三元合金相图与相变研究

3.4.1.1　三元合金相图的表示方法

三元合金系统的组元数为3，根据吉布斯相律，其自由度数为：

图3-45　三元合金系统的成分三角形［11］

因而三元合金中最多有4个不同的相，其自由度数最大为3，分别为温度和两个组元的成分。其中，成分既可以是原子百分比，也可以是质量百分比。与二元合金不同，三元合金通常用等边三角形表示合金的成分，如图3-45所示，三角形的3个顶点分别表示纯组元A、B、C的情况，三条边表示3种二元合金系统，三角形内任意一点O对应于一定成分的三元合金。O点合金的成分通过如下方法确定：过O点分别作三角形三条底边的平行线，其在邻边的截线长度即表示其所对应顶点组元的成分，如图中所示，Ca=wA，Ab=wB，Bc=wC，三者之和刚好为100%。

成分三角形内有两种特殊的直线。当直线和三角形的一条边平行时，对应顶点的组元在该直线上任意一点的成分相等，如图3-46（a）所示，直线MN上各点合金的wC相等。当直线通过三角形上代表某一纯组元的顶点时，该直线上任意一点合金的另两种组元的成分之比为定值，如图3-46（b）所示，直线CD上各点的wA／wB为常数。由此可知，对于图（b）中1点所表示的液态合金，当其在降温过程中先析出组元C的晶体时，残留液相的成分将沿着1D线变化，并不断远离C点，合金液相成分的这一变化规律被称为背向性规则。

完整的三元合金相图以等边三角形表示合金的成分，以垂直于成分三角形所在平面的纵轴表示温度，因而整个三元合金相图是一个三角棱柱的立体图形。图3-47为完整三元合金相图的一个示例，其3个侧面即为3种二元合金相图。因为立体图形比较复杂，测定困难，实际中经常使用水平（等温）截面图、垂直（成分单变量）截面图和投影图。所谓投影图就是将立体相图中特殊的点、线、面投影到成分三角形上，如图3-48所示。

图3-46　三元合金系统成分三角形中的两种特殊直线［11］

（a）组元C的等成分直线；（b）组元A、B成分的等比例直线。(www.xing528.com)

图3-47　完整的三元共晶系合金相图［11］

图3-48　三元共晶系合金相图在成分三角形上的投影［12］

3.4.1.2　三元共晶系合金的结晶相变

对于液态时无限互溶，固态时互不溶解的三元共晶合金，其完整的立体相图如图3-47所示，图中3个侧面即为3种二元共晶合金的相图。与二元共晶合金类似，三元共晶合金也存在一个共晶点E，该点的液态合金在结晶过程中同时析出3种不同的固相，实现四相平衡共存。根据吉布斯相律，此时系统的自由度数为0，因而三元合金在发生共晶相变时其温度和各相的成分都是固定的，其发生共晶相变的温度比3种二元合金的共晶温度都要低。

图3-47中，TA、TB、TC分别是纯组元A、B、C的熔点，E1、E2、E3依次为二元共晶合金A-B、B-C、A-C的共晶点，顶面TAE1EE3、TBE3EE2、TCE2EE1为液相曲面，分别对应于A、B、C3个初晶区，A、B、C初晶区内的合金在结晶时首先析出的分别是纯组元A、B、C的晶体。3个液相曲面之间的交界线E1E、E2E、E3E是二相共晶线，其在成分三角形上的投影图如图4-48所示，图中线上的箭头表示温度降低的方向。

以图中O点的合金为例，来说明三元共晶合金的结晶过程［2］。对于平衡凝固来说，O点的液相合金在降温至液相面温度时就开始结晶，最初析出A相晶体，随着合金温度不断降低，析出的A相晶体的数量也不断增加，因而残留液相中组元A的成分不断减小，根据背向性规则，液相的成分将沿AO的延长线变化，并不断远离A点，直到与二相共晶线E1E相交于D点时，O点合金的初晶析出过程才进行完毕。之后残留液相发生二相共晶转变，同时析出A、B相晶体，此时系统实现三相平衡共存，根据吉布斯相律其自由度数为1，因而该二相共晶转变为变温过程，随着合金温度不断降低，析出A+B相晶体的数量也逐渐增多，残留液相的成分将沿着单变量曲线DE变化，并不断靠近三相共晶点E，直至到达E点时，合金的二相共晶析出过程才宣告完毕。之后残留液相发生三相共晶反应，同时析出A、B、C3种晶体，直至所有液相全部完成结晶。合金的三相共晶转变为恒温过程，其间各相的成分保持不变。成分三角形内各点合金的结晶过程和O点合金的相似，各区域的合金在结晶过程中各阶段析出晶体的情况列于表3-6中，其中括号表示从合金液相同时析出括号内各种晶体。

表3-6　三元共晶系合金结晶过程中的各个阶段［12］