面图只能分析位于该面上的三元合金的相变过程，不反映平衡相的成分。
②在变温截面图上一般不能应用杠杆定律。
五．等温线投影图
1．等温截面只能反映某一个温度时的情况，变温截面图又只能分析位于某一特种成分截面图上的合金结晶过程。
2. 等温线投影图的建立：将所有不同等温截面图上有关曲线都投影到成分三角形中，变得到等温线投影图。如★图9－15所示。
3. 投影图的应用
（1）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。
（2）可以运用杠杆定律求平衡相的成分及相对重量。
§3－3 含有三相平衡的三元相图
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，包括共晶转变、共析转变、偏晶转变、熔晶转变等，合称为共晶型转变；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相平衡的三元相图。
一、具有共晶型三相区的三元相图
1．相图分析如★图9－16
点：a、b、c分别表示三组元A、B、C的熔点。E1、E2分别是A B、A C二元系的共晶点。
相：L、α 相和β相。L是溶液，α、β相为A、B、C三组元组成的固溶体。
面：底面A BC是浓度三角形，
三个侧面分别是A B、BC、CA三个二元系的相图。其中AC、A B两个二元系都具有二元共晶转变，而BC二组元则形成连续固溶体。
液相面由两部分组成：aE1E2a（下方为L+α）、bE1E2cb（下方为L+β）。
固相面包括三部分：amp,bnqc和mnqpm。mE1E2pm和nE1E2qn是两个二元共晶开始曲面。
溶解度面包括两个：mpp?m?（α /α +β）、nqq?n?(β/ α+β)
相区：
单相区：L相区（液相面以上）
α相区（固相面amp以下、溶解度面mpp?m?一侧，相图侧面app?A, amm?A以里）
β相区（固相面bnqc以下、溶解度面nqq?n?一侧，相图侧面cqq?C, bnn?B、bcCB以里）三相区：
三条单变量线mp、E1E2、nq之间。以mE1E2pm和nE1E2qn两个二元共晶开始曲面与L ＋α 、L＋β两个双相区分开，以mnqpm固相面与α+β两相区为邻。
双相区：L＋α、L＋β位于液相面与固相面、二元共晶开始曲面之间或者位于L与固溶体、三相区之间。α+β相区位于α 、β两个单相区之间。
2．截面图
★图9-17为过AR的垂直截面。空间曲面在截面上变成曲线，三条单变量线成为三个点。在垂直截面上三相区是一个顶点向上的曲边三角形，位于中间的上顶点与高温相（L）相连，较低的两个顶点与低温相相连。三相区以曲边与两相区相邻。
★图9-18（a）是一个典型水平截面。水平截面上三相区的边是相邻两相区的一条共轭线，因此三相区是直边三角形（称为共轭三角形），三角形的顶点连接三个单相区，顶点代表三相平衡时的相成分。图9-18（b）表示随着温度降低（箭头指向温度降低的方向）三相区的走势。根据重心法则，可以得出三相平衡时随着温度降低，领先顶点代表的相的相对量是逐渐降低的，而后边顶点代表的相的相对量是逐渐增加的。三相区在降温时的走势可以作为判断是否发生共晶型转变的依据。
3．具有共晶反应合金的结晶过程分析
（1）根据立体相图、投影图或系列等温截面可以判断合金的结晶顺序。在投影图上凡是合金成分位于mnqp范围内的合金将发生共晶型三相平衡。例如根据图9-17，在降温过程中x成分的三元合金将依次发生如下转变：
L+a相区匀晶转变L→a ；a+b相区溶解度变化（脱溶）β→αⅡ，α→βⅡ
L+a+b相区共晶转变L→a+b ；室温组织将是a+(a+b)+bⅡ或者a+bⅡ+(a+b+aⅡ+bⅡ)
（2）截面图
★图9-20（a）是三元包晶相图的一个典型水平截面。水平截面上三相区是直边三角形（共轭三角形），三角形的顶点连接三个单相区，顶点代表三相平衡时的相成分。三相区以直边与两相区相邻，三相区的直边是两相区的一条共轭线。
★图9-20（b）表示随着温度降低（箭头指向温度降低的方向）三相区的走势，是以一条边为先导移动的。根据重心法则，可以得出三相平衡时随着温度降低，领先顶点代表的两相的相对量是逐渐降低的，而后边顶点代表的相的相对量是逐渐增加的。三相区在降温时的这种走势可以作为发生包晶型转变的依据。
★图9-21为过AR的垂直截面。空间曲面在截面上变成曲线，三条单变量线成为三个点u,s,t。在垂直截面上三相区是一个倒立的曲边三角形，位于中间的顶点与低温相（b）相连，较高的两个顶点与高温相（L和a）相连。三相区以曲边与两相区相邻。
4．具有包晶反应合金的结晶过程分析
根据立体相图、投影图或系列等温截面可以判断合金的结晶顺序。在投影图上凡是合金成分位于mnqp范围内的合金将发生包晶型三相平衡。例如根据图9-21，在降温过程中x成分的三元合金将依次发生如下转变：
L+α相区匀晶转变L→α
L+α+β相区包晶转变L+α→β
α+β相区溶解度变化（脱溶）β→αⅡ，α→βⅡ
室温组织将是α+βⅡ+β+αⅡ
§3-4 固态互不溶解的三元共晶相图
实际上经常遇到固态下组元相互溶解度很小的三元系，可以近似地看成是各组元互不溶解。此时，在固态下各组元均以纯组元的形式结晶。
一．相图分析
相图的三个柱面分别是固态下组元互不溶解的A B、BC、CA二元共晶相图。如★图9－22（一）特殊点
1．熔点：t A、t B、t C分别是三组元A、B、C的熔点。
2．二元共晶点：E1、E2、E3分别是A B、BC、CA二元系的共晶点。
凡位于三个侧边上的二元合金分别冷却到E1、E2、E3温度时反生二元共晶反应。即：L→(A ＋B)、L→(B＋C)、L→(A＋C)
3. 三元共晶点: E点为三元共晶点。
凡位于成分三角形之内的合金，冷却到t E温度时，将发生三元共晶反应。
反应式为: L E＝(A＋B＋C),恒温结晶。（因为自由度为０）
（二）面
1．液相面包括三块t A E1EE3t a为L→A的液相面、t B E1EE2t B为L→B的液相面、t C E2EE3t C为L→C 的液相面。从投影图上观察，三块液相面恰好覆盖整个成分三角形。
2．固相面：三角形A1B1C1－水平面。固相面又是三元共晶面。凡位于成分三角形之内的合金，冷却到t E温度时，将发生三元共晶反应，液相消失。反应式为: L E＝(A＋B＋C)。三元系中的四相平衡是恒温转变。（自由度为0）
3．二元共晶开始曲面（六个）
（1）L→(A＋B)的二元共晶曲面有两个：A3E1EA1曲面，L+A两相区与三相区L+A+B为邻。（2）B3E1EB1曲面，L+B两相区与三相区L+A+B为邻。
（3）同理还有两个L→(B＋C)的二元共晶曲面和L→(A＋C) 的二元共晶曲面。
（三）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。如：E1E线，当液相的成分点到达E1E线上时，将发生二元共晶反应。此反应是在某一个温度区间完成的。因为自由度f=1,这些线也称单变量线，代表了三相平衡时一相（此处为L相）的成分随温度的变化。
(四) 相及相区：
1．相：L、A、B、C四个相。
2．相区：
（1）单相区：液相区在液相面之上。其它三个固相单相区只是一条垂直线。
（2）四相区：四相区有一个为L＋A＋B+C四相区。即平面三角形A1B1C1。
（3）三相区有四个：
由固相组成的三相区A＋B＋C是一个正三棱柱体。正三棱柱体是由上、下底面三角形A1B1C1和ABC以及三条棱A1A、B1B、C1C所围成。（位置在四相区的下方）包含液相的三相区：L＋A＋B、L＋A＋C、L＋B＋C共三个, 三相区的位置在四相区的上方。如：L＋A＋B三相区也是三棱柱体，三条棱为单变量线A3A1、B3B1和E1E。上底面为一水平直线A3B3，下底面为△A1B1E ；两个由L→(A＋B)的二元共晶曲面A3E1EA1和B3E1EB1以及△A1B1E、相图侧面所围成。
另两个三相区L＋A＋C、L＋B＋C。如★图9－24中两图。
（4）两相区：包含液相的两相区有三个，即L＋A、L＋B、L＋C。如：L＋A两相区：（由五个面所围成）位置在有液相存在的三相区的斜上方。由L→A的液相面t A E1EE3t a，两个二元共晶曲面即L→(A＋B)的A3E1EA1曲面和L→(A＋C)的A2E3EA1曲面以及两个侧面五个面所围成。
其它L＋C、L＋B两相区从略。
位于相图侧面还有三个由固相组成的两相区，即A+B、B+C和C+A。它们都是一个矩形平面区域（厚度为零）。
二．等温截面图
分别截取三个不同温度的等温截面图如★图9－25所示。等温截面图两相区其中一相为纯组元，故共轭线从纯组元一方指向液相。在两相区可利用直线法则、杠杆定律求出两平衡相的相对重量。三相区为直线共扼三角形，可利用重心法则求三平衡相的相对重量。
比较图中几个截面，可以得出三相平衡时随着温度降低，L相领先移动，L的相对量是逐渐降低的，而后边顶点代表的相的相对量是逐渐增加的。含有液相的三个三相区在降温时均发生共晶型转变。
三．投影图和变温截面图
★图9-26是三元共晶相图的两种投影图，前者是一些空间曲线的投影，后者则是液相面的投影。
★图9-27是平行于三角形A B边（投影图中CD位置）的一个变温截面。图中四相区是一条水平线。在水平线周围存在四个三相区。
★图9-28是过A的一个垂直截面（A R）和另外一个平行于三角形A B边（投影图中MN位置）的一个变温截面。
四、合金的平衡结晶过程★图9-29
根据立体相图、投影图或系列等温截面可以判断合金的结晶顺序。在投影图上凡是合金成分位于浓度三角形内的三元合金将发生共晶型四相平衡。
例如根据★图9-28，在降温过程中x成分的三元合金将依次发生如下转变:
L+A相区匀晶转变L→A,此时剩余液体的成分沿着A x的延长线变化。
L+A+B相区共晶转变L→A+B，此时剩余液体的成分沿着E1E变化。
四相平衡面三相共晶转变L→A+B＋C,恒温转变。
A+B＋C相区无变化。
室温组织将是A+(A+B)+(A+B＋C)。
当剩余液相成分到达n点，合金将进入三相区，匀晶转变结束。因此，根据杠杆定律初晶A 的相对量：A%=xn/An×100%;剩余液相的重量比是L%=A x/An×100%.
当发生两相共晶转变时，液相成分将沿着n→E方向移动。刚开始转变时，液相成分几乎没
有变化，根据直线法则，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。随着液相成分的移动，（A+B）的成分点也沿着AB移动，但是仍然位于液相成分点-n延长线与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。二元共晶的相对量:
(A+B)%=(A x/An)×(nE/DE)×100%
(A+B+C)%=(A x/An)×(nD/DE)×100%
如果合金成分位于EE1线上，合金结晶过程中将不经过L+A即不发生匀晶转变，室温组织将是(A+B)+(A+B＋C); 如果合金成分位于A E线上，合金结晶过程中将不经过L+A+B三相区，即不发生二元共晶转变，室温组织将是A+ (A+B＋C);如果合金成分位于E点上，合金结晶过程中将不经过L+A+B三相区和L+A两相区，即不发生二元共晶转变及匀晶转变，室温组织将是(A+B＋C)。
其它位置合金的凝固过程及室温组织依此类推。
§3-5 固态有限溶解具有四相平衡三元相图
大多数情况下，固态下组元往往相互溶解，此时，以三组元为溶剂形成三个端际固溶体。在较低温度下，相区的连接如★图9-30。单相区扩展成为一个空间区域互之间由溶解度曲面隔开。
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→α＋β＋γ（第一类）
包共晶型：由两相转化为另外两相,如L＋α→β＋γ（第二类）
包晶型：降温时，由三相转化为一相，如L＋α＋β→γ（第三类）
下边主要介绍第一种类型的相图，然后再简要介绍其他两种四相平衡。
一、固态有限互溶三元共晶相图分析★图9－31 固态完全不溶的三元相图
相图的三个柱面分别是固态下组元有限溶解的AB、BC、CA二元共晶相图。
（一）特殊点
1．熔点：a,b,c分别是三组元A、B、C的熔点。
2．二元共晶点：e1、e2、e3分别是AB、BC、CA二元系的共晶点。
凡位于三个侧边上的二元合金分别冷却到e1、e2、e3温度时反生二元共晶反应。即：L→(α＋β)、L→(β＋γ)、L→(α＋γ)
3. 三元共晶点: E点为三元共晶点。一些成分的合金，冷却到t E温度时，将发生三元共晶反应。
反应式为: L E＝(α＋β＋γ),恒温结晶。（因为自由度为０）
（二）面
1．液相面包括三块(与固态不溶时完全一样)
ae1Ee3a为L与L+α之间的界面、be1Ee2b为L与L+β之间的界面、ce2Ee3c为L与L+γ之间的界面。如果从投影图上观察，三块液相面正好完全覆盖整个成分三角形。
2．二元共晶开始曲面（六个）
进入L+α+β三相区的二元共晶曲面有两个：fe1Emf曲面，与L+α两相区为邻ge1Eng曲面，与L+β两相区为邻，同理还有两个进入L+β＋γ的二元共晶曲面和L+α＋γ 的二元共晶曲面．3．溶解度面
溶解度面将各个固相区分开，共包括9块，其中每个单相区与周围的两个两相区之间各有一个，三个有固相组成的两相区与它们之间的三相区各有一个。
（三）单变量线：
相图中共有四个三相平衡区，每个三相区都有三条单变量线，每一条线反映三相平衡时，其中一相成分随着温度的变化轨迹。
(四) 相及相区：附: ★图9－31 固态完全不溶的三元相图
1．相：L、α、β、γ四个相。
2．相区：
（1）单相区：液相区在液相面之上。其它三个固相单相区位于相图的顶角。每个单相固溶体区（例如α相区）均有六个面:
固相面（almfa/L+a）, 溶解度面（fmm?f?f/ α+β）, (lmm?l?l/ α+γ), 相图侧面（a ff?Aa）(all?Aa), 底面（Al?m?f?A）.
每个单相区（例如L）与所有含该相（L）的相区相邻（如L+α，L+β，L+γ，L+α+β，L+α+β+γ等）
（2）四相区：四相区有一个为L＋a＋b+g四相区。即平面三角形mnp。该三角形与所有相区都相邻。
（3）三相区有四个：包含液相的三相区有三个。这几个三相区的位置在四相区的上方。
这三个三相区（例如L+β+γ）在温度较高时是二元系中的一条等温线（he2i）,低温时终止于四相平衡等温面（npE三角形）。当温度降低时，各组成相的成分沿着三条单变量线变化。
三相区依靠三条单变量线与三个组成相相连。每两条单变量线之间（例如1与2相的单变量线）是一个空间曲面，那是三相区与两相区（1+2）的界面。由固相组成的三相区位于四相区的下方。
例如L＋a＋g三相区，高温时开始于一条水平线lk，低温时终止于四相平衡面mpE。该三相区：
以三条单变量线与三个单相区相连：它们是lm←→α,e3E←→L,k←→γ
以三个曲面与三个两相区相邻：le3Eml←→L+α，kpEe3k←→l+γ,lmpkl←→α+γ
以直线与三个三相区相邻：mp←→α+β+γ，mE←→α+L+β,pE←→L+γ+β
以直边三角形mpE与一个四相区相邻。其它三个三相区与此类似．
（4）两相区：包含液相的两相区有三个，即L＋α、L＋β、L＋γ
如L＋a两相区：位于L与α单相区之间，分别与如下相区相邻(点接触除外):
固相面almfa←→α,液相面ae3Ee1a←→L, 二元共晶开始面fe1Emf←→L+α+β,le3Eml←→L+α+γ相图侧面afe1,ale3.；位于相图侧面还有三个由固相组成的两相区，即α+β、β+γ和γ+α。例如α+β相区，周围相区的邻接情况与L+α相似:
溶解度面fmm?f?f←→α,溶解度面gnn?g?g←→β,
溶解度面mnn?m?m←→ α+β+γ,固相面←→L+α+β
相图侧面fgg'f?f. 此外还与一些相区点接触。
二．等温截面图★图9－40
分别截取三个不同温度的等温截面图如图9－40所示。画了共轭线的区域是两相区。等温截面上两相区一般以两条直线、两条曲线为周界。两相区与单相区的分界线是凸向单相区的曲线。两相区与三相区的分界线是直线（共轭线），相图侧界当然也是直线。
如果已知相成分,在两相区可利用直线法则、杠杆定律求出两平衡相的相对重量。三相区为直线共扼三角形，可利用重心法则求三平衡相的相对重量。
等温截面上三相区为直边三角形，三个顶点与三个单相区相连，顶点代表三个平衡相的成分。三条边与三个两相区接触，边是两相区的一条共轭线。比较图9-40中L+α+γ三相区的几个截面，可以得出三相平衡时随着温度降低，L相领先移动，L的相对量是逐渐降低的，而后边顶点代表的相的相对量是逐渐增加的。含有液相的三个三相区在降温时均发生共晶型转变。
三．投影图和变温截面图
★图9-41包括三元共晶相图的投影图，反映了相图中的一些空间曲线的投影;和平行于三角形AB边的几个变温截面,图中四相区是一条水平线,在水平线周围存在四个三相区;及过A的一个垂直截面（A R）的一个变温截面。
四、合金的平衡结晶过程
与固态下组元完全不溶的情况类似，根据立体相图、投影图或系列等温截面可以判断合金的结晶顺序。在投影图上凡是合金成分位于mnp三角形内的三元合金将发生共晶型四相平衡。例如根据图9-41，在降温过程中o成分的三元合金将依次发生如下转变：
L+a相区匀晶转变L→α, 此时剩余液体的成分逐渐远离A。
L+a+b相区共晶转变L→α+β，此时剩余液体的成分沿着e1E变化。
四相平衡面三相共晶转变L→α+β＋γ,恒温转变．
a+b＋g相区溶解度变化，例如α→βⅡ+γⅡ
室温组织将是α+βⅡ+γⅡ+(α+β+γⅡ)+(α+β＋γ)
如果合金成分位于Ee1线上，合金结晶过程中将不经过L+α即不发生匀晶转变，室温组织将是(α+β+γⅡ)+(α+β＋γ)；
如果合金成分位于mE线上，合金结晶过程中将不经过L+α+β三相区，即不发生二元共晶转变，室温组织将是α+βⅡ+γⅡ+(α+β＋γ)
如果合金成分位于E点上，合金结晶过程中将不经过L+α+β三相区和L+α两相区，即不发生二元共晶转变及匀晶转变，室温组织将是(α+β＋γ)。
其它位置合金的凝固过程及室温组织依此类推。
五、其它形式的四相平衡相图
固态有限互溶三元包共晶相图的四相平衡区是一个水平的四边形，包括三种形式，如★图9-44、★图9-45、★图9-46。共同的特点是几个二元系的三相平衡温度相差较大，其中的一个二元系的共晶点低于液相面沟线的交点温度。★图9-47则是三元包晶相图，相图的三个侧面两个是包晶相图，一个是二元共晶相图。且二元共晶温度高于两个二元包晶温度。
六、三元相图小结
1．单相区
自由度f=3,任意形状,在截面上为任意平面图形，单相合金的成分与相成分一致。
2．两相平衡
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一条直线，组成相的相对量符合杠杆定律。
3．三相平衡
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+α）为先导移动。
在垂直截面上，两种三相区的形状也有很大区别，如★图9-48。
4．四相平衡f=0
四相平衡面为水平面（实际上是水平面上的四个点），平衡相的浓度及平衡温度度是固定的，在垂直截面上是一条水平线。
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）
三种四相平衡比较如★图9-49 四种三相平衡区的空间结构
总结: 共晶型★L→α+β+γ；包共晶型★L+α→β+γ；包晶型★L+α+β→γ
§3-6实际三元相图举例
一、Fe-Si-C相图
灰口铸铁基本上是Fe-Si-C三元系，相图中包含L、α、γ、δ、C（石墨）五个单相。与二元系不同，三个恒温转变均扩展到一个温度区间，但是三个三相区的转变类型没有变化。L+δ+γ区：包晶转变L+δ→γ；L+γ+C区：共晶转变L→γ+C；α+γ+C区：共析转变γ→α+C。三相区与单相区的连接点不是三相平衡时的相成分。★图9-50a★图9-50b
随着Si含量增加，S点左移，包晶转变温度降低，共析转变温度提高，γ区缩小。
二、Fe-Cr-C相图
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、α、γ、δ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。
★图9-51、★图9-52a、★9-52b分别是Fe-Cr-C相图的垂直截面和水平截面。在图9-51中，共包含3个单相区（δ=α）、8个两相区和8个三相区和3条四相平衡线。有些转变可以从相区的邻接关系、转变的可能性、相区的形状判断反应的类型，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平衡区，根据平衡面上下相的增减情况可以判断四相平衡的类型应该是γ＋C2→α+C1。例如根据反应的可能性可以判断，在γ＋C1两相区降温时将发生γ→C1、在L+C1两相区降温时将发生L→C1。根据相区的形状、邻接情况可以判断，在L+δ+γ中L+δ→γ，在L+γ+C1相区中发生L→γ+C1，在α+γ+C2相区中发生γ→α+C2。
利用水平截面可以分析合金的相组成及相对含量。2Cr13钢在1150℃处于单相γ状态，而Cr12钢在1150℃处于两相γ+C1状态。根据垂直截面，2Cr13(0.2%C)从液态冷却时依次发生下列转变：
L→α
L+α→γ 转变结束后得到a＋γ
a→γ γ
γ→C2相当于过共析钢，γ＋C2
γ→a+C2（珠光体）共析转变C2＋（α+C2）
Cr12模具钢（2.0%C）平衡结晶时，依次发生下列转变：
L→γ
L→γ+C1（共晶转变）
γ→ C1（二次碳化物）
γ→α+C1（珠光体）
这种钢慢冷得到的室温组织是莱氏体和珠光体，与亚共晶白口铸铁一致。由于冷却速度较快，实际铸态组织经常是莱氏体和马氏体。
三、Fe-C-P相图
★图9-53是Fe-C-P三元系富Fe端的投影图，也可以认为是Fe-Fe3C-Fe3P三元系的投影图。液相面可以分为四个区域，初晶a-FeBTE1Fe,g-BTETCB, Fe3C- CETE2RC和Fe3P-E1QE2ETTE1。二元系中的一些三相平衡等温线在三元系中扩展成为空间区域。如Fe-C系的包晶转变三相平衡，在三元系中对应的三条单变量线为α（d）-HF、L-BT、γ-JG。共晶转变三相区的三条单变量线分别是L-CET，γ-ED，Fe3C-R。Fe-P系的共晶转变三相平衡，在三元系中对应的三条单变量线为L-E1T，α-KF，Fe3P-Q。在Fe3P- Fe3C一侧也个共晶转变三相区，L-E2ET，Fe3P-Q, Fe3C-R。
相图中包含三个四相平衡，根据液相单变量线的走向可以确定它们的类型:
FGTQ（1005℃）:L+α→γ＋Fe3P（包共晶转变）
DQR(950℃)：L→γ+ Fe3P+ Fe3C(三元共晶转变)
MNRQ(745℃)：γ＋Fe3P→α＋Fe3C（包共析转变）
利用投影图可以分析合金的结晶过程。以高磷铸铁（3.5%C,0.4～0.6%P）为例，平衡结晶时，首先L→γ,当液相成分达到CE T，发生二元共晶转变形成莱氏体。此后降温过程中发生γ的脱溶（形成Fe3C和Fe3P）和共析转变。但是在非平衡条件下，由于枝晶偏析，剩余液相P显著增加，可能出现三元磷共晶（γ+Fe3C+Fe3P）
四、Al-Cu-Mg三元系
Al-Cu-Mg合金在航空行业及仪表制造业用于很广。★图9-54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。除了α是铝的固溶体外，还包括多种化合物：
θ-CuAl2
β-Mg2Al3
γ-Mg17Al12
T-Mg32(A l,Cu)49
S-CuMgAl2
Q-Cu3Mg6Al7
E1、E2、E3都是二元共晶点，相应的单变量线都是二元共晶线。三条单变量线的交点为四相平衡点。E T为三元共晶点（参考★图9-55）L→α+θ+S。EU也是三元共晶点。P1、P2则发生包共晶转变：P1:L+Q→S+T，P2：L+S→α+T
如果合金中对组织性能有重要影响的组元数目超过三个，相图就很难全面表达了。这时只能固定一些组元的含量，绘制相图的截面。★图9-56是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。
三元合金相图 一、填空 1. 三元相图等温截面的三相区都是___________________形。 2. 图1是A-B-C三元系成分三角形的一部分，其中X合金的成分是_____________________。 图1 3. 图2是三元系某变温截面的一部分，其中水平线代表________________反应，反应式为______________________ 。 图2 4．图3是某三元系变温截面的一部分，合金凝固时，L+M＋C将发生_________________反应。
图3 5. 三元相图的成分用__________________________表示。 6. 四相平衡共晶反应的表达式__________________________。 7. .图6是A-B-C三元共晶相图的投影图，在常温下： 合金I的组织是______________________________________ 合金II的组织是_______________________________________ 合金III的组织是______________________________________ 图4 8．三元相图有如下几类投影图 (1)_____________________________(2)________________________________(3)_______________________ ___(4)________________________________。 9. 三元系中两个不同成分合金，合成一个新合金时，则这三个合金成分点____________________________。 10. 四相平衡包共晶反应式为__________________________。 11. 三元相图垂直截面可用于分析__________________________________。 12. 三元系三条单变量线相交于__________，就代表一个__________________，并可根据单变量线箭头 _____________判断__________________。
第五章 三元合金相图 1 根据Fe －C －Si 的3.5%Si 变温截面图（5－1），写出含0.8%C 的Fe-C-Si 三元合金在平衡冷却时的相变过程和1100℃时的平衡组织。 图5－1 2 图5－2为Cu-Zn-Al 合金室温下的等温截面和2%Al 的垂直截面图，回答下列问题： 1） 在图中标出X 合金（Cu-30%Zn-10%Al ）的成分点。 2） 计算Cu-20%Zn-8%Al 和 Cu-25%Zn-6%Al 合金中室温下各相的百分含量，其中α相成分点为Cu-22.5%Zn-3.45%Al ，γ相成分点为 Cu-18%Zn-11.5%Al 。 3） 分析图中Y 合金的凝固过程。 Y
％ 图5－2 3 如图5－3是A-B-C 三元系合金凝固时各相区，界面的投影图，A 、B 、C 分别形成固溶体α、β、γ。 1） 写出P p ''，P E '1和P E '2单变量线的三相平衡反应式。 2） 写出图中的四相平衡反应式。 3） 说明O 合金凝固平衡凝固所发生的相变。
图5－3 图5－4 4 图5－4为Fe-W-C三元系的液相面投影图。写出e1→1085℃，P1→1335℃，P2→1380℃单变量线的三相平衡反应和1700℃，1200℃，1085℃的四相平衡反应式。I，II，III三个合金结晶过程及室温组织，选择一个合金成分其组织只有三元共晶。 5 如图5－5为Fe-Cr-C系含13%Cr的变温截面 １）大致估计2Cr13不锈钢的淬火加热温度（不锈钢含碳量０.２％, 含Cr量13％） ２）指出Cr13模具钢平衡凝固时的凝固过程和室温下的平衡组织（Cr13钢含碳量2%）３）写出（１）区的三相反应及７９５ 时的四相平衡反应式。 图5－5 图5－6 6 如图5－6所示，固态有限溶解的三元共晶相图的浓度三角形上的投影图，试分析IV区及VI区中合金之凝固过程。写出这个三元相图中四相反应式。
第二章二元合金相图 纯金属在工业上有一定的应用，通常强度不高，难以满足许多机器零件和工程结构件对力学性能提出的各种要求；尤其是在特殊环境中服役的零件，有许多特殊的性能要求，例如要求耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等，纯金属更无法胜任，因此工业生产中广泛应用的金属材料是合金。合金的组织要比纯金属复杂，为了研究合金组织与性能之间的关系，就必须了解合金中各种组织的形成及变化规律。合金相图正是研究这些规律的有效工具。 一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质叫做合金。其中组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。由两个组元组成的合金称为二元合金，例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。二元以上的合金称多元合金。合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多，这正是合金的应用比纯金属广泛得多的原因。 合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及温度变化时所可能发生的变化。掌握相图的分析和使用方法，有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能，也可按要求来研究新的合金。在生产中，合金相图可作为制订铸造、锻造、焊接及热处理工艺的重要依据。 本章先介绍二元相图的一般知识，然后结合匀晶、共晶和包晶三种基本相图，讨论合金的凝固过程及得到的组织，使我们对合金的成分、组织与性能之间的关系有较系统的认识。 2.1 合金中的相及相图的建立 在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相。液态物质为液相，固态物质为固相。相与相之间的转变称为相变。在固态下，物质可以是单相的，也可以是由多相组成的。由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金的组织。组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。由不同组织构成的材料具有不同的性能。如果合金仅由一个相组成，称为单相合金；如果合金由二个或二个以上的不同相所构成则称为多相合金。如含30%Zn的铜锌合金的组织由α相单相组成；含38%Zn的铜锌合金的组织由α和β相双相组成。这两种合金的机械性能大不相同。 合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。 2.1.1 固溶体与复杂结构的间隙化合物 2.1.1.1 固溶体 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、 且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。与固溶 体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多； 另一组元为溶质，含量较少。固溶体用α、β、γ等 符号表示。A、B组元组成的固溶体也可表示为A （B），其中A为溶剂，B为溶质。例如铜锌合金中 锌溶入铜中形成的固溶体一般用α表示，亦可表示 为Cu（Zn）。图2.1 置换与间隙固溶体示意图 ⑴固溶体的分类 ①按溶质原子在溶剂晶格中的位置（如图2.1）分为：
目录 1 绪论 (1) 1.1断口分析的意义 (1) 1.2 对显微组织及断口缺陷的理论分析 (1) 1.3研究方法和实验设计 (3) 1.4预期结果和意义 (3) 2 实验过程 (4) 2.1 生产工艺 (4) 2．1.1 加料 (4) 2.1.2 精炼 (4) 2.1．3 保温、扒渣和放料 (5) 2.1. 4 单线除气和单线过滤 (5) 2.1. 5连铸 (6) 2.2 实验过程 (6) 2.2. 1 试样的选取 (6) 2.2.2 金相试样的制取 (8) 2.2.3 用显微镜观察 (9) 2.3 观察方法 (10) 2.3.1显微组织的观察 (10) 2.3.2 对断口形貌的观察 (11) 3 实验结果及分析 (11) 3.1对所取K模试样的观察 (11) 3.2 金相试样的观察及分析 (12) 3.2.1 对显微组织的观察 (12) 3.2.2 断口缺陷 (15)
结论 (23) 致谢 (24) 参考文献 (25) 附录 (27)
1 绪论 1.1断口分析的意义 随着现代科技的发展以及现代工业的需求，作为21世纪三大支柱产业的材料科学正朝着高比强度，高强高韧等综合性能等方向发展。长久以来，铸造铝合金以其价廉、质轻、性能可靠等因素在工业应用中获得了较大的发展。尤其随着近年来对轨道交通材料轻量化的要求日益迫切[1]，作为铸造铝合金中应用最广的A356铝合金具有铸造流动性好、气密性好、收缩率小和热裂倾向小，经过变质和热处理后，具有良好的力学性能、物理性能、耐腐蚀性能和较好的机械加工性能[2-3]，与钢轮毂相比，铝合金轮毂具有质量轻、安全、舒适、节能等，在汽车和航空工业上得到了日益广泛的应用[4]。 然而，由于其凝固收缩，同时在熔融状态下很容易溶入氢，因此铸造铝合金不可避免地包含一定数量的缺陷，比如空隙、氧化物、孔洞和非金属夹杂物等[5-7]。这些缺陷对构件的力学性能影响较大，如含1%体积分数的空隙将导致其疲劳50%，疲劳极限降20%[8-9]。所以研究构件中缺陷的性质、数量、尺寸和分布位置对力学性能的影响具有重要意义[10]。而这些缺陷往往是通过显微组织和断口分析来研究的。 另外，通过显微组织和断口分析所得到的结果可以分析这些缺陷产生的原因，研究断裂机理，比结合工艺过程分析缺陷产生的原因，从而对改进工艺提出一定的有效措施，确定较好的生产工艺，以提高铝合金铸锭的性能。 但关于该合金的微观组织及其断口分析研究较少，研究内容深但不够综合，每篇论文多研究其部分缺陷，断口的获得多为拉伸端口。因此，希望对A356铝合金的断口缺陷有一个较为全面的研究。 1.2 对显微组织及断口缺陷的理论分析 铸件的力学性能与其微观组织有密切联系[11]。A356合金是一个典型的Al-Si-Mg系三元合金，它是Al-Si二元合金中添加镁、形成强化相Mg2Si，通过热处理来显著提高合金的时效强化能力，改善合金的力学性能。A356合金处于α-Al＋Mg2Si＋Si三元共晶系内，其平衡组织为初生α-Al＋（α-Al＋Si）共晶＋
实验五二元合金相图 一、目的要求 1.用热分析法测绘Pb-Sn二元金属相图。 2.了解热分析法的测量技术。 二、基本原理 相图是多相(二相或二相相以上)体系处于相平衡状态时体系的某物理性质(如温度)对体系的某一自变量(如组成)作图所得的图形，图中能反映出相平衡情况(相的数目及性质等)，故称为相图。二元或多元体系的相图常以组成为自变量，其物理性质则大多取温度。由于相图能反映出多相平衡体系在不同自变量条什下的相平衡情况，因此，研究多相体系的性质，以及多相体系相平衡情况的演变(例如冶金工业冶炼钢铁或其他合金的过程，石油工业分离产品的过程等)，都要用到相图。 图4.1是一种类型的二元简单低共熔物相图。图中A、B表示二个组分的名称，纵轴是物理量温度T，横轴是组分B的百分含量B％。在acb线的上方，体系只有一个相(液相)存在；在ecf线以下，体系有两个相(两个固相——晶体A、晶体B)存在；在ace所包为的面积中，一个固相(晶体A)和一个液相(A在B中的饱和熔化物)共存；在bcf所包围的面积中，也是一个固相(晶体B)和一个液相(B在A中的饱和熔化物)共存；图中c点是ace与bef 两个相区的交点，有三相（晶体A、晶体B、饱和熔化物）共存。测绘相图就是要将相图中这些分隔相区的线画出来。常用的实验方法是热分析法。 热分析法所观察的物理性质是被研究体系的温度。将体系加热熔融成一均匀液相，然后让体系缓慢冷却，并每隔一定时间(例如半分钟或一分钟)读体系温度一次，以所得历次温度值对时间作图，得一曲线，通常称为步冷曲线或冷却曲线，图4.2是二元金属体系的一种常见类型的步冷曲线。冷却过
程中，若体系发生相变，就伴随着一定热效应，团此步冷曲线的斜率将发生变化而出现转折点，所以这些转折点温度就相当于被测体系在相图中分隔线上的点。若图4.2是图4.1中组成为P 的体系的步冷曲线，则点2、3就分别相当于相图中的点G 、H 。因此，取一系列组成不同的体系，作出它们的步冷曲线，找出各转折点，即能画出二元体系的最简单的相图(对复杂的相图，还必须有其他方法配合，才能画出)。 图4.1 A-B 体系相图 图4.2 步冷曲线 从相图定义可知，用热分析法测绘相图的要点如下： ⑴ 被测体系必须时时处于或非常接近于相平衡状态。因此，体系冷却时，冷却速度必须足够慢，以保证上述条件近于实现。若体系中的几个相都是固相，这条件通常很难实现(因固相与固相间转化时的相变热较小)，此时测绘相图，常用其它方法(如差热分析法)。 ⑵ 测定时被测体系的组成值必须与原来配制样品时的组成值一致。如果测定过程中样品各处不均匀，或样品发生氧化变质，这一要求就不能实现。 ⑶ 测得的温度值必须能真正反映体系在所测时间时的温度值。因此，测温仪器的热容必须足够小，它与被测体系的热传导必须足够良好，测温探头必须深入到被测体系的足够深度处。 本实验测定铅、锡二元金属体系的相图，用SWKY 数字控温仪，通过 KWL-08可控升降温电炉来控制体系的加热和冷却速度。 温度A B
实验报告 实验名称：金属的塑性变形 组别第6组 学号、姓名：2012034036 谈鑫学号、姓名：2012034035 何韦唯学号、姓名：2012034034 周卫东学号、姓名：2012034037 安望学号、姓名：2012034038 罗伟学号、姓名：2012034039 陈科宇 2014年 5月 28日
一、实验目的 1.用热分析法测熔融体步冷曲线，再绘制Pb-Sn二元金属相图。 2.了解热分析法的实验技术热电偶测量温度的方法。 二、实验仪器 SWKY型数字控温仪一台；KWL-08型可控升降温电炉一台； 三、实验原理 相图是多相(二相或二相相以上)体系处于相平衡状态时体系的某物理性质(如温度)对体系的某一自变量(如组成)作图所得的图形，图中能反映出相平衡情况(相的数目及性质等)，故称为相图。二元或多元体系的相图常以组成为自变量，其物理性质则大多取温度。由于相图能反映出多相平衡体系在不同自变量条什下的相平衡情况，因此，研究多相体系的性质，以及多相体系相平衡情况的演变(例如冶金工业冶炼钢铁或其他合金的过程，石油工业分离产品的过程等)，都要用到相图。 图4.1是一种类型的二元简单低共熔物相图。图中A、B表示二个组分的名称，纵轴是物理量温度T，横轴是组分B的百分含量B％。在acb线的上方，体系只有一个相(液相)存在；在ecf线以下，体系有两个相(两个固相——晶体A、晶体B)存在； 在ace所包为的面积中，一个固相(晶体A)和一个液相(A在B中的饱和熔化物)共存； 在bcf所包围的面积中，也是一个固相(晶体B)和一个液相(B在A中的饱和熔化物)共存；图中c点是ace与bef两个相区的交点，有三相（晶体A、晶体B、饱和熔化物）共存。测绘相图就是要将相图中这些分隔相区的线画出来。常用的实验方法是热分析法。 热分析法所观察的物理性质是被研究体系的温度。将体系加热熔融成一均匀液相，然后让体系缓慢冷却，并每隔一定时间(例如半分钟或一分钟)读体系温度一次，以所得历次温度值对时间作图，得一曲线，通常称为步冷曲线或冷却曲线，图4.2是二元金属体系的一种常见类型的步冷曲线。冷却过程中，若体系发生相变，就伴随着一定热效应，团此步冷曲线的斜率将发生变化而出现转折点，所以这些转折点温度就相当于被测体系在相图中分隔线上的点。若图4.2是图4.1中组成为P的体系的步冷曲线，则点2、3就分别相当于相图中的点G、H。因此，取一系列组成不同的体系，作出它们的步冷曲线，找出各转折点，即能画出二元体系的最简单的相图(对复杂的相图，
第四章二元合金相图与合金凝固 一、本章主要内容： 相图基本原理：相，相平衡，相律，相图的表示与测定方法，杠杆定律； 二元匀晶相图：相图分析，固溶体平衡凝固过程及组织，固溶体的非平衡凝固与微观偏析固溶体的正常凝固过程与宏观偏析：成分过冷，溶质原子再分配，成分过冷的形成及对组织的影响，区域熔炼； 二元共晶相图：相图分析，共晶系合金的平衡凝固和组织，共晶组织及形成机理：粗糙—粗糙界面,粗糙—光滑界面,光滑—光滑界面； 共晶系非平衡凝固与组织：伪共晶，离异共晶，非平衡共晶； 二元包晶相图：相图分析，包晶合金的平衡凝固与组织，包晶反应的应用 铸锭：铸锭的三层典型组织，铸锭组织控制，铸锭中的偏析 其它二元相图：形成化合物的二元相图，有三相平衡恒温转变的其它二元相图：共析，偏晶，熔晶，包析，合晶，有序、无序转变，磁性转变，同素异晶转变 二元相图总结及分析方法 二元相图实例：Fe-Fe3C亚稳平衡相图， 相图与合金性能的关系 相图热力学基础：自由能—成分曲线，异相平衡条件，公切线法则，由成分—自由能曲线绘制二元相图 二、 1.填空 1 相律表达式为___f=C-P+ 2 ___。 2. 固溶体合金凝固时，除了需要结构起伏和能量起伏外，还要有___成分_______起伏。 3. 按液固界面微观结构，界面可分为____光滑界面_____和_______粗糙界面___。 4. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是______垂直长大机制_____，光滑界面晶体的长大机制是____二维平面长大____和_____依靠晶体缺陷长大___。 5 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生__枝晶____偏析，用____均匀化退火___热处理方法可以消除。 6 液态金属凝固时，若温度梯度dT/dX>0（正温度梯度下），其固、液界面呈___平直状___状，dT/dX<0时（负温度梯度下），则固、液界面为______树枝___状。 7. 靠近共晶点的亚共晶或过共晶合金，快冷时可能得到全部共晶组织，这称为____伪共晶。 8 共晶，包晶，偏晶，熔晶反应式分别为_______L1→α+β______, __ L+α→β____, ______ L1—L2＋α________, ___________γ→α+ L _______。 10 共析，偏析，包析反应式分别为______γ→α+β________，______ α1—α2＋β ________，
一．实验目的 1.用热分析法测绘Sn-Bi二元低共熔体系的相图 2.学习步冷曲线绘制相图的方法 二．实验原理 相图是多相体（二相或二相以上）处于相平衡状态时体系的某种物理性质对体系的某一自变量作图所得的图形（体系的其它自变量维持不变），二元和多元体系的相图常以组成为自变量，其物理性质则大多取温度。由于相图能反映出多相平衡体系在不同条件下的相平衡情况，因此研究相体系的性质，以及多相平衡情况的变化要用相图的知识。 AB表示两个组分的名称，纵坐标是温度T,横坐标 是B的百分含量abc线上，体系只有液相存在，ace 所围的面积中有固相A及液相存在，bcf所围的中 有B晶体和个液相共存，c点有三相（AB晶体和饱 和熔化物）。 测绘相图就是要将图中这些分离相区的线画出来， 常用的实验方法是热分析法。所观察的物理性质是 被研究体系的温度。将体系加热熔融成均匀液体，然后冷却，每隔一定时间记录温度一次，一温度对时间作图，得到步冷曲线。 当一定组成的熔化物冷却时，最初温度随时间逐渐下降达到相变温度时，一种组分开始析出，随着固体的析出而放出凝固潜热，使体系冷却速度变慢，步冷曲线的斜率发生变化而出现转折点，转折点的温度即是相变温度。继续冷却的过程中，某组分析出的量逐渐增多而残留溶液中的量则逐渐减少，直到低共熔温度时，液相达到低共熔组成，两种组分同时互相饱和，两种组分的晶体同时析出，这时继续冷却温度将保持不变，步冷曲线出现一水平部分，直到全部溶液变为固体后温度才开始降低，水平停顿温度为最低共熔点温度。 如果体系是纯组分，冷却过程中仅在其熔点出现温度停顿，步冷曲线的水平部分是纯物质的熔点，图中b是图1中组成为P体系的步冷曲线，点2,3分别相当于图1中的G,H。因此取一系列不同组成的体系，做出它们的步冷曲线求出其转折点，就能画出相图。但是在实验过程中有时会出现过冷现象，这时必须外推求得真正的转折点。
第四章二元合金相图与合金凝固 本章主要内容： 相图基本原理：相，相平衡，相律，相图的表示与测定方法，杠杆定律； 二元匀晶相图：相图分析，固溶体平衡凝固过程及组织，固溶体的非平衡凝固与微观偏析 固溶体的正常凝固过程与宏观偏析：成分过冷，溶质原子再分配，成分过冷的 形成及对组织的影响，区域熔炼； 二元共晶相图：相图分析，共晶系合金的平衡凝固和组织，共晶组织及形成机理：粗糙—粗糙界面,粗糙—光滑界面,光滑—光滑界面； 共晶系非平衡凝固与组织：伪共晶，离异共晶，非平衡共晶； 二元包晶相图：相图分析，包晶合金的平衡凝固与组织，包晶合金的非平衡凝固与组织 包晶反应的应用 铸锭：铸锭的三层典型组织，铸锭组织控制，铸锭的缺陷 其它二元相图：形成化合物的二元相图，有三相平衡恒温转变的其它二元相图：共析，偏晶，熔晶，包析，合晶，有序、无序转变，磁性转变，同素异晶转变二元相图总结及分析方法 二元相图实例：Fe-Fe 3C亚稳平衡相图，Al-Mn相图，Al 2 O 3 -SiO 2 二元系相图 相图与合金性能的关系 相图热力学基础：自由能—成分曲线，异相平衡条件，公切线法则，由成分—自由能曲线绘制二元相图 1.填空 1 相律表达式为_____________________________。 2. 固溶体合金凝固时，除了需要结构起伏和能量起伏外，还要有_____________起伏。 3. 按液固界面微观结构，界面可分为__________________和 ____________________。 4. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是__________________________，光滑界面晶体的长大机制是_____________________和_____________________。 5 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生____________偏析，用 _________________热处理方法可以消除。 6 液态金属凝固时，若温度梯度dT/dX>0（正温度梯度下），其固、液界面呈 ________________状，dT/dX<0时（负温度梯度下），则固、液界面为 ________________状。 7. 靠近共晶点的亚共晶或过共晶合金，快冷时可能得到全部共晶组织，这称为______________。 8 亚共晶合金的典型平衡组织为_________________，亚共析合金的典型平衡组织为___________________________。 9 共晶，包晶，偏晶，熔晶反应式分别为______________________, ____________________, _________________________, ___________________________。 10 共析，偏析，包析反应式分别为______________，______________， _____________。
二组分固---液相图的绘制 一、实验目的 1.学会用热分析法测绘Sn —Bi 二组分金属相图。 2.了解热分析法测量技术。 3.掌握SWKY 数字控温仪和KWL-08可控升降温电炉的基本原理和使用。 二、预习要求 了解纯物质的步冷曲线和混合物的步冷曲线的形状有何不同，其相变点的温度应如何确定。 三、实验原理 测绘金属相图常用的实验方法是热分析法，其原理是将一种金属或合金熔融后，使之均匀冷却，每隔一定时间记录一次温度，表示温度与时间关系的曲线叫步冷曲线。当熔融体系在均匀冷却过程中无相变化时，其温度将连续均匀下降得到一光滑的冷却曲线;当体系内发生相变时，则因体系产生之相变热与自然冷却时体系放出的热量相抵偿，冷却曲线就会出现转折或水平线段，转折点所对应的温度，即为该组成合金的相变温度。利用冷却曲线所得到的一系列组成和所对应的相变温度数据，以横轴表示混合物的组成，纵轴上标出开始出现相变的温度，把这些点连接起来，就可绘出相图。 二元简单低共熔体系的冷却曲线具有图1所示的形状。 图1 根据步冷曲线绘制相图 拐点后，开始有固体凝固出来，液相成分不断变化，平衡温度也不断随之改变，直到达到其低 共熔点温度，体系平衡，温度保持不变（平台）；直到液相完全凝固后，温度又迅速下降。 用热分析法测绘相图时，被测体系必须时时处于或接近相平衡状态，因此必须保证冷却速度足 够慢才能得到较好的效果。此外，在冷却过程中，一个新的固相出现以前，常常发生过冷现象，轻微过冷则有利于测量相变温度;但严重过冷现象，却会使折点发生起伏，使相变温度的确定产生困难。见图2。遇此情况，可延长DC 线与AB 线相交，交点E 即为转折点。 图3是二元金属体系一种常见的步冷曲线。 当金属混合物加热熔化后冷却时，由于无相变发生，体系的温度随时间变化较大，冷却较快（1~2段）。若冷却过程中发生放热凝固，产生固相，将减小温度随时间的变化，使体系的冷却速度减慢（2~3段）。当融熔液继续冷却到某一点时，如3点，由于此时液相的组成为低共熔物的组成。在最低共熔混合物完全凝固以前体系温度保持不变，步冷曲线出现平台，（如图3~4段）。当融熔液完全凝固形成两种固态金属后，体系温度又继续下降（4~5段）。若图III-5-4中的步冷曲线为图III-5-5中总组成为P 的混合体系的冷却曲线，则转折点2 相当于相图中的G 点，为纯固相开始析出的状态。水平段3~4相当于相图中H 点，即低共熔物凝固的过程。因此，根据一系列不同组成混合体系的步冷拐点：相变温度 平台 A+L B+L L A+B
三元合金相图 工业上使用的各种材料大多数是多元合金。多元合金相图的测定比较复杂，所得到的相图也很少，应用较多的多元相图是三元相图。 三元合金相图由两个独立的成分变量，再加上温度变量应该用立体图形来表示;由一些空间曲面构成相图。但是实际所用的三元相图主要是它们的各种截面图或投影图。本章除了学习一些典型的立体相图以外，着重进行各种截面图或投影图分析。 §3－1 三元相图的基本知识 一．浓度的表示方法 三元合金有两个组元的浓度是可以独立变化的，成分常用三角形中的一个点来表示，称为浓度三角形。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。 1.等边三角形 在★图9－1浓度三角形中的任意一点（例如Ｏ点）均代表一个三元合金。三个组元的含量按如下规则确定。过0点作A组元对边平行线交于AＣ或AB边于b、e两点，bC％或Be％分别表示合金0中的含A％；同理可以求出含B％和含C％。 三元合金0的成分： A%＝Cb％= Be％ B％＝Ac％ =Cf% C％＝Ba％=Ad%（或1－A%－B％） 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。当某一个组元含量远大于其它二组元时，可以采用直角三角形，例如★图9－２直角三角形ABC。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01点所代表的三元合金成分 C％＝Ac1％ B％＝Ab1% A％＝1－A％－B％ 当某一个组元含量远小于其它二组元时，可以采用★图9－３等腰三角形。一般把含量最高的组元放在底边位置，两腰则代表其它两组元的含量。例如ｘ点所代表的三元合金成分C％＝Ac％ B％＝Ab% A％＝Ba％ 3.成分三角形中两条特殊线浓度三角形中有两条特殊性质的直线 （1）过三角形顶点的直线，两个组元浓度之比为定值。如★图9-4b中CE线上的任意一个三元合金含A%/B%为定值。(A%/B%=BE/AE) （2）平行于三角形任意一边的直线，一个组元的浓度为定值。如★图9-4b中ab线上的三元合金含C％为定值。（＝Bb%或Aa％） 附：★图9-4a利用成分三角形网格标定合金x成分 二．自由焓成分曲面及公切面法则 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，如★图9-5 三元系的自由焓成分曲面。 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。与此类似，三元合金平衡相成分用公切面的切点来确定，但是在一定温度下两个曲面公切面不止一个。★图9-6
第四章材料的成形凝固与二元合金相图 习题参考答案 一、解释下列名词 答：1、凝固：物质由液态转变为固态的过程。 2、过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。 3、自发形核：在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心。 4、非自发形核：是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核。 5、变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒的处理方法。 6、变质剂：在浇注前所加入的难熔杂质称为变质剂。 7、同素异构转变：金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。 8、合金：通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质。 9、组元：组成合金的最基本的、独立的物质。 10相：在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。 11、相图：用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为相图。 12、枝晶偏析：实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分，使得先结晶出来的固溶体合金含高熔点组元较多，后结晶含低熔点组元较多，这种在晶粒内化学成分不均匀的现象。 13、比重偏析：比重偏析是由组成相与溶液之间的密度差别所引起的。如果先共晶相与溶液之间的密度差别较大，则在缓慢冷却条件下凝固时，先共晶相便会在液体中上浮或下沉，从而导致结晶后铸件上下部分的化学成分不一致的现象。 二、填空题 1、实际结晶温度比理论结晶温度略低一些的现象称为金属结晶的过冷现象，实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。 2、金属结晶过程是晶核形成与晶核长大的过程，这是结晶的基本规律。 3、金属结晶时的冷却速度越快，则过冷度越大，结晶后的晶粒越细，其强度越高，塑性和韧性越好。 4、典型的金属铸锭组织由三层组成，即表层细晶区、柱状晶区、中心粗等轴晶区。 5、在金属铸锭中，除组织不均匀外，还经常存在缩孔、气孔、疏松等各种铸造缺陷。 6、其它条件相同时，在下列铸造条件下，就铸件晶粒大小来说：
第四章二元合金相图与合金凝固答案
第四章二元合金相图与合金凝固 一、本章主要内容： 相图基本原理：相，相平衡，相律，相图的表示与测定方法，杠杆定律； 二元匀晶相图：相图分析，固溶体平衡凝固过程及组织，固溶体的非平衡凝固与微观偏析 固溶体的正常凝固过程与宏观偏析：成分过冷，溶质原子再分配，成分过冷的形成及对组织的影响，区域熔炼； 二元共晶相图：相图分析，共晶系合金的平衡凝固和组织，共晶组织及形成机理：粗糙—粗糙界面,粗糙—光滑界面,光滑—光滑界面； 共晶系非平衡凝固与组织：伪共晶，离异共晶，非平衡共晶； 二元包晶相图：相图分析，包晶合金的平衡凝固与组织，包晶反应的应用 铸锭：铸锭的三层典型组织，铸锭组织控制，铸锭中的偏析 其它二元相图：形成化合物的二元相图，有三相平衡恒温转变的其它二元相图：共析，偏晶，熔晶，包析，合晶，有序、无序转变，磁性转变，同素异晶转变 二元相图总结及分析方法 二元相图实例：Fe-Fe3C亚稳平衡相图， 相图与合金性能的关系 相图热力学基础：自由能—成分曲线，异相平衡条件，公切线法则，由成分—自由能曲线绘制二元相图 二、 1.填空 1 相律表达式为___f=C-P+ 2 ___。 2. 固溶体合金凝固时，除了需要结构起伏和能量起伏外，还要有___成分 _______起伏。 3. 按液固界面微观结构，界面可分为____光滑界面_____和_______粗糙界面___。
4. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是______垂直长大机制_____，光滑界面晶体的长大机制是____二维平面长大____和_____依靠晶体缺陷长大___。 5 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生__枝晶____偏析，用____均匀化退火___热处理方法可以消除。 6 液态金属凝固时，若温度梯度dT/dX>0（正温度梯度下），其固、液界面呈___平直状___状，dT/dX<0时（负温度梯度下），则固、液界面为______树枝___状。 7. 靠近共晶点的亚共晶或过共晶合金，快冷时可能得到全部共晶组织，这称为____伪共晶。 8 共晶，包晶，偏晶，熔晶反应式分别为_______L1→α+β______, __ L+α→β ____, ______ L1—L2＋α________, ___________γ→α+ L _______。 10 共析，偏析，包析反应式分别为______γ→α+β________，______ α1—α2＋β________，_______α+β→γ______。 11 固溶体合金凝固时，溶质分布的有效分配系数k0=__ C s/C l __ 14 固溶体合金定向凝固时，液相中溶质混合越充分，则凝固后铸锭成分_偏析最严重__。 15. 在二元相图中，L1→α+L2叫___偏晶___反应，β→L+α称为___熔晶__转变，而反应α１—α２＋β称为____偏析___反应，α+β→γ称为___包析___反应。19 Fe-Fe3C相图中含碳量小于__ 0.0218-2.11% __为钢，大于___ 2.11% __为铸铁；铁碳合金室温平衡组织均由_______F______和____ Fe3C __________两个基本相组成；根据溶质原子的位置，奥氏体其晶体结构是____ FCC __________，是____间隙________固溶体，铁素体是_____ ____间隙固溶体 ______固溶体，其晶体结构是__ BCC ____，合金平衡结晶时，奥氏体的最大含C量是___ 2.11 _______；珠光体是由___铁素体____和__渗碳体__组成的两相混合物；莱氏体的含碳量_____ 4.3% ____；在常温下，亚共析钢的平衡组织是___ P+F ___，过共析钢的平衡组织是____ P+Fe3C II ____，亚共晶白口铸铁的平
1合金元素影响 铜元素 铝铜合金富铝部分平衡相图如图所示。548时，铜在铝中的最大溶解度为 5.65%,温度降到302时，铜的溶解度为0.45%。铜是重要的合金元素，有一定的固溶强化效果，此外时效析出的C u A l2有着明显的时效强化效果。铝合金中铜含量通常在 2.5%~5%，铜含量在4%~6.8%时强化效果最好，所以大部分硬铝合金的含铜量处于这范围。 铝铜合金中可以含有较少的硅、镁、锰、铬、锌、铁等元素。 硅元素 A l—S i合金系平衡相图富铝部分如图所示。在共晶温度577时，硅在固溶体中的最大溶解度为 1.65%。尽管溶解度随温度降低而减少，介这类合金一般是不能热处理强化的。铝硅合金具有极好的铸造性能和抗蚀性。 若镁和硅同时加入铝中形成铝镁硅系合金，强化相为M g S i。镁和硅的质量比为 1.73:1。设计A l-M g-S i系合金成分时，基体上按此比例配置镁和硅的含量。有的A l-M g-S i合金，为了提高强度，加入适量的铜，同时加入适量的铬以抵消铜对抗蚀性的不利影响。 A l-M g2S i合金系合金平衡相图富铝部分如图所示。M g2S i在铝中的最大溶解度为 1.85%，且随温度的降低而减速小。 变形铝合金中，硅单独加入铝中只限于焊接材料，硅加入铝中亦有一定的强化作用。 镁元素 A l-M g合金系平衡相图富铝部分如图所示。尽管溶解度曲线表明，镁在铝中的溶解度随温度下降而大大地变小，但是在大部分工业用变形铝合金中，镁的含量均小于6%，而硅含量也低，这类合金是不能热处理强化的，但是可焊性良好，抗蚀性也好，并有中等强度。 镁对铝的强化是明显的，每增加1%镁，抗拉强度大约升高瞻远34M P a。如果加入1%以下的锰，可能补充强化作用。因此加锰后可降低镁含量，同时可降低热裂倾向，另外锰还可以使M g5A l8化合物均匀沉淀，改善抗蚀性和焊接性能。 锰元素 A l-M n合金系平平衡相图部分如图所示。在共晶温度658时，锰在固溶体中的最大溶解度为 1.82%。合金强度随溶解度增加不断增加，锰含量为0.8%时，延伸率达最大值。A l-M n合金是非时效硬化合金，即不可热处理强化。 锰能阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并能显著细化再结晶晶粒。再结晶晶粒的细化主要是通过 M n A l6化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作用。M n A l6的另一作用是能溶解杂质铁，形成（F e、M n）A l6，减小铁的有害影响。 锰是铝合金的重要元素，可以单独加入形成A l-M n二元合金，更多的
三元合金相图习题
三元合金相图 一、填空 1. 三元相图等温截面的三相区都是___________________形。 2. 图1是A-B-C三元系成分三角形的一部分，其中X 合金的成分是_____________________。 图1 3. 图2是三元系某变温截面的一部分，其中水平线代表________________反应，反应式为______________________ 。
图2 4．图3是某三元系变温截面的一部分，合金凝固时，L+M＋C将发生_________________反应。 图 图3
5. 三元相图的成分用__________________________表示。 6. 四相平衡共晶反应的表达式__________________________。 7. .图6是A-B-C三元共晶相图的投影图，在常温下： 合金I的组织是______________________________________ 合金II的组织是_______________________________________ 合金III的组织是______________________________________ 图4 8．三元相图有如下几类投影图 (1)_____________________________(2)______________
__________________(3)__________________________(4 )________________________________。 9. 三元系中两个不同成分合金，合成一个新合金时，则这三个合金成分点____________________________。 10. 四相平衡包共晶反应式为__________________________。 11. 三元相图垂直截面可用于分析__________________________________。 12. 三元系三条单变量线相交于__________，就代表一个__________________，并可根据单变量线箭头_____________判断__________________。 二、选择 1．图5是某三元系变温截面的一部分，a图中合金凝固时，L+α+ β三相区将发生_____反应，b图中L+α+ β三相区将发生_____反应。 A L+α→β B L+β→α C L→α+β
教学课题二元合金相图 教学课时 2 教学目的让学生了解了解相图的分析方法及共晶转变的概念 掌握共晶转变的定义、应具备的条件 教学难点共晶转变的定义、应具备的条件 教学重点共晶转变的定义、应具备的条件 教学方法讲解法 教具准备教材 教学过程
授课内容 一、二元合金相图的建立 相图：合金的成分、温度和组织之间关系的一个简明图表。 相图的作用：研究和选用合金的重要工具，对于金属的加工及热处理，具有指导意义。 相图的表示形式：平面坐标图的形式表示。（纵坐标表示温度，横坐标表示合金的成分）（教材P36页） 例如:F、G、M含义 ） F点表示：400℃时含B 20% 含A 80%合金 G点表示：800℃时含B 60% 含A 40%合金 M点表示：1000℃时含B 80% 含A 20%合金 相图的建立是通过实验的方法测定出来的。最常用的是热分析法。 以铅锑二元合金为例，说明步骤： （1）配制不同成分的Pb-Sb合金。 （2）将它们熔化，再用热分析法测定各合金的冷却曲线。 （3）根据各冷却曲线上的转折点，确定其临界点的位置。（临界点：金属发生 结构改变的温度。指合金的结晶开始及终了温度。） （4）把各合金的临界点描绘在温度—成分坐标系的相对位置上，并将意义相同
的临界点连接起来，即得相图。 举例说明Cu —Ni 二元合金相图。 二、铅锑二元合金相图的分析 ℃℃） A （327 ） 1、A 点：铅的熔点 （327℃） 2、B 点：锑的熔点 （631℃） 3、C 点：共晶点（ Sb11%+Pb89% 252℃ ） 4、ACB ：液相线 5、DCE ：固相线 6个区域（如图） 共晶转变：一定成分的液态合金，在某一恒温下，同时结晶出两种固相的转变。 结晶过程 1、共晶转变：（Sb11%+Pb89%） 252℃ Lc ===== （Sb + Pb ） 共晶合金：在恒温下从液相中，同时结晶出 Sb 和 Pb 的混合物（共晶体），继续冷却，共晶体不再发生变化。这一合金称为共晶合金。 2、亚共晶转变： （ Sb ＜11% ）
第5章 三元合金相图 由A-B-C 三组元组成的合金称三元合金，其相图称三元相图。要确定三元合金的成分，必须给出其中两个组元的成分。所以，在三元相图中表示成分的坐标轴有两个。 5-1 三元相图成分表示方法 在三元相图中表示成分的两个坐标轴原则上可以 交成任何角度，但一般采用等边三角形的三个边表示。 设P 为等边三角形内任意点，从P 点分别做三条 边的平行线，交三条边于a 、b 、c 点。根据等边三角 形的几何性质： %100==++=++AB Ba Ac Cb Pc Pb Pa 因此，可用Cb 、Ac 、Ba 表示A 、B 、C 的成分。这样，三角形中每一点都表示一个三元合金的成分。该三角形称浓度三角形，或成分三角形。 5-2 三元相图中的定量法则 一、直线法则 二元合金处于两相平衡时，自由度f =2-2+1=1，温度和成分两个变量中只有一个可以独立改变，如当温度一定时，两个平衡相的成分是确定的。 三元合金处于两相平衡时，f =3-2+1=2，当温度一定时，两个平衡相中，只有一个相的成分可独立改变。当温度和其中一个相的成分一定时，剩余相的成分是确定的。 假设某三元合金的成分点为P ，在某一温度下，该合金处于α、β两相平衡，两相的成分点为a 、b （P133图4）。可以证明（P133），此时，a 、b 、P 三成分点在一条直线上，且P 点位于a 、b 之间。这一规律称直线法则。 二、杠杆定律 三元相图中的杠杆定律与二元相图中的类似，即同样也只适用于两相区，但形式上略有不同，在直线法则的基础上： %100%?=ab Pb α， %100%?=ab Pa β 三、重心法则 三元合金处于α、β、γ三相平衡时，f =3-3+1=1。当温度一定时，三个平衡相的成分是确定的，其成分点a 、b 、c 构成一个三角形。若将成分比喻成重量，则合金的成分点P 一定落在成分点a 、b 、c 三角形的重心处，这一规律