本校課件6.相圖第六章1節(jié)

第六章相平衡和相圖

合金相圖是表示合金在熱力學(xué)平衡條件下相或狀態(tài)與溫度、成分之間關(guān)系的圖形，又稱為狀態(tài)圖或平衡圖。合金相圖的用途：①利用相圖可以知道各種成分的合金在不同溫度下有哪些相及各相的相對(duì)含量和成分，以及溫度變化時(shí)發(fā)生的相的變化。

這種相與相之間的轉(zhuǎn)變稱為相變。②利用相圖可以分析平衡狀態(tài)下合金的組織，并進(jìn)而預(yù)測(cè)性能。③合金相圖還是制訂合金熔煉、鑄造、鍛造、焊接和熱處理工藝的重要依據(jù)。

6.1相平衡及其研究方法一、相平衡的基本概念1、系統(tǒng)

通常，我們把選擇的研究對(duì)象稱為系統(tǒng)。而系統(tǒng)以外的一切物質(zhì)都稱為環(huán)境。當(dāng)外界條件不變時(shí)，如果系統(tǒng)的各種性質(zhì)不隨時(shí)間而改變，則這系統(tǒng)就處于平衡狀態(tài)。

沒有氣相或雖有氣相但其影響可忽略不計(jì)的系統(tǒng)稱為凝聚系統(tǒng)。一般地講，合金和硅酸鹽系統(tǒng)都屬于凝聚系統(tǒng)。2、相

系統(tǒng)中具有相同物理與化學(xué)性質(zhì)的完全均勻部分的總和稱為相。

系統(tǒng)中，相與相之間總是以明顯的界面相互分開的，稱為相界面。比如，純金屬：固態(tài)時(shí)為一個(gè)相→固相液態(tài)時(shí)也為一個(gè)相→液相熔點(diǎn)狀態(tài)下，固體和液體共存，并以界面分開，則就是兩個(gè)相。

一個(gè)系統(tǒng)中所含相的數(shù)目，叫做相數(shù)，以符號(hào)P表示。按照相數(shù)的不同，系統(tǒng)可以分為：?jiǎn)蜗嘞到y(tǒng)（P＝1），二相系統(tǒng)（P＝2），三相系統(tǒng)（P＝3）等等。含有兩個(gè)相以上的系統(tǒng)，統(tǒng)稱為多相系統(tǒng)。

幾點(diǎn)規(guī)律：

（1）一種物質(zhì)可以有幾個(gè)相。（2）相是一個(gè)抽象的概念，它一般不涉及具體的形態(tài)，也與其是否連續(xù)沒有關(guān)系。（3）相與物質(zhì)的數(shù)量多少無(wú)關(guān)，即一個(gè)相不一定只含有一種物質(zhì)。（4）幾種物質(zhì)混合后，既可能形成一個(gè)相，也可能形成幾個(gè)相。對(duì)于固體系統(tǒng)，有以下幾種情況：①形成機(jī)械混合物②生成化合物③形成固溶體④同質(zhì)多晶現(xiàn)象3、組元、獨(dú)立組元

組元是指系統(tǒng)中每一個(gè)能單獨(dú)分離出來(lái)并能獨(dú)立存在的化學(xué)純物質(zhì)，也稱為組分。組元既可以是純?cè)兀部梢允欠€(wěn)定的化合物。在金屬合金中，以純?cè)貫榻M元，而在硅酸鹽系統(tǒng)中，則以各氧化物作為系統(tǒng)組元。

獨(dú)立組元是指足以表示形成平衡系統(tǒng)中各相組成所需要的最少數(shù)目的物質(zhì)（組元），也稱為獨(dú)立組分。獨(dú)立組元的數(shù)目，稱為獨(dú)立組元數(shù)，以符號(hào)C表示。按照獨(dú)立組元數(shù)目的不同，可以對(duì)系統(tǒng)分類。通常把具有n個(gè)獨(dú)立組元的系統(tǒng)稱為n元系統(tǒng)。

C＝1，稱為單元系統(tǒng)；C＝2，稱為二元系統(tǒng)；C＝3，稱為三元系統(tǒng)等。組元與獨(dú)立組元的關(guān)系：（1）如果系統(tǒng)中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，則：獨(dú)立組元數(shù)＝物種數(shù)（即組元數(shù)）（2）如果系統(tǒng)中存在化學(xué)反應(yīng)并建立了平衡，則：獨(dú)立組元數(shù)＝物種數(shù)一獨(dú)立化學(xué)反應(yīng)數(shù)（指獨(dú)立化學(xué)平衡關(guān)系式數(shù)）

例如，由CaCO3、CaO、CO2組成的系統(tǒng)，在高溫下存在下述反應(yīng)：

若該反應(yīng)能夠達(dá)到平衡，則有一個(gè)獨(dú)立的化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)。此時(shí)，雖然組元數(shù)＝3，但獨(dú)立組元數(shù)C＝3－1＝2。4、自由度在一定范圍內(nèi)，可以任意改變而不引起舊相消失或新相產(chǎn)生的獨(dú)立變量稱為自由度，平衡系統(tǒng)的自由度數(shù)用F表示。這些變量主要指組成（即組分的濃度）、溫度和壓力等。

5、外界影響因素

影響系統(tǒng)平衡狀態(tài)的外界因素包括：溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、重力場(chǎng)等等。外界影響因素的數(shù)目稱為影響因素?cái)?shù)，用符號(hào)n表示。在一般情況下只考慮溫度和壓力對(duì)系統(tǒng)平衡狀態(tài)的影響，即n＝2。對(duì)于凝聚系統(tǒng)，由于在相變過程中壓力保持常數(shù)，則外界影響因素主要是溫度，即n＝1。二、相律合金的相平衡條件：每個(gè)組元在各相中的化學(xué)位相等。1、相律表達(dá)式

F＝C－P十nF＝C－P十2

對(duì)于凝聚系統(tǒng)，n＝1：F＝C－P十1

系統(tǒng)中組分?jǐn)?shù)C越多，則自由度數(shù)F就越大；相數(shù)P越多，自由度數(shù)F越??；自由度為零時(shí)，相數(shù)最大；相數(shù)最小時(shí)，自由度最大。

2、相律的應(yīng)用①利用相律可以確定系統(tǒng)中可能存在的最多平衡相數(shù)

eg1：對(duì)單元系—純金屬來(lái)說，C=1，fmax=1

（溫度）若f=1，代入得P=1f=0，則P=2

最大平衡相數(shù)為2eg2：對(duì)于二元系合金來(lái)說，C=2，fmax=2

若f=2，→P=1f=1，→P=2f=0，→P=3

可見，二元合金平衡狀態(tài)最多可有三個(gè)相共存。②利用相律可以分析凝固現(xiàn)象eg3：純金屬的凝固只能在恒溫下進(jìn)行，而二元合金的凝固存在一定的溫度范圍∵純金屬凝固時(shí)，二相共存，P=2，而C=1，代入公式，則f=0，∴溫度不能改變。而二元合金凝固時(shí)，也是二相共存，P=2，C=2，則f=C－P+1=1，即存在一個(gè)變量。對(duì)于給定成分的合金，其溫度可以變化。

三、相平衡的研究方法1、動(dòng)態(tài)法最普通的動(dòng)態(tài)法是熱分析法。這種方法主要是觀察系統(tǒng)中的物質(zhì)在加熱和冷卻過程中所發(fā)生的熱效應(yīng)。熱分析法又包括冷卻曲線法和差熱分折法。此外還有熱膨脹曲線法和電導(dǎo)（或電阻）法。冷卻曲線法測(cè)定相圖的原理和步驟：①配制合金②測(cè)定相變臨界點(diǎn)冷卻曲線上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)即相變臨界點(diǎn)。③作圖將具有相同意義的點(diǎn)聯(lián)結(jié)成線——稱為相界線。④標(biāo)注名稱冷卻曲線法的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：方法簡(jiǎn)單，測(cè)定速度較快。缺點(diǎn)：要求試樣均勻，測(cè)溫要快而準(zhǔn)；2、靜態(tài)法（即淬冷法)

淬冷法的基本思想是在室溫下研究高溫相平衡狀態(tài)。

淬冷法測(cè)定相變臨界點(diǎn)的原理：

對(duì)淬火試樣進(jìn)行顯微鏡觀察或x射線物相分析，據(jù)此確定相的數(shù)目及其性質(zhì)隨組成、溫度而改變的關(guān)系。

淬冷法的特點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：直觀，可以用肉眼借助顯微鏡直接觀察；準(zhǔn)確程度高。

缺點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)工作量大，測(cè)定相圖比較費(fèi)時(shí)；對(duì)試樣要求嚴(yán)格。

四、應(yīng)用相圖時(shí)需注意的幾個(gè)問題

（1）實(shí)際生產(chǎn)過程與