第七章 相平衡与相图.ppt

第7章 相平衡与相图 教学内容 1. 相平衡、相图的基本概念 2. 单元相图 3. 二元系中的相平衡 4. 共晶相图 5. 包晶相图 6. 偏晶相图 7. 复杂相图 8. 包含固-固反应的相平衡 9. 三元系中的相平衡 第1节 前言 材料是由相组成的，相与相之间有界面存在。 多相材料的整体性能取决： 相的数目 相的相对含量 各相的成分与结构 相的尺寸和空间分布 材料的显微组织取决于成分、温度、压力和制备工艺等变量。 描述材料的组织与温度、压力、成分之间关系的工具：相图 相图是在接近平衡状态下测定得到的。 相图就是用来表示材料相的状态和温度、成分之间关系的综合图形。其所表示的相的状态是平衡状态，因而是在一定温度、成分条件下热力学最稳定、自由焓最低的状态。 材料组织类型：单相组织,两相组织,多相组织 相图的重要性及作用 相图是材料科学的基础理论及最有效的工具之一 在材料工程中有重要意义： 研制、开发新材料，确定材料成分 制订材料生产和处理工艺 分析平衡态的组织和可能的非平衡态 组织变化 预测材料的性能 进行材料故障分析 1. 合金相图问题 在一种金属元素中有目的地加入一种或几种金属或非金属元素，通过冶金或粉末冶金的方法将其熔合(或烧结)在一起而形成的具有金属特性的物质称为合金。 根据组成合金的组元数目，又可分为二元合金、三元合金，四元以上合金称多元合金。 2. 聚合物相图问题 在聚合物科学中因如下三个理由限制了相图的使用： 达到平衡状态的速度太慢。一般来说，只有在稀溶液中的聚合物有可能达到平衡。 聚合物中含有大量分子量不同的分子，这些分子的特性不同。 除非聚合物的化学结构非常相似，否则它们很难均匀混溶在一起。 3. 无机非金属材料的相图问题 与金属的相图类似。如： Al2O3-MgO Al2O3-SiO2 ZrO2-MgO ZrO2-Al2O3 一、相平衡概念和相率 一个结构的相转变为另一种结构相的过程称为相变。 从宏观上看，如果系统中同时共存的各相在长时间内不互相转化，可视之为处于“相平衡”状态。 从微观上看，即使在平衡状态，组元仍会不停地通过各相界面进行转移，只不过同一时间内相互迁移的速度相等而已。实际上这种平衡属于动态平衡。 在平衡条件下，合金的组元数和相数之间存在着一定的关系，这种关系称为相律。 根据热力学定律，化学位差是组元在各相间转移的驱动力，组元转移会引起体系自由能变化。在?、?两相平衡系统中的平衡条件为 ?i?＝?i? 若合金中有c个组元，P个相，则它们的平衡条件为： 相率的推导 相律可由热力学相平衡条件推导，由影响状态的可变因素减去相平衡决定的条件数即可确定自由度数。 特例： 在研究不包括气相反应在内的合金相变时，压力的影响不大，可以忽略。相律的表达式为： f=C-P+1 应用举例：纯金属最多只有两相平衡；二元系则存在三相平衡，此时自由度等于零。 相律是分析、检验相图的理论基础，可以用于指导生产实践，具有普遍指导意义。 二、单元系相图分析 举例： 第3节 二元系中的相平衡 一、成分的描述 质量分数和摩尔分数。 如A组元的质量分数为wA、摩尔分数为xA，其相对原子量为MA；B组元的质量分数为wB、摩尔分数为xB，其相对原子量为MB，则： xA=(wA/MA)/(wA/MA + wB/MB) xB=(wB/MB)/(wA/MA + wB/MB) 相图分类 二组元在液态无限溶解，固态下也无限溶解，形成连续固溶体的匀晶相图(同晶型相图)。 二组元在液态无限溶解，固态有限溶解，有共晶反应，形成机械混合物的共晶相图。 二组元在液态无限溶解，固态有限溶解，有包晶反应的包晶相图。 二组元在液态有限溶解，有偏晶或合晶反应的相图。 混合相图 相图的组成元素 组元 组成相图的独立组成物。组元可以是纯的元素，如金属材料的纯金属，也可以是稳定的化合物，如陶瓷材料的Al2O3，SiO2等。 相界线 在相图上将各相区分隔开的线叫相界线，由于相界线的特性不同，可区分为： 液相线：其上全为液相，线下有固相出现，可以表示为L/L+?。 固相线：其下全为固相，可表示为L+?/L。 根据相图可以判断材料的