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第三篇 材料的组织结构与性能控制基础 第八章 相平衡与相图原理 第一节 相、相平衡与相律 第二节 二元相图 第三节 铁碳相图 第四节 三元相图 相图是描述系统的状态、温度、压力及成分之间的关系的一种图解，又称为状态图或平衡图。利用相图，我们可以了解各种成分的材料在不同温度、压力下的相组成，多种相的成分与相对量及组织的变化规律等。因此，掌握和了解相图的基本知识和分析方法，对制定材料热加工工艺、分析和检测材料的性能以及研究开发新材料等都有重要作用和指导意义。 第一节 相、相平衡与相律 一. 相的概念 二. 相平衡 ◇ 相与相之间的转变称为相变。如果系统中各相经历很长时间而不互相转化，即各相中每种物质浓度不随时间变化，则体系处于平衡状态。 三. 相律 （一）组元与独立组元 （二）自由度 自由度：一定条件下平衡体系中可在一定范围内独立变化而不影响（不破坏）相平衡的变量数称之为自由度 f。 在“水”、“冰”、“水蒸气”三个区域内，体系都是单相，Φ =1（相数），所以f=2。在该区域内可以有限度地独立改变温度和压力，而不会引起相的改变。我们必需同时指定温度和压力这两个变量，然后体系的状态才能完全确定。 图中三条实线是两个区域的交界线。在线上?Φ=2，是两相平衡，f=1，指定了温度就不能再任意指定压力，压力应由体系自定，反之亦然。 OA是水蒸气和水的平衡曲线，即水在不同温度下的蒸气压曲线。 OA线不能任意延长，它终止于临界点B(647K，2.2×107Pa。在临界点液体的密度与蒸气的密度相等，液态和气态之间的界面消失)。 OB是冰和水蒸气两相的平衡线(即冰的升华曲线)，OB线在理论上可延长到绝对零度附近。 OC线为冰和水的平衡线， OC线不能无限向上延长，大约从2.03×108Pa开始，相图变得比较复杂，有不同结构的冰生成。 O点是三条线的交点，称为三相点，在该点三相共存。Φ=3,f=0. 三相点的温度和压力皆由体系自定，我们不能任意改变。三相点的温度为273.16 K，压力为610.62 Pa。 ??? 现在国际单位规定水的三相点的温度为273.16 K，并以此来规定热力学温标的单位，即每一开尔文(K)是水的三相点热力学温度的1／273.16(也就是说在0 K和水的三相点之间，分为273.16格，每一格就是1 K)。 （三）. 相律 相律（吉布斯相律）是分析和使用相图的重要理论依据，它表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和平衡相数之间的关系式。 第二节 二元相图 为了对广泛使用的合金进行熔铸、锻压和热处理，必须首先了解它们的熔点和固态转变温度，并弄清楚它们的凝固过程及凝固后的相和组织结构。 相图是描述系统的状态、温度、压力及成分之间的关系的一种图解，又称为状态图或平衡图。利用相图，我们可以了解各种成分的材料在不同温度、压力下的相组成，多种相的成分与相对量及组织的变化规律等。 因此，掌握和了解相图的基本知识和分析方法，对制定材料热加工工艺、分析和检测材料的性能以及研究开发新材料等都有重要作用和指导意义。 一. 二元相图的表示与建立方法 （一）二元相图的表示方法 （二）二元相图的建立方法 Melting of pure metals and alloys （2）在非常缓慢冷却条件下测定各合金从液态到室温的冷却曲线 （3）找出各合金冷却曲线上的临界点 , 并将它们标注在成分—温度坐标系。将各成分线上具有相同意义的点连接成线 , 并根据已知条件和实际分析结果写上数字、字母和各区所存在的相或组织名称 , 就得到一个完整的二元合金相图。 二. 杠杆定律 合金凝固过程中，各相成分以及相对量都随着凝固的进行而不断变化，可以利用杠杆定律确定在任一平衡状态下各平衡相的成分及相对量。 运用杠杆定律时要注意，它只适用于相图中的两相区，并且只能在平衡状态下使用。杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点，而支点为合金的成分点。 三. 二元相图的基本类型 （一）匀晶相图 （二）共晶相图 （三）包晶相图 （四）其他类型的相图 1. 形成化合物的相图 2. 偏晶相图 3. 熔晶相图 4. 合晶相图 5. 具有固态转变的相图 （一）匀晶相图 匀晶转变：从液相中不断结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。 匀晶相图：二组元在液态、固态时均能无限互溶的二元合金相图就是匀晶相图。这样的二元合金系称为匀晶系。 属于匀晶系的合金系有Cu-Ni、Nb-Ti、Ag-Au、Cr-Mo、Fe-Ni、Mo-W等。几乎所有二元合金相图都包含有匀晶转变部分，因此掌握这一类相图是学习二元合金相图的基础。 1. 固溶体的平