[材料科学基础第四章1.pptVIP

第四章 相图 相图也称平衡图或状态图，是表示材料系统中相的平衡状态与温度及成分之间关系的一种图形。 4.1 相，相平衡及相图制作 4.1.1 相：一个系统中，具有同一聚集状态的均匀部分称为相。所谓“均匀”是指成分，结构及性质要么宏观上完全相同，要么呈显连续变化 而无突变现象。 4.1.2 相平衡与相律：在某一温度下系统中各个相长时间保持平衡的状态叫相平衡。其热力学条件是每个组元在各相中的化学位(μ)相同，系统中不存在宏观的原子迁移。 相律 phase rule ：相律是表达平衡体系中组分数、相数和自由度数之间关系的规律。它是1876年由吉布斯 (J.W.Gibbs)首先导出的，故又称Gibbs相律。 组分数： 在平衡体系中，为了表达体系内各相的成分,所需要的最少的物质数，称为组分数(用C表示)。组分数可小于组成该体系的物质数(用S表示),这是因为体系内各物质之间可能存在相互约束的条件。这些约束条件是物质间可能存在的独立的化学反应(其反应式的数目用R表示)和可能存在的独立的浓度比例关系(其关系式的数目用m表示)。这样，组分数由下式确定 C=S-R- m 　　当体系中不存在独立的化学反应，也不存在浓度比例关系时，组分数等于该体系的物质数。 相数： 体系中成分均匀，聚集状态相同，如为固态，且具有同样结构的组成部分称为相。不同相之间具有明显界面。体系中相的数目用P 表示. 自由度数： 一个体系的状态，由该状态下体系的热力学强度变量表示。强度变量的数目很多，但不是完全独立的。为了表示一个体系的状态，需要指定的最少的强度变量的数目，称为该体系的自由度数(用F 表示)。 相律： 当外界影响因素只有温度和压强二个变量时，相律指出：自由度数、组分数和相数之间存在如下关系：F＝C－P＋2当研究凝聚态时，压强影响甚微，这时相律表达为： F＝C－P＋1 *相律在分析相平衡时具有重要作用。当组分数已知时，体系的自由度仅决定于存在的相数。此时，自由度数的涵义体现为在体系相数一定条件下，可以独立改变的强度变量数。自由度数小于零在这里没有意义。这样，可根据自由度数为零的条件，求出该体系可以共存的最多相数。例如，对于二元系，在不考虑压强影响时,F＝3-P。当相数分别为1或2时，其自由度数相应为2或1,对于前者，温度和相的成分皆可在一定范围内改变而不影响相数；而对于后者，可改变的因素，则只能是温度或相成分中的一个。如果三相共存，则所有影响平衡的因素都不能改变。根据相律，可预言二元系中同时存在的相数最多为 3。上述相律在分析二元系相平衡时得到的结论，可在实际测定的二元系相图中得到验证。 4.1.3 相图的表示与测定：具有两种组元的系统称为二元系。其中相的平衡状态与温度及成分的关系可用平面图表示。常用纵坐标表示温度，横坐标表示成分。如果由A，B二组元构成 二元系，则该系 中任一合金都可 横坐标上找出相 应点。 合金成分可以用质量分数，也可以用摩尔分数表示。如果wA, wB分别表示A, B组元质量分数; xA, xB分别表示A, B组元的摩尔分数；nA, nB分别表示A, B组元的摩尔数，则： wA=mA/(mA+mB) xB=nB/(nA+nB) (4-2) 相图测定常(综合)运用：热分析法，金相组织法，X射线分析法，硬度法，电阻法，热膨胀法，磁性法等方法。 举例：热分析法测绘Cu-Ni合金相图 1 配制几种有代表性的Cu-Ni合金； 2 分别测定其冷却曲线并求出相变点； 3 将各相变点描在成分-温度坐标纸上，并把意义相同的点用线条连接起来。 *二元相图的一些几何规律1.两个单相区之间必定有一个由这两个相组成的两相区，而不能以一条线接界。这个规律被称为相区接触法则。 2. 在二元相图中，若是三相平衡，则三相区必为一水平线。 3.如果两个恒温转变中有两个相同的相，则这两条水平线之间一定是由这两个相组成的两相区。4.当两相区与单相区的分界线与三相等温线相交．则分界线的延长线应进入另一两相区，而不会进人单相区。 *例题解析：根据相律判断图4-122中的错误之处，并说明原因。 参考解： ①在红线温度，c=2，p=2， f=2-2+1=1，系统只有一个自由 度。而图中固液两相成分都可 以独立变动，自由度大于1。 ②在红线段，c=1，p=2， f=1-2+1=0，系统自由度为0。 温度只能是定值，不存在变化 区域。 ③此图因前提条件不同有两个结论： a 如果在红点成分不存在固定相变组 分，则有c=2，p=2，f=2-2+1=1，系 统有一个自由度，即温度有一个变化 范围才对。 b 如果红点成分为固定相变组分，则 该成分物相为一个独立组元，因此 c=1，p=2，f=1-2+1=0，系