材料基础-第七章热力学及其相图x.ppt

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1、第七章材料热力学及其相图7.1引言材料的显微组织和相结构决定材料的性能。相是合金中同一聚集状态、同一晶体结构、同一性质并以界面隔开的均匀组成部分。组元是组成材料最基本、独立的物质，可以是纯元素，也可以是化合物。材料由单组元组成，如纯Fe、α-Al2O3等，也可以是多组元组成，如Cu-Zn金属材料等。多组元组成的金属叫合金，如铁碳合金。材料性能是组元之间的相互作用，也是系统状态的变化及其相转变的具体表现。7.2相图建立的基本方法1.相图相图是用图解方法描述在平衡条件下相的状态和转变与成分、温度、压力的相互关系。相图有二元相图、三元相图和多元相图。二元相图是相图

2、的基础，应用最广泛。通过相图分析，可以了解：(1)不同条件下材料的相转变及相平衡的状态;(2)预测材料的性能;(3)为新材料研制提供依据。2.相律相律是描述系统的组元数、相数和自由度之间关系的法则。吉布斯（Gibbs）相律是最基本的相律。通式为：f=C－P＋2（7－1）式中，C为系统组元数，P为平衡共存相的数目，f为自由度。自由度是在平衡相数不变的前提下确定系统可以独立变化的数目。相律可以了解系统在平衡共存下的相的数目。(7－1)式表示，自由度越小，平衡共存相就越大。自由度f为零时，(7－1)式变为：P＝C＋2（7－2）再压力给定去掉一个自由度,(7－2)式

3、变为:P＝C＋1（7－3）表明系统中平衡相数最多比组元数多一个一元系：C＝1,P＝2，最多二相平衡共存。例如，纯Fe结晶时，同时存在的平衡共存相仅为液相和固相。二元系：C＝2，P＝3，最多三相平衡共存。3.相图的建立二元相图采用两个坐标轴描述。图7－1所示的是三种不同类型的二组元相图。用纵坐标表示温度、横坐标表示成分，并且A、B代表合金的两个组元，横坐标左边为纯组元A，右边为纯组元B。因而，任何一个由A、B二组元组成的合金，其成分都可以在横坐标上找到，合金的成分可以用质量分数w（％）表示。图7－1三个不同类型的二元相图图7－2相图建立的方法一定成分的合金在加

4、热、冷却时，相图上表示的是与温度线平行的纵向线的上下移动，曲线交点是该合金从一种相的组成状态转变为另一种相的组成状态时的温度，称为临界点或临界温度，见图7－2。建立相图的方法主要有：热分析、差热分析、金相分析、X射线、电阻、热膨胀、力学等。也可以用计算法建立，依据合金热力学的基本原理及热力学数据计算确定。比较简单的二元合金通过计算模拟可得到很精确的结果。4.杠杆定律根据相律,二元系统两相平衡共存时的自由度为f＝1若温度一定，自由度f＝0，表明此温度下，两平衡相的成分也随之已定。图7－3二元相图的杠杆定律合金结晶过程中，其各相的成分及其相对量在不断地变化。不同

5、条件下相的成分及相对量，可通过杠杆定律求得。图7－3所示的镍合金相图。分析步骤如下：(1)确定两平衡相的成分（浓度）如图7－3所示，沿合金O点在t温度时表象点O’作水平线，水平线与液相线、固相线分别交于a、b两点。点a、b在成分轴上的投影点，表示此温度下液相L及固相a的成分或质量分数。(2)确定两平衡相的相对量设合金总重量为Q0、温度t下的液相重量为QL、固相重量为Qa。固液两相的质量和等于合金总质量Q0,即Q0＝QL＋Qa（7－4）设液相中镍的质量分数为、固相中镍的质量为,合金中镍的质量分数为，则整理后得：（7－5）把（7－5）式中的重量比变换，则有：（7

6、－6）对比图7－3b，可以看出(7－6)式的形式与力学的杠杆原理相似，故称杠杆定律，或称线段法则。如上所述，杠杆定律说明平衡条件下二元合金质量分数之比等于各自相区距离较远的线段（即反线段）之比。需要指出，杠杆定律只适用两相共存时组元质量分数的计算，对三相共存时并不适用。7.3二元相图的基本类型和分析7.3.1均晶相图凡二元系中两个组元在液态、固态下均能无限互溶时，其相图称为匀晶相图。二元合金中，如Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Fe-Ni及W-Mo等属此类相图。以Cu-Ni合金相图为例进行分析。1.相图分析图7-4为Cu-Ni合金的均晶相图。图中只有两条

7、曲线，其中曲线Al1B称为液图7－4Cu-Ni合金的均晶相图相线，是各种成分Cu-Ni合金冷却时开始结晶或加热时结束熔化温度的连结线。曲线Aa4B称为固相线，是各种成分合金在冷却时结晶终了或加热时开始熔化温度的连结线。液相线以上为液相L，称液相区；固相线以下为固相a，称固相区。液相线与固相线之间，则为液、固两相区（L+a）。左轴A点为Cu的熔点（1083℃）；右轴B点为Ni的熔点（1452℃）。2.合金的结晶过程以合金I为例，讨论合金的结晶过程。当合金自高温液态缓慢冷却至液相线上t1温度时，开始从液相中结晶出固溶体a，此时a的成分为a1。随温度的下降，固溶体

8、a量逐渐增多，剩余的液相L量逐渐减少。当温度冷却至t