第2卷第3期
材料
关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料
与 冶金学报 v01.2№3
2003年9月 JournalofMaterialsandMetallurgy Sept.2003
局域平衡原理与相图的扩散偶法测定
郝士明
(东北大学材料与冶金学院辽宁沈阳110004)
摘要:介绍了局域平衡原理和扩散偶法测定平衡相图的方法要点.扩散偶法是一种高效的、可靠
的相图测定方法,它可以大幅度减少实验工作量,减少原材料消耗,加快相图实测进程.此外,这
种方法还具有可直接测定相平衡关系、相平衡成分,避免“过冷效应”等优点,特别适合于多组元
系统平衡相图的实验测定.
关键词:局域平衡;扩散偶;相消失;相图测定
中图分类号:TGll3.14文献标识码:A 文章编号:167l一6620(2003)03—0203—06
Localphaseequilibri啪principle蛐ddiffusi蚰couple
methodfordeteHninationofphasediagrams
HAOSh卜ming
(Sch001ofMatemlsandMetallurgy,Northeast盯nUniversity,Shenyang110004,China)
Abshtct;1~helocalphaseequmbdumprincipleisrecon曲endedaswdlasthe0utlineofthemethodof
di“usioncouplesindeten面血19theequiIibri咖phasediagra札Themethodofdiffusioncouplesls
h吼lyefficientandreliableindeteⅡniningthephasediagra札Itcanbeachievedbymeansofdiffusion
couplesthattheexperhentalworkandthecormumptionoftherawandprocessedmate打alswere
1argelyreduced,andthedetemimtionoft11eexperiInentalphsediagramwasexpedited.Besides,
therearemanyadvantagesofthemethodofdiffusioncouplesthatthephaseequilibri咖relationship
aIldphaseequilib^mcompositionaredhectlymeasured,andthesuper-coolingeffectcanbeavoided
Therefore,itisespeciallyappropriatetodeteH血netheequilibri啪phasediagrmofmult卜component
systefnsexperhlentallybyusingthemethodofdiffusioncouples.
Keyword8:10calphaseequilibrium;dlffusioncouples;phasedisappearance;dete咖inationof
phasediagro
由两个以上的相组成的材料,其自由能是各
相自由能的总和.这个总和中除了各相的化学自
由能之外还包括其它各种能量,如附加压力自由
能、界面自由能、各类场致能量等等o].如果说,相
平衡状态就是总自由能最小的状态,那就必须使
上述各类自由能都达到最小.但是,除了各类场致
能量之外,要使各项能量达到最小是很难的.比如
要使附加压力自由能变成最小,第二相粒子的曲
率半径必须达到无穷大,成为平界面;要使界面能
变成最小就
要求
对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗
已经成为平界面的第二相(例如
片层珠光体中的渗碳体)尽可能地变厚,最大限度
地减少界面能.而这些在实际上都极难做到.
但是,要使材料中的一个很小区域内的化学
自由能达到最小,却是相对容易实现的.如在
300℃下保温20min就足以使A1一zn二元合金通
过失稳分解达到平衡态的两相成分,保温60min
就能使Al-zn—Cu三元合金通过失稳分解达到平
衡相成分口].通过其它扩散型相变形成的细晶两
相组织,也经常不需要很长时间就能达到平衡相
图所指出的相成分口].因此,人们有理由相信,在
空间尺度不大的区域内实现化学自由能最小的条
件是经常可以满足的.如果在某一温度和压力下,
一个系统在整体上并没有达到自由能最小状态,
但在局域却出现了化学自由能为极小值的区域,
收稿日期:2003—08_01.
作者筒介:郝士明(1938.),男,吉林白城人,东北大学教授,博士生导师
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材料与冶全学报 第2卷
可以认为这个区域处于一种平衡状态,这种状态
叫作局域平衡(Localphaseequllibrium)状态,局
域平衡原理最重要的应用是上世纪后期扩散偶法
(Diffusioncouplemethod)测定相图技术的出现.
1扩散偶中的局域平衡
所谓扩散偶,是指两个材料通过扩散焊合在
一起的试样.在垂直于焊合面方向发生了充分的
扩散,形成了具有一定厚度的由材料l到材料2
的成分连续过渡,或形成了相界面。过渡层厚度可
以满足用电子探针测定成分分布的需要.这个过
渡层或相界面虽然在宏观上是一个=维的面,但
在厚度方向上的尺寸很小,因而是一个很小的局
域.如果相界面是平面,则附加压力项为零.应该
认为相界面两侧是处于局域平衡状态.
如图1所示,在元素A和B构成的扩散偶
中,在A和B之间由于长时间的扩散形成了中间
相层*在中间相y与A基固溶体a和B基固溶
体口之间各形成一个相界面.在这两个相界面附
近各形成了一个局域平衡区,如虚线所示,其成分
分别为x矿和X驴.扩散偶整体的成分为xP。,
如果扩散偶中所有的A原子与所有的B原子充
圈1 A_B扩散偶中的局域平衡
H昏1I蒯pha辨equmbri啪in
dlm吲蛆唧kA_B
分溶和,应该形成一个A基固溶体a,但这时该溶
体的摩尔自由能为d’点,高于a+y两相混合物状
态的摩尔自由能(d点).因此扩散偶整体成为一
个合金时,应该是a+y两相组织.
a/y界面的成分XⅣr处的自由能也是以此两
相混合物为最小.另一个成分为x扩的界面处,
摩尔自由能也以混合物为最小.因此这个成分区
的局域平衡为y/口平衡.应该指出,正因为扩散偶
中有连续的成分分布,所以它可以包含很多局域
成分区.
2扩散偶中的“相消失”
一个研究结果对局域平衡假设提出了挑战.
如图2所示,在Fe_cr二元系中存在一个特殊的
y相圈,这个y相圈在830℃有一个极小点.如果
在890℃制备一个Fe_(Fel25%cr)扩散偶,该扩
散偶中应该出现a/∥a的层状结构.但是,十分精
密、系统的实验结果
表
关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf
明,在扩散偶中并没有出现
7相,从高cra相到低Cra相只有一次成分跳
跃,即由a至b.并没有出现a相到y相的成分突
变,也就是没有出现7相.y相在扩散偶中“消失”
了.这种“相消失”(Phasedisappear)现象在扩散
偶中时有发生.
M.Hillert应用准稳态扩散分析估算了y相
层的厚度△y.结果认为△y只有o.6”m左右[“.
在用电子探针分析测定cr浓度分布曲线时,这个
厚度的y相层是不可能被发现的.其他合金系统
中的“相消失”现象与此类似,只要选择了合适的
基准合金(Masteralloy),相消失现象是可以避免
的.上世纪80年代,T÷Al二元相图中1300℃以
上的a相“相消失”现象曾引起很激烈的争
论[5“】.人们曾一度认为,在这个温度不存在a
相.但是,通过改变基准合金成分,是可以在
1300℃以上的扩散偶中获得a相中间相层的[“.
3局域平衡与相图测定
曾为人们接受的扩散偶中的“相消失”现象
是可以避免的.因此,局域平衡的热力学原理表
明,利用扩散偶和电子探针微区成分分析可以测
定相图.很多研究结果均已证明,相图的扩散偶测
定法是一种可靠的、高效的好方法.一般说来,一
个A、B二元素组成的扩散偶试样中,可以包含这
个二元系的全部成分,因此利用局域平衡原理。可
以测得该系中的各温度下的全部相平衡成分,从
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第3期 郝士明:局域平衡原理与相图的扩散偶法测定
圄2 F的系相围中的r相圈(a)和890℃的浓度分布的理论曲线(b)
Fi导2yph嫩l唧0fⅡ忙pha畿dia窜哺m(a)
andn皓tIl∞拟icaJ彻舢蛔H加pr胡leat8如℃fb)jⅡRIcr帮st锄
而获得这个二元系的整体相图.当然,因元素性质
的差异,扩散偶制备难度的差别很大,往往不能只
用一个试样解决全部问题.但即使如此,它仍不失
为一种高效率的方法.
扩散偶法的另一优点是可以直接测定相平衡
关系和相平衡成分.因为扩散偶法是利用电子探
针微区成分分析直接测定所观察到的相区边界的
成分,所以相边界和相平衡关系的确定是直接的,
而不是推断的口““.
扩散偶法的突出优点是能避免过冷效应
(supercoolingeffect),这对于固态相平衡的研究
尤其重要.因为扩散偶法是测定在某一特定温度
下长时间保温后快冷试样中的平衡相成分,属于
“横向测定”.与在连续冷却中测定某一特定成分
(如xu)合金试样的转变温度的方法(即纵向测
定)相比,不存在因冷却速度的差异而使转变温度
测定有较大误差的所谓“过冷效应”.
4扩散偶法测定相图的主要步骤
4.1选择、制备扩散偶用基准合金(M吲Halloy)
如上所述,即使对于二元系,也不是任意两个
纯组元或合金焊合后就能获得合乎要求的中间
相.Fe—Cr系的中间相y不能得到必要厚度的问
题,可以通过制备。(Cr)=7%的基准合金,用该
合金与Fe和cr制成扩散偶得到解决.
“基准合金”原则上应该是单相合金.在三元
或更多组元系相图的扩散偶法测定中,基准合金
除纯组元外多数是二元中间相.
Ti_Ni‘Nb合金系是高温合金、超导合金和形
状记忆合金等实用材料研究开发的重要合金系
统.如图3所示,该系中的低Ni区(灰色影区)是
完全没有研究过的部分,其余的高Ni区域有
900℃以上的研究结果n“.在研究该系统温度为
900℃以下的全成分范围相图时,设计的基准合金
如图4所示[1“.
*(Nn/%
图3 T}N}Nb相图测定的扩散偶基准合金设计
n昏3Masteralloyd吲印0fmf心∞咖plel酬蛔捌㈣血吨ph№di日蛐l艟睇黼咖
因为纯Nb是高熔点(2469℃)金属,自扩散
系数很低,不适合用来制备扩散偶.在实际研究
中,选择了TjNb系中的4个Ti基固溶体:Tjl5
(zNb/%)Nb、,I、一20Nb、T■26Nb、T卜32Nb:T卜Ni
系中的TizNi、11Ni、TiNi。;N■Nb系中的Ni3Nb、
NbNb等作为基准合金.加上纯Tj和纯Ⅻ,成
功地测定了全成分范围的相平衡(见图4).由于
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材料与冶金学报 第2卷
图4 n—Ni.Nb系相围测定时的扩散偶结构
H昏4Co耐i鲫U蛳0fdlffusi蚰鲫lpleusedin
deIe咖iningph硒edjagramofT扣N卜Nbsys衄n
高Nb区口相的自由能很低,实测的相平衡成分
范围已经远超出了虚线所示的基准合金成分所覆
盖的Nb含量的上限,可获得z(Nb)一95%的高
Nb相.这也是扩散偶法的一个优点口“.
4.2制备合理的扩散偶
如果各个二元系内的基准合金能构成伪二元
或三元系时,用这几个基准合金制备二元或三元
扩散偶是最合适的.如有可能,应尽可能沿着预期
的相平衡共轭线方向制备扩散偶.仍以图3的Ti-
N÷Nb相图的测定为例,基准合金熔制之后,按图
4所示的方式制作了扩散偶,主要的构成方式有:
二极扩散偶(Ti一32Nb)/Ni8Nb,,三极扩散偶(Ti一
32Nb)/TiNi/Ni6Nb7,Ni6Nb7/TiNb/Ni,(T卜
32Nb)/Ti2Ni/Ti,(T卜32Nb)/TizNi/NiTi等.在
NiNb与Ti一32Nb之间,如前所述形成了出现高
Nb口相的扩散通道,见图中的粗实线.扩散偶的
“极”是指组成扩散偶的基准合金的数目,其数值
可以小于或等于组元数,但不能大干绢元糟.
图5扩散偶的制备方法
n昏5Prepamll∞nlethodofdimui叫co叩Ie
(a)一普通瞳/固扩散焊l(b)一坩塌式圈/液扩散偶}(c)一蘸取式商/固扩散偶l(d)—轧台式圊/嗣扩散俱I(e)一蒸镀式固/商
扩散偶
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第3期 郝士明:局域平衡原理与相图的扩散偶法测定 207
扩散偶制备中,焊合是关键对于大多数金
属和合金,将基准合金研磨平整光洁后,在真空下
(o.1Pa左右)均能在短时间内通过扩散而完成
焊合.
但对于表面容易形成致密氧化物薄膜的金属
或合金(如Al、Mg及其合金)则需要特殊的轧制
焊合等技术.因材料种类、性质的差异,扩散偶制
备有如图5所示的5种主要方式[14~1”.
4.3平衡扩散处理及淬火
平衡扩散处理温度就是待测相图的等温线或
等温截面的温度.扩散处理的时间应以在扩散偶
中能生成足够厚度(一般应大于15”m)的中间相
层或过渡层为准,以便对界面附近的相成分进行
微区分析.平衡处理后应以最快的速度将扩散偶
从保温温度冷却到室温,以保存其高温的组织形
态和成jt
在长时问的高温保持中,防止氧化是非常重
要的.一般的方法是将扩散偶试样封装在真空的
石英管中.在温度超过1050℃时,石英管中要充
入适量氩气,以防石英管困软化而塌陷. j
4.4扩散偶组织分析
最多可以制备四元四极扩散偶.从二元到四
元扩散偶,扩散偶中相区的几何维数D有一定的
规律:D与组元数无关,只取决于相区中的相数P
D=4一P, (1)
单相区在扩散偶中是3维的块体,两相区为2维
的面,三相区为1维的线,四相区为0维的点.由
于观察扩散偶中的组织是在扩散偶的截面上进行
的,截面上的相区特征便成为:单相区有一定的面
积。两相区为线,三相区为点.因为四相区为O维
的点,在随机确定的截面中是见不到的.
图6是Fe_Mo二元扩散偶在1300℃平衡处
理50h后快冷至室温的组织,可以与图7的Fe_
Mo二元相图1300℃的相区相互比较,除y相外
该温度的各相悉数出现,呈厚度不等的层状n⋯.
三元和四元扩散偶组织的例子如图8所示.
其中(a)为Fe/NiAl三元扩散偶,(b)为(F}Mn)/
NiAl四元扩散偶.两个扩散偶的右侧均为B2结
构的有序化合物NiAI,该相左侧的笔直的线为同
结构不同成分的两相分离界面.Fe_Mn二元“基
准合金”为y+n两相合金口“2“.
4.5微区成分分析
如图7的下图所示,通过电子探针微区成分
分析将可以在扩散偶中测得一个组元浓度的分布
曲线.这个曲线的重要特点是在相界面处(即相图
中的两相区)出现组元浓度的褒变,鼹成分跳跃
图6 nMo二元扩散偶的组织
H昏6Mi㈣tnlctIlreof聃M0
bi∞rydjm耐∞cⅫple
Fe 20 40 60 80 Mo
x(M砷/%
图7碚MD二元系相圈与扩散偶中
的成分分在⋯]
珞7№Mnary妞di籼aⅡdtlle
c0“Ip懦iti帆pmfneindifn础蚰删ple
(compositionjump).图9是通过对图8(a)的
(Fe-5A1)/NiAl扩散偶进行微区成分分析获得的
浓度分布曲线.在NiAl一侧距相界面30“m左
右,Ni和Al的浓度开始偏离1:l的比例.这表
明Fe的扩散已经越过相界面,到达此处.将相界
面两侧∞和m相中的州、AI的浓度曲线向耜界
面处外插,可以得到a,和ao的两相平衡成分.
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208 材料与冶金学报 第2卷
芝
零
僻
善
O
厢8扩散偶的组织
矾昏8 Mlc邶栅tII坤indimwi蛐∞uplean眦aIedat9∞℃f盯4∞h
(a)一(Fr5A1)/N1Al三元扩散偶[20]}
(b)一Fe_N■Mn—A1四元扩散偶在900℃保温400b后的组织[21]
相』怖猫
n1 F一
=g:翁穿嬲
_40 -20 0 20 40 60
距界面距离/pm
图9(Fe-5A1)/NiAl扩散偶中的m度分布曲线‘埘
砘昏9 colo唾脚iIi伽p础le咖肿jlI
fF廿5A1)/NiAldiffusi∞o∞ple
4.6构造相图
将不同扩散偶在各个温度下获得的相平衡成
分全部汇集起来,就构成了二元相图的等温线、三
元相图的等温截面和四元相图的等温四面体的相
应共轭线(Tieline),和由共轭相成分点所构成的
相区边界.
5结语
基于局域平衡原理而产生于上世纪70年代
的扩散偶法测定平衡相图的技术是一种高效的、
可靠的好方法.可以大幅度减少实验工作量,减少
原材料消耗,加快相图实测进程.除此之外,这种
方法还具有可直接测定相平衡关系、相平衡成分,
避免“过冷效应”等优点,特别适合于多组元系统
平衡相图的实验测定
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局域平衡原理与相图的扩散偶法测定
作者: 郝士明
作者单位: 东北大学,材料与冶金学院,辽宁,沈阳,110004
刊名: 材料与冶金学报
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本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_clyyjxb200303010.aspx