物理冶金原理金属学3合金相图与凝固

1、Fe9Cr9Si2 s-Phase Reinforced Wear and Corrosion Resistant MaterialsFe9Cr9Si2 s-PhaseCr3SiCr2Ni3Si包晶转变的应用：利用胞晶转变特点细化凝固组织晶粒 L + NiTi NiTi2NiTi2共晶转变 L a + b共析转变 a b + g包晶转变 L + a b 包析转变 a + b g 二元系中的三相平衡F = 2 3 + 1 = 0共晶转变 L a + b共析转变 a b + g包晶转变 L + a b 包析转变 a + b g Cr3SiL36 + (Cr5Si3)27 (CrSi)35Perit

2、ectic Reactionsin Cu-Zn Binary AlloysFe-C二元合金相图及钢铁材料的平衡凝固组织Fe-C Binary Phase Diagram and The Equilibrium Structures of Irons and Steels重要性意义1. 铁素体：Ferrite The Solid Solution of C in a-Fe (BCC) 0.0218%C2. 奥氏体：Austenite The Solid Solution of C in g-Fe (FCC) 2.11%C3. 渗碳体：Cementite The Iron Carbide Fe3C

3、 6.69%C4. 石墨：Graphite The Stable Form of CarbonFe-C二元合金中的相：Phases in Fe-C Binary AlloysgaFe3C1.胞晶转变Peritectic Reactiond0.09 + L0.53 g0.172.共晶转变Eutectic ReactionL4.33(Fe3C) 6.69 + g 2.11 Ledeburite 莱氏体3.共析转变Eutectoid Reaction0.77 (a 0.0218 + Fe3C) Pearlite 珠光体ES线！GS线！Fe-C相图中的三相平衡SteelsCast IronsLamel

4、lar Fe3C/Fe Eutectic层片状莱氏体高碳钢中的珠光体Pearlite in High Carbon Steel珠光体 OM 、TEMFe-C合金的分类：1. 纯铁Pure Iron：2. 钢Steels: C% 2.11% 亚共析钢：%C 0.77% 共析钢: C%= 0.77% 过共析钢：0.772.11%C 低碳钢、中碳钢、高碳钢3. 铸铁Cast Irons亚共晶铸铁共晶铸铁过共晶铸铁 白口铸铁、灰口铸铁亚共析钢过共析钢亚共晶铸铁亚共晶铸铁胞晶转变Peritectic Reactiond + L0.53 g共晶转变Eutectic ReactionL4.33 (Fe3C)

5、 6.69 + g 2.11共析转变Eutectoid Reactiong 0.77 a 0.0218 + Fe3C胞晶转变Peritectic Reactiond + L0.53 g共晶转变Eutectic ReactionL4.33 (Fe3C) 6.69 + g 2.11共析转变Eutectoid Reactiong 0.77 a 0.0218 + Fe3C胞晶转变Peritectic Reactiond + L0.53 g共晶转变Eutectic ReactionL4.33 (Fe3C) 6.69 + g 2.11共析转变Eutectoid Reactiong 0.77 a 0.021

6、8 + Fe3CPearlite 珠光体Ferrite铁素体共析钢的凝固共析钢组织 珠光体高碳钢中的珠光体Pearlite in High Carbon Steel过共析钢组织：晶界网状二次渗碳体珠光体过共析钢组织：晶界网状二次渗碳体珠光体亚共晶白口铸铁凝固组织 初生奥氏体莱氏体共晶共晶白口铸铁凝固组织：片层状莱氏体共晶Laser Melted Rapidly Solidified Irregular Fe3C/Fe Eutectic 不规则莱氏体Laser Melted Rapidly Solidified Irregular Fe3C/Fe Eutectic 不规则莱氏体共晶白口铸铁凝固组

7、织：不规则莱氏体共晶过共晶白口铸铁凝固组织： 片状初生渗碳体片层状莱氏体共晶合金性能与合金相图的关系一、相图与合金物理性能 电阻、硬度二、相图与合金力学性能 强度、塑性三、相图与合金加工制造性能 流动性、铸造性能、焊接、热处理、锻造三元合金相图与合金的平衡凝固Ternary Phase DiagramsandEquilibrium Solidification of Ternary AlloysCompositional Triangle of Ternary Phase Diagramoc + oa + ob = A% + B% + C% =100%两相平衡规律：Tie Line连接线(直线

8、法则): 确定平衡相之成分点杠杆定律：求出平衡相之重量相对量 a bf= 3-2+1 = 2a o b二、单相合金的平衡凝固：Equilibrium Solidification 2. 两相平衡的基本规则：杠杆规则 Lever Rule 平衡相之成分点：连接线tie-line or Conode 平衡相之相对重量百分数：杠杆定律 B%BAT, oCLiquid: LL + aSolid: aCoCLCSWS (CoCs) = WL (CLCo) WS WLCs Co CLLaL+a两相平衡规律：连 接 线(直线法则)杠 杆 定 律三相平衡：重心法则abgocbacBAa% = oa/Aa b%

9、 = ob/Aa g% = oc/Aa f= 3-3+1 = 1T1SolidusT1LiquidusT2sT3sT2LT3LLSoCBALaL+a水平（等温）截面图的作用：1、存在严格相平衡关系！2、确定平衡相成分！3、确定平衡相的相对量（杠杆规则！重心法则）两相区的形状：两条相对直线（连接线）与两条相对曲线围成的四边形！AoDBVertical Section垂直截面图LL + aaTLTs垂直截面图的作用：1、合金状态随温 度的变化2、确定合金的临界点注意：1、不存在相平衡关系！2、不能确定平衡相成分！3、不能用杠杆规则！DAAoDBFLL + aaTLTs垂直截面图的作用：1、合金状态

10、随温 度的变化2、确定合金的临界点注意：1、不存在相平衡关系！2、不能确定平衡相成分！3、不能用杠杆规则！DFNo Phase Equilibrium Relations in Vertical Sections of a Ternary Phase Diagram三元系中的三相平衡Three-Phase Equilibrium in Ternary Alloysf = 3 - 3 + 1 = 1 三相区空间形状 (a + b + g):以三平衡相成分随温度变化线（单变量线）为棱边的曲边三棱柱体连接三角形三相区空间形状 (a + b + g):以三平衡相成分随温度变化线（单变量线）为棱边的曲边

11、三棱柱体abg等温截面：连接三角形垂直截面：曲边三角形水平投影图：直边三角形abgT1FEa + b + gEFWNiSiNi31Si12Ni3Si(LT)Ni3Si2(LT)NiSi2(LT)WSi2W5Si3Ni4W(LT)2060802080602040W2Ni3Si40(b)W2Ni3SiTungsten dendrite(c)三元系中的四相平衡f = 3 - 4 + 1 = 0adgb四平衡相位于同一平面内液相线投影图与四相平衡反应类型四相平衡面上相平衡关系ABA + BLL + BA + L三相区的空间形状：以三条成分单变量线为棱边的三棱柱体连接三角形Tie Triangle四相平

12、衡面A1B1C1与所有11个相区相交！液固两相区空间形状三元合金相图等温截面图Isothermal Sections in Ternary Phase Diagrams 存在严格的相平衡关系确定各平衡相成分预测合金平衡组织abgABC两相区：两直线（连接线）、两曲线围成！一系列连接线杠杆定律单相区：多条曲线、直线围成的不规则区域L+A+BL+AL+CL+BLABC三相区：连接三角形！重心法则！L+A+BL+AL+CL+BLABCL+B+C三相区：连接三角形！重心法则！L+A+BL+AL+CL+BLABCL+B+CL+A+C三相区：连接三角形！重心法则！三相区：连接三角形！重心法则！(A+B)两

13、相共晶三元合金相图中的垂直截面图Vertical Sections in Ternary Phase Diagrams合金状态随温度的变化确定合金之临界点制定合金加工制备工艺的基础LL + aaTLTs垂直截面图的作用：1、合金状态随温 度的变化2、确定合金的临 界点注意：1、不存在相平衡关系！2、不能确定平衡相成分！3、不能用杠杆规则！DALL + aaTLTs垂直截面图的作用：1、合金状态随温 度的变化2、确定合金的临 界点注意：1、不存在相平衡关系！2、不能确定平衡相成分！3、不能用杠杆规则！DFNo Phase Equilibrium Relations in Vertical Sec

14、tions of a Ternary Phase Diagram三元合金相图中的水平投影图与液相面投影图Horizontal and Liquidus Projections of Ternary Phase Diagrams1可完整分析合金的凝固、固态相变过程；2预测组织及平衡相成分3计算合金中平衡相及组织的相对含量各典型成分点合金的平衡凝固组织组织相对量计算：aa LA L(A+C) L(A+B+C)组织中各相及组织相对量的计算：直线法则、重心法则合金平衡凝固组织:A+(A+B)+(A+B+C)组织相对量计算：A(A+B)(A+B+C)合金的平衡凝固组织:(A+B) + (A+B+C)组织

15、相对量计算：(A+B)两相共晶(A+BC)三相共晶(A+B)两相共晶(A+BC)三相共晶合金平衡凝固组织:A + (A+B+C)组织相对量计算：初生A树枝晶枝晶间(A+B+C)三相共晶枝晶间少量(A+B) 共晶液相面线投影图中各种四相平衡转变L+S=(T + a-Al)L+Q=(S+T)L=(b+T+a-Al)Mo2Ni3SiL+Mo2Ni3SiMo2Ni3SiMo2Ni3SiNiL+Lg-Mo2Ni3Si相区垂直截面图液相线投影图与四相平衡反应类型四相平衡面上相平衡关系Unidirectional Solidification ProcessingDendritic Front Solidi

16、ficationSolidification DirectionSolidification DirectionPreferred Orientation of Crystal Growth晶体生长过程中的择优取向性e.g.立方系金属择优生长方向: 晶向Preferred Orientation and Competitive Growth of Crystal Growth Competitive Growth Induced Natural Selection of Columnar Grains(Struggles for existance, the Fittest Survives!

17、)Exothermic-Mould Unidirectional Solidification Method 铸型发热保温定向凝固法定向凝固技术及定向凝固柱晶高温合金航空发动机叶片Directionally Solidified Columnar Grain Turbine Blades with or without TBCsProduction of Single-Crystal Turbine Blades by DS Solidification Only one crystal survives in the neck as result of Competition GrowthS

18、olidification DirectionMo2Ni3SiL+Mo2Ni3SiMo2Ni3SiMo2Ni3SiNiL+Lg-Mo2Ni3Si相区垂直截面图Rapid Solidification Processing for Rapidly Solidified Non-Equilibrium AlloysHua-Ming WangLaboratory of Laser Materials Processing and Surface EngineeringBeijing University of Aeronautics and Astronautics北京航空航天大学激光材料加工与表面

19、工程实验室Importance of Solidification Processing to MetalsGrain Size, DAS, Eutectic Spacing and Colony SizeChemical Homogeneity and Solidification Micro- and Macro-SegregationPhase Selection, Morphologies and DistributionsChemical and Physical Properties Processing Properties (Heat Treating, Forging, We

20、lding, etc) Why Rapid Solidification?Coarse-Grained As-Cast Structure Low Strength; Low Ductility and Toughness; Worsen Processing Capability;Severe Shrinkage and PorositySerious Micro and Macro Segregation Alloying Ineffective or Defective Homogenization Difficult or Impossible Precipitation of Low

21、-Melting-Point Eutectics or Harmful Phases Secondary Processing Difficult or Impossible Unique Effects of Rapid Solidification on Solidification MicrostructureRefinement of Grain Size and Microstructure (PDAS, SDAS, Eutectic Colony Size and Spacing, Porosity, etc)Suppression of Solidification Segreg

22、ation Extension of Solubility Limits Formation of New Metastable and Quasi-Crystalline PhasesFormation of Amorphous Phases (Metallic Glass)Rapidly Solidified Non-Equilibrium New MaterialsStructural FunctionalRapidly Solidified Microcrystalline MaterialsRapidly Solidified Metastable MaterialsRapidly Solidified Qausi-Crystalline MaterialsRapidly Solidified Amorphous Alloys or Metallic Glass Rapidly So