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第四章 相图 相图(Phase diagram )——描述系统中相的状态、温度、压力及成分之间关系的图解。 表征——材料系统中相的状态与温度及成分之间关系的一种图形。 水的P-T相图 一 相 体系——热力学所研究的原子、分子等集体称为系统或体系。 相——在一个系统中，具有同一聚集状态的均匀部分称。 二 相平衡与相律 1 相律 热力学平衡条件下，系统的组元数、相数和自由度数之间的关系。 第一节 相图的基本知识 2 表达式 温度和压力都变化时：f=c-p+2; 压力一定时，f=c-p+1。 f—自由度数，c-组元数， p—平衡相的数目 3 应用 ①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。 ②解释纯金属与二元合金的结晶差别。 纯金属结晶——恒温；二元合金——变温。 二元相图的表示方法 1 状态与成分表示法 温度－成分坐标系。 坐标系中的点－表象点。 成分表示：质量分数或摩尔分数。 三、 相图的表示与建立 2 相图的建立 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。 用热分析法建立Cu-Ni相图 用热分析建立Cu-Ni相图.swf 3 杠杆定律 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。 第二节 二元匀晶相图 一 匀晶相同及其分析 1 匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的转变。 2 匀晶相图： 具有匀晶转变特征的相图。 3 相图分析 两点：纯组元的熔点； 两线：L, S相线； 三区：L, α, L+α。 二、 固溶体合金的平衡结晶 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 ① 冷却曲线：温度－时间曲线； ② 相（组织）与相变（各温区相的类型、相变反应式，杠杆定律应用。）； ③ 组织示意图； ④ 成分均匀化： 每时刻结晶出的固溶体的成分不同。 相图的平衡结晶.swf 杠杆定律 证明：设下图中成分为X的合金在t1温度时，处于液、固两相共　　存，平衡两相的成分点分别为a、b, 对应的横坐标值为XL,Xα。 设合金的总质量W0,液相质量为WL,固相质量为Wα,则有 ? WL+Wα=W0 另外，原合金Ni的质量应等于L，α中所含Ni的质量和，即： ? WLXL+WαXα=W0X ? 由以上两式可得： ??????????????????????? 　　　　　或 ?????????????????????? ? ?????????? 　　这个式子与力学中的杠杆定律相似，故称为杠杆定律。 3 与纯金属结晶的比较 ①??? 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。 ② 不同点： 1）固熔体凝固时结晶出来的固相成分与原液相成分不同，?所?以形核时还需要浓度起伏； ? 2）凝固是在一定温度范围内进行。在此温度范围内的每一温度下，只能结晶出一定数量的固相。 3）固熔体合金的凝固必须依靠异类原子的互相扩散，凝固速度较慢。 三、 固溶体的不平衡结晶 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。 非平衡结晶过程 3 成分偏析： 晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀现象。晶内偏析程度取决于凝固时的冷却速度、偏析元素的扩散能力及相图上液相线与固相线之间的距离。 枝晶偏析：树枝晶的枝干和枝间化学成分不均匀的现象。（树枝的晶轴含高熔点组元较多，而晶枝间含低熔点组元较多。） 消除——扩散退火，其工艺特点是：高温加热长时间保温。 晶内偏析组织及其示意图 4 稳态凝固时的溶质分布 1）稳态凝固：从液固界面输出溶质速度等于溶质从边界层扩散出去速度的凝固过程。 2）平衡分配系数：在一定温度下，固、液两平衡相中溶质浓度的比值。 k0=Cs/Cl 3 溶质分布： 液、固相内溶质完全混合（平衡凝固）－a; 固相不混合、液相完全混合－b; 固相不混合、液相完全不混合－c； 固相不混合、液相部分混合－d。 查尔默斯(Chalmers)等人研究了固熔体合金在定向凝固过程中，溶质原子的重新分布。他是把液态金属放在细长的石墨熔舟中，并放在具有温度梯度的炉子里，使合金自左端逐渐向右凝固，固/液（S/L）界