材料科學(xué)基礎(chǔ)第三章2

1、2022-3-211第三章材料的相結(jié)構(gòu)及相圖 （之二）2022-3-212本章主要內(nèi)容相與相平衡的基本概念，杠桿規(guī)則；相與相平衡的基本概念，杠桿規(guī)則；二元系統(tǒng)各種類型相圖的基本特點(diǎn)和閱二元系統(tǒng)各種類型相圖的基本特點(diǎn)和閱讀分析；讀分析；三元相圖的基本概念，三元勻晶相圖，三元相圖的基本概念，三元勻晶相圖，簡單三元共晶相圖。簡單三元共晶相圖。 2022-3-213為什么要研究相圖？2022-3-2143.2.1相圖的基礎(chǔ)知識 一、相與相平衡 1. 相相 (Phase) 在一個系統(tǒng)中，在一個系統(tǒng)中，成分、結(jié)構(gòu)相同，性能一致的均勻的組成部分叫做相，不同相之間有明顯叫做相，不同相之間有明顯的的界面分開分開

2、,該界面稱為該界面稱為相界面。 注意：注意： 相在物理性能和化學(xué)性能上是均勻的。相在物理性能和化學(xué)性能上是均勻的。 相界面和晶界的區(qū)別。相界面和晶界的區(qū)別。2022-3-215 2. 相平衡相平衡 在某一溫度下，系統(tǒng)中各個相經(jīng)過很在某一溫度下，系統(tǒng)中各個相經(jīng)過很長時間也不互相轉(zhuǎn)變，處于平衡狀態(tài)，長時間也不互相轉(zhuǎn)變，處于平衡狀態(tài)，這種平衡稱為這種平衡稱為相平衡。(反之稱為非平衡相）反之稱為非平衡相） 各組元在各相中的化學(xué)勢相同。各組元在各相中的化學(xué)勢相同。AAB 熱力學(xué)動態(tài)平衡熱力學(xué)動態(tài)平衡2022-3-216 3.組元與獨(dú)立組分組元與獨(dú)立組分 組元通常是指系統(tǒng)中每一個可以單獨(dú)分離出來，組元通常

3、是指系統(tǒng)中每一個可以單獨(dú)分離出來，并能獨(dú)立存在的化學(xué)純物質(zhì)，在一個給定的系統(tǒng)并能獨(dú)立存在的化學(xué)純物質(zhì)，在一個給定的系統(tǒng)中，組元就是構(gòu)成系統(tǒng)的各種中，組元就是構(gòu)成系統(tǒng)的各種化學(xué)元素或或化合物。 化學(xué)元素：化學(xué)元素：Cu, Ni, Fe等等 化合物：化合物：Al2O3, MgO, Na2O, SiO2等等獨(dú)立組分是指決定一個相平衡系統(tǒng)中多相組成所需獨(dú)立組分是指決定一個相平衡系統(tǒng)中多相組成所需要的最少數(shù)目的化學(xué)純物質(zhì)，它的數(shù)目稱為獨(dú)立要的最少數(shù)目的化學(xué)純物質(zhì)，它的數(shù)目稱為獨(dú)立組分?jǐn)?shù)，用字母組分?jǐn)?shù)，用字母C表示。表示。按（獨(dú)立）組元數(shù)目，將系統(tǒng)分為：一元系統(tǒng)、二按（獨(dú)立）組元數(shù)目，將系統(tǒng)分為：一元系統(tǒng)

4、、二元系統(tǒng)、三元系統(tǒng)元系統(tǒng)、三元系統(tǒng)2022-3-217 4 4 自由度和自由度和吉布斯相律吉布斯相律自由度是指在平衡系統(tǒng)中那些獨(dú)立可變因自由度是指在平衡系統(tǒng)中那些獨(dú)立可變因素的最大數(shù)目，以符號素的最大數(shù)目，以符號f表示。表示。吉布斯相律是指處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)的系吉布斯相律是指處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)的系統(tǒng)中自由度與組元數(shù)和相數(shù)之間的關(guān)系統(tǒng)中自由度與組元數(shù)和相數(shù)之間的關(guān)系定律：定律： f+p=c+n2022-3-218 只考慮溫度和壓力對系統(tǒng)平衡狀態(tài)的影響只考慮溫度和壓力對系統(tǒng)平衡狀態(tài)的影響: F=C-P+2 凝聚系統(tǒng)凝聚系統(tǒng): F=C-P+1 式中的式中的P稱為相數(shù)，顯然在稱為相數(shù)，顯然在f0時，

5、時， P最大。最大。2022-3-219 幾點(diǎn)說明： (1)(1)相平衡是研究多相體系的平衡狀態(tài)如何隨相平衡是研究多相體系的平衡狀態(tài)如何隨溫度、壓力和組分濃度等變數(shù)而改變的規(guī)律；溫度、壓力和組分濃度等變數(shù)而改變的規(guī)律； (2)(2)相圖是根據(jù)多相平衡的實(shí)驗(yàn)結(jié)果而繪制的相圖是根據(jù)多相平衡的實(shí)驗(yàn)結(jié)果而繪制的幾何圖形；又稱狀態(tài)圖；幾何圖形；又稱狀態(tài)圖； （3 3）相圖中的平衡狀態(tài)的概念。）相圖中的平衡狀態(tài)的概念。只適用于熱只適用于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，各相溫度相等（熱量平衡）、力學(xué)平衡狀態(tài)，各相溫度相等（熱量平衡）、各相壓力相等（機(jī)械平衡）、各相化學(xué)勢相等各相壓力相等（機(jī)械平衡）、各相化學(xué)勢相等（化學(xué)平衡

6、）。（化學(xué)平衡）。 （4）相律只表示體系中組元和相的數(shù)目，不）相律只表示體系中組元和相的數(shù)目，不能指明組元和相的類型和含量。能指明組元和相的類型和含量。 （5）不能預(yù)告反應(yīng)動力學(xué)（即反應(yīng)速度問）不能預(yù)告反應(yīng)動力學(xué)（即反應(yīng)速度問題）。題）。 2022-3-2110單元系統(tǒng)的相圖 組元數(shù)組元數(shù) C=1 根據(jù)相律：根據(jù)相律： F=1-P+2=3-P F0, P3 若，若，P=1，則，則F=2 可以用可以用和和作坐標(biāo)的平面圖作坐標(biāo)的平面圖 (p-T圖圖) 來表示系統(tǒng)的相圖。來表示系統(tǒng)的相圖。若，若，F(xiàn)=0，則，則P=3，即最多有三相平衡。，即最多有三相平衡。 2022-3-2111 水的相圖2022-

7、3-21122022-3-21132022-3-21142022-3-2115 二元系相圖二元系相圖 二元凝聚系統(tǒng)有兩個組元，根據(jù)相律：二元凝聚系統(tǒng)有兩個組元，根據(jù)相律： F=C-P+1，二元系統(tǒng)最大的自由度數(shù)目，二元系統(tǒng)最大的自由度數(shù)目F=2，這兩個自由度就是溫度和成分。，這兩個自由度就是溫度和成分。 故二元凝聚系統(tǒng)的相圖，仍然可以采用故二元凝聚系統(tǒng)的相圖，仍然可以采用二維的平面圖形來描述。即以溫度和任二維的平面圖形來描述。即以溫度和任一組元濃度為坐標(biāo)軸的溫度一組元濃度為坐標(biāo)軸的溫度-成分圖表示。成分圖表示。2022-3-2116 二元相圖的表示法二元相圖的表示法 如果合金系由如果合金系由A

8、、B兩組元組成，橫坐標(biāo)一端兩組元組成，橫坐標(biāo)一端為組元為組元A，而另一端為組元，而另一端為組元B，那么體系中任，那么體系中任一成分合金都可以在橫坐標(biāo)上找到相應(yīng)的點(diǎn)。一成分合金都可以在橫坐標(biāo)上找到相應(yīng)的點(diǎn)。 根據(jù)國標(biāo)，二元合金成分可以有兩種表示方法：根據(jù)國標(biāo)，二元合金成分可以有兩種表示方法：質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(W)和摩爾分?jǐn)?shù)和摩爾分?jǐn)?shù)(x)。但通常多數(shù)用。但通常多數(shù)用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示，在沒有特別注明，合金成分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示，在沒有特別注明，合金成分都是指質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。若都是指質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。若A、B為單質(zhì)，質(zhì)量百為單質(zhì)，質(zhì)量百分?jǐn)?shù)和摩爾分?jǐn)?shù)之間可以換算分?jǐn)?shù)和摩爾分?jǐn)?shù)之間可以換算 。 2022-3-2117

9、二元相圖的建立方法： 二元相圖的測定或建立是根據(jù)各種成分材料的二元相圖的測定或建立是根據(jù)各種成分材料的臨界點(diǎn)（臨界點(diǎn)（critical point）繪制的。）繪制的。 臨界點(diǎn)是表示物質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生本質(zhì)變化的臨臨界點(diǎn)是表示物質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生本質(zhì)變化的臨界相變點(diǎn)。測定材料臨界點(diǎn)有兩種方法類型：界相變點(diǎn)。測定材料臨界點(diǎn)有兩種方法類型： (1)動態(tài)法：熱分析法（動態(tài)法：熱分析法（thermal analisis method）、膨脹法、電阻法）、膨脹法、電阻法 (2) 靜態(tài)法：靜態(tài)法：金相法、金相法、Xray衍射分析法衍射分析法 這些方法主要這些方法主要是利用合金在相結(jié)構(gòu)變化時，引起物理性能、是利用合金

10、在相結(jié)構(gòu)變化時，引起物理性能、力學(xué)性能及金相組織變化的特點(diǎn)來測定。力學(xué)性能及金相組織變化的特點(diǎn)來測定。 當(dāng)然，現(xiàn)在還有使用計算機(jī)，通過熱力學(xué)數(shù)據(jù)當(dāng)然，現(xiàn)在還有使用計算機(jī)，通過熱力學(xué)數(shù)據(jù)的計算結(jié)果來繪制相圖的方法。的計算結(jié)果來繪制相圖的方法。2022-3-2118熱分析法畫制Cu-Ni相圖2022-3-2119 Cu-Pb合金相圖合金相圖2022-3-2120 杠桿規(guī)則杠桿規(guī)則 2022-3-2121上式也可寫成：LooLCCCCaoobww杠桿規(guī)則示意圖杠桿規(guī)則示意圖2022-3-2122二元相圖的基本類型二元相圖的基本類型 （1）均晶相圖當(dāng)兩個組元化學(xué)性質(zhì)相近，晶體結(jié)構(gòu)相同，晶格當(dāng)兩個組元化

11、學(xué)性質(zhì)相近，晶體結(jié)構(gòu)相同，晶格常數(shù)相差不大時，它們不僅可以在液態(tài)或熔融常數(shù)相差不大時，它們不僅可以在液態(tài)或熔融態(tài)完全互溶，而且在固態(tài)也完全互溶，形成成態(tài)完全互溶，而且在固態(tài)也完全互溶，形成成分連續(xù)可變的固溶體，稱為無限固溶體或連續(xù)分連續(xù)可變的固溶體，稱為無限固溶體或連續(xù)固溶體，它們形成的相圖即為固溶體，它們形成的相圖即為均均晶相圖(Isomorphous system)。 2022-3-2123均晶相圖分析：2022-3-21242022-3-21252022-3-21262022-3-2127杠桿規(guī)則的應(yīng)用杠桿規(guī)則的應(yīng)用2022-3-2128均晶結(jié)晶的特點(diǎn)： 固溶體的結(jié)晶是在一個溫度范圍內(nèi)完

12、成的。固溶體的結(jié)晶是在一個溫度范圍內(nèi)完成的。 純金屬純金屬 F=0 固溶體固溶體 F=1 結(jié)晶出的固相與共存液相的成分不同結(jié)晶出的固相與共存液相的成分不同 結(jié)晶過程中固相和液相的成分在不斷變化，結(jié)晶過程中固相和液相的成分在不斷變化，因此有原子的擴(kuò)散因此有原子的擴(kuò)散2022-3-2129二元相圖的基本類型 （2）共晶相圖在二元系統(tǒng)中，兩個組元在液相可以無限互熔，而在固相時，完成互不相熔或只是有限互熔并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成共晶組織的相圖，稱為二元共晶相圖。2022-3-2130 典型的二元共晶相圖2022-3-2131二元相圖的基本類型 （3）固溶型相圖特征：高溫時，兩個組元在液態(tài)和固態(tài)都完全互溶，

13、而低溫時，完全互溶的固溶體又分成兩個部分互溶的固溶體。2022-3-2132 固溶型體系的相圖有兩種類型： 一種是包含有共溶型結(jié)構(gòu)的二元系統(tǒng)（共溶型）； Pb-Sn相圖是其典型的代表。相圖是其典型的代表。 另一種是包含有轉(zhuǎn)熔型結(jié)構(gòu)的二元系統(tǒng)（包溶型）。 Ag-Pt相圖是其典型的代表。相圖是其典型的代表。2022-3-2133 共熔型2022-3-21342022-3-21352022-3-21362022-3-21372022-3-2138二元相圖的基本類型 （4）偏晶型相圖特征：在液態(tài)時部分互溶的二元相圖，又稱偏熔型二元相圖。 典型的相圖例子： Ga-Hg相圖2022-3-2139二元相圖的

14、基本類型 （5）化合物型相圖 同分熔化化合物型二元系統(tǒng) 異分熔化化合物型二元系統(tǒng) 固相內(nèi)化合物生成和分解的二元系統(tǒng)2022-3-2140同分熔化化合物型二元相圖 這是一種最簡單的具有化合物型的二元相圖。 所謂的同化是指該化合物在固態(tài)和液態(tài)時都具有相同的組成，也稱為一致熔化。 在金屬材料中，最典型的是Nd2O3-Al2O3 在非金屬材料中稱為一致熔融化合物相圖。2022-3-21412022-3-2142異分熔化化合物型二元相圖 所謂異分熔化是指化合物被熔化后的組成與原先的固態(tài)組成完全不同。也稱為不一致熔融。典型相圖： Na-K二元相圖（圖346）2022-3-2143二元相圖的基本類型 （6）

15、有晶型轉(zhuǎn)變的二元系統(tǒng)三種情況： 晶型轉(zhuǎn)變溫度以上和以下都沒有固溶 晶型轉(zhuǎn)變溫度以上和以下都完全固溶2022-3-21443. 3 三元相圖 對于凝聚系統(tǒng): f=c-p+1三元凝聚系統(tǒng)的獨(dú)立組分 c=3 f=4-p當(dāng) f=0時 p=4; f=1時 p=3;而 p=1時 f=3所以三元凝聚系統(tǒng)的最多相數(shù)為4;最大自由度即最多的獨(dú)立變量為3.2022-3-2145 三元相圖的基本特點(diǎn)：三元相圖的基本特點(diǎn)： (1) 完整的三元相圖是三維的立體模型； (2) 三元系中可以發(fā)生四相平衡轉(zhuǎn)變。四相平衡區(qū)是恒溫水平面； (3) 三元相圖中有單相區(qū)、兩相區(qū)、三相區(qū)和四相區(qū)。除四相平衡區(qū)外，一、二、三相平衡區(qū)均占

16、有一定空間，是變溫轉(zhuǎn)變。 2022-3-21463.3.1 三元相圖成分表示方法 二元相圖的成分是用一條直線上的點(diǎn)來表示的，三元相圖的成分變化也可以用直線上的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)來表示，但是，由于增加了一個成分，所以，與二元相圖的區(qū)別是必須用若干條直線來表示。 三元相圖的成分變化通常使用的是三角形圖形： （1）等邊三角形 （2）直角三角形 （3）等腰三角形 （1）為常見方法2022-3-2147濃度三角形規(guī)則2022-3-2148 濃度三角形規(guī)則2022-3-2149成分等邊三角形的性質(zhì) 1、在等邊成分三角形中，三角形的三個頂點(diǎn)分別代表三個組元A、B、C，三角形的三個邊的長度定為0100%，分別表示三個

17、二元系(AB系、BC系、CA系)的成分坐標(biāo)，則三角形內(nèi)任一點(diǎn)都代表三元系的某一成分。 其成分確定方法如下：由濃度三角形所給定點(diǎn)S，分別向A、B、C頂點(diǎn)所對應(yīng)的邊BC、CA、AB作平行線(sa、sb、sc)，相交于三邊的c、a、b點(diǎn)，則A、B、C組元的濃度為：WA = sc = Ca WB = sa = Ab WC = sb = Bc 注： sa + sb + sc = 1 Ca + Ab + Bc = 1 2022-3-2150成分等邊三角形的性質(zhì) 2. 等邊成分三角形中特殊線：等邊成分三角形中特殊線： (1) 平行等邊成分三角形某一邊的直線。平行等邊成分三角形某一邊的直線。 凡成分點(diǎn)位于該線

18、上的各三元相，它們所含與此線對應(yīng)頂角代表的組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(濃度)均相等。 (2) 通過等邊成分三角形某一頂點(diǎn)的直線通過等邊成分三角形某一頂點(diǎn)的直線 位于該線上的所有三元系，所含另外兩頂點(diǎn)所代表的的組元質(zhì)量分?jǐn)?shù)(濃度)比值為恒定值。 2022-3-2151三元共晶相圖的空間模型2022-3-21523.3.3三元相圖的截面圖和投影圖 （1）水平截面（等溫） 就是以一定溫度所作的平面與三元相圖立體相截，所得到的圖形投影到成分三角上所得到的圖形，又稱水平截面圖（水平截面圖（horizontal section）。 等溫截面圖是在給定了溫度下的相平衡關(guān)系，利用系列等溫截面圖可以分析給定合金的相變和在某一溫度下的狀態(tài)。利用直線定律可以計算兩平衡相的相對量。圖3632022-3-2153 （2）垂直截面（變溫）