上交材料科学基础-7第七章 二元相图及其合金的凝固.ppt

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1、第七章二元系相图及其合金的凝固本章要求二元相图的表示和测定方法，复习相图热力学的基本要点几种基本相图：匀晶相图（Cu-Ni合金相图）、共晶相图（Pb-Sn合金相图）、包晶相图（Pt-Ag合金相图）；相律，杠杆定律及其应用；二元合金相图中的几种平衡反应：共晶反应、共析反应、包晶反应、包析反应、偏晶反应、熔晶反应、合晶反应。二元合金相图中合金的结晶转变过程及转变组织。熟练掌握Fe-Fe3C相图。熟悉Fe-C合金中各相与组织的结构。会几种典型Fe-C合金的冷却过程分析熟练杠杆定律在Fe-C合金的应用。二元合金的凝固理论了解合金铸件的组织与缺陷，高分子合金进行简述。相图的表

2、示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，并且ωA+ωB=1（或100％），xA+xB=1（或100％）。相图测定方法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。动态法热分析法膨胀法电阻法静态法金相法X射线结构分析精确测定相图需多种方法配合使用下面介绍用热分析法测量临界点来绘制二元相图的过程。测定条件：冷却需非常缓慢，保持热力

3、学平衡。热分析装置示意图二元相图的线、区由凝固开始温度连接起来的线成为液相线（liquidusline）。由凝固终了温度连接起来的线成为固相线（solidusline）。相图中由相界线划分出来的区域称为相区（phaseregions），表明在此范围内存在的平衡相类型和数目。在二元合金系中有单相区（singlephaseregion）、两相区（twophaseregion）、三相区（threephaseregion）。单相区内、f=2，T和成分都可变。双相区内、f=1，T和成分只有一个可以独立变化。若三相共存、f=0，T和成分都不变，属恒温转变。由相率可知，二元系最多

4、只能三相共存，且在相图上为水平线，如图7.2。固溶体的准化学模型近似：只考虑最近邻原子间的键能两者晶体结构相同，原子半径相等，且无限互溶，混合后△Vm＝0只考虑两种不同组元不同排列方式产生的混合熵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，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

5、元的结合能。按三种不同的情况，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。有序固溶体或超点阵当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。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

6、，形成偏聚状态，此时ΔHm＞0。偏聚固溶体，如Al-Cu合金的G.P.区7.2.2多相平衡的公切线原理自由能－成分曲线上每一点切线的含义7.2.2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，如图7.4所示。相平衡的热力学条件：由图可知：结论：两者斜率相等，为两相公切线。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混合物的自由能和杠杆法则设A、B两组元形成的α和β两相，物质的量和摩尔吉布斯自由能分别为：n1，n2和Gm1，Gm2，α和β相中含B组元的摩尔分数分别为x1和x2。α相(n1摩尔，Gm1)β相(n2摩尔，Gm2

7、)＋混合物组元B(x1)组元B(x2)混合物中B组元的摩尔分数(x):上式表明：斜率相等，说明Gm必在Gm1和Gm2同一直线上（两相平衡时的公切线），而且x(平衡相成分)必在x1和x2之间，如下图所示。αα＋ββ上式表明：斜率相等，说明Gm必在Gm1和Gm2同一直线上（两相平衡时的公切线），而且x(平衡相成分)必在x1和x2之间。混合物Gm最低，两平衡相共存，各相的成分是切点所对应的成分x1和x2，固定不变。那么，当合金成分x在[x1,x2]变化时，将引起体系内怎样的变化呢？两相相对量的变化——杠杆定理导出由图7.6可知，两边除以x2-x，得：相图中两相平衡时相