第章三元相图笔记及课后习题详解已整理袁圆.docx

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第章三元相图笔记及课后习题详解已整理袁圆

第章-三元相图-笔记及课后习题详解（已整理-袁圆－.．）

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第8章三元相图

8．1复习笔记

一、三元相图的基础

三元相图的基本特点：

完整的三元相图是三维的立体模型;三元系中的最大平衡相数为四。

三元相图中的四相平衡区是恒温水平面；三元系中三相平衡时存在一个自由度,所以三相平衡转变是变温过程，反应在相图上,三相平衡区必将占有一定空间。

1．三元相图成分表示方法

（１）等边成分三角形

图8-1　用等边成分三角形表示三元合金的成分

三角形内的任一点S都代表三元系的某一成分点。

（2）等边成分三角形中的特殊线

①等含量规则：

平行于三角形任一边的直线上所有合金中有一组元含量相同,此组元为所对顶角上的元素。

②等比例规则：

通过三角形定点的任何一直线上的所有合金，其直线两边的组元含量之比为定值。

③背向规则:

从任一组元合金中不断取出某一组元，那么合金浓度三角形位置将沿背离此元素的方向发展,这样满足此元素含量不断减少,而其他元素含量的比例不变。

④直线定律:

在一确定的温度下,当某三元合金处于两相平衡时，合金的成分点和两平衡相的成分点必定位于成分三角形中的同一条直线上。

（3）成分的其他表示方法:

①等腰成分三角形:

两组元多，一组元少。

②直角成分坐标：

一组元多，两组元少。

③局部图形表示法：

一定成分范围内的合金。

2．三元相图的空间模型

图8-2三元匀晶相图及合金的凝固（a）相图（b）冷却曲线

3．三元相图的截面图和投影图

（1）等温截面

定义：

等温截面图又称水平截面图,它是以某一恒定温度所作的水平面与三元相图立体模型相截的图形在成分三角形上的投影。

作用:

①表示在某温度下三元系中各种合金所存在的相态;

②表示平衡相的成分,并可以应用杠杆定律计算平衡相的相对含量。

图8-3　三元合金相图的水平截面图

（2）垂直截面

定义:

固定一个成分变量并保留温度变量的截面,必定与浓度三角形垂直，所以称为垂直截面，或称为变温截面。

常用的垂直截面有两种：

①通过浓度三角形的顶角，使其他两组元的含量比固定不变；

②固定一个组元的成分,其他两组元的成分可相对变动。

图8-4　三元相图的垂直截面图

（3）三元相图的投影图

定义：

把三元立体相图中所有相区的交线都垂直投影到浓度三角形中,就得到了三元相图的投影图。

4．三元相图中的杠杆定律及重心定律

（1）杠杆定律

（

２）重心定律

二、固态互不溶解的三元共晶相图

1．相图的空间模型

图８-5　　

组元在固态完全不互溶的三元共晶相图

A、B、Ｃ三组元的初始结晶面:

aｅ1Eｅ３a、be1Ee2b、ｃe２Eｅ3c

共晶转变线：

e１E：

L→A＋B

ｅ２Ｅ：

L→B+C

e3Ｅ:

L→C+A

E点为三元共晶点：

LＥ→A＋Ｂ+C

2．截面图

（1）垂直截面图：

①垂直截面图中的水平线不一定是恒温转变线，但三相区之间的水平线是恒温转变线；

②Ａt截面是一个特殊截面，结晶出的是纯组元A相,由直线法则可知ａ’ｑ’是连接线。

故该温度下可求A和Ｌ的相对量。

图8-6　垂直截面图（a）浓度三角形（b）rs截面（c）Aｔ截面

（2）水平截面图

①两相区和单相区之间的分界线是曲线；

②两相区和三相区之间的分界线是直线,实际山是两个相区分界的联结线；

③三相区是三角形。

图8-７　不同温度下的水平截面图

3.投影图

图８-８所示的投影图中，粗线e1Ｅ，e2E和e3E是3条共晶转变线的投影，它们的交点E是三元共晶点的投影。

图8－8三元相图的水平投影图

利用这个投影图分析合金的凝固过程，不仅可以确定相变临界温度，还能确定各相的成分和相对含量。

合金组织组成物的相对含量可以利用杠杆法则进行计算；位于投影图（见图8-8）中各个区域的合金之室温组织列于表8-１中。

表8-1　固态完全不溶、具有共晶转变的三元合金系中典型合金的室温组织

４．相区接触法则

三元相图也遵循二元相图同样的相区接触法则,即相邻相区的相数差1（点接触除外）。

三、固态有限互溶的三元共晶相图

1．相图分析

（1）液相面和固相面

液、固两相平衡区和单相固溶体区之间都存在一个和液相面共轭的固相面，即：

固相面aｆmla和液相面aｅ1Ee3a共轭

固相面bｇｎhb和液相面be1Ee2ｂ共轭

固相面cipｋc和液相面cｅ2Ee３c共轭

图8-9　组元在固态有限溶解的共晶相图

五种相界面：

3个液相面，６个两相共晶转变起始面，3个单相固相面，３个两相共晶终止面（即为两相固相面）,1个四相平衡共晶平面。

六种区域:

液相区；３个单相固溶体区;3个液、固二相平衡区；3个固态两相平衡区，3个发生两相共晶转变的三相平衡区及１个固态二相平衡区。

图8－10

三元共晶相图的两相区和三相区的立体投影图

（2）二元共晶转变的空间结构

二元共晶转变的空间结构是三棱柱体，三条棱是三条单变量

（3）三元共晶转变面

成分为E的液相在水平面mｎp（三元共晶转变面）发生四相平衡的共晶转变:

ＬE→αm+βn+γp

（4）三个固相平衡三棱台

（5）固溶体的溶解度曲面

六个固溶度曲面,每个固溶度曲面表示有由某个固溶体析出另外两个中的一个固溶体（表示为二次固溶体）。

（６）单相区

２.投影图

图8-11三元共晶相图的投影图

表8-2　　固态有限互溶、具有共晶转变的三元合金系结晶过程和室温组织

合金所在区

结晶过程

室温组织

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

Ⅵ

Ⅶ（在ｍE上的合金）

3.截面图

（1）水平截面图：

图８-１2固态有限互溶的三元合金系水平截面图

特点:

①三相区都呈三角形；

②三相区以三角形的边与两相区连接,相界线就是相邻两相区边缘的共轭线；

③两相区一般以两条直线及两条曲线作为周界。

（2）垂直截面图

图8－1３三元共晶相图的垂直截面（a）投影图（ｂ）VW截面（ｃ）QR截面

（a）

五、包共晶型三元系相图

包共晶转变的反应式为

L＋α→β＋γ

其中A－B系具有包晶转变,A-C系也具有包晶转变,B-C系具有共晶转变

六、具有四相平衡包晶转变的三元系相图

四相平衡包晶转变的反应式为

L+α+β→γ

七、形成稳定化合物的三元系相图

组元之间形成稳定的三元化合物,分析相图时把这些化合物看作独立组元。

各种化合物彼此之间、化合物和纯组元之间都可以组成伪二元系,从而把相图分割成几个独立的区域。

图8-14　一组二元系中形成稳定化合物的三元合金相图

八、

三元相图小结

1．单相状态

处于单相状态时,自由度数为f=４－1＝3，一个温度变量和两个相成分的独立变量。

占据了一定的温度和成分范围，且可以独立变化。

它的截面可以是各种形状的平面图形。

２．两相平衡

两相平衡区的自由度为２，除了温度之外,其中某一相的某一个组元的含量是独立可变的。

在三元系中,一定温度下的两个平衡相之间存在着共轭关系。

两相区与三相区的界面由不同温度下两个平衡相的共轭线组成。

3.三相平衡

三相平衡时系统的自由度为1，即温度和各相成分只有一个是可以独立变化的。

（2）

４．四相平衡

三元系四相平衡的自由度为零,即平衡温度和平衡相的成分都是固定的。

三元系中四相平衡转变如下表所示。

表8-3三元系中的四相平衡转变

8．2课后习题详解

８-1　某三元合金Ｋ在温度为Ｔ１时分解为B组元和液相，两个相的相对量

。

已知合金K中A组元和C组元的重量比为3,液相含B量为40％，试求合金K的成分。

答:

由已知条件作图如下，温度Ｔ1组元Ｂ、液相L和合金K应在一条直线上,则由杠杆定律可得:

合金K中w（B）=8０％，又已知：

w（Ａ）+w（C）＝1００％-80％=20%和w（Ａ）=3w（Ｂ）。

由此解得:

A,Ｃ的质量分数分别为15%，5％。

即Ｋ合金成分为:

A，Ｂ，Ｃ的质量分数分别为15％，８0%,5％。

8-2　三组元A,B和C的熔点分别是1０0０℃，900℃和750℃，三组元在液相和固相都完全互溶，并从三个二元系相图上获得下列数据。

①在投影图上作出９5０℃和850℃的液相线投影。

②在投影图上作出９5０℃和8５0℃的固相线投影。

③画出从A组元角连接到BC中点的垂直截面图。

答:

①根据已知条件分别作ＡB，AC和BＣ二元相图,并假设液相线和固相线是光滑的,然后在三个二元相图上作９50℃的割线，可在ＡB二元相图上得到与液相线相交点的Ｂ，A的质量分数约为７0％，３0％,在AＣ二元相图上与液相线相交点的C，A的质量分数约为３５％,65％，而在BＣ相图上则不与液相线相交。

最后在三元投影图上，用光滑曲线连接两个二元成分，即为9５0℃液相线的近似投影，同理可得８50℃的液相线投影。

（见下图ab）

②作图同上，如图37（a）中虚线所示。

③如图3７（b）所示。

8－3　图8-3所示,已知A,B，Ｃ三组元固态完全不互溶，A，B,C的质量分数分别为8０%,10％，１０%的O合金在冷却过程中将进行二元共晶反应和三元共晶反应，在二元共晶反应开始时，该合金液相成分（a点）A,B，C的质量分数分别为60％，20%，20％，而三元共晶反应开始时的液相成分（E点）A,B，C的质量分数分别为50%,10%,４0%。

①试计算Ａ初％，（A+B）%和（A+B+Ｃ）%的相对量。

②写出图中Ｉ和Ｐ合金的室温平衡组织。

答：

①

②I合金：

B+（Ａ＋B＋C）共晶

P合金:

（Ｂ+C）共晶＋（A+B＋C）共晶

8—4A，Ｂ，C的质量分数分别为４0%，3０%和３0%的三元系合金在共晶温度形成三相平衡，三相成分如下：

①计算液相、α相和β相各占多少分数。

②试估计在同一温度,α相和β相的成分同上，但各占50%时合金的成分。

答:

首先作一浓度三角形，如图３8所示，然后标上各相成分，合金成分点为:

①

②设合金成分为x，并必定在α-β相成分点的连线上，由杠杆定律得：

再从浓度三角形上查得w（B）=１４．5%，w（C）=3８%。

8-5　Ｃu-Ｓn-Ｚn三元系相图在600℃时的部分等温截面如图８-５所示。

①请在此图中标出合金成分点P点（Cｕ-3２％Ｚn-５%Sn），Q点（Cｕ-4０%Zn-6%Sn）和T点（Cu-33%Ｚn-1％Sn）,并指出这些合金在600℃时由哪些平衡相组成?

②若将5kg的P合金、5kg的Ｑ合金和１0ｋｇ的Ｔ合金熔合在一起,则新合金的成分为多少?

答：

见下图:

①在60０℃时合金P由α+β相组成;合金Ｑ由β+γ相组成；合金T由α相组成。

②设所求合金中铜、锡、锌的质量分数分别为w（Cu）,w（Sn），w（Zn）。

根据已知条件,

P，Q，T合金分别占新合金中的质量分数为２5%,２５％,50％，由重心定律可得：

w（Ca）=2５%×6３%+２5%×５4％+50％×６6%＝6２.2５％

w（Sｎ）＝2５％×5％+２５%×6%