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怎樣識(shí)讀三元合金相圖

2016-11-18 21:00:55      點(diǎn)擊:

1. 相圖的投影和表達(dá)

三元合金相圖中有三個(gè)組元,常采用平面等邊三角形來(lái)組成坐標(biāo)(也常有采用平面等腰或不等腰的直角三角形來(lái)標(biāo)注的),三個(gè)組元A、BC分別放在三角形的三個(gè)頂角上。溫度坐標(biāo)則放在垂直于三角平面的方向上,形成一個(gè)三棱柱,如圖1所示。三個(gè)二元系:A-B,B-C,C-A垂直包圍豎立在底邊三角形的三個(gè)邊上。

1  三元相圖的構(gòu)成

這樣構(gòu)成的立體相圖線條異常雜亂,圖1還只是畫出了三個(gè)二元系的側(cè)邊,當(dāng)三元相圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)也畫出時(shí),整個(gè)圖形就更加復(fù)雜難以表達(dá)和閱讀,因此通常不直接用這種立體相圖,而用它的投影。

投影的方式有多種,最常用的一種叫正交投影,即從三棱柱的上方照下一束平行光,將三棱柱內(nèi)有關(guān)幾何結(jié)構(gòu)圖形投影在底邊組成的三角形上。如圖2所示。三個(gè)二元系投影到底邊后分別各只剩下一條線。


             
2  三元體系的投影圖

A-C二元系為例,液相限曲線TA-e3-TC投影到底邊后就和組成坐標(biāo)A-C重合不再能區(qū)分,e3點(diǎn)在投影圖上還是可以辨認(rèn)的,那就是e3’。其他兩個(gè)二元系投影的的情況完全類似。圖2中心的e1-E,e2-Ee3-E線段是三棱柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的投影(在圖1中并未繪出).

立體相圖投影以后,變成三角形的平面圖,溫度的坐標(biāo)表現(xiàn)不出來(lái)了,通常采取畫等溫線的辦法來(lái)彌補(bǔ)(如圖2中的細(xì)線),在線上標(biāo)以溫度的數(shù)值(圖中的數(shù)值是假設(shè)的)。這就意味著凡是在這條線上所有坐標(biāo)點(diǎn)的溫度是相同的。此外,一些有溫度變化的曲線,如圖中的e1-E,e2-E, e3-E等還在曲線上面畫上箭頭,表示溫度下降的方向。

2. 怎樣讀取三元相圖坐標(biāo)的組成?

如圖3所示,在A角對(duì)面的BC邊上,組元A的組成為零,平行于底邊畫平行線,在一個(gè)側(cè)邊BC上標(biāo)出BA的組成坐標(biāo)。圖3中每隔10%畫了一條平行線,可見(jiàn)在每條平行線上任何一點(diǎn),A的含量即為坐標(biāo)軸上標(biāo)出的百分?jǐn)?shù)。因此任何一個(gè)組成點(diǎn)只要量出垂直于底邊的距離,或者從側(cè)邊上就能讀出其組成。例如圖3中有一個(gè)帶*號(hào)的S點(diǎn),它含A就是26%


         
3  三角坐標(biāo)組成的讀取一

同樣的,在圖4中, B角對(duì)面的AC邊上含B的組成為零,平行于AC邊畫平行線表示B的含量。S點(diǎn)距離底邊的垂直距離22,因此就含B22%


         
4  三角坐標(biāo)組成的讀取二

第三個(gè)組元C的含量可以用同樣的方法求出為52%,也可以由100% -26+22%=52%來(lái)得到。通常只列出兩個(gè)組元的%,第三個(gè)組元的含量由讀者自己算。

3.相區(qū)的形成

相圖的幾何圖形精確地反映了體系中相平衡的變化關(guān)系,因此明白相圖幾何圖形形成的構(gòu)思,也就對(duì)相圖有了基本的理解。相圖由不同的相區(qū)緊密相鄰堆砌而成,每一個(gè)相區(qū)都分別反映不同數(shù)目以及不同種類的相的平衡關(guān)系,相區(qū)是由平衡著的諸相的組成點(diǎn)的結(jié)線隨溫度的變化而掃描出來(lái)的幾何圖形所構(gòu)成。

三元系的固-液平衡立體相圖中,由不同數(shù)目的四相平衡、三相平衡、兩相平衡和單相平衡的相區(qū)相鄰而構(gòu)成。

在三元系的投影中,二元系(包括贋二元系)的三相平衡是一條上面有三個(gè)平衡點(diǎn)的直線(一個(gè)液相點(diǎn)和兩個(gè)固相點(diǎn),或者是兩個(gè)液相點(diǎn)和一個(gè)固相點(diǎn))。低共熔反應(yīng)的液相組成點(diǎn)在和它平衡的兩個(gè)固相組成點(diǎn)的中間;轉(zhuǎn)熔反應(yīng)的液相組成點(diǎn)在和它平衡的兩個(gè)固相組成點(diǎn)的外側(cè)。

在三元系中,某溫度下的三元平衡,是由一個(gè)液相組成點(diǎn)和與它平衡著的兩個(gè)固相的組成點(diǎn)連成水平的結(jié)線三角形(也可以是兩個(gè)液相組成點(diǎn)和一個(gè)固相點(diǎn)連成的結(jié)線三角形)來(lái)表達(dá)。三相平衡的自由度F=1,溫度是可以移動(dòng)的。當(dāng)溫度逐漸降低,無(wú)數(shù)的結(jié)線三角形就掃描出一個(gè)空間,這就是這三個(gè)相的三相區(qū)。三相區(qū)的底邊坐落在四相區(qū)的平面上。

四相平衡的自由度F=0,溫度是不變的。它的相區(qū)的幾何圖形是連接四個(gè)相組成點(diǎn)的一個(gè)等溫四角平面(上面坐落著一個(gè)低共熔三相區(qū)和一個(gè)轉(zhuǎn)熔三相區(qū)),或者是四個(gè)相中一個(gè)相的組成點(diǎn)在內(nèi)部的三角平面(上面坐落著三個(gè)低共熔三相區(qū))。

三相區(qū)的上面,也就是溫度高于三相區(qū)的是兩相區(qū)。兩相區(qū)和單相區(qū)由液相限區(qū)分開(kāi)。

4. 三元相圖中零變點(diǎn)的化學(xué)平衡反應(yīng)

在三元相圖的的投影圖中,總是會(huì)看到有許多不同種類的“三叉點(diǎn)”。這些點(diǎn)由三條不同平衡性質(zhì)的曲線匯聚而形成。每條曲線常常代表一個(gè)液相和兩個(gè)固相平衡,有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)液相和一個(gè)固相的平衡?傊怯腥齻(gè)相處于平衡。在三元系中,這些線的自由度為1,因此常稱它們叫“單變線” :

F3(組元數(shù))+1(恒壓態(tài))-3(相數(shù)) 1

而在匯聚的“三叉點(diǎn)”上則是由一個(gè)液相和三個(gè)固相,也有時(shí)會(huì)有兩個(gè)液相和兩個(gè)固相處在一個(gè)四相平衡的狀態(tài)。這些點(diǎn)的自由度是0,因此又常稱它們叫“零變點(diǎn)”。每一個(gè)零變點(diǎn)的溫度和組成都是固定不變的:

  F 3(組元數(shù)) + 1(恒壓態(tài))- 3(相數(shù))0

   一個(gè)液相和三個(gè)固相平衡的圖形可以分為如圖5所示的三類:


5  三元系中一個(gè)液相和三個(gè)固相平衡時(shí)零變點(diǎn)的類型

   a)是低共熔型,低共熔點(diǎn)的特征符號(hào)是E。三條二元低共熔線aE,bEcE匯聚在低共熔點(diǎn)E,箭頭方向表示溫度的降低,所以低共熔點(diǎn)的溫度最低。特征是三個(gè)箭頭指向同一個(gè)低共熔點(diǎn)的“三聚”。圖中圓圈中的大寫英文字母是相應(yīng)的固相。E點(diǎn)的化學(xué)反應(yīng)是:


   b)是雙轉(zhuǎn)熔型,兩條二元低共熔線溫度降低聚于特征符號(hào)為U的單轉(zhuǎn)熔點(diǎn)。然后沿著U—b繼續(xù)下降,所以U點(diǎn)的溫度不是最低的,帶箭頭曲線的特征是:“兩聚一離”。U點(diǎn)的化學(xué)反應(yīng)是:


   c)是單轉(zhuǎn)熔型。單轉(zhuǎn)點(diǎn)的特征符號(hào)為P。帶箭頭曲線的特征是:“一聚兩離”。P點(diǎn)的化學(xué)反應(yīng)的溫度是不變的,是個(gè)等溫過(guò)程。它的化學(xué)反應(yīng)有兩種寫法:P點(diǎn)化學(xué)反應(yīng)剛剛開(kāi)始時(shí)是:



隨著P點(diǎn)化學(xué)反應(yīng)不斷進(jìn)行,臨近結(jié)束時(shí)是:

在其他文獻(xiàn)中對(duì)P點(diǎn)的化學(xué)反應(yīng)常可見(jiàn)到有這兩種不同的描述方法。

   最后還有一個(gè)極端的一個(gè)液相和三個(gè)固相平衡的類型是圖6中的例子,它的化學(xué)反應(yīng)是:


固體的新化合物ⓥ在冷卻時(shí)分裂成一個(gè)液相和兩個(gè)固相。


6    有異分熔化化合物生產(chǎn)并且有第二種雙轉(zhuǎn)熔反應(yīng)的三元系

 

7所示的Ag-Cu-Sn三元系是一個(gè)同時(shí)具有多個(gè)EUP三種特征四相平衡點(diǎn)的典型體系,各位看官可試分析一下,分析結(jié)果請(qǐng)參見(jiàn)《三元合金相圖手冊(cè)》。


        7  Ag-Cu-Sn三元系相圖零變點(diǎn)化學(xué)反應(yīng)分析

   以上圖文信息來(lái)自《三元合金相圖手冊(cè)》。該手冊(cè)第一篇“合金相圖概論”,概略敘述了必要的相圖基礎(chǔ)。第二篇“三元合金相圖集”,共收集了近千幅三元合金相圖液相限的投影,液相限是相圖中最生動(dòng)和最重要的部分,這里排除了多溫和等溫截面圖以及零變點(diǎn)(invariantpoints)化學(xué)反應(yīng)等的數(shù)據(jù)。一方面緣于精練版面和篇幅的考慮,也是由于讀者如果對(duì)第一篇的內(nèi)容有相當(dāng)?shù)睦斫猓俳Y(jié)合側(cè)邊的二元相圖,?纱笾吕L出三元系中的相關(guān)系,也不難自行寫出零變點(diǎn)的化學(xué)反應(yīng)方程。第三篇作為附錄:金屬元素的物理、化學(xué)和力學(xué)的性質(zhì)。這些數(shù)據(jù)對(duì)相圖的實(shí)踐分析有很重要的意義。在這里將元素有關(guān)數(shù)據(jù)以填入周期表的方式表達(dá)出來(lái),不但查閱方便更有利于觀察元素性質(zhì)之間的相互辯證關(guān)系。


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