相图在材料学科中的应用

材料热力学作业姓名：魏海莲学号：s20100715班级：材研6班相图在材料学科中的应用相图是在给定条件下达到相平衡时热力学变量的图示。相图被誉为材料设计的指导书，冶金工作者的地图，热力学数据的源泉，其重要性已被冶金、材料、化工、地质工作者广为认同。一个多世纪以来，经过一代又一代相图学家的努力，已经积累了大量的相图资料，特别是近二十年来，随着相图计算技术的不断发展，有关相图的资料迅速增加，为材料设计提供了重要依据。以下是相关相图的几点应用。（一）铁碳合金相图的几点应用铁碳合金相图反映了铁碳合金的成分、温度、组织三者之间的关系。利用铁碳相图可以制定各种热加工及热处理工艺的加热温度，还可以通过它分析钢铁材料的性能，它是研究钢铁的重要理论基础。实际生产中使用的铁碳合金的含碳量不超过5％，因而常用的铁碳相图只是Fe—C合金相图的一部分，即Fe—Fe3C相图。研究铁碳合金只需深入研究Fe与Fe3C相图部分就可满足生产上的要求。下图是简化的Fe—Fe3C相图。图1简化的Fe—Fe3C相图1．估算碳钢和铸铁铸造熔化加热温度在铸造工艺中，首先要把合金加热融化，即要加热达到相图上的液态区间(“L”区)，因此可以根据相图上的液相线(“ACD”线)确定碳钢和铸铁的浇注温度，为制定铸造工艺提供基础数据。由铁碳相图可知，共晶成分的合金(4．3％C)结晶温度最低，其凝固温度间隔最小(为零)，故流动性好，体积收缩小，易获得组织致密的铸件；此外，越接近共晶成分的合金，其液相线与固相线(“ACD”与“AECF”线)间距离越小，即结晶温度范围越小，从而合金的流动性好，有利于浇注，也就是越接近共晶成分的合金其铸造性越好，所以在铸造生产中，接近于共晶成分的铸铁得到较广泛的应用。2．估算碳钢锻造加热温度锻造是利用材料的塑性变形来成型的一种工艺，锻造加热的目的也正是为了提高材料的塑性变形。由铁碳相图可知，含碳量小于2．11％的铁碳合金在较高温度下可得到单相奥氏体，即AESG区间，利用奥氏体的塑性好、变形抗力小，碳钢锻造时易于成形。利用铁碳合金相图可以确定碳钢锻造时的加热温度，一般始锻温度控制在固相线(AE线)以下100～200℃，以利于充分地塑性变形；温度过高，不仅使材料严重氧化，甚至会发生晶界熔化。终锻温度，对亚共析钢，一般应稍高于GS线，即控制在奥氏体区内：终锻温度过高，奥氏体在变形终了后的冷却中晶粒还会长大；而终锻温度过低，则由于铁素体呈带状组织，使钢的机械性能产生方向性，从而降低钢的韧性。对于过共析钢，则选择在ES线与PSK线之间的温度范围，目的是利用变形时的机械作用击碎网状的Fe3CⅡ，一般为800～850℃。3．估算热处理加热温度热处理工艺与铁碳合金相图有着更为直接的关系。根据对工件材料性能要求的不同，各种不同热处理方法的加热温度都是参考铁碳合金相图制定的。在钢的热处理工艺中要应用到相图的左下角部分，如图2所示。在Fe—Fe3C相图上，碳钢在平衡条件下加热和冷却的相变线有：PSK线——共析转变线(A1线)；GS线——同素异构转变线(A3线)；ES线——固溶线(Acm线)，它们是平衡条件下钢发生组织转变的三条温度线，称为临界点。利用A1、A3、Acm线可以确定共析钢、亚共析钢、过共析钢的完全奥氏体化温度，为制定热处理工艺提供理论数据。由于实际生产中，加热和冷却都有一定的速度，因而钢的结晶或熔化均滞后于A1、A3，和Acm，通常把实际加热时的临界点记为Ac1、Ac2、Ac3，实际冷却时的临界点记为Arl、Ar3、Arcm。4．确定碳含量已知的合金在任意温度下的平衡状态铁碳合金相图反映的是平衡状态下铁碳合金的成分、温度、组织三者之间的关系，因而可以利用相图来确定合金在某一温度下的显微组织。5．分析碳钢和铸铁的平衡相变过程及室温平衡组织利用铁碳合金相图不仅可以确定含碳量已知的合金在某一温度下的平衡状态，而且还可以用来分析铁碳合金的结晶相变过程及室温下的平衡组织。图2钢的临界点6．为选材提供参考铁碳合金中的含碳量对其显微组织及性能有决定性的作用，因此应根据生产中的需要选用不同的铁碳合金。由铁碳合金相图可知，钢(2．11％C)的室温平衡组织中都有珠光体，因而其力学性能比铸铁好，广泛用来制造工程结构件或机械零件；而铸铁在液态结晶过程中都有共晶转变，故铸造性比碳钢好。可以用来制造形状、结构复杂或不受冲击的耐磨铸件。在过共析钢中，随着含碳量的增加，组织中网状Fe3CⅡ的量增多，使钢的脆性增加，强度降低，因而实际应用中钢的含碳量没有达到2．1l％，为保证钢有一定的综合机械性能，工业生产中碳钢的含碳量不超过1．35％。随着生产技术的发展，对钢铁材料的要求更高，可在碳钢中加入合金改变共析点的位置，从而提高钢的硬度和强度，在材料研制中，铁碳合金相图仍可作为预测其组织的基本依据。7．分析碳钢的淬透性淬透性是指钢接受淬火的能力，也可以理解为钢在淬火时获得马氏体组织的能力，通常用钢在淬火时获得的淬硬层深度来表示。淬透性是钢的一个重要的工艺性能指标，对合理选材及制定热处理工艺十分重要。影响淬透性的因素可以总结为这样一条线索：过冷奥氏体越稳定一孕育期越长一“C”曲线位置越靠右一V临越小一淬透性越好。分析钢的淬透性通常结合“C”曲线进行，凡是能改变“C”曲线位置的因素最终都影响到钢的淬透性。在碳钢中，影响“C”曲线的主要因素就是钢的含碳量，由前面的结论可知：过冷奥氏体越稳定的钢，淬透性越好；因而只要比较过冷奥氏体的稳定性，就可分析碳钢淬透性的好坏，这一点可以从铁碳合金相图上反映出来。综合以上：利用铁碳合金相图，可以清楚了解和掌握铁碳合金的成分一组织一性能之间的关系，根据相图提供的信息不但可以帮助我们更深刻地研究和使用钢铁材料、更好地指导生产实践，而且也为新材料的研制提供理论依据。（二）相图在硬质合金成分与工艺设计中的应用1．C—Co—W系(1)在硬质合金表面钴梯度材料研究中的应用硬质合金表面钴梯度材料的开发只有十多年的历史，因这种合金兼顾有低钴合金的耐磨性和高钴合金的韧性，从而可使合金的使用寿命大大增加，因此目前世界上许多国家的硬质合金研究者都致力于这种材料的研究。这种合金的结构特征是表层为贫钴的正常组织（WC+γ），芯部为富钴的含均匀细小η相的非正常组织(WC+γ+η)，中间存在一连续过渡层。目前生产这种合金较常用的是脱碳合金渗碳工艺，即首先制得脱碳合金，然后对脱碳合金渗碳处理。其中脱碳合金（含第三相脱碳相η的合金）的制取是整个工艺的关键所在。获得含均匀分布的点状相是脱碳合金制取的工艺关键。图3WC—16%Co(重量)合金的垂直截面相当于84%WC、16%Co（重量）的C—Co—W系垂直截面见图3，在图中的（WC+γ）两相区，WC中的含碳量范围为6.06%~6.12%，在两相区上部，有一个四相包共晶反应，在两相区左边有一个四相共晶反应。由图3可知，含碳量为6.00%~6.06%的合金在平衡状态冷却时也应当得到WC+γ两相合金，但在快冷时，由于在1357℃的包共晶反应来不及进行，合金中就会出现第三相η，利用这一点，并配合采用其它措施就可以生产出含细小且均匀分布的η相的合金。（2）在渗碳合金脱碳处理中的应用硬质合金中如果出现了第三相渗碳相或脱碳相均会使合金性能降低，其中脱碳相的影响更大。硬质合金中如果出现了石墨相渗碳相，不仅会使合金性能降低，而且会使合金难以焊接。由图3可知，当合金渗碳不严重时，可采用在共晶温度下进行快冷处理的工艺来抑制石墨相的析出得到两相正常组织。2．C—Cr—Ni系Cr.基硬质合金是50年代出现于美国60年代后期发展起来的一种新型硬质合金，号称为硬质合金中的不锈钢，具有极好的耐腐蚀性和抗高温氧化性，常温和高温硬度高以及耐磨性较好等一系列独特的性能。由C—Cr—Ni系相图（图4）可知，存在由Cr3C2和粘结相组成的两相区，但碳化铬能以三种稳定化合物形式存在：Cr23C6、Cr7C3、Cr3C2。因贫碳碳化铬（Cr23C6、Cr7C3）性脆且在粘结相中的溶解度较大，会导致合金脆性进一步增加，因此只有由Cr3C2和粘结相所组成的两相合金才具有较好的综合性能。图4C—Cr—Ni系1000℃等温截面3．WC—TiC—ZrC系由WC—TiC—ZrC系相图（图5）可知WC—TiC—ZrC系在较大的成分范围内存在固溶体的调幅分解，这种具有调幅结构的混合固溶体具有很高的硬度，因此通过适当选择合金成分，利用固溶体的调幅分解可以获得高硬度的硬质合金。图5WC—TiC—ZrC系1400℃等温截面综合以上：利用相图，我们可以对硬质合金进行成分和工艺的设计，相图为新材料的研制提供了理论依据。（三）关于相图计算过去相当长的一段时间内，人类在金属材料的研究中都采用“试错法”。这种方法的主要缺点是盲目性。随着现代高科技的发展，对新材料提出了更高的要求，显然“试错法”已经不能试用，因此材料设计应用而生。所谓材料设计就是根据材料科学的原理，按照给定的服役条件和性能要求来制定材料的配方和加工工艺并科学地进行材料研究的方法。随着热力学、统计力学和溶液理论与计算机技术的发展，相图研究已经从以相平衡研究为主进入了相图与热化学的计算机耦合研究的新阶段，并发展成为一门介于热化学、相平衡和溶液理论与计算机技术之间的交叉学科。相图计算的内涵已由相图和热化学的计算机耦合拓展至宏观热力学计算与动力学模拟相结合，以及宏观热力学计算与量子化学第一性原理计算相结合的新阶段，成为材料设计的一部分。相图计算的方法的发展在推动了溶液模型研究的同时，多元多相平衡计算方法的建立，相关数据库和计算软件的完善以及具有实用价值的多元体系计算相图的构筑和CALPHAD方法在材料物理性质预测中的应用，使相图计算方法成为材料设计模拟的主要工具，使相平衡研究真正成为材料设计的一部分，改变了材料，特别是金属材料的研究开发一直沿用的试错法模式。结语：材料的研究开发离不开相图，而相图的研究也离不开材料研究的大背景。无论实测相图还是计算相图，都是材料研究的基础，而计算相图又是作为人工智能的材料设计的主要组成部分。传统材料的开发与应用对相图的需要是人们早就熟知了的，而作为材料设计基础的相图研究，随着人工智能进入材料领域，其重要性将会越来越显示出来。