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1、(1)7/26/20227第七章二元相图相图相图：表示：表示平衡条件平衡条件下材料系统中下材料系统中相的状态相的状态与与温度温度及及成分成分之间关系的一种图形。又称之间关系的一种图形。又称状态图或平衡图状态图或平衡图。相相图图是是材材料料科科学学工工作作者者必必不不可少的可少的重要工具。重要工具。相图的用途：相图的用途：由相图可以知道材料的凝固或由相图可以知道材料的凝固或熔化温度及系统中可能发生的熔化温度及系统中可能发生的固态相变或其他转变；固态相变或其他转变；材料的性能与相图有一定关系，材料的性能与相图有一定关系，掌握了有关相图的知识，就可掌握了有关相图的知识，就可以通过相图预测材料的某些性
2、以通过相图预测材料的某些性能。能。(2)7/26/202277.1 相图的表示和测定方法7.1.1 相相系统：所研究的原子、分子的集体。系统：所研究的原子、分子的集体。相：给定的物质系统中，具有同一化学成分、同一原子相：给定的物质系统中，具有同一化学成分、同一原子聚集状态和性质的聚集状态和性质的均匀连续均匀连续组成部分。组成部分。第一节 相图的表示和测定方法7.1.2 相平衡与相律相平衡与相律相平衡相平衡：某一温度下，系统中各相长时间不相互转变，处：某一温度下，系统中各相长时间不相互转变，处于平衡状态。于平衡状态。动态平衡动态平衡 热力学条件：每个组元热力学条件：每个组元在各相中的化学势相等在
3、各相中的化学势相等。相律：热力学平衡条件下，系统的相律：热力学平衡条件下，系统的组元数组元数、相数相数和和自自由度数由度数之间的关系。之间的关系。f=c-p+1（恒压恒压条件下）条件下）(3)7/26/20227相律：热力学平衡条件下，系统的相律：热力学平衡条件下，系统的组元数组元数、相数相数和和自自由度数由度数之间的关系。之间的关系。f=c-p+1（恒压恒压条件下）条件下）相律应用：确定系统中可能存在的最多平衡相数，相律应用：确定系统中可能存在的最多平衡相数，判判 断相图正误断相图正误解释：为什么纯金属温度恒定下结晶？二元合金在一温度解释：为什么纯金属温度恒定下结晶？二元合金在一温度范围内结
4、晶？范围内结晶？纯金属：纯金属：二元合金：二元合金：三元合金：三元合金：c -fmin +1第一节 相图的表示和测定方法7.1 相图的表示和测定方法(4)7/26/20227相律：热力学平衡条件下，系统的相律：热力学平衡条件下，系统的组元数组元数、相数相数和和自自由度数由度数之间的关系。之间的关系。f=c-p+1（恒压恒压条件下）条件下）相律应用：确定系统中可能存在的最多平衡相数，相律应用：确定系统中可能存在的最多平衡相数，判判 断相图正误断相图正误A BLL+T第一节 相图的表示和测定方法7.1 相图的表示和测定方法(5)7/26/202277.1.3 相图的表示与测定相图的表示与测定横坐标
5、：横坐标：成分成分纵坐标：纵坐标：温度温度图中任一点：图中任一点：状态点状态点状态与成分表示法状态与成分表示法质量分数质量分数(w)和摩尔分和摩尔分数数(x)二元相图中的成分二元相图中的成分按现在国家标准有两种按现在国家标准有两种表示方法表示方法：质量分数和质量分数和摩尔分数。一般情况下，摩尔分数。一般情况下，如果没有特别注明，均如果没有特别注明，均指指质量分数质量分数。第一节 相图的表示和测定方法7.1 相图的表示和测定方法(6)7/26/202277.1.3 相图的表示与测定相图的表示与测定状态与成分表示法状态与成分表示法Cu305070Ni相图的建立：相图的建立：计算法：计算法：实验法：
6、实验法：热分析法热分析法，金相组织法，金相组织法，X射线分析法，硬度法，射线分析法，硬度法，电阻法，热膨胀法，磁性法。电阻法，热膨胀法，磁性法。配配制制一一系系列列成成分分的的合合金金测测冷冷却却曲曲线线确确定定转转变变温温度度填填入入坐坐标标绘绘出出曲线。曲线。测定合金的冷却（或加热）曲线测定合金的冷却（或加热）曲线7.1 相图的表示和测定方法第一节 相图的表示和测定方法(7)7/26/202277.1.3 相图的表示与测定相图的表示与测定由凝固开始温度连接起来的相界线称为液相线，由凝固终结温度连接起来的相界线称为固相线。相相图图中中由由相相界界线线划划分分出出来来的的区区域域称称为为相相区
7、区，表表明明在在此此范范围围内内存存在在的的平平衡衡相相类类型型和和数数目目。在在二二元元相相图图中中有有单单相相区区和和两两相相区区。在在相相图图中中，任任意意一一点点都都叫叫“表表象象点点”。一一个个表表象象点点的的坐坐标标值值反反映映一一个个给给定定合合金金的的成成分分和和温温度度。在在相相图图中中由由表表象象点点所所在在的的相相区区可可以以判判定定在在该该温度下合金由哪些相组成。温度下合金由哪些相组成。第一节 相图的表示和测定方法7.1 相图的表示和测定方法(8)7/26/202277.2 二元相图分析相图的基本类型相图的基本类型:匀晶匀晶相图相图共晶共晶相图相图包晶包晶相图相图二二元
8、元相相图图(9)7/26/20227匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的过程。匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的过程。二元匀晶相图相律：相律：f=c-p+1 匀晶相图：完全具有匀匀晶相图：完全具有匀晶转变的相图。晶转变的相图。相图分析（以相图分析（以Cu-Ni相图相图为例）为例）两两点点：纯组元熔点：纯组元熔点两两线线：液相线液相线，固相线固相线三三区区：L,L+LL+两相区：两相区：f=2-2+1=1温度可变，两相区存在于一个温度范围内，温度可变，两相区存在于一个温度范围内，温度一定时，液、固成分一定温度一定时，液、固成分一定7.2 二元相图分析(10)7/26/20227两组元在液态
9、无限互溶，在固态也无限互溶的系统称为两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶的系统称为匀匀晶系晶系。在两个金属组元之间形成合金时，要能无限互溶必须服从以在两个金属组元之间形成合金时，要能无限互溶必须服从以下条件：下条件：1.1.两者的晶体结构相同，原子尺寸相近，尺寸差小于两者的晶体结构相同，原子尺寸相近，尺寸差小于1515。2.2.两者有相同的原子价和相似的电负性。两者有相同的原子价和相似的电负性。这一适用于合金固溶体的规则，也基本适用于以离子晶体化这一适用于合金固溶体的规则，也基本适用于以离子晶体化合物为组元的固溶体形成，只是上述规则中以离子半径替合物为组元的固溶体形成，只是上述规则中以离子半
10、径替代原子半径。代原子半径。7.2 二元相图分析(11)7/26/20227对应于极大点和极小点的合金，由于液、对应于极大点和极小点的合金，由于液、固相的成分相同，此时用来确定体系状态固相的成分相同，此时用来确定体系状态的数量应少掉一个，于是自由度的数量应少掉一个，于是自由度f=c-p+1=1-2+1=0,即恒温转变。即恒温转变。具具有极小点与极大点的相图有极小点与极大点的相图(a)具有极小点具有极小点(b)具有极大点具有极大点7.2 二元相图分析(12)7/26/20227平衡凝固：平衡凝固：无限缓慢无限缓慢冷却时的凝固方式。冷却时的凝固方式。凝固过程中的每个阶段都能达到平衡每个阶段都能达到
11、平衡，即在相变过程中有充分时间进行组元间的扩散有充分时间进行组元间的扩散，以达到平衡相的成分。平衡结晶过程分析平衡结晶过程分析固溶体的平衡凝固7.2 二元相图分析(13)7/26/20227固溶体结晶特点：固溶体结晶特点：结晶出的固相与原液结晶出的固相与原液相成分相成分不同不同。在形核时不但要求溶液中有在形核时不但要求溶液中有能量起伏，还要有能量起伏，还要有浓度起伏浓度起伏。在在一定温度范围一定温度范围内结晶，凝内结晶，凝固速率较慢。固速率较慢。在每一温度下，平衡凝固实质包括三个过程：液相内的扩散过程。固相的继续长大。固相内的扩散过程。7.2 二元相图分析固溶体的平衡凝固(14)7/26/20
12、2277.2 二元相图分析(15)7/26/20227杠杆定律杠杆定律注意：只适用于注意：只适用于两相区两相区；三点（支点和端点）要选准。；三点（支点和端点）要选准。WL+W=W0WLXL+WX=W0XWLW固溶体的平衡凝固7.2 二元相图分析(16)7/26/20227杠杆定律的两端一定是单相杠杆定律的两端一定是单相杠杆的杆是某一温度杠杆的杆是某一温度杠杆的支点是研究合金的平均成分杠杆的支点是研究合金的平均成分杠杆定律是计算双相的重量百分含量杠杆定律是计算双相的重量百分含量(17)7/26/20227不平衡原因：冷速快，不平衡原因：冷速快，固相不能均匀化固相不能均匀化固溶体的非平衡凝固 不平
13、衡结晶特点：不平衡结晶特点：(1)相成分按平均成分线变化相成分按平均成分线变化(2)结晶温度范围增大结晶温度范围增大(3)成分偏析：成分偏析：晶内偏析（枝晶偏析）晶内偏析（枝晶偏析）先结晶的部分含高熔点的组分多，后结晶的部分含低熔点的组分多，熔液只能在固态表层建立平衡。217.2 二元相图分析(18)7/26/20227从上述对非平衡凝固过程的分析得到如下几从上述对非平衡凝固过程的分析得到如下几点结点结论：论：1）固相平均成分线和液相平均成分线与固相线和）固相平均成分线和液相平均成分线与固相线和液相线不液相线不同同，它们和冷却速度有关。，它们和冷却速度有关。2）先结晶部分总是富高熔点组元（）先
14、结晶部分总是富高熔点组元（Ni），后结晶的部），后结晶的部分是分是富富低熔点组元（低熔点组元（Cu）。）。3)非平衡凝固总是导致凝固终结温度低于平衡凝固时的非平衡凝固总是导致凝固终结温度低于平衡凝固时的终结终结温温度度。7.2 二元相图分析固溶体的非平衡凝固(19)7/26/20227消除枝晶偏析：均匀化退火消除枝晶偏析：均匀化退火晶内偏析：一个晶内偏析：一个晶粒内部晶粒内部化学成分不均匀现象。化学成分不均匀现象。枝晶偏析：树枝晶的枝晶偏析：树枝晶的枝干和枝间枝干和枝间化学成分不均匀的现象。化学成分不均匀的现象。7.2 二元相图分析固溶体的非平衡凝固(20)7/26/20227共共晶晶转转变变
15、：由由一一定定成成分分的的液液相相同同时时结结晶晶出出两两个个一一定定成成分分固相的转变。固相的转变。LE=M+N f=2-3+1=0共晶相图：具有共晶转变特征的相图。共晶相图：具有共晶转变特征的相图。液态无限互溶、固态液态无限互溶、固态有限有限互溶或互溶或完全不溶完全不溶，且发生共晶反，且发生共晶反应。应。二元共晶相图L共晶组织：共晶转变产物共晶组织：共晶转变产物:(M+N)（是（是两相两相混合物）混合物）7.2 二元相图分析(21)7/26/20227共晶合金具有的特殊性质：共晶合金具有的特殊性质：比纯组元熔点低，简化了熔化和铸造的操作；比纯组元熔点低，简化了熔化和铸造的操作；共共晶晶合合
16、金金比比纯纯金金属属有有更更好好的的流流动动性性，其其在在凝凝固固之之中中防防止止了阻碍液体流动的枝晶形成，从而改善铸造性能；了阻碍液体流动的枝晶形成，从而改善铸造性能；恒恒温温转转变变（无无凝凝固固温温度度范范围围）减减少少了了铸铸造造缺缺陷陷，例例如如偏偏聚和缩孔；聚和缩孔；共共晶晶凝凝固固可可获获得得多多种种形形态态的的显显微微组组织织，尤尤其其是是规规则则排排列列的的层层状状或或杆杆状状共共晶晶组组织织可可能能成成为为优优异异性性能能的的原原位位复复合合材材料料（ininsitu compositesitu composite）。）。(22)7/26/202277.2 二元相图分析二元共晶相图共晶点共晶点E，纯组元熔点；最大溶解度点；室温溶解度点纯组元熔点；最大溶解度点；室温溶解度点(1)点：点：(2)线：线：(3)区：区：结晶开始线（液相线），结晶开始线（液相线），结晶结束线（固相线），结晶结束线（固相线），共晶共晶线，线，固溶线固溶线3个单相区：个单相区：L、f=23个两相区：个两相区：L+、L+、+f=11个三相区（线）：个三相区（线）：L+f=0L合金类型：端部固溶体合
