材料科学基础 第5章 二元相图.

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1、 二元相图 Binary Phase Diagram 第五章IT米水 基本概念 相律、成分表示方法、相图测定、杠杆定理典型的二元相图其它类型的二元相图相图的热力学基础 G-X曲线、公切线法则、相图的几何规律实例分析, Fe-C相图共晶型包晶型形成化合物的相图包晶匀晶两相平衡转变共晶具有固态相变二元相图二元相图合金合金（alloy）组元组元（componentcomponent）5.1. 5.1. 基本概念基本概念合金系（合金系（alloy system）组成合金的最简单、最基本而且能独立存在的组成合金的最简单、最基本而且能独立存在的物质，可以是元素物质，可以是元素或化合物。或化合物。由两种或两

2、种以上金属或金属与非金属，经过熔炼、烧结或其他由两种或两种以上金属或金属与非金属，经过熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的方法组合而成并具有金属特性的物质。物质。由给定组元配置成的一系列成分不同的合金，组成一个合金系统。由给定组元配置成的一系列成分不同的合金，组成一个合金系统。如如Fe、C、Fe3C等等如钢、铜合金、铝合金、镁合金等如钢、铜合金、铝合金、镁合金等如如Fe-C系、系、Sn-Pb系、系、Cu-Zn系等系等5.1. 5.1. 基本概念基本概念相相（phase）组织组织（structure）合金中具有同一聚集状态、同一结构，以及成分性质完全相同的合金中具有同一聚集状态、同一结构

3、，以及成分性质完全相同的均匀组成部分。单相、多均匀组成部分。单相、多相相一定的外界条件一定的外界条件下，一定下，一定成分的合金可能由不同成分、结构和性成分的合金可能由不同成分、结构和性能的合金相能的合金相组成，这些组成，这些相的总体称为合金的相的总体称为合金的组织。组织。如如 -Fe、 -Fe 、Fe3C等等如如珠光体、莱氏体、魏氏组织珠光体、莱氏体、魏氏组织等等5.1 基本概念基本概念5.1.1 相平衡和相律相平衡和相律各组元在各相中的化学势相等各组元在各相中的化学势相等在c个组元组成的系统中若有个相, 则：m1=m1b=m1=.=m1m2=m2b=m2=.=m2.mc=mcb=mc=.=m

4、c5.1. 5.1. 基本概念基本概念1. 相平衡相平衡（phase equilibrium）5.1.15.1.1相平衡和相率相平衡和相率2) 相律相律（phase rule）5.1. 5.1. 基本概念基本概念5.1.15.1.1相平衡和相率相平衡和相率系统的自由度与组元数和相数之间的关系 fCP2 f：系统自由度数； C：系统组元数； P：系统相数对于衡压系统，DP0，相律可写成：fCP1相图：反映组织（相组成）和系统参数之间关系相图：反映组织（相组成）和系统参数之间关系的一种工具的一种工具5.1. 5.1. 基本概念基本概念5.1.25.1.2相图的表示方法相图的表示方法1.单元系的相图

5、单元系的相图 对于单元系，若DP0，则： fCP23p， 最多可出现三相平衡。若DP0，横坐标：温度纵坐标：压力（强）若DP=0，最多只能两相平衡，相图为直线5.1.2 相图的表示方法相图的表示方法例一：水的相图：此图反映了:l 在确定的温度和压下H2O的相组成，l 温度和压力变化时相组成的变化。若压强不变，相图是一条直线。5.1. 5.1. 基本概念基本概念5.1.25.1.2相图的表示方法相图的表示方法例二： 纯铁的相图反映固态下的相转变反映纯铁在不同温度和压强下发生的相转变1. 1. 基本概念基本概念5.1.25.1.2相图的表示方法相图的表示方法例三：石英的相图 陶瓷晶体的同质异构转变

6、比金属晶体多。如：石英在平衡转变时可能出现石英、b石英、b鳞石英、b方石英等同质异构体。1. 1. 基本概念基本概念5.1.25.1.2相图的表示方法相图的表示方法2. 二元系的相图二元系的相图1) 二元系的自由度根据相律：f = CP+2，一般情况下 DP0 f = CP + 1 = 3P系统最大的自由度是2（单相平衡） 分别是： T （温度） W （一个组元的浓度）二元相图中，横坐标是成分（组元浓度）， 纵坐标是温度 5.1. 5.1. 基本概念基本概念5.1.25.1.2相图的表示方法相图的表示方法2) 2) 成分表示法成分表示法 组元浓度的表示方法： 质量百分数 wA wB 摩尔百分数

7、 xA xB两者之间是可以相互转换的。 设组元的原子量分别位：RA、RB, 100%xRxRxRwBBAAAAA=%100=BBAABBBxRxRxRw%100=BBAAAAARwRwRwx%100=BBAABBBRwRwRwx1. 1. 基本概念基本概念5.1.25.1.2相图的表示方法相图的表示方法5.1.3 相图的建立相图的建立可以从理论和实验两条途径获得相图 实验：测临界点 理论：热力学函数计算测定临界点的方法：热分析、X射线、 热膨胀、磁性方法等 原理：材料在到达临界点时，相关的性能或参数有一个突变，通过测突变点来确定临界点。 5.1. 5.1. 基本概念基本概念5.1.3. 5.1

8、.3. 相图的建立相图的建立例：用热分析方法测定相图 5.1. 5.1. 基本概念基本概念5.1.3. 5.1.3. 相图的建立相图的建立5.1. 5.1. 基本概念基本概念5.1.45.1.4相图的使用相图的使用5.1.4 5.1.4 相图的使用相图的使用 以Al2O3-ZrO3为例说明相图的使用l 表象点 相图中的任意点 表征：材料的成分、温度、所在的相区，即表征不同成分材料在不同温度下的的状态，故又称之为状态图。l 相区： 单相区、两相区、 三相区（水平线） l 相变温度 成分坐标（垂直于横坐标的直线）与相区边界线的交点对应的温度 5.1. 5.1. 基本概念基本概念5.1.45.1.4

9、相图的使用相图的使用 a o b A B L abob=%abaoL=%1. 1. 基本概念基本概念5.1.5 5.1.5 杠杆定理杠杆定理 计算两相区中各相的相对分数 5.1.55.1.5杠杆定理杠杆定理5.5.2 匀晶相图匀晶相图5.2.15.2.1、匀晶相图和匀晶转变、匀晶相图和匀晶转变 1) 匀晶相图 二组元在液态和固态都完全互溶 2) 匀晶转变 从液相结晶出单相固溶体的过程 大多数的二元系中都包含匀晶转变，但只有少数的二元相图是匀晶相图 。5.2 5.2 匀晶相图匀晶相图5. 5.2 .1 2 .1 匀晶转变和匀晶相图匀晶转变和匀晶相图5.2.2 5.2.2 平衡转变平衡转变 T=T

10、1 相的成分为1T=T2 相的成分为2 T=T3 相的成分为3 123 所以凝固时晶粒内部发生扩散。 B(Ni)从里向外扩散，A(Cu)从外向里扩散 。只有充分扩散，晶粒从里到外成分均匀。扩散需要时间，所以只有冷却速度足够慢时才能实现平衡凝固。注意：匀晶转变时，液固相成分不同，所以形核要靠成分起伏。5.2 5.2 匀晶相图匀晶相图5.2.2 5.2.2 平衡转变平衡转变 1260125012205.2.3 5.2.3 非平衡匀晶转变非平衡匀晶转变 总的特点：成分不均匀 易形成枝晶偏析固相线偏离5.2 5.2 匀晶相图匀晶相图5. 5.2 .3 2 .3 非平衡转变非平衡转变5.2 5.2 匀晶

11、相图匀晶相图5. 5.2 .3 2 .3 非平衡转变非平衡转变1260124012201205固相线偏离 先凝固的部分富Ni，不易侵蚀，呈现亮白色，成为枝干. 后凝固的部分富Cu，易被侵蚀，呈现暗黑色，分布于枝间. 5.2 5.2 匀晶相图匀晶相图5. 5.2 .3 2 .3 非平衡转变非平衡转变枝晶偏析均匀化退火5.2.4 5.2.4 具有极大和极小点的匀晶相图具有极大和极小点的匀晶相图 有些匀晶相图具有成分的极大或极小点凝固时这个成分的材料液固相成分相同，此时少一个自由度。 f=C-P5.2 5.2 匀晶相图匀晶相图5. 5.2 .4 2 .4 具有极大和极小点的具有极大和极小点的匀晶相图