第五章 相图：本章主要包括相图的基本知识，二元匀晶相图、二元共晶相图、二元包晶相图的分析方法、铁碳相图的应用以及三元相图的基础内容。5.1相、相平衡及相图制作:相是系统中具有同一聚集状态并以界面隔开的均匀组成部分。组织是用肉眼、放大镜或显微镜所观察到的材料内部的形貌。同一个相可以是不同的组织中的组成部分。不同的相可以位于同一组织中。某一温度下，系统中各个相在很长时间内处于平衡状态时，称为相平衡，它是热力学相平衡，也是动力学相平衡。在热力学平衡条件下,系统的组元数、平衡相数和自由度数之间存在确定的关系，称为相律，其表达形式为f=c-p+1（恒压条件下），这是分析和使用相图的重要依据。[单选题]对于发生完全的匀晶转变的二元合金系，其平衡凝固产物一定是无限固溶体。选项:[对, 错]
5.2固溶体合金的平衡凝固:从液相中直接结晶出一种固相（通常是固溶体）的过程称为匀晶转变。完全具有匀晶转变的二元相图称为二元匀晶相图。几乎所有二元合金相图都包含有匀晶转变部分。与纯金属的结晶过程不同，固溶体合金的结晶是变温过程。利用相图分析合金的凝固过程时，认为合金由液相无限缓慢地冷却，原子充分扩散，时时达到相平衡，这称为平衡凝固。与纯金属结晶相比，合金的结晶条件除了热力学条件、结构条件、能量条件外，还需要成分起伏，因而合金的形核比纯金属的更困难。平衡凝固过程中液固两相相对量的变化可用杠杆定律计算。
5.3固溶体合金的微观偏析:实际生产中的凝固过程很快，多数为非平衡凝固过程，可用平衡相图作定性描述。由于快冷过程中溶质原子扩散不均匀，造成固相线和液相线偏离平衡凝固位置。固溶体合金非平衡凝固时，不同时刻结晶出的固相成分不同，导致一个晶粒内的成分不均匀，称为晶内偏析。由于固溶体非平衡凝固时一般以树枝状结晶生长，所以这种晶内偏析也称为枝晶偏析。枝晶偏析的存在对材料的性能不利，需通过扩散退火消除。
5.4固溶体合金的宏观偏析:固溶体在沿一定方向非平衡结晶时，由于结晶先后不同而在一个较大区域范围内出现成分不均匀，这种现象称为宏观偏析。此时在液-固界面处液固两相仍然遵守相图。平衡凝固条件下液固两相平衡时，一定温度下固、液两相中溶质浓度之比称为溶质平衡分配系数。非平衡凝固时，不考虑固相内部的原子扩散，只讨论液相中的溶质混合变化，称为正常凝固过程。据此可以将宏观偏析分为三种情况讨论，分别是液相完全混合、液相部分混合和液相完全不混合。当液相部分混合时，液固界面前沿逐渐达到稳态凝固，此时要用溶质有效分配系数代替平衡分配系数进行计算。总的分析结果表明，固溶体因凝固速度不同可形成不同的宏观偏析：很快结晶时偏析很小；缓慢结晶时偏析严重；较快结晶时介于前两者之间。区域熔炼也称区域提纯，是利用宏观偏析的原理进行材料提纯的工艺。
5.5成分过冷的形成:成分过冷是由于液相成分改变所导致的结晶温度变化与实际温度分布共同形成的过冷。
5.6成分过冷的控制及对固溶体生长形态的影响:成分过冷区的大小和形状直接影响凝固组织形态。生产上主要通过控制温度梯度和冷却速度来控制成分过冷。随着成分过冷区由小到大，液固界面的生长形态的变化为：平面状生长→胞状生长→树枝状生长。
5.7二元共晶相图分析:某一温度时，由一定成分的液相同时结晶出两个特定成分固相的转变称为共晶转变。具有共晶转变特征的相图称为共晶相图。
5.8二元共晶合金的平衡凝固:平衡凝固时，成分位于共晶线两端外侧的合金称为端部固溶体合金。在平衡凝固过程中，不发生共晶转变，但可能有次生相的析出。共晶合金在共晶温度发生共晶转变，在恒温下完成，液相转变成两个不同成分的固相，组织为两个相的机械混合物。成分位于共晶线上共晶点左、右的合金分别称为亚共晶合金和过共晶合金，它们在平衡凝固时，首先进行匀晶转变析出一种固相，待温度降至共晶温度，剩余液相发生共晶转变，最后获得先共晶相+共晶组织的混合组织，先共晶相在随后的降温过程中，还可能析出次生相。
5.9共晶组织及其形成机理:共晶组织是两相机械混合物。共晶组织的形貌多种多样，依据共晶体中各相的凝固行为特征，通常分为三种：粗糙-粗糙界面共晶、粗糙-平滑界面共晶、平滑-平滑界面共晶。共晶组织的粗细用共晶体中的片层厚度表示，过冷度越大，共晶体片层越薄，强度越高。
5.10共晶系合金的非平衡凝固及组织:伪共晶是非平衡凝固条件下，由非共晶成分合金所得到的完全共晶组织。其成分位于共晶点附近。与共晶组织相比，伪共晶组织的化学成分不同，组织细密，强度、硬度较高。离异共晶是两相分离的共晶组织。平衡凝固条件下，成分位于共晶线上两端点附近;非平衡凝固条件下，成分位于共晶线外两端点附近。
5.11二元包晶相图:包晶转变是由一个特定成分的固相和液相生成另一个特定成分固相的转变。包晶相图是具有包晶转变特征的相图。平衡凝固条件下，成分位于包晶相图中的水平线上的合金都会发生包晶转变。但这条水平线并不完全是固相线。通常情况下包晶转变不能充分进行，这会导致组织变化和发生成分偏析现象，称为包晶偏析，在包晶转变温度较低的合金中最易出现；可用扩散退火减少或消除。
5.12铁碳相图简介:铁碳相图可分为铁-石墨相图和铁-渗碳体相图，常用的是后一种。铁-渗碳体相图中，有5个重要的成份点: E、C、P、S、K；4条重要的线: EF、ES、GS、PK；3个重要转变: 包晶转变、共晶转变、共析转变；2个重要温度: 1148 ℃ 、727 ℃。
5.13铁碳相图中的相和组织:Fe-Fe3C相图中的基本相有5个：液相、高温铁素体、（低温）铁素体、奥氏体、渗碳体。有3个单相组织：铁素体、奥氏体、渗碳体；有2个独立的多相组织：珠光体、莱氏体；有5个混合多相组织，如铁素体+珠光体等。
5.14铁碳合金的分类及其平衡结晶过程:在Fe-Fe3C相图中，铁碳合金可分为工业纯铁、钢、白口铸铁三类。工业纯铁是含碳量小于0.0218%的铁碳合金，室温组织为铁素体+三次渗碳体。钢又可分为共析钢、亚共析钢、过共析钢。白口铸铁可分为共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁。共析钢室温组织为珠光体。亚共析钢室温组织为先共析铁素体+珠光体。过共析钢室温组织为二次渗碳体+珠光体。共晶白口铸铁室温组织为低温莱氏体。亚共晶白口铸铁室温组织为珠光体+二次渗碳体+低温莱氏体。过共析钢室温组织为一次渗碳体+低温莱氏体。
5.15铁碳合金的组织与性能:不同含碳量的铁碳合金的室温组织中，从相组成上看只包括铁素体和渗碳体，但从组织上看，按含碳量由低到高，依次变化为：铁素体+三次渗碳体→铁素体+珠光体→珠光体→珠光体+二次渗碳体→珠光体+二次渗碳体+低温莱氏体→低温莱氏体→一次渗碳体+低温莱氏体。合金的力学性能取决于组织。对于钢而言，通常随碳含量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。当钢的碳含量达0.9%后强度迅速下降。所以钢中的碳含量一般都不超过1.3-1.4%。
5.16铸锭的组织与偏析:铸锭组织通常包括三个区：最表层的等轴细晶粒区、中间的柱状晶区、中心的等轴晶区。表层细晶粒区量比较少，有时甚至没有。所以对铸锭组织的控制主要是针对柱状晶区和中心等轴晶区。铸锭中的宏观偏析主要包括正偏析、反偏析、密度偏析。
5.17三元相图基础:三元相图中使用成分三角形表示三元合金的成分。在一定温度下，三元合金两相平衡时，合金的成分点和两个平衡相的成分点必然位于成分三角形内的同一条直线上，这称作共线法则。而且，可以应用杠杆定律计算平衡两相的相对量。而在一定温度下，若存在三相平衡，则合金的成分点为三个平衡相的成分点组成的三角形的质量重心，这称作重心法则。在三元相图中，与二元相图相同，存在相区相邻规则，意为：相图的相邻相区中相的数目差1。
5.18三元匀晶相图:若三个组元在液态、固态均能完全互溶，则构成三元匀晶系，相应的相图为三元匀晶相图。实际使用时通常使用二维的相图，包括等温线投影图、等温截面图、变温截面图等。等温线投影图和等温截面图中，固相线、液相线是由一系列的平衡两相的成分点组成的，我们把平衡两相成分点之间的水平连接线称为共轭线，可以应用杠杆定律。而变温截面图中的固相线和液相线通常不是共轭关系，不能应用杠杆定律。
5.19固态完全不溶的三元共晶相图:三组元在液态完全互溶，固态有限互溶或完全不溶，且具有共晶转变的相图称为三元共晶相图。其中三组元固态完全不互溶的情形是最简单的。在三元共晶点，发生液相同时转变成三个固相的共晶转变，过该点的等温平面为四相平衡共晶面。平衡相的成分随温度变化的空间曲线称为单变量线。
5.20三元相图的相平衡特征:三相平衡区等温截面上均为共轭三角形，顶点接单相区，边接两相区；垂直截面上为曲边三角形。四相平衡转变分为共晶转变、包共晶转变和双包晶转变。可根据四相平衡共晶面上下的三相区数目和投影图中液相单变量线箭头走向判断四相平衡转变的类型。
[单选题]发生晶内偏析时，因为晶粒内外成分不同，所以一个晶粒是由多个相组成的。选项:[错, 对]
[单选题]实际生产中，在缓慢结晶条件下，固溶体合金棒的宏观偏析最严重。选项:[错, 对]
[单选题]由于成分过冷区的存在，即使是正温度梯度下，固溶体合金也有可能结晶时以树枝状长大。选项:[对, 错]
[单选题]二元共晶相图中，只有单相区和两相区，没有三相区。选项:[错, 对]
[单选题]伪共晶和离异共晶都是非平衡组织，只有在非平衡凝固条件下才可以获得。选项:[错, 对]
[单选题]包晶相图中的水平线是包晶线，同时也是固相线。选项:[对, 错]
[单选题]可以借助铁碳相图分析马氏体转变。选项:[对, 错]
[单选题]共析转变的产物是（）。选项:[贝氏体, 马氏体, 莱氏体, 珠光体]
[单选题]三元系合金相图中，若已知三个平衡相的成分点，则可用几何知识确定其几何重心，即是合金的成分点。选项:[对, 错]
温馨提示支付 ￥3.00 元后可查看付费内容,请先翻页预览!
