第8章 相平衡与相图-1

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1、材料科学与工程学院材料科学基础重点内容：相与相平衡的基本概念，杠杆规则；单元和二元系统各种类型相图的阅读分析；三元相图的基本概念，三元匀晶相图，简单三元共晶相图。第8章相平衡与相图材料的性能组织结构相种类数量尺寸形状分布相图表示物质的状态与温度、压力、组成之间的关系的简明图解。表示物质在热力学平衡条件下的情况，又称为平衡相图。8.1相与相平衡1.相(Phase)在一个系统中，成分、结构相同，性能一致的均匀的组成部分叫做相，不同相之间有明显的界面分开,该界面称为相界面。注意：相在物理性能和化学性能上是均匀的。相界面和晶界的区别。2.组元(Component)组元通常是指系统中每一个可以

2、单独分离出来，并能独立存在的化学纯物质，在一个给定的系统中，组元就是构成系统的各种化学元素或化合物。按组元数目，将系统分为：一元系二元系三元系……化学元素：Cu,Ni,Fe等化合物：Al2O3,MgO,Na2O,SiO2等3.相平衡在某一温度下，系统中各个相经过很长时间也不互相转变，处于平衡状态，这种平衡称为相平衡。各组元在各相中的化学势相同。AB热力学动态平衡处于热力学平衡状态的系统中自由度与组元数和相数之间的关系定律，通常简称为相律。只考虑温度和压力对系统平衡状态的影响:F=C-P+2凝聚系统:F=C-P+1式中：F是自由度数；C是组成材料系统的独立组元数；P是平衡相的数目。4.

3、吉布斯相律（GibbsPhaseRule）8.2单元系相图组元数C=1根据相律：F=1-P+2=3-P∵F≥0,∴P≤3若，F=0，则P=3，即最多有三相平衡。若，P=1，则F=2∴可以用温度和压力作坐标的平面图(p-T图)来表示系统的相图。例水的相图状态点相图分析3条线：C=1，P=2，F=1OA是水与冰两相平衡线OB是冰与蒸汽两相平衡线OC是水与蒸汽两相平衡线3个单相区：C=1，P=1，F=2固相区、液相区和气相区O点是气、液、固三相的平衡共存点F=0如果外界保持一个大气压，根据相律，C=1，P=1则F=1。系统中只有一个独立可变的变数。因此单元系相图可以只用一个温度轴来表示。纯

4、铁的相图温度压力气液α-Feγ-Feδ-Fe二元系统有两个组元，根据相律：F=C-P+1，二元系统最大的自由度数目F=2，这两个自由度就是温度和成分。故二元凝聚系统的相图，仍然可以采用二维的平面图形来描述。即以温度和任一组元浓度为坐标轴的温度-成分图表示。8.3二元系相图成分轴温度轴状态点成分的表示方法材料的成分是指材料各组元在材料中所占的数量。质量分数wB摩尔分数xB8.3.1二元系相图的建立物理方法热分析法金相组织法X射线分析法硬度法电阻法热膨胀法磁性法计算法相图热力学计算热分析法时间温度凝固开始凝固终了LL+SSCu-Ni相图Cu30%Ni50%Ni70%NiNi时间温度CuN

5、i305070wNi(%)Lα8.3.2杠杆规则ABCoCLCαTATBt1LαL+αabo证明成分为C0的材料在t1温度时处于液、固两相平衡状态由以上两式可以得出o杠杆规则示意图8.3.3二元相图的基本类型1.匀晶相图当两个组元化学性质相近，晶体结构相同，晶格常数相差不大时，它们不仅可以在液态或熔融态完全互溶，而且在固态也完全互溶，形成成分连续可变的固溶体，称为无限固溶体或连续固溶体，它们形成的相图即为匀晶相图(Isomorphoussystem)。二元匀晶相图ABTATBLαL+α二元匀晶相图1）相图分析液相线固相线液相区固相区两相共存区ABTATBLαL+α2条线：C=2，P=

6、2，F=1液相线固相线2个单相区：C=2，P=1，F=2固相区、液相区1个两相区：C=2，P=2，F=12）平衡凝固ABL+ααLt1t2ABCoCLCαTATBt1LαL+αabo杠杆规则的应用固溶体结晶的特点固溶体的结晶是在一个温度范围内完成的。纯金属F=0固溶体F=1选分结晶：结晶出的固相与共存液相的成分不同结晶过程中固相和液相的成分在不断变化，因此有原子的扩散3）非平衡凝固4）有极值的匀晶相图(a)具有极大点；(b)具有极小点