相圖的建立及勻晶相圖分析

相圖的建立及勻晶相圖分析1第1頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.2二元合金相圖的建立（1）相平衡條件

在平衡條件下，合金系中各相的成分保持著相對(duì)的穩(wěn)定性，宏觀上沒(méi)有組元在相間轉(zhuǎn)移。在恒溫恒壓下，相間成分的改變引起的體系自由能的變化等于組元的轉(zhuǎn)移量和它們?cè)诟飨嗷瘜W(xué)位乘積的疊加，即式中為i組元的化學(xué)位；dni為i組元在相間的轉(zhuǎn)移量。化學(xué)位差是組元在相間轉(zhuǎn)移的驅(qū)動(dòng)力。2第2頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）相平衡條件

如果dni的i組元從α相中轉(zhuǎn)移到β相中，則體系的自由能變化在平衡條件下dG=0,故既α、β兩相平衡的條件是，兩相中同一組元的化學(xué)位相等。若合金有n個(gè)組元，P個(gè)相，則它們的平衡條件可以寫(xiě)成：……….3第3頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）相律

在平衡條件下，合金的組元數(shù)和相數(shù)之間存在一定的關(guān)系，這種關(guān)系稱(chēng)為相律。Gibbs相律：在只受外界溫度和壓力影響的平衡系統(tǒng)中，它的自由度數(shù)等于系統(tǒng)的組元數(shù)和相數(shù)只差再加上2。

式中f為系統(tǒng)的自由度數(shù)；C為系統(tǒng)的組元數(shù)；P為相數(shù)。

所謂的系統(tǒng)的自由度數(shù)，就是平衡系統(tǒng)的獨(dú)立可變因素（如溫度、壓力、濃度等）的數(shù)目。這些因素可在一定范圍內(nèi)任意獨(dú)立地改變而不會(huì)影響到原有的共存相數(shù)和狀態(tài)，即不會(huì)影響原有的平衡狀態(tài)。對(duì)于不含氣相的凝聚系統(tǒng)，通常范圍的壓力改變對(duì)平衡影響極小，一般可忽略壓力的影響，則自由度數(shù)f=C-P+14第4頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.2二元合金相圖的建立（3）二元相圖表示方法

二元合金相圖常用溫度、成分相圖，表示合金的狀態(tài)隨成分和溫度變化而發(fā)生變化的情況。二元Pb-Sb合金相圖5第5頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在相圖中，任意一點(diǎn)都叫“表象點(diǎn)”。一個(gè)表象點(diǎn)的坐標(biāo)值反映一個(gè)給定合金的成分和溫度。在相圖中，由表象點(diǎn)所在的相區(qū)可以判定在該溫度下合金由哪些相組成。二元合金在兩相共存時(shí)，兩個(gè)相的成分可由過(guò)表象點(diǎn)的水平線(xiàn)與相界線(xiàn)的交點(diǎn)確定。6第6頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二元相圖中的成分按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有兩種表示法：①質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w）：②摩爾分?jǐn)?shù)（x）：式中：wA、wB分別為A、B組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；xA、xB分別為A、B組元的摩爾分?jǐn)?shù)，RA、RB分別為A、B組元的相對(duì)原子質(zhì)量。7第7頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月建立相圖的關(guān)鍵是要準(zhǔn)確地測(cè)出各成分合金的相變臨界點(diǎn)（臨界溫度）。臨界點(diǎn)：物質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生本質(zhì)變化的相變點(diǎn)。測(cè)臨界點(diǎn)的方法通常有熱分析法、硬度法、金相分析、X射線(xiàn)結(jié)構(gòu)分析、磁性法、膨脹法、電阻法等。由于合金凝固時(shí)的結(jié)晶潛熱較大，結(jié)晶時(shí)冷卻曲線(xiàn)上的轉(zhuǎn)折比較明顯，因此常用熱分析法來(lái)測(cè)合金的結(jié)晶溫度，即測(cè)液相線(xiàn)、固相線(xiàn)。（4）二元相圖的建立8第8頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱分析法利用合金在轉(zhuǎn)變時(shí)伴有熱學(xué)性能變化的特性，通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)溫度的變化來(lái)得到臨界溫度，從而建立起相圖。9第9頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10第10頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱分析法建立二元合金相圖的步驟將給定兩組元配制成一系列不同成分的合金；將它們分別熔化后在緩慢冷卻的條件下，分別測(cè)出它們的冷卻曲線(xiàn)；找出各冷卻曲線(xiàn)上的相變臨界點(diǎn)（曲線(xiàn)上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)）；將各臨界點(diǎn)注在溫度——成分坐標(biāo)中相應(yīng)的合金成分線(xiàn)上；連接具有相同意義的各臨界點(diǎn)，并作出相應(yīng)的曲線(xiàn)；用相分析法測(cè)出相圖中各相區(qū)（由上述曲線(xiàn)所圍成的區(qū)間）所含的相，將它們的名稱(chēng)填入相應(yīng)的相區(qū)內(nèi)，即得到一張完整的相圖。11第11頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月銅-銀合金相圖12第12頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱膨脹法測(cè)定相圖熱膨脹法利用材料在發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)伴隨有體積變化的特性，通過(guò)測(cè)量試樣長(zhǎng)度隨溫度的變化得到臨界點(diǎn)，從而作出相圖。

13第13頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電阻法測(cè)定相圖電阻法利用材料電阻率隨溫度的變化來(lái)建立相圖的。14第14頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月杠桿定理是利用相圖確定和計(jì)算合金在兩相區(qū)中，兩平衡相的成分和相對(duì)量的方法，由于它與力學(xué)中的杠桿定律很相似，故稱(chēng)為杠桿定律。WLWSa(X1)b(X2)o(X)（5）杠桿法則15第15頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月相圖中所有的線(xiàn)條都代表發(fā)生相轉(zhuǎn)變的溫度和平衡相的成分，所以相界線(xiàn)是相平衡的體現(xiàn)，平衡相成分必須沿著相界線(xiàn)隨溫度而變化；（6）二元相圖中的幾何規(guī)律16第16頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

兩個(gè)單相區(qū)之間必定有一個(gè)由該兩相組成的兩相區(qū)把它們分開(kāi)，而不能以一條線(xiàn)接界，兩個(gè)兩相區(qū)必須以單相區(qū)或三相水平線(xiàn)隔開(kāi)，也就是說(shuō)，在二元相圖中，相鄰相區(qū)的相數(shù)差為1(點(diǎn)接觸情況除外)，這個(gè)規(guī)則稱(chēng)為相區(qū)接觸法則；17第17頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

二元相圖中的三相平衡必為一條水平線(xiàn)，表示恒溫反應(yīng)，在這條水平線(xiàn)上存在三個(gè)表示平衡相的成分點(diǎn)，其中兩點(diǎn)應(yīng)在水平線(xiàn)的兩端，另一點(diǎn)在端點(diǎn)之間，水平線(xiàn)的上下方分別與三個(gè)兩相區(qū)相接；18第18頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)兩相區(qū)與單相區(qū)的分界線(xiàn)與三相等溫線(xiàn)相交，則分界線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)應(yīng)進(jìn)入另一兩相區(qū)內(nèi)，而不會(huì)進(jìn)入單相區(qū)內(nèi)。19第19頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由液相結(jié)晶出單相固溶體的過(guò)程稱(chēng)為勻晶轉(zhuǎn)變。兩組元在液態(tài)無(wú)限溶解，在固態(tài)無(wú)限固溶，并且發(fā)生勻晶反應(yīng)的相圖，稱(chēng)為勻晶相圖。3.4勻晶相圖及固溶體的凝固（1）相圖分析TbTa20第20頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月點(diǎn)：相圖中Ta，Tb點(diǎn)分別為純組元Cu，Ni的熔點(diǎn)。線(xiàn)：TaTb凸曲線(xiàn)為液相線(xiàn)。各不同成分的合金加熱到該線(xiàn)以上時(shí)全部轉(zhuǎn)變?yōu)橐合啵鋮s到該線(xiàn)時(shí)開(kāi)始凝固出α固溶體。TaTb凹曲線(xiàn)為固相線(xiàn)。各不同成分的合金加熱到該線(xiàn)時(shí)開(kāi)始熔化，而冷卻到該線(xiàn)時(shí)全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣凉倘荏w。TbTa21第21頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月相區(qū)：在TaTb凸曲線(xiàn)以上為液相的單相區(qū)，用L表示；在TaTb凹曲線(xiàn)以下為固相的單相區(qū)，用α表示；α是Cu-Ni互溶形成的置換式無(wú)限固溶體。在TaTb凸曲線(xiàn)和TaTb凹曲線(xiàn)之間為液、固兩相平衡區(qū)，用L+α表示。TbTa22第22頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月平衡結(jié)晶：每個(gè)時(shí)刻都能達(dá)到平衡的結(jié)晶過(guò)程。（2）固溶體合金的平衡凝固及組織平衡結(jié)晶過(guò)程分析冷卻曲線(xiàn)：溫度－時(shí)間曲線(xiàn)；23第23頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)合金緩慢冷卻至L1點(diǎn)以前時(shí)，均為單一的液相;冷卻到L1點(diǎn)時(shí)，開(kāi)始從液相中析出α固溶體，冷卻到a3點(diǎn)時(shí)，合金全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣凉倘荏w;若繼續(xù)從a3點(diǎn)冷卻到室溫，為單一的α固溶體。24第24頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月勻晶轉(zhuǎn)變過(guò)程中原子擴(kuò)散示意圖25第25頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月26第26頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月0%a1100%L1t1a2L2t2a3成分變化趨勢(shì)αＬ溫度100%0%L3t3變化趨勢(shì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)成分在液固兩相共存區(qū)，隨著溫度的降低，液相的量不斷減少，固相的量不斷增多，同時(shí)液相的成分沿液相線(xiàn)變化，固相成分沿固相線(xiàn)變化。27第27頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（１）異分結(jié)晶固溶體合金結(jié)晶時(shí)所結(jié)晶出的固相成分與液相成分不同，這種結(jié)晶出的晶體與母相化學(xué)成分不同的結(jié)晶稱(chēng)為異分結(jié)晶，或稱(chēng)選擇結(jié)晶。（２）固溶體合金的結(jié)晶需要在一定的溫度范圍固溶體合金的結(jié)晶需要在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，在此溫度范圍內(nèi)的每一溫度下，只能結(jié)晶出一定數(shù)量的固相。隨著溫度的降低，固相的數(shù)量增加，同時(shí)固相和液相的成分分別沿著固相線(xiàn)和液相線(xiàn)而連續(xù)地改變，直至固相的成分與原合金的成分相同時(shí)，才結(jié)晶完成。固溶體結(jié)晶的特點(diǎn)28第28頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月①

相同點(diǎn)：基本過(guò)程：形核－長(zhǎng)大；熱力學(xué)條件：⊿T>0；能量條件：能量起伏；結(jié)構(gòu)條件：結(jié)構(gòu)起伏。②不同點(diǎn)：合金在一個(gè)溫度范圍內(nèi)結(jié)晶可能性：相律分析；必要性：成分均勻化。合金結(jié)晶是異分結(jié)晶：需成分起伏。

與純金屬結(jié)晶的比較29第29頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月平衡分配系數(shù)：在一定溫度下，固、液兩平衡相中溶質(zhì)濃度的比值。表明k0的示意圖(a)k0＜1；

(b)k0＞1（3）固溶體合金凝固時(shí)的溶質(zhì)分布30第30頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月平衡凝固時(shí)固相的溶質(zhì)分布形核→相界平衡→擴(kuò)散破壞平衡→長(zhǎng)大→相界平衡31第31頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月本節(jié)要點(diǎn)概念：勻晶轉(zhuǎn)變、平衡凝固勻晶相圖的分析固溶體的凝固過(guò)程下節(jié)內(nèi)容：共晶相圖及其合金凝固32第32頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

二元合金相圖的坐標(biāo)系為A壓力—溫度；

B壓力—成分；

C溫度—成分。思考題

答案：C單元系相圖一般采用“壓力—溫度”坐標(biāo)系統(tǒng)，二元系相圖則采用“溫度—成分”坐標(biāo)系統(tǒng)。

33第33頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.杠桿定律僅適用于平衡相圖的二相區(qū)。

是否思考題

答案：A

杠桿定律只能在平衡相圖的二相區(qū)應(yīng)用。

34第34頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月思考題

答案：A

勻晶合金的室溫組織為單相固溶體，即使是非平衡凝固的勻晶合金也是如此。

3.勻晶合金的室溫組織為單相固溶體。

是否35第35頁(yè)，課件共38頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.下述哪些下列說(shuō)法哪些是正確的?A溫度高于液相線(xiàn)的合金為液態(tài)；

B溫度低于液相線(xiàn)的合金為固態(tài)；

C溫