简介概要

三元扩散偶中的相区分布与四相平衡的关系

来源期刊：中国有色金属学报2002年第4期

论文作者：王日初王冲金展鹏

文章页码：643 - 647

关键词：等温截面；相区分布；四相平衡

Key words：isothermal section；distribution of phase fields；quaternary phase equilibria

摘要：根据相区邻接规则和扩散偶中的相区分布的关系，运用三元扩散偶方法确定三元系中的四相转变从而导出三元系中相转变与扩散偶中相区分布的关系；利用Nb-Ti-Si三元系的实验，验证了包共析型转变前后等温截面与扩散偶中相区分布的关系。

Abstract: According to the principle of adjoining phase fields and the distribution of phase fields in diffusion couples，relation between phase transformation in ternary system and the phase fields distribution in diffusion couples is derived；the experiment of Nb-Ti-Si proves the relation between the change of isothermal sections of peritectoid-eutectoid reaction and the phase fields distribution in Nb-Ti-Si diffusion couples.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.04.005

三元扩散偶中的相区分布与四相平衡的关系

王日初王冲金展鹏

中南大学材料科学与工程系

中南大学材料科学与工程系长沙410083

摘要：

根据相区邻接规则和扩散偶中的相区分布的关系 , 运用三元扩散偶方法确定三元系中的四相转变从而导出三元系中相转变与扩散偶中相区分布的关系 ;利用Nb Ti Si三元系的实验 , 验证了包共析型转变前后等温截面与扩散偶中相区分布的关系。

关键词：

等温截面;相区分布;四相平衡;

中图分类号： TG113.14

收稿日期：2001-12-14

Relation between phase field distribution in diffusion triple and quaternary phase equilibria

Abstract：

According to the principle of adjoining phase fields and the distribution of phase fields in diffusion couples, relation between phase transformation in ternary system and the phase fields distribution in diffusion couples is derived; the experiment of Nb-Ti-Si proves the relation between the change of isothermal sections of peritectoid-eutectoid reaction and the phase fields distribution in Nb-Ti-Si diffusion couples.

Keyword：

isothermal section; distribution of phase fields; quaternary phase equilibria;

Received： 2001-12-14

在研究相图的实验工作中, 常采用扩散偶方法。常用的扩散偶有“品”字形 ^[1,2,3] 和“夹层”形 ^[1] 2种类型, 都是根据相界局部平衡原理工作, 因而可以大大缩短热处理时间。合理地设计扩散偶, 可以在1个试样上得到几组结线, 减少所需试样的数目 ^[2,3] 。一般情况下, 只需用1个三元扩散偶试样, 用电子探针成分分析的方法, 就有可能得到整个三元相图等温截面的结线数据。通过实验所得到的结线和结三角, 可以确定三元系在实验温度下的相关系, 得到三元系的等温截面。事实上, 三元扩散偶方法也可以确定三元系中的四相转变。作者对四相转变前后三元扩散偶中的相区分布进行了描述。

1 三元扩散偶与四相平衡

文献 [ 2, 3, 4] 对扩散偶中的两相区和三相区进行了描述。扩散偶中四相平衡的情况未见文献报道。

在三元系中, 四相平衡时, 由Gibbs相律得知自由度为0, 所以, 三元系中的四相平衡是一个等温面。显然, 包含四相平衡的三元系的等温截面难以用实验的方法来测定。但在四相平衡等温面的上方和下方, 由不同的三相区与四相平衡等温面相邻接。三元系的恒温转变即四相平衡通常有共析型、包共析型和包析型3种, 对于不同类型的恒温转变, 与等温面邻接的上、下部分的三相区是不一样的。

1.1 共析型转变

对于共析型的恒温转变, 可以由图1给出四相平衡前后的等温截面, 即相区变化情况。在共析转变前, 等温截面中包含有1个单相区: δ; 3个两相区: α+δ, β+δ和γ+δ; 3个三相区: α+δ+γ, β+δ+α和γ+δ+β; 共析转变中有1个四相区: α+β+γ+δ。在共析转变后, 只有1个三相区: α+β+γ。图1 (a) 中, 随着温度的下降, 3个两相区和δ单相区逐渐变小, 而3个三相区逐渐变大, 当到达共析温度时, 所有单相区、两相区和三相区消失, 发生共析转变: δ→α+β+γ, 此时只有1个四相区, 如图1 (b) 所示; 共析转变结束后, 得到1个α+β+γ三相区, 如图1 (c) 所示。图2所示是共析转变前后, 对应的扩散偶上相区分布情况。图2 (a) 所示为扩散偶中共析前的相区分布情况, 图中标明了单相区: α, β, γ和δ, 每1根线条表示1个两相区, 两相区分别有: α+δ, β+δ和γ+δ; 每3根线的交点表示1个三相区, 三相区分别为: α+δ+γ, β+δ+α和γ+δ+β。

由共析前向共析变化时, 中间δ相区不断缩小, 但只有在共析结束时才会消失, 那么, 共析过程中, 在三元扩散偶上的相区分布和共析前相似, 只不过δ相区变得更小些。对于共析前和共析过程中的区别, 由图1可以推出: 在三元扩散偶上, 共析前δ相区中各点的成分是不同的, 而在共析过程中, δ相区中各点的成分都相同。

1.2 包共析型转变

对于具有包共析型转变的四相平衡, 反应前、后应中和反应后的等温截面可由图3给出。在包共析转变前, 2个三相平衡是δ+M+A和δ+B+A; 而在包共析反应后, 2个三相平衡为A+M+B和δ+M+B; 在包共析过程中, 是四相平衡: δ+ A→M+B。

图3 包共析四相平衡前后的相区分布Fig.3 Phase fields distribution of peritectoid-eutectoid reaction

(a) —Before peri-eutectoid reaction; (b) —Quaternary phase equilibria of peri-eutectoid reaction; (c) —After peri-eutectoid reaction

包共析前后对应的扩散偶上相区分布及变化规律由图4给出。图4 (a) 中每3根线的交点表示1个三相区, 三相区分别为δ+M+A和δ+B+A。由包共析反应前向包共析接近时, 2个三相平衡点沿水平方向靠拢, 在四相平衡时, 重叠在一起, 在四相平衡之后, 又沿垂直方向拉开, 这就是扩散偶上所反映的包共析转变的特征。

1.3 包析型转变

对于包析型的四相平衡反应, 反应前、反应中和反应后的等温截面由图5给出。反应前有1个三相区: δ+A+B; 反应后有3个三相区: A+B+γ, δ+A+γ和δ+B+γ; 在反应过程中, 是四相平衡: δ+A+B+γ, 四相反应式为δ+A+B→γ。图6所示是包析转变前后三元扩散偶上的相区分布及变化规律。图6 (a) 说明包析转变前, 扩散偶中只有1个三相区: A+B+δ; 图6 (c) 说明在包析转变之后, 扩散偶中有3个三相区: A+B+γ, δ+A+γ和δ+B+γ; 图6 (b) 所示是包析转变进行时扩散偶中的相区情况。从相区分布看, 图6 (b) 和图6 (c) 没有明显的不同, 其实质区别在于图6 (b) 中γ区各处成分相同, 而图6 (c) 中γ区各处成分不同。

图6 包析反应前后扩散偶上的相关系Fig.6 Phase relation of diffusion for peritectoid reaction

(a) —Before peritectoid reaction; (b) —Quaternary phase equilibria of peritectoid reaction; (c) —After peritectoid reaction

2 包共析型转变的实验验证

在Nb-Si二元系中, 可以生成以 (Nb) 相为基体, Nb₅Si₃相为强化相的原位生成复合材料。这种复合材料在高温 (1 774 K) 下具有良好的综合性能, 主要是因为Nb的熔点很高 (2 742 K) , 塑性好, 而Nb₅Si₃的熔点为2 757 K, 即使在高温下, Nb₅Si₃也有足够的强度 (硬度) , 在材料中起到强化作用 ^[5,6] ; 同时, Nb-Si系合金具有良好的阻尼性能 ^[7] 。 Ti加入到Nb-Si二元系中, 除了部分替代Nb与Si形成化合物外, Ti还能与Si形成熔点高达2 393 K的中间相Ti₅Si₃。对Nb-Ti, Nb-Si, Ti-Si二元系已有大量的研究工作, Schlesinger等 ^[8] 对Nb-Si二元系进行了详细的评估, 该二元系共有3个化合物, 分别是Nb₃Si, Nb₅Si₃和NbSi₂。 Nb-Ti二元系相对比较简单, Murray ^[9] 对其进行了评估, 认为在1 155 K以上, Nb-Ti形成连续固溶体。 Murray ^[10] 对Ti-Si二元系进行了测定和评估, 该二元系共有5个二元化合物, 它们分别为Ti₃Si, Ti₅Si₃, Ti₅Si₄, TiSi和TiSi₂。 Nb-Ti-Si三元系相图数据非常有限, 目前仅有2组试验数据, Bewlay和Lipsitt ^[11,12] 用定向凝固法研究了29个合金, 对Nb-Ti-Si三元系的液相面和富Nb-Ti侧的等温截面进行了实验测定。张岳兰等 ^[13] 对Nb-Ti-Si三元系的液相面进行了热力学评估。

作者对Nb-Ti-Si三元系1 373～1 473 K的相变及相关系进行了研究, 表明Nb-Ti-Si三元系从1 473～1 373 K存在1个包共析反应。图7和图8所示是实验中得到Nb-Ti-Si三元扩散偶的真实情况。在扩散偶上比较TiSi相与Nb₅Si₃相由1 473～1 373 K的变化情况, 两相的尖端表示2个三相TiSi+Ti₅Si₄+NbSi₂相和Ti₅Si₄+Nb₅Si₃+NbSi₂相平衡; 随温度由1 373 K往上升, 2个三相点, 也即TiSi相和Nb₅Si₃相的尖端不断靠近, 当2个尖端重合在一起时, 则表示达到四相平衡; 到1 473 K时已经过了重合点, 由此可以判断所发生的四相反应。图7和图8给出了Nb-Ti-Si三元扩散偶中与TiSi及Nb₅Si₃有关的2个三相平衡点的走向, 情况与图4的完全一致, 也就是Nb-Ti-Si三元系在1 473 K附近存在1个包共析型的四相平衡, 四相平衡前的2个三相区为TiSi+NbSi₂+Nb₅Si₃和TiSi+Ti₅Si₄+Nb₅Si₃, 而反应后的2个三相区为TiSi+Ti₅Si₄+NbSi₂和Ti₅Si₄+NbSi₂+Nb₅Si₃, 所对应的包共析转变为TiSi+Nb₅Si₃→Ti₅Si₄+NbSi₂。