材料科学基础chp-6-单组元相图及纯晶体的凝固.ppt

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1、第六章单组元相图及纯晶体的凝固L→S的过程金属：结晶热力学篇2021/8/10章目录：6.1相图基础知识6.2单组元相变的热力学及相平衡6.3结晶的三个基本条件6.4形核6.5长大6.6凝固动力学及晶粒大小的控制2021/8/10前言材料是由相组成的，相之间有界面存在。多相材料的整体性能取决于：相的数目它们的相对量各相的成分与结构相的尺寸和空间分布日常生活中的实例：刀的淬火处理2021/8/10多相平衡状态1多相平衡状态2当温度、压力、组分的浓度改变时相的个数相的组成相的相对含量2021/8/10材料的显微组织取

2、决于成分、温度、压力等变量。描述材料的组织与温度、压力、成分之间关系的工具：相图相图是反映物质状态（固态、液态或气态）随温度、压力变化的关系图，也称状态图、平衡图、平衡状态图。在接近平衡状态下测定得到的，是在一定温度、成分条件下热力学最稳定、自由焓最低的状态。2021/8/10单元系物质相图的表示方法水的相图相图是相平衡的直观表现，是属于热力学范畴。2021/8/10纯铁的相图2021/8/10二元系物质相图的表示方法二元Pb-Sb合金相图2021/8/10三元系物质相图的表示方法三元匀晶相图2021/8/10相

3、图是材料科学的基础内容。在材料工程中有重要意义，可举出以下应用的有关方面：研制、开发新材料，确定材料成分制订材料生产和处理工艺分析平衡态的组织和可能的非平衡态组织变化预测材料的性能进行材料故障分析2021/8/106.1相图基础知识一、基本概念1、系统选择的研究对象。系统以外的一切物质都称为环境。2、相系统中具有物理与化学性质的完全均匀部分的总和称为相。相与相之间有界面。相数即一个系统中所含相的数目，用P表示。一种物质可以有几个相。气体一个相液体一个或两个相固体一个（固溶体）或多个相2021/8/103、独立组元

4、系统中每一个能单独分离出来并能独立存在的化学纯物质。4、自由度在一定范围内，可以任意改变而不引起旧相消失或新相产生的独立变量称为自由度。2021/8/10二、相图热力学基础1、相平衡的热力学条件在平衡条件下，系统中各相的成分都保持着相对的稳定性。从宏观上看，如果系统中同时共存的各相在长时间内不互相转化，可视之为处于“相平衡”状态。实际上这种平衡属于动态平衡。从微观上看，即使在平衡状态，组元仍会不停地通过各相界面进行转移，只不过同一时间内相互迁移的速度相等而已。2021/8/10组元在相间转移要引起体系自由能的变化

5、：△G相间成分的改变引起体系自由能的变化等于组元的转移量和它们在各相中化学位乘积的叠加，即式中是i组元的化学位，为i组元在相间的转移量。如果的i组元从α相中转移到β相中，则体系的自由能变化因为所以在平衡条件下dG=0，故表示α相中i组元的化学势2021/8/10假定一个平衡系统中有C个组元，P个相，则它们的平衡条件为：α、β两相平衡的条件是两相中一组元的化学位相等，即2021/8/10Gibbs相律（吉布斯相律）：多相平衡系统中，系统的自由度（F）、独立组元数（C）、相数（P）和对系统的平衡状态能够发生影响的外界

6、影响因素数（n）之间的关系，即为相律。相律的数学表达式：F＝C－P＋n。若只考虑温度和压力对系统的平衡状态的影响，即n＝2，相律的数学表达式：F＝C－P＋2三、相律2021/8/10在研究不包括气相反应在内的合金相变时，压力的影响不大，可以忽略。相律的表达式为：f=C-P+1应用举例：纯金属最多只有两相平衡；二元系则存在三相平衡，此时自由度等于零。相律是分析、检验相图的理论基础，可以用于指导生产实践，具有普遍指导意义。2021/8/102021/8/106.2单元系相变的热力学及相平衡单组分体系的相律为:f=C-

7、P+2=1-P+2=3-P单组分平衡体系最多能3相共存。一个纯物质可以有许多不同的相态。例如炭：气相、液相、固相(无定形碳、石墨、金刚石、富勒烯族(C60)。但碳的相图中最多只能三相共存,不可能四相共存.一、相率2021/8/10纯铁的冷却曲线与相图（压力不变）单元系相图（1）冷却曲线（2）相图纯铁的相图2021/8/102021/8/10金属结晶的基本过程金属材料均需经历L→S的过程；如：冶炼、铸造、焊接对后续加工的工艺性能的影响；如：轧制、锻压、热处理对材料的组织与性能有决定性的作用；目的：控制材料的结晶过程

8、与组织。6.3结晶的三个基本条件2021/8/10一、凝固过程的宏观现象金属结晶难以直接观察，可借助于热学性能的变化间接获取，热分析是常用的方法。2021/8/10冷却曲线：过冷：ΔT=Tm-Ts—过冷度与金属种类、纯度、冷却速度有关。V冷↑，ΔT↑。平衡冷却：当V冷极小时,ΔT=0.02℃，可将Ts近似为Tm。TmTs结晶平台时间温度Ts—实际开始结晶温度ΔTTm—理论