材料科学基础第三章2

1、2022-3-211第三章材料的相结构及相图 （之二）2022-3-212本章主要内容相与相平衡的基本概念，杠杆规则；相与相平衡的基本概念，杠杆规则；二元系统各种类型相图的基本特点和阅二元系统各种类型相图的基本特点和阅读分析；读分析；三元相图的基本概念，三元匀晶相图，三元相图的基本概念，三元匀晶相图，简单三元共晶相图。简单三元共晶相图。 2022-3-213为什么要研究相图？2022-3-2143.2.1相图的基础知识 一、相与相平衡 1. 相相 (Phase) 在一个系统中，在一个系统中，成分、结构相同，性能一致的均匀的组成部分叫做相，不同相之间有明显叫做相，不同相之间有明显的的界面分开分开

2、,该界面称为该界面称为相界面。 注意：注意： 相在物理性能和化学性能上是均匀的。相在物理性能和化学性能上是均匀的。 相界面和晶界的区别。相界面和晶界的区别。2022-3-215 2. 相平衡相平衡 在某一温度下，系统中各个相经过很在某一温度下，系统中各个相经过很长时间也不互相转变，处于平衡状态，长时间也不互相转变，处于平衡状态，这种平衡称为这种平衡称为相平衡。(反之称为非平衡相）反之称为非平衡相） 各组元在各相中的化学势相同。各组元在各相中的化学势相同。AAB 热力学动态平衡热力学动态平衡2022-3-216 3.组元与独立组分组元与独立组分 组元通常是指系统中每一个可以单独分离出来，组元通常

3、是指系统中每一个可以单独分离出来，并能独立存在的化学纯物质，在一个给定的系统并能独立存在的化学纯物质，在一个给定的系统中，组元就是构成系统的各种中，组元就是构成系统的各种化学元素或或化合物。 化学元素：化学元素：Cu, Ni, Fe等等 化合物：化合物：Al2O3, MgO, Na2O, SiO2等等独立组分是指决定一个相平衡系统中多相组成所需独立组分是指决定一个相平衡系统中多相组成所需要的最少数目的化学纯物质，它的数目称为独立要的最少数目的化学纯物质，它的数目称为独立组分数，用字母组分数，用字母C表示。表示。按（独立）组元数目，将系统分为：一元系统、二按（独立）组元数目，将系统分为：一元系统

4、、二元系统、三元系统元系统、三元系统2022-3-217 4 4 自由度和自由度和吉布斯相律吉布斯相律自由度是指在平衡系统中那些独立可变因自由度是指在平衡系统中那些独立可变因素的最大数目，以符号素的最大数目，以符号f表示。表示。吉布斯相律是指处于热力学平衡状态的系吉布斯相律是指处于热力学平衡状态的系统中自由度与组元数和相数之间的关系统中自由度与组元数和相数之间的关系定律：定律： f+p=c+n2022-3-218 只考虑温度和压力对系统平衡状态的影响只考虑温度和压力对系统平衡状态的影响: F=C-P+2 凝聚系统凝聚系统: F=C-P+1 式中的式中的P称为相数，显然在称为相数，显然在f0时，

5、时， P最大。最大。2022-3-219 几点说明： (1)(1)相平衡是研究多相体系的平衡状态如何随相平衡是研究多相体系的平衡状态如何随温度、压力和组分浓度等变数而改变的规律；温度、压力和组分浓度等变数而改变的规律； (2)(2)相图是根据多相平衡的实验结果而绘制的相图是根据多相平衡的实验结果而绘制的几何图形；又称状态图；几何图形；又称状态图； （3 3）相图中的平衡状态的概念。）相图中的平衡状态的概念。只适用于热只适用于热力学平衡状态，各相温度相等（热量平衡）、力学平衡状态，各相温度相等（热量平衡）、各相压力相等（机械平衡）、各相化学势相等各相压力相等（机械平衡）、各相化学势相等（化学平衡

6、）。（化学平衡）。 （4）相律只表示体系中组元和相的数目，不）相律只表示体系中组元和相的数目，不能指明组元和相的类型和含量。能指明组元和相的类型和含量。 （5）不能预告反应动力学（即反应速度问）不能预告反应动力学（即反应速度问题）。题）。 2022-3-2110单元系统的相图 组元数组元数 C=1 根据相律：根据相律： F=1-P+2=3-P F0, P3 若，若，P=1，则，则F=2 可以用可以用和和作坐标的平面图作坐标的平面图 (p-T图图) 来表示系统的相图。来表示系统的相图。若，若，F=0，则，则P=3，即最多有三相平衡。，即最多有三相平衡。 2022-3-2111 水的相图2022-

7、3-21122022-3-21132022-3-21142022-3-2115 二元系相图二元系相图 二元凝聚系统有两个组元，根据相律：二元凝聚系统有两个组元，根据相律： F=C-P+1，二元系统最大的自由度数目，二元系统最大的自由度数目F=2，这两个自由度就是温度和成分。，这两个自由度就是温度和成分。 故二元凝聚系统的相图，仍然可以采用故二元凝聚系统的相图，仍然可以采用二维的平面图形来描述。即以温度和任二维的平面图形来描述。即以温度和任一组元浓度为坐标轴的温度一组元浓度为坐标轴的温度-成分图表示。成分图表示。2022-3-2116 二元相图的表示法二元相图的表示法 如果合金系由如果合金系由A

8、、B两组元组成，横坐标一端两组元组成，横坐标一端为组元为组元A，而另一端为组元，而另一端为组元B，那么体系中任，那么体系中任一成分合金都可以在横坐标上找到相应的点。一成分合金都可以在横坐标上找到相应的点。 根据国标，二元合金成分可以有两种表示方法：根据国标，二元合金成分可以有两种表示方法：质量分数质量分数(W)和摩尔分数和摩尔分数(x)。但通常多数用。但通常多数用质量百分数表示，在没有特别注明，合金成分质量百分数表示，在没有特别注明，合金成分都是指质量百分数。若都是指质量百分数。若A、B为单质，质量百为单质，质量百分数和摩尔分数之间可以换算分数和摩尔分数之间可以换算 。 2022-3-2117

9、二元相图的建立方法： 二元相图的测定或建立是根据各种成分材料的二元相图的测定或建立是根据各种成分材料的临界点（临界点（critical point）绘制的。）绘制的。 临界点是表示物质结构状态发生本质变化的临临界点是表示物质结构状态发生本质变化的临界相变点。测定材料临界点有两种方法类型：界相变点。测定材料临界点有两种方法类型： (1)动态法：热分析法（动态法：热分析法（thermal analisis method）、膨胀法、电阻法）、膨胀法、电阻法 (2) 静态法：静态法：金相法、金相法、Xray衍射分析法衍射分析法 这些方法主要这些方法主要是利用合金在相结构变化时，引起物理性能、是利用合金

10、在相结构变化时，引起物理性能、力学性能及金相组织变化的特点来测定。力学性能及金相组织变化的特点来测定。 当然，现在还有使用计算机，通过热力学数据当然，现在还有使用计算机，通过热力学数据的计算结果来绘制相图的方法。的计算结果来绘制相图的方法。2022-3-2118热分析法画制Cu-Ni相图2022-3-2119 Cu-Pb合金相图合金相图2022-3-2120 杠杆规则杠杆规则 2022-3-2121上式也可写成：LooLCCCCaoobww杠杆规则示意图杠杆规则示意图2022-3-2122二元相图的基本类型二元相图的基本类型 （1）均晶相图当两个组元化学性质相近，晶体结构相同，晶格当两个组元化

11、学性质相近，晶体结构相同，晶格常数相差不大时，它们不仅可以在液态或熔融常数相差不大时，它们不仅可以在液态或熔融态完全互溶，而且在固态也完全互溶，形成成态完全互溶，而且在固态也完全互溶，形成成分连续可变的固溶体，称为无限固溶体或连续分连续可变的固溶体，称为无限固溶体或连续固溶体，它们形成的相图即为固溶体，它们形成的相图即为均均晶相图(Isomorphous system)。 2022-3-2123均晶相图分析：2022-3-21242022-3-21252022-3-21262022-3-2127杠杆规则的应用杠杆规则的应用2022-3-2128均晶结晶的特点： 固溶体的结晶是在一个温度范围内完

12、成的。固溶体的结晶是在一个温度范围内完成的。 纯金属纯金属 F=0 固溶体固溶体 F=1 结晶出的固相与共存液相的成分不同结晶出的固相与共存液相的成分不同 结晶过程中固相和液相的成分在不断变化，结晶过程中固相和液相的成分在不断变化，因此有原子的扩散因此有原子的扩散2022-3-2129二元相图的基本类型 （2）共晶相图在二元系统中，两个组元在液相可以无限互熔，而在固相时，完成互不相熔或只是有限互熔并发生共晶转变，形成共晶组织的相图，称为二元共晶相图。2022-3-2130 典型的二元共晶相图2022-3-2131二元相图的基本类型 （3）固溶型相图特征：高温时，两个组元在液态和固态都完全互溶，

13、而低温时，完全互溶的固溶体又分成两个部分互溶的固溶体。2022-3-2132 固溶型体系的相图有两种类型： 一种是包含有共溶型结构的二元系统（共溶型）； Pb-Sn相图是其典型的代表。相图是其典型的代表。 另一种是包含有转熔型结构的二元系统（包溶型）。 Ag-Pt相图是其典型的代表。相图是其典型的代表。2022-3-2133 共熔型2022-3-21342022-3-21352022-3-21362022-3-21372022-3-2138二元相图的基本类型 （4）偏晶型相图特征：在液态时部分互溶的二元相图，又称偏熔型二元相图。 典型的相图例子： Ga-Hg相图2022-3-2139二元相图的

14、基本类型 （5）化合物型相图 同分熔化化合物型二元系统 异分熔化化合物型二元系统 固相内化合物生成和分解的二元系统2022-3-2140同分熔化化合物型二元相图 这是一种最简单的具有化合物型的二元相图。 所谓的同化是指该化合物在固态和液态时都具有相同的组成，也称为一致熔化。 在金属材料中，最典型的是Nd2O3-Al2O3 在非金属材料中称为一致熔融化合物相图。2022-3-21412022-3-2142异分熔化化合物型二元相图 所谓异分熔化是指化合物被熔化后的组成与原先的固态组成完全不同。也称为不一致熔融。典型相图： Na-K二元相图（图346）2022-3-2143二元相图的基本类型 （6）

15、有晶型转变的二元系统三种情况： 晶型转变温度以上和以下都没有固溶 晶型转变温度以上和以下都完全固溶2022-3-21443. 3 三元相图 对于凝聚系统: f=c-p+1三元凝聚系统的独立组分 c=3 f=4-p当 f=0时 p=4; f=1时 p=3;而 p=1时 f=3所以三元凝聚系统的最多相数为4;最大自由度即最多的独立变量为3.2022-3-2145 三元相图的基本特点：三元相图的基本特点： (1) 完整的三元相图是三维的立体模型； (2) 三元系中可以发生四相平衡转变。四相平衡区是恒温水平面； (3) 三元相图中有单相区、两相区、三相区和四相区。除四相平衡区外，一、二、三相平衡区均占

16、有一定空间，是变温转变。 2022-3-21463.3.1 三元相图成分表示方法 二元相图的成分是用一条直线上的点来表示的，三元相图的成分变化也可以用直线上的质量百分数来表示，但是，由于增加了一个成分，所以，与二元相图的区别是必须用若干条直线来表示。 三元相图的成分变化通常使用的是三角形图形： （1）等边三角形 （2）直角三角形 （3）等腰三角形 （1）为常见方法2022-3-2147浓度三角形规则2022-3-2148 浓度三角形规则2022-3-2149成分等边三角形的性质 1、在等边成分三角形中，三角形的三个顶点分别代表三个组元A、B、C，三角形的三个边的长度定为0100%，分别表示三个

17、二元系(AB系、BC系、CA系)的成分坐标，则三角形内任一点都代表三元系的某一成分。 其成分确定方法如下：由浓度三角形所给定点S，分别向A、B、C顶点所对应的边BC、CA、AB作平行线(sa、sb、sc)，相交于三边的c、a、b点，则A、B、C组元的浓度为：WA = sc = Ca WB = sa = Ab WC = sb = Bc 注： sa + sb + sc = 1 Ca + Ab + Bc = 1 2022-3-2150成分等边三角形的性质 2. 等边成分三角形中特殊线：等边成分三角形中特殊线： (1) 平行等边成分三角形某一边的直线。平行等边成分三角形某一边的直线。 凡成分点位于该线

18、上的各三元相，它们所含与此线对应顶角代表的组元的质量分数(浓度)均相等。 (2) 通过等边成分三角形某一顶点的直线通过等边成分三角形某一顶点的直线 位于该线上的所有三元系，所含另外两顶点所代表的的组元质量分数(浓度)比值为恒定值。 2022-3-2151三元共晶相图的空间模型2022-3-21523.3.3三元相图的截面图和投影图 （1）水平截面（等温） 就是以一定温度所作的平面与三元相图立体相截，所得到的图形投影到成分三角上所得到的图形，又称水平截面图（水平截面图（horizontal section）。 等温截面图是在给定了温度下的相平衡关系，利用系列等温截面图可以分析给定合金的相变和在某一温度下的状态。利用直线定律可以计算两平衡相的相对量。图3632022-3-2153 （2）垂直截面（变温）