二元合金相图的建立（V18版）

3-3二元合金相图的建立3-4二元匀晶相图（一）3-3Foundationofbinaryisomorphousphasediagram3-4Binaryisomorphousphasediagram(1)

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iMT23-3Foundationofbinaryisomorphousphasediagram3-4Binaryisomorphousphasediagram(1)知识回顾：相：是金属中具有相同的化学成分、相同结构和相同物理性能的组分。材料的整体性能取决于存在相的数目、各相的成分与结构、相的相对量、相的尺寸和空间分布等。定义：合金相图是表示合金系中合金状态与温度、成分之间关系的图。相图能够表示合金系中任何成分的合金在任何温度下存在的相或组织状态，故称为相图。

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33-3Foundationofbinaryisomorphousphasediagram3-4Binaryisomorphousphasediagram(1)英国冶金学家WilliamHume-Rothery说，相图是智慧的开始（Phasediagramsarethebeginningofwisdom.）。相图被誉为材料设计的指导书、冶金工作者的地图和热力学数据的源泉，其重要性已被冶金、材料、化工、地质等工作者广为认同。

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MetallgraphyI3-3Foundationofbinaryisomorphousphasediagram3-4Binaryisomorphousphasediagram(1)一、相图的应用可以体现在4个方面：1、相图是合金设计的依据；2、相图是合金热处理工艺制定的依据；3、相图是组织检测分析的依据；4、相图是物质体系相平衡热力学关系的图形表示，而热力学理论是所有材料制备应用分析的工具。相图理论由两大部分组成：相图的几何构造和相图的热力学基础。

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MetallgraphyI3-3Foundationofbinaryisomorphousphasediagram由于相图是在极缓慢冷却接近平衡条件下测绘的，故又称平衡相图。平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相的成分和质量分数不再变化所达到的一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。

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63-3Foundationofbinaryisomorphousphasediagram二元合金相图的表示方法。相图用纵坐标表示温度变化，用横坐标表示成分变化。实验装置

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MetallgraphyI3-3Foundationofbinaryisomorphousphasediagram相图是用实验方法建立起来的，一般采用热分析法测绘。（DifferentialThermalAnalysis，DTA）实验原理是测量凝固时释放的凝固潜热。热分析法实验装置示意图

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MetallgraphyI3-3Foundationofbinaryisomorphousphasediagram二、热分析法建立相图的步骤：1、选用高纯度的组元，配置一系列不同成分的合金；2、测出平衡条件下的冷却曲线，找出临界点；3、将各临界点标注在温度-成分坐标平面内；4、把相同意义的临界点连成线，标上已知条件、分析结果，写上数字、字母及各相、组织的名称。结晶开始点的连线，叫液相线；结晶终止点的连线，叫固相线。

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93-3Foundationofbinaryisomorphousphasediagram热分析法建立相图提问：冷却速度改变？

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MetallgraphyI3-3Foundationofbinaryisomorphousphasediagram相图的建立：相图的测定除用热分析法之外，还有X射线晶体结构分析法、热膨胀法、硬度法、金相分析法和电阻法等。由于实验测定工作量庞大，从20世纪70年代以来，由L.Kaufman,M.Hillert和I.Ansara等奠基，经过两代人的努力，相图研究从以相平衡的实验测定为主进入了热化学与相图计算机耦合研究的新阶段。相图计算软件的代表之作是瑞典皇家工学院的Thermo-Calc。其他热力学软件还有加拿大的FACTSage、美国的Pandat、英国的MTDATA等。

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MetallgraphyI3-3FoundationofbinaryisomorphousphasediagramComputerCalculationofPhaseDiagrams瑞典皇家工学院的Thermo-Calc3-3FoundationofbinaryisomorphousphasediagramComputerCalculationofPhaseDiagrams英国国家物理实验室NPL：MTDATAisasoftware/datapackageforthecalculationofphaseequilibria（相平衡）inmulticomponentmultiphasesystemsusing,asabasis,criticallyassessedthermodynamicdata.Ithasnumerousapplicationsinthefieldsofmetallurgy（冶金学）,chemistry,materialsscience,andgeochemistry（地球化学）dependingonlyonthedataavailable.

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MetallgraphyI3-4Binaryisomorphousphasediagram(1)二元匀晶相图匀晶相图：二组元在液态时完全互相溶解，在固态时也能互相溶解，并形成无限固溶体的合金系，其相图称为匀晶相图。匀晶转变：两组元在液态与固态均无限互溶，直接由液相结晶出单相固溶体的过程，称为匀晶转变。具有这类相图的合金系主要有：Cu-Ni、Fe-Ni、Fe-Cr、Cu-Au、Mg-Cd和W-Mo等。

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143-4Binaryisomorphousphasediagram(1)一、匀晶相图分析点：A,B；线：液相线，固相线；区：L，L+α，α

MetallgraphyI3-4Binaryisomorphousphasediagram(1)二、固溶体的平衡结晶及组织以Ⅰ点成分的Cu-Ni合金为例分析结晶过程。匀晶转变的平衡过程：L→L+α→α液相→液、固共存→固相在液、固共存区，液相和固相的成分是变化的，生成的固相成分沿固相线变化，剩余的液相成分沿液相线变化。

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163-4Binaryisomorphousphasediagram(1)二、固溶体的平衡结晶及组织以Ⅰ点成分的Cu-Ni合金为例分析结晶过程。

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MetallgraphyI3-4Binaryisomorphousphasediagram(1)三、固溶体的结晶过程（匀晶转变）与纯金属结晶相比：1.异分结晶：指固溶体结晶时，结晶出来的固相与母相化学成分不同。需要一定的成分起伏。2.结晶速度比纯金属低。固溶体的结晶是在一定的温度范围内完成的，其中每一个温度下，只能结晶出一定数量的固相。3.在匀晶相图的两相区，温度一定时，两相的成分确定，两相的重量比也一定。4.先结晶的固溶体与后结晶的固溶体成分不同，平衡结晶条件下，可通过原子扩散，最终获得成分一致的单相固溶体。5.固溶体结晶包括形核和长大过程，且趋向于树枝状长大。

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MetallgraphyI3-4Binaryisomorphousphasediagram(1)四、相律1875-1878年吉布斯提出了Gibbs相律，指的是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关系的规律，简称相律。相律是判别相平衡的一个定律。自由度，是指可以独立改变而不影响体系平衡状态的强度变量的最大数目。自由度只取"0"以上的正值。如果出现负值，则说明系统可能处于非平衡态。选取温度T、压力p和组元成分Xi作为独立变量，体系中各相达到平衡时，相律的形式为F=C-Φ+2式中，C是体系中组元数，Φ是相数，F是自由度数。

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MetallgraphyI3-4Binaryisomorphousphasediagram(1)四、相律相律概括了相平衡时，系统自由度数与组元数和相数之间的关系，对理解相图的几何结构，分析和检验相图正确与否至关重要。

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203-4Binaryisomorphousphasediagram(1)若压力恒定，F=C-Φ+1式中，C是体系中组元数，Φ是相数，F是自由度数。对于二元系，恒压下，C=2，则相律表达式：F=3-Φ单相平衡时，F=2；说明单相区位于一个温度和成分都能独立变化的区域；

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iMT213-4Binaryisomorphousphasediagram(1)若压力恒定，F=C-Φ+1式中，C是体系中组元数，Φ是相数，F是自由度数。对于二元系，恒压下，C=2，则相律表达式：F=3-Φ两相平衡时，F=1；--说明两相区只能有一个独立变数，若温度变，则两相成分必随之变。即，T=f(X)

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iMT223-4Binaryisomorphousphasediagram(1)若压力恒定，F=C-Φ+1式中，C是体系中组元数，Φ是相数，F是自由度数。对于二元系，恒压下，C=2，则相律表达式：F=3-Φ三相平衡时，F=0；--说明三相平衡的条件很苛刻，温度和每个相的成分都必须严格不变，所以三相平衡只能处于一条等温线上，这条线的两个端点及中间的某一点横坐标，分别表示三个平衡相的成分。二元三相平衡的两种结构形式：a.共晶型：R→Q+Vb.包晶型：R+Q→V

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MetallgraphyI3-4Binaryisomorphousphasediagram(1)若压力恒定，F=C-Φ+1式中，C是体系中组元数，Φ是相数，F是自由度数。对于二元系，恒压下，C=2，则相律表达式：F=3-ΦΦ＞3时，F＜0，无意义。所以在等压二元相图中，不会出现四相或四相以上的平衡。在恒压下，任何二元相图，不管它的形状如何复杂，都是由一些单相区、两相区和三相线组合而成的。反过来，通过对各区和线一一进行分析，再综合起来，就可以掌握整个相图。

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MetallgraphyI3-4Binaryisomorphousphasediagram(1)五、杠杆定律-平衡相的定量法则对具体合金来说，相的成分固然重要，但是相的相对量有时更重要，杠杆定律正是用来解决这个问题的。在二元合金系中，相的定量主要在于二相区，三相区因为在三相线上，三个相可以任何比例相平衡。二元系二相平衡时，相的成分是确定的，但相的相对量却是可以任意变化的，只有当合金的成分同时也确定时，相的相对量才会随之而定，才能利用数学方法进行计算。

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