1、5-8 三元合金相圖,一、概述,工業(yè)上使用的金屬材料大多含有2種以上的主要合金元素，當(dāng)?shù)?種元素含量較低、對合金狀態(tài)影響不大時，仍可以應(yīng)用二元合金相圖，但是如果第3種元素對合金的狀態(tài)、組織、性能影響不能忽略時，就要用三元合金相圖來分析了。,工程上使用的許多材料是三元或多元的。常用的三元合金有： 合金鋼 Fe-C-M（M是合金元素，如Si,Mn,Ti,V等） 軸承鋼 Fe-C-Cr 不銹鋼 Fe-Cr-Ni 高錳（耐磨）鋼 Fe-C-Mn 鑄 鐵 Fe-C-Si 鋁合金 Al-Mg-Si, Al-Cu-Mg等,陶瓷材料有： 硅酸鹽產(chǎn)品 CaO-Al2O3-SiO2 耐火材料 MgO-Al2O3-

2、SiO2,可見，三元相圖有重要的實用價值。但三元相圖測定困難，工作量太大，完整的三元相圖資料不多?，F(xiàn)有的也多是局部的截面圖或投影圖。,1、三元合金的成分表示方法,成分（濃度）三角形,采用等邊三角形表示三個組元的成分。三角形的三個頂點分別為3個組成元素（100），三角形內(nèi)任一點（如o點），即可代表任一三元合金的成分。,確定o點合金成分的具體方法： 通過o點分別作三角形3 個邊的3條平行線，則Ca = wA，即o點合金中A組元的含量；同樣， Ab = wB， Bc = wC。,證明：根據(jù)等邊三角形的性質(zhì) Ca +Ab +Bc =AB = BC = CA=1 所以，wA+wB+wC =1=100%,

3、例：在成分三角形ABC中確定三元合金40A-30%B-30%C的成分點。,先在成分三角形的3條邊上找出各組元的含量點，通過這3個點作出3條平行線，它們的交點就是該合金的成分點。,成分三角形的兩條特殊直線,平行于一邊的直線等量規(guī)則 此直線上任一點都含有等量的對面頂點的組元。如右上圖所示，直線MN上任一點合金的C %相等。,通過三角形頂點的直線等比規(guī)則 此直線上任一點合金的其他（直線為通過頂點的）兩種組元含量之比不變。如右下圖所示，直線CD上任一點的合金：wA/wB=常數(shù),2、三元相圖的表示方法,三元相圖以成分三角形作水平面，以垂直于成分三角形平面的縱軸表示溫度，整個三元相圖是一個三角棱柱的立體圖

4、形。由于立體圖復(fù)雜，測定困難，實際經(jīng)常使用的是等溫（水平）截面圖、垂直截面圖、和投影圖。,3、三元相圖中的直線法則、杠桿定律、重心法則,直線法則與杠桿定律,在三元相圖的水平截面中的二相區(qū)，合金o此溫度為L+狀態(tài)，則此時合金平均成分、液相和固相成分必在一條直線上，且平均成分點在液、固相成分點之間。這就是直線法則，這條直線稱為共軛線。,共軛線又稱兩相平衡連接線,同一種合金在不同溫度時的共軛線不同（長度、方向），一般隨溫度下降繞O點旋轉(zhuǎn)。 共軛線兩端點表示該溫度時平衡的兩相的成分點。 只有在共軛線上才能應(yīng)用杠桿定律。 共軛線是由實驗測出的。,應(yīng)用杠桿定律計算此溫度時L相和相的相對量：,重心法則,在三

5、元相圖的水平截面中的三相區(qū)（直邊三角形共軛三角形），合金O此溫度為3相共存狀態(tài)。共軛三角形的三個頂點分別為三個相的成分點，過共軛三角形的三個頂點和合金平均成分點分別作三條直線，即可利用杠桿定律分別計算出三個相的相對量：,由于O點象共軛三角形的重心，所以稱為重心法則。,注意，直線法則、杠桿定律和重心法則僅適用于三元相圖的等溫（水平）截面。,二、三元勻晶相圖,1、立體相圖分析,液相面，固相面 相區(qū)： 液相區(qū)液相面以上區(qū)域 固相區(qū)固相面以下區(qū)域 二相區(qū)液相面和固相面之間的區(qū)域,立體相圖的用途,應(yīng)用立體相圖可以分析某成分的合金的冷卻凝固過程，與二元相圖類似。例如，分析合金o的冷卻凝固過程：溫度降低到液

6、相面開始結(jié)晶出固相，隨著溫度繼續(xù)下降，液相逐漸減少，固相逐漸增多，溫度低于固相面時液相全部轉(zhuǎn)變成固相。凝固過程中，液相成分沿液相面變化，固相成分沿固相面變化。,水平截面的用途,用于分析某一溫度下不同成分三元合金的狀態(tài)， 可以應(yīng)用直線法則、杠桿定律、重心法則計算相的相對量。,2、水平截面分析,水平截面有3個區(qū)域：L，L+， ,合金o此溫度為L+二相共存。,在共軛直線上應(yīng)用杠桿定律計算L、相的相對量為：,說明：液、固二相的成分是由實驗測得的。,3、等溫線投影圖分析,將立體相圖投影到成分三角形上，所得圖形就是投影圖。由于三元勻晶相圖簡單，投影圖反映不出溫度信息，所以把不同溫度的水平截面與液相線、固相

7、線的交線投影到成分三角形上，如圖所示。,如果把合金O在不同溫度的共軛直線投影到成分三角形上，則共軛線兩端點的軌跡投影的形狀象蝴蝶，因此稱為碟形線。,對于三元合金兩相平衡共存時，只有測得其中一相的成分，才能確定另一相得成分。,4、垂直（變溫）截面圖分析,為了方便通常取通過兩條特殊直線的垂直截面。,垂直截面的用途,分析成分在該垂直截面上的合金在一定溫度時的狀態(tài)。 說明： 在垂直截面上不能應(yīng)用杠桿定律計算相的相對量。 垂直截面與水平截面圖都是由實驗測得的，并非由立體相圖截得。相反，三元立體相圖則是由一系列的水平截面和垂直截面作出的。,三、簡單三元共晶相圖,三元共晶相圖的類型與二元共晶的相似，也有二種

8、基本形式。一種是液態(tài)無限溶解，固態(tài)完全不溶解；另一種是固態(tài)有一定溶解度的三元共晶相圖。這里僅介紹最簡單的一種（前者）。,1、立體相圖分析,立體相圖的三個側(cè)面分別是三個簡單二元共晶相圖：A-B，B-C，C-A。三個二元共晶點分別是：E1、E2、E3，注意它們的溫度不同。,二元共晶點和二元共晶線,合金系：A-B A-B-C 二元共晶點E1 二元共晶線E1E,三元共晶點E,三條二元共晶曲線的交點E，就是三元共晶點。在點進(jìn)行三元共晶轉(zhuǎn)變：,根據(jù)相律 f =C-P +1= 0，這是一個恒溫轉(zhuǎn)變。,E點所在平面ABC稱為三元共晶平面。,液相面、固相面,液相面：TAE1EE3TA， TBE2EE1TB ，

9、TCE3EE2TC 固相面： ABC三元共晶面水平面,相區(qū)分析,單相區(qū)： 1個液相區(qū)，液相面以上區(qū)域 二相區(qū)：3個，L+A，L+B，L+C,三相區(qū)：4個，L+A+B，L+B+C，L+C+A，A+B+C（固相區(qū)）,三相區(qū)的水平截面是直邊三角形（即共軛三角形），三個頂點就是此溫度時三個平衡相的成分點。在左邊這個三相區(qū)進(jìn)行的是二元共晶轉(zhuǎn)變： L A+B。組元C存在于液相中，液相成分沿E1E曲線變化到E點。,四相區(qū)：1個，ABC平面，稱為三元共晶平面。,三相區(qū)的特征,以L+A+B三相區(qū)為例： 頂邊A3E1B3是A-B二元共晶直線， 底面是三元共晶平面（四相區(qū)）的一部分。 三條棱邊：A1A3、B1B3是

10、直線，E1E是曲線。,三個側(cè)面： A1A3B3B1A1是垂直平面，是二元共晶A-B相圖的固相區(qū)； A1A3E1EA1是二元共晶曲面，是AL直線上下平移的軌跡； B1EE1B3B1是二元共晶曲面，是BL直線上下平移的軌跡。,三相區(qū)的水平截面是直邊三角形，即共軛三角形。,合金凝固過程分析,以合金O為例： 液態(tài)合金L冷卻降溫到液相面（1點）進(jìn)入L+A二相區(qū)，開始結(jié)晶出固相A，固相的成分不變化，液相成分在液相面上變化，隨溫度降低液相成分到達(dá)E1E二元共晶曲線（q點）。此時液相開始二元共晶轉(zhuǎn)變：L(A+B)，液相成分沿E1E曲線下降直到E點。最后成分為E點的液相進(jìn)行三元共晶轉(zhuǎn)變： L(A+B+C)。,L

11、A+L A+L(A+B) A+(A+B)+LE(A+B+C) A+(A+B)+(A+B+C),總結(jié)：,2、水平(等溫)截面分析,二相區(qū)是曲邊三角形，三相區(qū)是直邊三角形。,二相區(qū)里的共軛直線都經(jīng)過成分三角形的頂點。這是因為固相的成分為純組元，是固定的。,3、垂直(變溫)截面分析,4、投影圖分析,左下圖只有三條二元共晶曲線的投影，三條虛線是三個二相區(qū)的底邊。這樣成分三角形分成了6個區(qū)，每個區(qū)的合金室溫組織不同。右下圖是等溫線投影圖。,利用等溫線投影圖，可以分析合金的凝固過程，從而知道合金的室溫組織。如上圖所示，合金O的室溫組織為： A+(A+B)+(A+B+C),四、三元相圖應(yīng)用,1、Fe-C-Si三元系的垂直截面,右圖是在F-C-Si成分三角形中平行于Fe-C邊的垂直截面，含Si 2.4%。它對研究灰口鑄鐵的組織是十分有用的工具。,這個相圖中出現(xiàn)了， 4個單相區(qū)：L,。 7個兩相區(qū)：L+,+，L+,+,+G,+G,L+G。,3個三相區(qū)：L+, L+G, +G。,三元相圖垂直截面中的三相區(qū)通常是一個曲邊三角形，但不是共軛三角形。它的三個頂點雖然與單相區(qū)相接，卻不表示處于平衡狀態(tài)的三個相的成分。 對于二元Fe-C合金系，包晶轉(zhuǎn)變、共晶轉(zhuǎn)變和共析轉(zhuǎn)變都是恒溫轉(zhuǎn)變，在相圖中為一條水平線