(工学)材料科学基础-二元合金相图

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1、第五章二元合金相图与合金凝固纯金属的优缺点一些纯金属具有优良的导电性、导热性、化学稳定性及美丽的金属光泽，纯金属的生产成本很高，强度、硬度、耐磨性等力学性能一般都比较差，因而不适宜制作对力学性能要求较高的各种机械零件和工模具等工件。合金及其优越性通过熔炼、烧结或其它方法将金属元素同其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质称为合金(alloy)。适当成分的合金不仅力学性能、电磁、化学稳定性等性能优越，而且往往成本较低合金材料应用广泛。本章利用相图研究合金的结晶过程，以及合金的性能与其成分、组织结构之间的关系。5.1相平衡与相图5.1.1几个基本概念（1）

2、组元组成材料的最简单、最基本、可以独立存在的物质。讨论相结构和显微组织时，通常是指各种化学元素或稳定化合物。按照组元数目，材料系统可以分为一元系、二元系、三元系等。（2）相相(phase)是体系中均匀的组成部分，相与相之间有界面分开。或相是体系中结构相同、成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分。相指系统中具有相同的物理性质和化学性质的均匀部分相与相之间的转变称为相变。如水结冰。Phasetransformation均匀指微观尺度上的均匀，而非一般意义上的均匀。化学成分允许连续变化相与相之间有界面，可以用物理或机械办法分开。相可以是单质，也可以是溶液、化合物

3、等气体：一般是一个相，如空气。固体：物理性质和化学性质符合相均匀性的要求，几个组分可以形成一个相，也可能出现多相。液体：视其混溶程度而定。（3）相平衡如果系统中各相经历很长时间，各相的状态（成分、结构、数量等）不随时间发生变化，则是处于平衡状态。相平衡是动态平衡。例如冰与水在1atm，0°C时处于平衡状态，但是界面仍然有物质交换，但正负速度相等。5.1.2相平衡条件等温等压过程用自由焓作为状态函数其中ni是i组元的摩尔数。微分形式为其中i是i组元的化学位设平衡体系中包含、两相，在等温等压条件下，某一组元i从其中一相向另一相转移了一个极小量dn摩尔相

4、自由焓减小了相自由焓增加了此时，整个体系自由焓的变化为在平衡时，显然dG=0因为dn不等于0,所以相平衡条件为任意一组元在各相当中的化学位均相等-相平衡的条件。5.1.3相律吉布斯相律：f=c-p+2C：系统的独立组元数P：共存的平衡相数f：自由度的数目，指给定合金系在平衡相数不变的前提下，可独立改变变量（如温度、压力、浓度等）的数目。对于不含气相的凝聚系统，可视为恒压条件，相律表述为：f=C－P+1独立组元数独立组元（独立组分）：足以表示形成平衡系统中各相所需要组分的最少数目c=组分数－独立化学反应数目－限制条件当物质之间没有化学反应时，独立组元数=化学物

5、质数目；当组元之间存在化学反应时，限制条件数=化学反应个数。自由度温度、压力、组分浓度等可能影响系统平衡状态的变量中，可以在一定范围内改变而不会引起旧相消失新相产生的独立变量的数目自由度f0。如果出现负值，则说明体系可能处于非平衡态。相律推导设一个平衡体系中，独立组元数C，平衡相数为P；如果每个相均包含C个组元：那么每相组成需要（C-1)个变量表示其化学组成，总变量数为P(C-1)+2,2是温度和压力。若有其他变量，如电场磁场，则增加变量个数。每一组元有（P-1)个平衡条件，因而约束条件C(P-1)从而得到，自由度F=P(C-1)+2-C(P-1)=C-P+

6、2外界条件变化时，相的种类、多少、浓度等往往会随之变化，如水的状态会随着温度、压力的变化而变化。ABCOC’SLg临界点压强温度5.1.4相图相图：表示体系的相平衡状态与成份、温度、压力等变量之间关系的图形。相图表示一个合金系内不同相的可以稳定存在的范围,相图也称为状态图、平衡图。相图对于成分与组织结构的关系有重要意义相图可用于材料研究设计、选材、制定热加工工艺等。相图可以实验测量，也可以由计算获得。原理：根据系统在冷却过程中温度随时间的变化情况来判断系统中是否发生了相变化。做法：(1)配制不同成分的合金；(2)将样品加热成液态，令其缓慢而均匀地冷却，记录、绘

7、制温度－时间曲线，即冷却曲线；(3)根据冷却曲线测定合金的临界点；由于相变的热效应，在冷却曲线上出现转折点；(4)将临界点标在同一坐标系中，连接相同意义的点，构成相图。热分析法以Bi－Cd系为例：所选合金Cd的质量百分数：a,0％；b,20％；c,40％；d,75％；e,100％abcde冷却曲线Bi－Cd系统的相图Bi(s)+Cd(s)L+Bi(s)L+Cd(s)L热分析法举例mv2mv1自动记录惰性基准物试样加热器隔热板铂丝铂丝铂铑丝mv1---试样温度变化mv2---电势差差热分析法（DTA）（1）单元系相图单元系统中，只有一种组分，不存在浓度问题。影响

8、因素只有温度和压力。因为c=1,根据相