三元系統(tǒng)是包括三個(gè)獨(dú)立單元的系統(tǒng)，三元相圖即三元系統(tǒng)的相圖。工業(yè)上所使用的金屬材料，如各種合金鋼和有色合金，大多由兩種以上的組元構(gòu)成，這些材料的組織，性能和相應(yīng)的加工，處理工藝等通常不同于二元合金，因?yàn)樵诙辖鹬屑尤氲谌M元后，會(huì)改變?cè)辖鸾M元間的溶解度，甚至?xí)霈F(xiàn)新的相變,產(chǎn)生新的組成相。
英文:ternary diagram 釋文: 指獨(dú)立組分?jǐn)?shù)為3的體系，該體系最多可能有四個(gè)自由度，即溫度、壓力和兩個(gè)濃度項(xiàng)，用三維空間的立體模型已不足以表示這種相圖。若維持壓力不變，則自由度最多等于3，其相圖可用立體模型表示。若壓力、溫度同時(shí)固定，則自由度最多為2，可用平面圖來表示。通常在平面圖上用等邊三角形(有時(shí)也有用直角坐標(biāo)表示的)來表示各組分的濃度。
工業(yè)上所使用的金屬材料,如各種合金鋼和有色合金,大多由兩種以上的組元構(gòu)成,這些材料的組織,性能和相應(yīng)的加工,處理工藝等通常不同于二元合金,因?yàn)樵诙辖鹬屑尤氲谌M元后,會(huì)改變?cè)辖鸾M元間的溶解度,甚至?xí)霈F(xiàn)新的相變,產(chǎn)生新的組成相.
因此,為了更好地了解和掌握金屬材料,除了使用二元合金相圖外,還需掌握三元甚至多元合金相圖,由于多元合金相圖的復(fù)雜性,在測(cè)定和分析等方面受到限制,因此,用的較多的是三元合金相圖,簡(jiǎn)稱三元相圖(TernaryPhaseDiagram).
三元相圖與二元相圖比較,組元數(shù)增加了1個(gè),即成分變量是兩個(gè),故表示成分的坐標(biāo)軸應(yīng)為2個(gè),需要用一個(gè)平面表示,再加上垂直于該平面的溫度軸,這樣三元相圖就演變成一個(gè)在三維空間的立體圖形,分隔相區(qū)的是一系列空間曲面,而不是二元相圖的平面曲線.
等邊成分三角形中特定意義的線
平行于三角形某一邊的直線
凡成分位于該線上的所有合金,它們所含的由這條邊對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)所代表的組元的含量為一定值。
通過三角形頂點(diǎn)的任一直線
凡成分位于該直線上的所有合金，它們所含的由另兩個(gè)頂點(diǎn)所代表的兩組元的含量之比為一定值。
定量法則
應(yīng)用相律f=c-p+1
當(dāng)三元系時(shí)f=4-p
故當(dāng)兩相平衡共存時(shí),有f=4-2=2
即兩個(gè)平衡相的成分只有一個(gè)獨(dú)立改變,當(dāng)一個(gè)平衡相的成分發(fā)生變化時(shí),另一相的成分隨之而改變,即兩相的成分之間具有一定的關(guān)系,此關(guān)系稱為直線法則.
①直線法則
直線法則:三元合金中兩相平衡時(shí),合金的成分點(diǎn)和兩個(gè)平衡相的成分點(diǎn),必須在同一直線上.如圖5-105所示,當(dāng)合金O在某一溫度處于α+β兩相平衡時(shí),這兩個(gè)相的成分點(diǎn)便定為a和b,則aob三點(diǎn)必位于同一條直線上，且o點(diǎn)位于a，b兩點(diǎn)之間，此時(shí)α，β兩相的質(zhì)量比為:
由直線法則可得到以下規(guī)律:
a:當(dāng)溫度一定時(shí)，若已知兩平衡相的成分,則合金的成分必位于兩平衡相成分的連線上;
b:當(dāng)溫度一定時(shí)，若已知一相的成分及合金的成分，則另一平衡相的成分必位于兩已知成分點(diǎn)的連線的延長(zhǎng)線上;
c:當(dāng)溫度變化時(shí)，兩平衡相的成分變化時(shí)，其連線一定繞合金的成分點(diǎn)而轉(zhuǎn)動(dòng);
1 相圖分析
a,b,c為三組元A,B,C的熔點(diǎn),且Tb>Ta>Tc.
液相面:abc黃色面;
固相面:abc藍(lán)色面;
液相區(qū)L:abc黃色面以上空間;
固相區(qū)α:abc藍(lán)色面以下空間;
液固兩相共存區(qū)L+α:abc黃色面和藍(lán)色面之間區(qū)域。
2,結(jié)晶過程分析
當(dāng)合金O自液態(tài)緩冷至于液互相相交時(shí)，開始從液相中結(jié)晶出α固溶體，此時(shí)液相的成分l1即為合金成分，而固相的成分為固相面某一點(diǎn)s。隨著溫度進(jìn)一步下降，析出的α相越來越多，固相的成分由s1點(diǎn)沿固相面移至s2點(diǎn)，液相成分自l1點(diǎn)移至l2點(diǎn),由直線法則可知,合金的成分點(diǎn)必落在l2和s2的連線上。當(dāng)溫度冷至t3時(shí)，連接線為l3s3，當(dāng)冷至t4時(shí)，與固相面相交，連接線為l4s4，此時(shí)，所有的液相全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?固相的成分即為合金的成分。l1l2l3l4和s1s2s3s4在成分三角形上的投影為l1'l2'l3'l4'和s1's2's3's4'，很像一只蝴蝶，所以稱為固溶體合金結(jié)晶過程的蝴蝶形規(guī)律。
3,等溫截面(水平截面)
等溫截面是由表示溫度的水平面與空間模型中各個(gè)相界面相截得到交線投影到成分三角形中得到的,它表示三元系合金在某一溫度下的狀態(tài).如圖5-202所示,表示t1溫度的水平面與液相面相交于L1L2,與固相面相交于s1s2,將這兩條線投影到成分三角形中就得到等溫截面.
第三節(jié),包共晶型三元系
1,相圖分析
包共晶轉(zhuǎn)變的反應(yīng)式為:
L+α→β+γ
從反應(yīng)相的數(shù)目看,這種轉(zhuǎn)變具有包晶轉(zhuǎn)變的性質(zhì),從生成相看,這種轉(zhuǎn)變又具有共晶轉(zhuǎn)變的性質(zhì).因此稱為包共晶轉(zhuǎn)變.
發(fā)生包共晶轉(zhuǎn)變的三元系很多.Cu-Sn-Zn,Cu-Sn-Si,Cu-Sn-P,Cu-Al-Ni,Al-Cu-Mg,Al-Cu-Mn,pb-Sn-Bi等合金系都有包共晶轉(zhuǎn)變.
空間模型中包共晶轉(zhuǎn)變四相平衡時(shí)一個(gè)四邊形水平面,稱為包共晶轉(zhuǎn)變面.反應(yīng)相和生成相成分點(diǎn)的連接線是四邊形的兩條對(duì)角線.這個(gè)水平面上,下兩側(cè)各有兩個(gè)三相平衡棱柱與之相接.
包共晶轉(zhuǎn)變平面上方兩個(gè)三相平衡棱柱,一般是一個(gè)屬于共晶型,另一個(gè)屬于包晶型,但也可能都是共晶型或包晶型.
包共晶轉(zhuǎn)變平面下方兩個(gè)三相平衡棱柱,一個(gè)屬于α+β+γ三相平衡區(qū),另一個(gè)屬于L+β+γ三相平衡區(qū).這種情況與二元系包晶轉(zhuǎn)變非常相似,二元系包晶轉(zhuǎn)變結(jié)束后,可能留有反應(yīng)固相和生成固相平衡,也可能留有液相與生成固相平衡.
同理,包共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束后,除極少數(shù)合金外,兩個(gè)反應(yīng)相不可能同時(shí)消失凈盡或同時(shí)留有剩余,只能是一個(gè)完全消失,另一個(gè)有所剩余,結(jié)果形成L+β+γ和α+β+γ兩種三相平衡.
2,典型合金結(jié)晶過程分析
下面借助于投影圖分析合金的結(jié)晶過程(以合金O為例).
在冷卻時(shí),首先碰到AE2pp'A液相面,液相中開始析出初生相α,然后析出的α相不斷增多,當(dāng)溫度冷至與二元包晶面dapp'相交時(shí),液相的成分到達(dá)p'p,α相的成分到達(dá)da,要發(fā)生二元包晶轉(zhuǎn)變L+α→γ.
當(dāng)溫度下降時(shí)，α相成分沿da線變化，而液相成分沿p'p線變，當(dāng)冷至四相平衡包共晶轉(zhuǎn)變平面abcp時(shí)，液相的成分到達(dá)p點(diǎn)，α相的成分到達(dá)a點(diǎn)，要發(fā)生包共晶轉(zhuǎn)變L+α→β+γ，在三元包晶轉(zhuǎn)變結(jié)束后，α相消失，開始發(fā)生二元包晶轉(zhuǎn)變。
由于O點(diǎn)在△abc內(nèi)，故包共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束后，液相全部消失，而α相有殘留，從而進(jìn)入三相區(qū)α+β+γ，隨著溫度的下降，由于α，β和γ溶解度的下降，將有次生相αⅡ，βⅡ和γⅡ析出，至室溫后的組織為初晶α+包晶β+包共晶β+γ+αⅡ+βⅡ+γⅡ。
第四節(jié)三元包晶相圖
三元包晶轉(zhuǎn)變的反應(yīng)式為:
L+α+β→γ
1,相圖分析
四相平衡的平面是一個(gè)三角形abP,P,a,b,c分別是液相α,β
和γ的成分點(diǎn).即LP+αa+βb→γc.
在四相平衡包晶轉(zhuǎn)變之后,由于三個(gè)反應(yīng)相不可能在轉(zhuǎn)變結(jié)束同時(shí)完全消失,也不可能都有剩余,一般只有一個(gè)反應(yīng)相消失,其余兩個(gè)反應(yīng)相有剩余,與生成相γ形成新的三相平衡.
因此,在abP面下,共有三個(gè)三相平衡棱柱,分別存在L+α+γ,
L+β+γ,α+β+γ三相平衡,與abP面的接觸面分別為acP,PCP和abc三角形.
合金O在冷卻過程中,首先碰到液相面BE1PP1B,從液相中析出β初生相,然后碰到二元共晶面E1PbeE1,液
相的成分到達(dá)E1P線,液相要發(fā)生二元共晶轉(zhuǎn)變L→α+β,在此轉(zhuǎn)變過程中,L,α和β三相的成分分別沿E1P,da和eb而變化,當(dāng)冷至四相平衡包晶轉(zhuǎn)變平面abP時(shí),L,α和β相三相的成分分別為P,a和b點(diǎn),在此溫度下要發(fā)生三元包晶轉(zhuǎn)變LP+αa+βb→γc.
L+β→γ,直至所有的液相全部消失,進(jìn)入兩相區(qū)β+γ,在冷卻過程中,由于溶解度的變化,將從β和γ相中析出次生相γⅡ,aⅡ,當(dāng)溫度冷至與bcb1c1面相交時(shí),將從β和γ相中析出次生相aⅡ,室溫下的組織為:初晶β+包晶γ及次生相aⅡ,βⅡ,γⅡ.
三元相圖的成分表示方法
等邊成分三角形
常用三角形來表示三元合金的成分,這樣的三角形稱為濃度三角形或成分三角形(CompositionTriangle).常用的成分三角形是等邊三角形和直角三角形.
如圖5-101所示:
oa+ob+oc=AB=BC=CA
由于oa=bC=WA
ob=Ac=WB
oc=Ba=WC
因此,可用
oa代表A組元的含量,
ob代表B組元的含量,
oc代表C組元的含量.
直角成分坐標(biāo)表示法
當(dāng)三元系成分以某一組元為主,其他兩個(gè)組元含量很少時(shí),合金成分點(diǎn)將靠近等邊三角形某一頂點(diǎn).若采用直角坐標(biāo)表示成分,則可使該部分相圖更為清楚的表示出來,一般用坐標(biāo)原點(diǎn)代表高含量組元,而兩個(gè)互相垂直的坐標(biāo)軸代表其他兩個(gè)組元的成分。
等腰成分三角形
當(dāng)三元系中某一組元含量較少,而另兩組元含量較大時(shí),合金成分點(diǎn)將靠近等邊成分三角形的某一邊.為了使該部分相圖清晰的表示出來,常采用等腰三角形,即將兩腰的刻度放大,而底邊的刻度不變.如圖5-103所示.
對(duì)于O點(diǎn)成分的合金,其成分的確定方法與前述等邊三角形的確定方法相同,即過O點(diǎn)分別引兩腰的平行線與AC邊相交于a和c點(diǎn),則:
Ca=WA=30%
Ac=WC=60%
Ab=WB=10%.
雖然,上述成分表示方法在三元相圖中都有應(yīng)用,但應(yīng)用最為廣泛的還是等邊三角形.
下面就是動(dòng)圖：
三元相圖比較難，相圖中的三個(gè)組元兩兩之間都可以形成共晶化合物，且該化合物與純組元之間有一定的互溶度。
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