原版7----第七章 二元相图及其合金的凝固.ppt

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1、第七章二院系相图及其合金的凝固在实际工业中，广泛使用的不是前述的单组元材料，而是由二组元及以上组元组成的多元系材料。本章将简单描述二元相图的表示和测定方法，复习相图热力学的基本要点，着重对不同类型的相图特点及其相应的组织进行分析，也涉及合金铸件的组织与缺陷，最后对高分子合金进行简述。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：7.1相图的表示和测定方法式中，ωA，ωB分别为A，B组元的质量分数；ArA，ArB分别为组元A，B的相对原子质量；xA，xB分别为组元A，B的摩尔分数，并

2、且ωA+ωB=1（或100％），xA+xB=1（或100％）。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。下面介绍用热分析测量临界点来绘制二元相图的过程。在二元相图中有单相区和两相区。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。固溶体的自由能为7.2相图热力学的基本要点7.2.1固溶体的自由能-成分曲线式中，xA和xB分别表示A，B组元的摩尔分数；ｕAº和ｕBº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，其表达式为式中，N

3、A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。按三种不同的愿情况，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。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。

4、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。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。7.2.2多相平衡的公切线原理由图可知：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混合物得自由能和杠杆法则混合物中B组元的摩尔分数为：而混合物的摩尔吉布斯自由能为由上两式可得：上式表明．混合物的摩尔吉布斯自由能Gm应和两组成相和的摩尔吉布斯自由能Gm1和Gm2在同一直线上。该直线即为α相和β相平

5、衡时的共切线，如图7．6所示。两平衡相共存时，多相的成分是切点所对应的成分x1和x2，即固定不变。此时，可导出：(7.7)式称为杠杆法则，在α和β两相共存时，可用杠杆法则求出两相的相对量，α相的相对量为，β相的相对量为，两相的相对量随体系的成分x而变。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

6、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衍相的成分，所以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)两个单相区之间必定有一个由该两相组成的两相区把它们分开，而不能以一条线接界。两个两相区必须以单相区或三相水平线隔开。(3)二

7、元相图中的三相平衡必为一条水平线，表示恒温反应。(4)当两相区与单相区的分界线与三相等温线相交，则分界线的延长线应进入另一两相区内，而不会进入单相区内。7.3.1匀晶相图和固溶体凝固-匀晶相图由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变，Cu—Ni和NiO-MgO二元匀晶相固分别示于图7．12和图7．13中。7.3二元相图分析1.匀晶相图匀晶相图还可有其他形式，如Au-Cu，Fe-Co等在相图上具有极小点，而在Pb—T1等相图上具有极大点，两种类型相图分别如图7．14(a)和(b)所示。2.固溶体的平衡凝固平衡凝固是指凝固过程

8、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，现以ω(Ni)为30％的Cu-Ni合金(见图7．12)为例来描述平衡凝固过程。该合金整个凝固过程中的组织变化示于图7．15中。需要着重指出的是，在每一温度下，平衡凝固实质包括三个过程：①液相内的扩散过程。②固相的继续