《工程材料科学与设计》(jamesp.schaffer)cha课件

工程材料科学与设计（JamesP.Schaffer等著）余永宁等翻译机械工业出版社,相平衡与相图,2,Wisdominthemindisbetterthanmoneyinthehand.Nothingisimpossibleforawillingheart.,3,7.0前言,Freeze-driedcoffee（冻干咖啡）,4,Howiceskatermovesoeasilyonice？,5,世界上的山到底能有多高？,6,一、相平衡的基本概念1.系统选择的研究对象称为系统。系统以外的一切物质都称为环境。2.相（phase）系统中具有相同物理与化学性质的完全均匀部分的总和称为相。(1)相与相之间有界面；(2)可用机械的方法将它们分开，越过界面时性质发生突变；(3)系统中存在的相可以是稳定的、亚稳的或不稳定的。(4)系统在某一热力学条件下，只有当能量具有最小值的相才是最稳定的。系统的热力学条件改变时，自由能会发生变化，相的结构也相应发生变化。,7.1相与相图,7,eg水和水蒸气共存，组成虽同为H2O，但物理性质不同，故为两个不同的相。乙醇和水混合形成的溶液整个系统只是一个液相油和水混合二相系统空气（O2，N2，CO2）一个相系统中液体，纯液体是一相;混合液体完全互溶，即为一相，分层则不止一相,2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.,图7.1相与溶解度的示意图Illustrationofphasesandsolubility:(a)Thethreeformsofwatergas,liquid,andsolidareeachaphase.(b)Waterandalcoholhaveunlimitedsolubility.(c)Saltandwaterhavelimitedsolubility.(d)Oilandwaterhavevirtuallynosolubility.,8,系统中的固体（1）机械混合物，有几种物质就有几相（2）生成化合物，固态物质间每生成一个新的化合物，则形成一种新的固态物质，即产生一个新相。（3）形成固溶体（4）同质多晶现象,9,3.独立组元系统中每一个能够单独分离出来并能独立存在的化学纯物质称为组元。eg在盐水中，NaCl和水都是物种，而Na+、Cl-、H+、OH-等离子就不是物种，因为它们不能独立存在。只有特定条件下，独立组元和组元的含义才是相同的。若系统中不发生化学反应，则：独立组元数=物种数eg砂糖和砂子盐和水如果一个系统中，同一相内存在一定的浓度关系，则独立组元数为独立组元数=物质数-独立的化学平衡关系式数,10,4.自由度在一定范围内，可以任意改变而不引起旧相消失或者新相产生的独立变量称为自由度。一个系统中有几个独立变量就有几个自由度。对于给定的相平衡系统，在保持系统中相的数目和相的状态下不发生变化的条件下，并不是温度、压力、组分的浓度等所有的变量都可以任意改变。5.外界影响因素影响系统平衡状态的外界因素包括：温度、压力、电场、磁场、重力场等。外界影响因素的数目称为影响因数数。在一般情况下，只考虑温度和压力对系统平衡状态的影响。,11,二、相图（phasediagram）相图：描述物质的状态与温度、压力及成分之间关系的图解。根据相图可确定不同成分的材料在不同温度下组成相的种类、各相的相对量、成分及温度变化时可能发生的变化。仅在热力学平衡条件下成立，不能确定结构、分布状态和具体形貌。聚合物科学中相图的使用受到限制：（1）达到平衡的速度非常慢。大多数溶化过程聚合物永远达不到平衡（2）聚合物含有很多分子，每个分子的相对分子量都不同（3）除非聚合物的化学结构非常相似，否则它们通常是不相容的。,12,7.2单元系相图,图7.2水的相图,13,2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.,图7.3镁的一元相图Schematicunaryphasediagramformagnesium,showingthemeltingandboilingtemperaturesatoneatmospherepressure.,14,相律Gibbsphaserule,1876年美国W.Gibbs从热力学推导出来,（1）表达式：f=c-p+2;f：自由度；c：独立组元数；p：相数压力一定时，f=c-p+1。（2）应用可确定系统中可能存在的最多平衡相数。如单元系2个，二元系3个。解释纯金属与二元合金的结晶差别。纯金属结晶恒温进行，二元合金变温进行。,15,图7.4铁的平衡温度压力图,在一个相图中可能存在多个三相点,16,7.3二元相图,溶解度：一种物质溶解在另外一种物质中而且不生成第二相，溶解的量就称为溶解度。,2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.,图7.5几种不同的溶解情况,Figure7.5(a)Liquidcopperandliquidnickelarecompletelysolubleineachother.(b)Solidcopper-nickelalloysdisplaycompletesolidsolubility,withcopperandnickelatomsoccupyingrandomlatticesites.(c)Incopper-zincalloyscontainingmorethan30%Zn,asecondphaseformsbecauseofthelimitedsolubilityofzincincopper.,17,2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.,图7.6锌在铜中的溶解度Figure7.6Thesolubilityofzincincopper.Thesolidlinerepresentsthesolubilitylimit;whenexcesszincisadded,thesolubilitylimitisexceededandtwophasescoexist.,18,2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.,图7.7MgO和NiO形成无限固溶体Mg0andNi0havesimilarcrystalstructures,ionicradii,andvalences;thusthetwoceramicmaterialscanformsolidsolutions.,19,方法：实验法和计算法。过程：配制合金测冷却曲线确定转变温度填入坐标绘出曲线。,相图的建立,图7.8Ni-Cu相图的建立,20,方法：实验法和计算法。过程：配制合金测冷却曲线确定转变温度填入坐标绘出曲线。,相图的建立,图7.8Ni-Cu相图的建立,21,图7.9几种同晶相图Figure7.9(a)TheequilibriumphasediagramsfortheCu-NiandNiO-MgOsystems.(b)TheliquidusandsolidustemperaturesareshownforaCu-40%Nialloy.(c)and(d)Systemswithsolidsolutionmaximaandminima.(Source:AdaptedfromIntroductiontoPhaseEquilibria,byC.G.Bergeron,andS.H.Risbud.Copyright1984AmericanCeramicSociety.Adaptedbypermission.),二元相图之同晶相图,22,图7.10Cu-Ni合金的机械性能Figure7.10Themechanicalpropertiesofcopper-nickelalloys.Copperisstrengthenedbyupto60%Niandnickelisstrengthenedbyupto40%Cu.,23,杠杆定律LeverRule,2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.,Figure7.11Atieline1250Cinthecopper-nickelsystemthatisusedinExample9.9tofindtheamountofeachphase.,CalculatetheamountsofandLat1250oCintheCu-40%NialloyshowninFigure7.11.,24,（1）平衡相成分的确定根据相律，若温度一定，则自由度为0，平衡相成分随之确定。（2）数值确定直接测量计算或投影到成分轴测量计算。（3）注意：只适用于两相区；三点（支点和端点）要选准。,3杠杆定律,25,（1）平衡结晶：每个时刻都能达到平衡的结晶过程。（2）平衡结晶过程分析冷却曲线：温度时间曲线相（组织）与相变（各温区相的类型、相变反应式、杠杆律应用）；组织示意图；成分均匀化：,平衡结晶,26,2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.,Figure7.12ThechangeinstructureofaCu-40%Nialloyduringequilibriumsolidification.Thenickelandcopperatomsmustdiffuseduringcoolinginordertosatisfythephaseprogramandproduceauniformequilibriumstructure.,27,与纯金属结晶的比较相同点：基本过程：形核长大；热力学条件：T0；能量条件：能量起伏；结构条件：结构起伏。不同点：合金在一个温度范围内结晶（可能性：相律分析；必要性：成分均匀化。）合金结晶是选分结晶：需成分起伏。,28,（1）原因：冷速快（假设液相成分均匀、固相成分不均匀）。（2）结晶过程特点：固相成分按平均成分线变化（但每一时刻符合相图）；结晶的温度范围增大；组织多为树枝状。（3）成分偏析：晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀现象。枝晶偏析：树枝晶的枝干和枝间化学成分不均匀的现象（消除：扩散退火，在低于固相线温度长时间保温。）,固溶体的不平衡结晶,29,2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.,Figure7.13ThechangeinstructureofaCu-40%Nialloyduringnonequilibriumsolidification.Insufficienttimefordiffusioninthesolidproducesasegregatedstructure.,30,7.4共晶相图EutecticPhaseDiagrams,共晶转变：由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相的转变。共晶相图：具有共晶转变特征的相图。液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶，且发生共晶反应。共晶组织：共晶转变产物（两相混合物）。,31,(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.,Figure7.14thelead-tinequilibriumphasediagram.,32,1相图分析（相图三要素）（1）点：纯组元熔点；最大溶解度点；共晶点（是亚共晶、过共晶合金成分分界点）等。（2）线：结晶开始、结束线；溶解度曲线；共晶线等。（3）区：3个单相区；3个两相区；1个三相区。,33,(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.,Figure7.15SolidificationandmicrostructureofaPb-2%Snalloy.Thealloyisasingle-phasesolidsolution.,34,(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.,Figure7.16Solidification,precipitation,andmicrostructureofaPb-10%Snalloy.Somedispersionstrengtheningoccursasthesolidprecipitates.,35,2合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例）（1）Wsn70GPahasneverbeenobservedinanymaterialbesidesdiamond,indicatingthehighhardnessofthishigh-pressurecarbonallotrope.,101,科学家在金属玻璃内部发现单晶体结构,Long-RangeTopologicalOrderinMetallicGlassMaoetal.Science2011,332,1404Glasslacksthelong-rangeperiodicorderthatcharacterizesacrystal.IntheCe75Al25metallicglass(MG),however,wediscover