上交材料科学基础-7第七章二元相图及其合金的凝固讲解.ppt

第七章 二元系相图及其合金的凝固 本章要求 二元相图的表示和测定方法，复习相图热力学的基本要点 几种基本相图： 匀晶相图（Cu-Ni合金相图）、 共晶相图（Pb-Sn合金相图）、包晶相图（Pt-Ag合金相图）； 相律，杠杆定律及其应用； 二元合金相图中的几种平衡反应： 共晶反应、共析反应、包晶反应、包析反应 、偏晶反应、熔晶反应、合晶反应。 二元合金相图中合金的结晶转变过程及转变组织。 熟练掌握Fe-Fe3C相图。熟悉Fe-C合金中各相与组织的结构。会几种典型Fe-C合金的冷却过程分析 熟练杠杆定律在Fe-C合金的应用。 二元合金的凝固理论 了解合金铸件的组织与缺陷， 高分子合金进行简述。 相图的表示 7.1 相图的表示和测定方法 二元相图中的成分在国家标准有两种表示方法：质量分数（ω）和摩尔分数（x），两者换算如下： 相图测定方法 二元相图是根据各种成分材料的临界点绘制的，临界点表示物质结构状态发生本质变化的相变点。 动态法 热分析法 膨胀法 电阻法 静态法 金相法 X射线结构分析 精确测定相图需多种方法配合使用 下面介绍用热分析法测量临界点来绘制二元相图的过程。 二元相图的线、区 由凝固开始温度连接起来的线成为液相线（liquidus line）。 由凝固终了温度连接起来的线成为固相线（solidus line）。 相图中由相界线划分出来的区域称为相区（phase regions），表明在此范围内存在的平衡相类型和数目。 在二元合金系中有单相区（single phase region）、两相区（two phase region）、三相区（three phase region）。单相区内、f=2 ，T和成分都可变。双相区内、f=1，T和成分只有一个可以独立变化。若三相共存、f=0，T和成分都不变，属恒温转变。 由相率可知，二元系最多只能三相共存，且在相图上为水平线，如图7.2。 7.2 相图热力学的基本要点 固溶体的准化学模型近似： 只考虑最近邻原子间的键能 两者晶体结构相同，原子半径相等，且无限互溶，混合后△Vm＝0 只考虑两种不同组元不同排列方式产生的混合熵 7.2 相图热力学的基本要点 固溶体的自由能为 按三种不同的情况，分别作出任意给定温度下的固溶体自由能—成 分曲线，如图7．3所示。 相互作用参数的不同，导致自由能—成分曲线的差异，其物理意义为： 当Ω ＜0，由(7．4)式可知，A－B对的能量低于A—A和B—B对的 平均能量，所以固溶体的A，B组元互相吸引，形成短程有序分布，在极端情况下会形成长程有序，此时ΔHm＜0。有序固溶体或超点阵 当Ω ＝0，A—B对的能量等于A-A和B-B对的平均能量，组元的配置是随机的，这种固溶体称为理想固溶体，此时ΔHm ＝0。 当Ω ＞0，A—B对的能量高于A-A和B-B对的平均能量，意味着 A—B对结合不稳定，A，B组元倾向于分别聚集起来，形成偏聚状态，此时ΔHm ＞0。偏聚固溶体，如Al-Cu合金的 G.P.区 7.2.2 多相平衡的公切线原理 自由能－成分曲线上每一点切线的含义 7.2.2 多相平衡的公切线原理 两相平衡时的成分由两相自由能—成分曲线的公切线所确定，如图7.4所示。 相平衡的热力学条件： 对于二元系在特定温度下可出现三相平衡，如7.5所示： 7.2.3 混合物的自由能和杠杆法则 设A、B两组元形成的α和β两相，物质的量和摩尔吉布斯自由能分别为：n1，n2和Gm1，Gm2， α和β相中含B组元的摩尔分数分别为x1和x2。 混合物中B组元的摩尔分数(x): 混合物Gm最低，两平衡相共存，各相的成分是切点所对应的成分x1和x2，固定不变。 那么，当合金成分x在[x1,x2]变化时，将引起体系内怎样的变化呢？ 两相相对量的变化——杠杆定理导出 由图7.6可知， 两边除以x2-x，得： 7.2.4 从自由能—成分曲线推测相图 根据公切线原理可求出体系在某一温度下平衡相的成分。图7．7表示由T1，T2，T3，T4及T5温度下液相(L)和固相(S)的自由能一成分曲线求得A，B两组元完全互溶的相图。 图7．8表示了由5 个不同温度下L，α和β相的自由能一成分曲线求得A，B两组元形成共晶系的相图。 图7．9、 图7．10和图7．11分别示出包晶相图、溶混间隙相图和形成化合物相图与自由能—成分曲线 的关系。 7.2.5 二元相图的几何规律 根据热力学的基本原理，可导出相图应遵循的一些几何规律，由此能帮助我们理解相图的构成，并判断所测定的相图可能出现的错误。 (1)相图中所有的线条都代表发生相转变的温度和平衡相的成分，所以相界线是相平衡