6.6-合金与相图PPT课件.ppt

6.6 合金与相图 6.6.1 合金与相图 纯金属由于缺乏足够的硬度和强度,很少直接在工业中应用.给纯金属掺入适当的杂质,可以大大的改变金属的性能。如在铁中加碳或其它金属得到较硬的钢；在易变形的铜中加入锌可得到有较大机械强度的黄铜等。这些由两种或两种以上金属或非金属物质组合的熔合体称之为合金。 合金不同于化学上的化合物。在合金中，组成物质的比例是可以变化的。但是，随着组合物质比例的不同，将引起合金晶格结构的不同，清楚阐明合金的结构与组成物质比例及温度之间的关系，相图是不可缺少的工具。为此，先回顾有关相图的基本概念： 1) 组元 组成合金的最基本的、独立的组成物质称为组元。例如，钢的组元是Fe和C。组元不仅可以是元素，也可以是化合物。但是如果在合金形成后出现了新的化合物，则这种新物质不是独立的，它不是组元。 2） 成分 组元原子数或组元质量占总原子数或质量的百分比称为成分。 3） 相 平衡时系统中具有相同物理性质和化学性质、均匀一致的部分称为一个相。相与相之间有明显的界面。把上述定义用于合金，则称那些成分相同、结构相同，并有界面与其它部分分开的系统的某均匀组成部分为合金的一个相。 4） 相律 若体系的相数为 ，每一相中的组元数都为 ，体系的状态参量数为 （对简单系统，独立状态参量数n=2，通常选为温度与压强；若考虑表面张力、电磁场等， 将大于2），则体系的自由度数（独立变数） 满足 （6.6.1） 此关系称为吉布斯相。 5） 相图 平衡时，体系的状态、组元的成分和温度三者之间相互关系的几何图示称为相图，也称状态图。相图上的一个点代表一个热力学平衡态；相图上的一条线表示一个准静态过程。利用相图可以了解在各种温度下、不同成分的合金处在什么相，以及在加热和冷却过程中可能发生的相变。相图是由实验测定、绘制的。 图 6.6.1 镁的相图 图6.6.1给出了一种最简单的单元（纯金属镁）相图。图中的OB，OC和OD线将相图分为固、液、气3个单位区；3条线上的点代表两相平衡共存；3条线的交点O为三相共存点。如果体系的压强恒定，一般情况下，固体材料总可以 认定是处在压强 之下。由相图可看出，当温度 时，镁完全处于气态；当 时，完全处于液态； 时完全处于固态。等压线 (虚线）与OB线的焦点为镁的气-液两相平衡共存，气-液相变过程也完全在该点完成。同样液-固共存与液-固相变点是等压线与OD线的交点。当压强低于三相点O所对应的值时，随着温度的变化将直接产生固-气相变。 对合金来说，根据合金组元数的不同，相应的相图可分为二元、三元。其中最基本，也最常用的是二元合金的相图。二元合金由于其组织性质的不同，其相图的形状也是不同的，有的相当复杂，但最基本的类型有匀晶型、共晶型和包晶型，如图6.6.2所示。 (a) 匀晶 (b) 共晶 (c) 包晶 图 6.6.2 三种基本的二元合金相图 由于在一般压力下，液、固态受压力的影响很小，而在研究固体材料时通常只涉及到凝聚相，即液相与固相，因此，除了超高压情况外，一般条件下可认为体系处于恒定大气压 下。合金的相，除了受本身成分影响外，主要受温度影响。在图6.6.2中，用垂直轴表示温度，水平轴表示成分。图中一些曲线把图面划分成若干区域，每一区域代表一定的相结构，可以是单相，如图中注明的 各区；也可以是两相平衡共存，如图中的 各区。由一个相区过渡到另一个相区表示相结构的变化，即变化过程。 下面对图6.6.2所示的二元合金相图作几点简单说明： （1） 匀晶与非匀晶相图。只有单一固相态的合金相图称为匀晶相图，如图6.6.2（a）所示；否则，则称为非匀晶相图，图6.6.2（b）、（c）所示的共晶、包晶相图都属于此类。 （2） 液相线与固相线。相图中的曲线是不同相区的分界线。液相线表示，该线以上为高温熔融的液相区，以下是液-固平衡共存区，如图6.6.2（a）中的 曲线。这个共存区域的另一侧边界线称为固相线，以下是完全固相区，如图6.6.2（a）中的 曲线。一般说来，液相线由若干折线组成，如图6.6.2（b）中的 、 ，而且每段液相线，都有固相线与之对应，如图6.6.2（c）中