第三章材料的相結構及

2023/4/181第三章材料的相結構及相圖（之二）2023/4/182本章主要內(nèi)容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和閱讀分析；三元相圖的基本概念，三元勻晶相圖，簡單三元共晶相圖。2023/4/183為什么要研究相圖？2023/4/1843.2.1相圖的基礎知識一、相與相平衡1.相(Phase)

在一個系統(tǒng)中，成分、結構相同，性能一致的均勻的組成部分叫做相，不同相之間有明顯的界面分開,該界面稱為相界面。注意：相在物理性能和化學性能上是均勻的。相界面和晶界的區(qū)別。2023/4/1852.相平衡在某一溫度下，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)，這種平衡稱為相平衡。(反之稱為非平衡相）各組元在各相中的化學勢相同。AAB

熱力學動態(tài)平衡2023/4/1863.組元與獨立組分組元通常是指系統(tǒng)中每一個可以單獨分離出來，并能獨立存在的化學純物質(zhì)，在一個給定的系統(tǒng)中，組元就是構成系統(tǒng)的各種化學元素或化合物?；瘜W元素：Cu,Ni,Fe等化合物：Al2O3,MgO,Na2O,SiO2等獨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)目的化學純物質(zhì)，它的數(shù)目稱為獨立組分數(shù)，用字母C表示。按（獨立）組元數(shù)目，將系統(tǒng)分為：一元系統(tǒng)、二元系統(tǒng)、三元系統(tǒng)……2023/4/187

4自由度和吉布斯相律自由度是指在平衡系統(tǒng)中那些獨立可變因素的最大數(shù)目，以符號f表示。吉布斯相律是指處于熱力學平衡狀態(tài)的系統(tǒng)中自由度與組元數(shù)和相數(shù)之間的關系定律：

f+p=c+n2023/4/188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):F=C-P+1式中的P稱為相數(shù)，顯然在f＝0時，

P最大。2023/4/189

幾點說明：(1)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；(2)相圖是根據(jù)多相平衡的實驗結果而繪制的幾何圖形；又稱狀態(tài)圖；（3）相圖中的平衡狀態(tài)的概念。只適用于熱力學平衡狀態(tài)，各相溫度相等（熱量平衡）、各相壓力相等（機械平衡）、各相化學勢相等（化學平衡）。（4）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。（5）不能預告反應動力學（即反應速度問題）。2023/4/1810單元系統(tǒng)的相圖組元數(shù)C=1根據(jù)相律：F=1-P+2=3-P∵F≥0,∴P≤3若，P=1，則F=2∴可以用溫度和壓力作坐標的平面圖(p-T圖)來表示系統(tǒng)的相圖。若，F(xiàn)=0，則P=3，即最多有三相平衡。2023/4/1811

水的相圖2023/4/18122023/4/18132023/4/18142023/4/1815二元系相圖二元凝聚系統(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F=2，這兩個自由度就是溫度和成分。故二元凝聚系統(tǒng)的相圖，仍然可以采用二維的平面圖形來描述。即以溫度和任一組元濃度為坐標軸的溫度-成分圖表示。2023/4/1816二元相圖的表示法如果合金系由A、B兩組元組成，橫坐標一端為組元A，而另一端為組元B，那么體系中任一成分合金都可以在橫坐標上找到相應的點。根據(jù)國標，二元合金成分可以有兩種表示方法：質(zhì)量分數(shù)(W)和摩爾分數(shù)(x)。但通常多數(shù)用質(zhì)量百分數(shù)表示，在沒有特別注明，合金成分都是指質(zhì)量百分數(shù)。若A、B為單質(zhì)，質(zhì)量百分數(shù)和摩爾分數(shù)之間可以換算。

2023/4/1817熱分析法畫制Cu-Ni相圖2023/4/1818杠桿規(guī)則

2023/4/1819證明成分為C0的材料在t1溫度時處于液(CL)、固(Cα)兩相平衡狀態(tài),設液相重為WL，固相重為Wα，合金總量為W0，則可以列出如下方程：

WL，＋Wα=W0

WL，CL+WαCα=W0C0由上兩式可以得到：

WL/W0=C0Cα/CLCα100％;Wα/W0=C0CL/CLCα100％

液相量固相量2023/4/1820上式也可寫成：杠桿規(guī)則示意圖2023/4/1821二元相圖的基本類型（1）均晶相圖當兩個組元化學性質(zhì)相近，晶體結構相同，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)固溶體，它們形成的相圖即為均晶相圖(Isomorphoussystem)。2023/4/18222023/4/1823均晶相圖分析：2023/4/18242023/4/18252023/4/18262023/4/1827杠桿規(guī)則的應用2023/4/1828均晶結晶的特點：固溶體的結晶是在一個溫度范圍內(nèi)完成的。純金屬F=0

固溶體F=1結晶出的固相與共存液相的成分不同結晶過程中固相和液相的成分在不斷變化，因此有原子的擴散2023/4/18292023/4/1830二元相圖的基本類型（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。2023/4/1831

典型的二元共晶相圖2023/4/1832二元相圖的基本類型（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，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。2023/4/18332023/4/1834固溶型體系的相圖有兩種類型：一種是包含有共溶型結構的二元系統(tǒng)（共溶型）；

Pb-Sn相圖是其典型的代表。另一種是包含有轉(zhuǎn)熔型結構的二元系統(tǒng)（包溶型）。

Ag-Pt相圖是其典型的代表。2023/4/1835

共熔型2023/4/1836特殊點：純Pb熔點A：327℃、純Sn熔點B：232℃E點為共晶點，其成分為61.0%Sn，溫度183℃；C點為Sn在α固溶體中的最大溶解度點，其溫度為183℃，成分為19.2%Sn；D點為Pb在β固溶體中的最大溶解度點，其溫度為183℃，成分為97.5%Sn；2023/4/1837特殊線：液相線為AE和EB；固相線為AC、CED和DB；CED為共晶線，是L、α和β三相區(qū)；CF和DG為溶解度曲線。特殊相區(qū)：單相區(qū)3個：L液相區(qū)、

α晶相區(qū)和β晶相區(qū)；兩相區(qū)3個：L＋α晶相區(qū)；L＋β晶相區(qū)；α＋β晶相區(qū)；三相區(qū)1個：L＋α＋β晶相區(qū)，即共晶線CED2023/4/1838Pb-Sn合金的平衡結晶及其組織（以相圖為例）

（1）Wsn<2％的合金

凝固過程（L-α+L-α）。

(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.2023/4/18392.Pb-Sn合金的平衡結晶及其組織（2）2％<Wsn<19％的合金凝固過程（勻晶反應+二次析出）:L-α+L-α-α+βⅡ室溫組織（α＋βⅡ）及其相對量計算:2023/4/18402.Pb-Sn合金的平衡結晶及其組織（3）共晶合金凝固過程:L-α＋β-αⅡ＋βⅡ共晶線上兩相的相對量計算:

2023/4/18412.Pb-Sn合金的平衡結晶及其組織

（3）共晶合金

(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.2023/4/18422.Pb-Sn合金的平衡結晶及其組織（4）亞共晶合金①凝固過程:L-L+α-α+β-αⅡ＋βⅡ②共晶線上兩相的相對量計算。③室溫組織（α＋βⅡ＋（α＋β））及其相對量計算。2023/4/18432.Pb-Sn合金的平衡結晶及其組織

（4）亞共晶合金

②共晶線上兩相的相對量計算。

合金的組成相為α和β,

它們的相對重量為:

2023/4/18442.Pb-Sn合金的平衡結晶及其組織

（4）亞共晶合金

③室溫組織（α＋βⅡ＋（α＋β））及其相對量計算。

亞共晶合金的組織組成物為：初生α、βII和共晶體(α+β)。

相對質(zhì)量分數(shù)為：

2023/4/18452.Pb-Sn合金的平衡結晶及其組織（4）過共晶合金①合金Ⅳ的成分大于共晶成分，稱為過共晶合金。②共晶線上兩相的相對量計算。③室溫組織（β＋α

Ⅱ＋（α＋β））及其相對量計算。

2023/4/1846從相角度看，Pb-Sn合金結晶的產(chǎn)物只有α和β兩相，它們稱為相組成物。但不同方式析出的α和β相具有不同的特征，上述各合金結晶所得的α、β、αⅡ、βⅡ及共晶（α+β），在顯微鏡下可以看到各具有一定的組織特征，它們稱為組織組成物。2023/4/18472023/4/1848二元包晶相圖一個液相與一個固相相互作用，在恒溫下生成一個新的固相的轉(zhuǎn)變稱為包晶轉(zhuǎn)變，即L+α→β。具有包晶轉(zhuǎn)變的相圖稱為包晶相圖。此類型二元相圖有Cu-Zn、Cu-Sn、Ag-Pt、Cd-Hg、Sn-Pb等系統(tǒng)。2023/4/1849二元包晶轉(zhuǎn)變析晶過程2023/4/1850Pt-Ag相圖純Pt熔點A：1772℃、純Ag熔點B：961.9℃；

點D

:包晶點L+

αβcf：Ag在α中的溶解度線,eg：Pt在β中的溶解度線Pt-Ag合金相圖中存在三種相:

Pt與Ag形成的液溶體L相;

Ag溶于Pt中的有限固溶體α相;

Pt溶于Ag中的有限固溶體β相。2023/4/1851二元相圖的基本類型

（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)2023/4/1852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。2023/4/18532023/4/1854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3－46）上頁PPT右圖2023/4/1855固相內(nèi)化合物生成和分解的二元相圖2023/4/1856二元相圖的基本類型（6）有晶型轉(zhuǎn)變的二元系統(tǒng)晶型轉(zhuǎn)變溫度以上和以下都沒有固溶圖3－48，圖3－492023/4/1857復習思考題：

（1）固熔體與純金屬相比，在結構與性能上有何區(qū)別？

（2）什么是材料的組織結構？其對材料的性能有何影響？

（3）固熔體與中間相有何不同？

（4）勻晶、共晶和包晶轉(zhuǎn)變有何異同？

（5）根據(jù)Pb－Sn相圖，分析組成為W的合金相的平衡冷卻過程及其在共晶剛結束時的各相含量。

2023/4/1858補充習題：

（1）比較固溶體和金屬化合物在成分、結構和性能上的差異；（2）簡述影響固溶體溶解度的主要因素（3）判斷Mg2Sn、CuZn3、Cu31Sn8、WC、Fe3C各屬于何類化合物？試求其中電子化合物的電子濃度，并指出其晶體結構類型。已知碳的原子半徑為0.077nm，鐵原子半徑為0