第六章单组元相图及纯晶体的凝固ppt课件.ppt

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1、纯铁的(PT)平衡相图铜-银合金相图纯水的相图第六章单组元相图及纯晶体的凝固基本概念●组元：组成一个体系的，且相互独立的基本单元。可以是单质也可以是化合物(如:Fe3C）●单组元系统(单元系)：由一种元素或化合物组成的材料或体系金刚石、二氧化碳（CO2）、石英（SiO2）、纯铁、纯铜……二组元系统(二元系)：Cu和Zn——黄铜Fe和C——碳钢MgO和Al2O3——陶瓷多组元系统(三元系及多元系)：00Cr17Ni14Mo2——不锈钢Ti6Al4V——钛合金●相：是指体系中具有相同物理与化学性质的、且与其他

2、部分以界面分开的均匀部分。●相变：随着温度和压力的变化(对于合金，还有成分的变化)，材料的组成相会随之变化，从一种相到另一种相的转变称为相变。●凝固：由液相至固相的转变，如果凝固后的固体是晶体，则又可称之为结晶。●固态相变：不同固相之间的转变。单相合金固溶体或纯金属多相合金每个相可以是纯金属、固溶体或化合物例1：糖水加一点糖加糖过量纯水糖水糖晶体糖水(1相)组元：H2O和糖(1相)组元：H2O(2相)组元：H2O和糖相与组元的关系例2：Fe-C合金加微量CC过饱和纯铁铁素体球墨铸铁(1相)组元：Fe和C(

3、1相)组元：Fe(2相)组元：Fe和C●相图(Phasediagrams)：是一个材料系统在不同的化学成分、温度、压力条件下所处状态的图形表示，因此，相图也称为状态图。由于相图都是在平衡条件(极缓慢冷却)下测得的，所以，相图也称为平衡相(状态)图。对于常用的合金相图，因为压力的影响很小，况且一般都是处在1个大气压的条件下，所以不再把压力当作变量考虑，而采用温度-成分相图。纯铁的(PT)平衡相图铜-银合金相图利用相图可以：1告知在不同温度、成分情况下合金中能够稳定存在的相；2了解各种成分合金的熔点和发生固态

4、转变的温度；3用于研究合金的凝固过程和凝固后的组织,从而预测材料性能；4是制定合金熔铸、压力加工、热处理工艺的重要依据。组织结构加工处理特性性能相图6．1单元系相变的热力学及相平衡6.1.1相平衡条件和相律●相平衡条件设有一多元系，含组元1为n1摩尔，组元2为n2摩尔,……，则体系吉布斯自由能为：微分整理，得化学势：等温、等压及其他组元数量不变的情况下，每增加单位摩尔i组元体系自由能的变化。若体系包含有a，b，……相，对每个相自由能的微分式可写成：等温等压下…………如果体系中只有a和b两相，当极少量(dn

5、2)的组元2从a相转到b相，以dGa和dGb分别代表此时a相和b相的自由能变化，则引起的总的自由能变化为：由于故因此，组元2从a相自发转到b相的条件是：当dG=0，即，a相和b相处于平衡状态，此时体系内没有物质传输。同理，其他组元也应有同样的属性。对于多元系的多相平衡条件可普遍写成：相平衡条件：处于平衡状态下的多相（P个相）体系，每个组元（共有C个组元）在各相中的化学势都必须彼此相等。Gibbs相律：f=C–P+2●相律：描述系统的组元数、相数和自由度之间关系的法则。f——系统的自由度数,即不影响系统状态

6、的条件下，能够独立变化的因素数。这些因素有：温度、压力、成分。C——组成物的组元，即系统由几种物质（纯净物）组成。例如：纯水系统，C=1;盐水，由于水中含有NaCl，C=2;Al–Si合金系统，组成物为Al和Si，故C=2。P——系统中能够同时存在的相(如:固相、液相、α相等)数。2——表示温度和压力两个变量。对于绝大多数的常规材料系统而言，压力的影响极小，可看作常量(1个大气压)，因此自由度数减少一个，相律的表达式为：f=C–P+1吉布斯相律对于单元系统(C=1)的应用：●压力可变(相图是由温度和压力两

7、个变量组成的二维平面)0≤f≤2f=0时，由公式f=C-P+2，可知P=3意味着单元系统最多可以有三相共存。●压力不变(相图是由温度一个变量组成的直线)0≤f≤1f=0时，由公式f=C-P+1，可知P=2意味着单元系统最多只能有二相同时存在。6.1.2单元系相图单元系相图：描述由单一组元构成的体系在不同温度和压力条件下所可能存在的相及多相平衡的几何图形。f=0的含义是：在保持系统平衡状态不变的条件下，没有可以独立变化的变量。即，任何变量(温度、成分、压力)的变化都会造成系统平衡状态的变化。纯水的相图●压力

8、可变，P=1，f=2（对应面）P=2，f=1（对应线）纯铁的相图（具有同素异构转变）这类相图的测定：首先在不同温度和压力条件下测出任意两相平衡时对应的温度和压力曲线，然后在温度-压力图上标出6.2纯晶体的凝固6.2.1液态结构固态下为晶体的材料，液态时结构介于晶态与气态之间对液态结构X射线研究表明：1）液体中原子之间的平均距离比固体中略大；2）液体中原子的配位数比密排结构的固体的配位数减少，熔化时体积略微膨胀，但对一些非密排结