[工学]第六章单组元相图及纯金.ppt

第六章单组元相图及纯金属的凝固 6.1相图热力学基础 6.2纯金属的凝固 6.1相图热力学基础 6.1.1相平衡和相律 6.1.2单元系相图 6.1相图热力学基础 1.相图:是反映物质状态(固态,液态或气态)随 温度,压力变化的关系图,所以也称为状 态图。 由于物质在同一状态（如固态）时，当温度 改变时它可能存在的相是不同的（如晶体的同 素异晶转变），而且各相之间的相平衡关系也 是不同的，所以相图又称为平衡图或平衡状态 图。 2.相变：是物质发生状态或结构变化的过程。 如物质由液态转变为固态的过程称为液 固相变，而物质由一种固相转变为另一种固 相的过程称为固态相变，如晶体的同素异构 转变就是固态相变。 3.单元系相图: 是反映单元系物质(由一种元素或化合物 构成的物质)状态，随温度、压力变化的关系 图。单元系物质的成分是固定不变的。 4.多元系相图: 是反映多元系物质（由两种或两种以上 组元或化合物构成的物质）的状态，随温 度、压力和成分变化的关系图。 确切地说相图是反映物质在不同温度、压 力或成分时，各种相的平衡存在条件，以及相 与相之间平衡关系的重要图解。 利用相图可以一目了然地了解，物质在不 同温度、压力和成分时，所处的平衡状态以及 该状态是由哪些平衡相组成；而且掌握相图对 了解物质在加热、冷却或压力改变时组织转变 的基本规律，以及物质的组织状态和预测物质 的性能，都具有重要的意义。 另外相图也是制定物质的各种热加工（铸 造、锻造和热处理等）工艺和研究新材料的重 要理论依据。 因此，从事材料研究的科技工作者，学习 和掌握好各种材料的相图，具有十分重要的意 义。 6.1.1相平衡和相律 1.相平衡：是指体系（单元系或多元系物 质）中参于相变过程的各相，长 时间不再互相转换（指成分和相 对量）时所达到的平衡。 相平衡的热力学条件是 体系中各组元在各平衡相中的化学势（偏 摩尔自由能）彼此相等。 如用μ表示化学势，则 表示α相中A组元的化学势，即上标表示平衡 相，下标表示组元。 当A-B二元系处于两相平衡时，其热力学条件 为： 如果A-B二元系处于α，β，γ三相平衡时 其热力学条件为： 也就是说A-B二元合金系实现α，β，γ三相 平衡共存时，各平衡相的自由能之和应最低， 即这时合金系应具有最低的自由能。 从动力学角度来说相平衡是一种动态平 衡，即在各相达到平衡时，相界面两侧附近的 原子仍在不停地转移，只是在同一时间内各相 之间的转移速度相等。 2.相律:是物质发生相变时所遵循的规律 之一，它是检验、分析和使用相图的重要理论基础。 相律可用来确定相平衡时，体系的组元数 （C），平衡相数（P）与自由度数（f)三者 之间的关系。 在温度和压力改变时，相律的表达式为： f=C-P+2。 (6.1) 当压力恒定不变时，相律的表达式为： f=C-P+1 (6.2) 相律的应用范围很广，如可以用它来确定 体系在组元数不同时，各体系最多能够实现平 衡共存的相数。如纯金属C=1,在恒压时，当 f=0时，有0=1-P+1,则P=2，即纯金属最多能实 现两相平衡共存。如纯金属的凝固只能在恒温 下进行，并且在该温度时能实现液、固两相平 衡共存。 6.1.2单元系相图 单元系相图也称为一元相图，它主要用 来反映纯元素或纯化合物的相图。在压力不 变（如一个大气压）时，只需用一个温度坐 标表示；当温度和压力改变时，它需要用温 度、压力两个坐标轴表示，即用一个二维平 面表示。 1.水的相图(见图6.1) 在压力不变时,水的 相图可以用一个温度 坐标表示,如(b)图可 以看出在水的沸点Tb 以上，水以单相的水 蒸气状态存在；在水 的沸点和熔点Tm之间， 水以单相的液态水存在；在水的熔点Tm以下， 水以单相的固态冰存在；而且由相律f=C-P+1 可知，水以单相存在时，当温度在一定范围 内变化时，不会改变原有相数和状态。 在温度、压力同时改变时 水的相图如（a）图。由该图可以看出，在 温度、压力不同时水所处的状态不同，但只 能出现固、液、气三种状态。 由相律f=C-P+2可知，只有当自由度f=0 时，0=1-P+2则P=3，才能出现固、液、气三 相平衡共存，这时温度、压力都不能改变为 相图中的O1点。 而AO1，BO1，CO1曲线，分别为水与冰，冰 与水蒸气，水与水蒸气两相平衡共存线。 由相律f=C-P+2=1-2+2=1可知此时自由度 f=1，只有一个变量可以独