[材料科学]相图.ppt

Ch6 合金相图及合金的凝固 6.1 纯晶体的凝固 6.2 二元系相图与合金的凝固 6.3 材料的亚稳态 6.2 二元系相图及其合金的凝固 相图的表示和测定方法 相图热力学的基本要点（自学） 二元相图分析 高分子合金概述（自学）? 6.2.1 相图的表示和测定方法 二元相图——体系在成分和温度两个变量下的热力学平衡状态。 二元相图——根据各种成分材料的临界点绘制 临界点——物质结构状态发生本质变化的相变点 测定材料临界点的方法 动态法 热分析、膨胀法、电阻法等 静态法 金相法、X射线结构分析等 相图的精确测定必须由多种方法配合使用。 二元相图中的相区 单相区：f＝2-1+1=2，可独立改变温度和成分 两相区：f=1，温度和成分中只有一个独立变量 三相共存： f＝0，三个平衡相的成分和温度都不变，属恒温转变，——在相图上表示为水平线，称为三相水平线。 6.2.2 相图热力学的基本要点(自学) 1、固溶体的自由能-成分曲线 固溶体的准化学模型： 只考虑最近邻原子间的键能——混合焓ΔHm作近似处理 假定溶剂原子和溶质原子半径相同，两者晶体结构相同且无限互溶——混合后的体积变化ΔVm＝0。 只考虑两种组元不同排列方式产生的混合熵，而不考虑温度引起的振动熵。 固溶体的自由能 G＝G0＋ΔHm＋(-TΔSm) ，是成分（摩尔分数x）的函数， xA、xB表示A、B组元的摩尔分数； μAo、μBo分别表示A，B组元在T(K)温度时的摩尔自由能 R是气体常数； Ω为相互作用参数。 NA为阿伏加德罗常数，z为配位数， eAA、eBB和eAB为A—A，B—B，A—B对组元的结合能。 自由能-成分曲线差异的物理意义： Ω＜0，eAB＜(eAA＋ eBB)/2 A-B对的能量低于A-A和B-B对的平均能量， A，B组元互相吸引——短程有序分布，在极端情况下会形成长程有序——ΔHm＜ 0。 Ω＝0，eAB=(eAA＋ eBB)/2 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——理想固溶体—— ΔHm＝0。 Ω＞0，eAB(eAA＋ eBB)/2 A-B对的能量高于A-A和B-B对的平均能量， A-B对结合不稳定，A、B组元倾向于分别聚集起来——偏聚状态——ΔHm＞0。 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 在二元系中，当两相（例如为固相α和固相β）平衡时，热力学条件为uAα = uAβ，uBα = uBβ，即两组元分别在两相中的化学势相等。 3、混合物的自由能和杠杆法则 由A，B两组元形成α和β两相的混合物， α和β分别为n1摩尔和n2摩尔，摩尔吉布斯自由能分别为Gm1、Gm2。 α和β两相中含B组元的摩尔分数分别为x1和x2， 混合物 混合物 Gm应和α和β两相 Gm1和Gm2 在同一直线上， 该直线即为α和β两相平衡时的共切线 x位于x1和x2 之间。 4、从自由能一成分曲线推测相图 5、二元相图的几何规律 1).线——相转变的温度和平衡相的成分， 相界线是相平衡的体现，平衡相成分必须沿着相界线随温度而变化。 2).相区接触法则：二元相图中相邻相区的相数差为1 两个单相区之间必定有一个由该两相组成的两相区相隔 两个两相区必须以单相区或三相水平线相隔 3).二元相图中的三相平衡必为一条水平线——恒温反应。 在这条水平线上存在3个表示平衡相的成分点，其中两点应在水平线的两端，另一点在端点之间。 水平线的上下方分别与3个两相区相接。 4).两相区/单相区的分界线与三相等温线相交，分界线的延长线应进入另一两相区内，不会进人单相区内。 6.2.3 二元相图分析与合金凝固 基本相图 匀晶 共晶 包晶 匀晶相图和固溶体凝固 共晶相图及其合金凝固 包晶相图及其合金凝固 其他类型的二元相图 复杂二元相图的分析方法 根据相图推测合金的性能 二元相图实例分析 铸锭结构 1、匀晶相图和固溶体凝固 （1）匀晶相图 由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变 绝大多数的二元相图都包括匀晶转变部分。 有些二元合金（如 Cu-Ni，An-Ag，An-Pt等）只发生匀晶转变； 有些二元陶瓷（如 NiO-CoO，CoO-MgO，NiO-MgO等）也只发生匀晶转变。 （2）固溶体的平衡凝固 平衡凝固——凝固过程中的每个阶段都能达到平衡，即在相变过程中有充分时间进行组元间的扩散，以达到平衡相的成分。 固溶体的凝固过程——包括形核与长大两个阶段， 较纯金属复杂 结晶出的固相成分与液态不同，形核时需要一定的成分起伏。 凝固在一个温度区间内进行，两相成分随温度发生变化——依赖于两组元原子的扩散。 实质包括三个过程： 液相内的扩散过程。 固相的继续长大。