華南師范大學材料科學與工程教程第五章 材料的相結構及相圖(二)

11/12/20231第五章材料的相結構及相圖（二）

——相圖及其類型11/12/20232材料的性能組織結構相種類數量尺寸形狀分布11/12/20233相圖

表示物質的狀態(tài)與溫度、壓力、組成之間的關系的簡明圖解。表示物質在熱力學平衡條件下的情況，又稱為平衡相圖。11/12/20234一、有關相圖的基本知識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。11/12/202352.組元(Component)

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，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。按組元數目，將系統(tǒng)分為：一元系二元系三元系……化學元素：Cu,Ni,Fe等化合物：Al2O3,MgO,Na2O,SiO2等11/12/202363.相平衡在某一溫度下，系統(tǒng)中各個相經過很長時間也不互相轉變，處于平衡狀態(tài)，這種平衡稱為相平衡。各組元在各相中的化學勢相同。AB熱力學動態(tài)平衡平衡相類型·液溶體·固溶體·金屬間化合物11/12/20237

處于熱力學平衡狀態(tài)的系統(tǒng)中自由度與組元數和相數之間的關系定律，通常簡稱為相律。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)(可視為恒壓條件）:

f=c-p+1

式中：f是自由度數；c是組成材料系統(tǒng)的獨立組元數；p是平衡相的數目。4.吉布斯相律（GibbsPhaseRule）壓力給定下，系統(tǒng)中可能出現的最多平衡相數比組元數多111/12/20238組元數C=1根據相律：F=1-P+2=3-P∵F≥0,∴P≤3若，F=0，則P=3，即最多有三相平衡。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。二、一元系統(tǒng)相圖11/12/20239例水的相圖狀態(tài)點3條線：C=1，P=2，F=1

OA是水與冰兩相平衡線OB是冰與蒸汽兩相平衡線OC是水與蒸汽兩相平衡線3個單相區(qū)：C=1，P=1，F=2

固相區(qū)、液相區(qū)和氣相區(qū)O點是氣、液、固三相的平衡共存點

F=011/12/202310as1s2氣相（G）液相晶相（I）晶相（II）升華凝結升華凝結蒸發(fā)b溫度壓力單組元物質的T-p圖ED11/12/202311純鐵的相圖溫度壓力氣液α-Feγ-Feδ-Fe11/12/202312二元系統(tǒng)有兩個組元，根據相律：F=C-P+1，二元系統(tǒng)最大的自由度數目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。三、二元系相圖11/12/202313成分軸溫度軸狀態(tài)點11/12/202314成分的表示方法材料的成分是指材料各組元在材料中所占的數量。質量分數wB摩爾分數

xB兩者存在著換算關系！11/12/202315二元系相圖的建立物理方法熱分析法金相組織法X射線分析法硬度法電阻法熱膨脹法磁性法計算法相圖熱力學計算11/12/202316熱分析法時間溫度凝固開始凝固終了LL+SS11/12/202317Cu-Ni相圖Cu30%Ni50%Ni70%NiNi時間溫度CuNi305070wNi(%)Lα11/12/202318液固兩相質量符合杠桿規(guī)律適用于所有的兩相平衡！??！11/12/202319三、二元相圖的基本類型根據兩組元相互溶解特點確定相圖種類：1、勻晶相圖：兩組元在液態(tài)、固態(tài)都無限互溶2、共晶相圖：兩組元在液態(tài)無限互溶，固態(tài)有限互溶或完全不互溶3、包晶相圖：兩組元在液態(tài)無限互溶，固態(tài)有限互溶或不互溶。4、其它類型的二元系相圖11/12/2023201.勻晶相圖當兩個組元化學性質相近，晶體結構相同，晶格常數相差不大時，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勻晶相圖(Isomorphoussystem)。11/12/202321二元勻晶相圖ABTATBLαL+α11/12/202322二元勻晶相圖1）相圖分析液相線固相線液相區(qū)固相區(qū)兩相共存區(qū)ABTATBLαL+α2條線：C=2，P=2，F=1

液相線固相線2個單相區(qū)：C=2，P=1，F=2

固相區(qū)、液相區(qū)1個兩相區(qū)：C=2，P=2，F=111/12/2023232）平衡凝固ABL+ααLt1t211/12/202324ABCoCLCαTATBt1LαL+αabo杠桿規(guī)則的應用（確定液相、固相成份比值）11/12/202325固溶體結晶的特點固溶體的結晶是在一個溫度范圍內完成的。純金屬F=0

固溶體F=1選分結晶：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，純金屬結晶過程中，固相與液相成分始終相同。11/12/2023263）勻晶系的不平衡結晶不平衡結晶，使固溶體先結晶部分與后結晶部分的成份出現了差異，這種在晶粒內部出現的成份不均勻的現象，稱為晶內偏析！平衡成分的維持依靠原子的擴散，如果冷卻速度過快，則會影響其擴散。固溶體內部富含高熔點組元，而后結晶的外部則富含低熔點組元。不平衡凝固時固相的平均成分線11/12/202327枝晶偏析

如果固溶體是以樹枝狀結晶并長大的則枝干與枝間也會出現成分的差異。影響晶內偏析的因素a、·冷卻速度b、元素的擴散能力晶內偏析的危害強度降低、耐蝕性降低、枝晶熔化預防措施：通過擴散退火或均勻化退火，使異類原子互相充分擴散均勻，可消除晶內偏析。[低于固相線100~2000C]11/12/2023282、共晶相圖及其結晶液態(tài)無限固溶、固態(tài)有限固溶或完全不互溶，且冷卻過程中發(fā)生共晶反應的相圖?、僖合嗑€AE、BE②固相線AM、BN③固溶度線（溶解度曲線）MF、NG④共晶線MEN,成分位于共晶線上的合金，可發(fā)生共晶轉變三個單相區(qū)：L、α、β；三個兩相區(qū)：一個三相共存區(qū)常見的具有共晶相圖的合金系：Pb-Sn;Pb-Sb;Al-Si;Ag-Au;Pb-Bi11/12/202329（1）共晶轉變相當于E點成分的液相，當冷卻至三相共存線MEN時會同時結晶出成分為M的α相和成分為N的β相共晶反應式：共晶反應、共晶溫度、共晶組織？某一成分的液相，在恒溫下同時結晶出兩個成分不同的固相的反應——共晶反應問題：是否只有滿足成分的液相在冷卻時才會發(fā)生共晶反應？11/12/202330（2）共晶系合金的平衡組織1）wSn≤19%，1→2，勻晶反應；2→3，無任何變化；3→4，α相過飽和，發(fā)生二次析出反應（脫溶），析出富Sn的β相二次相（或次生相）用βII表示，其可在晶界上析出也可在晶內缺陷處析出；其質量分數可通過杠桿規(guī)則求出！11/12/202331二次相在晶界或晶內缺陷處產生11/12/2023322）共晶合金恒溫下進行，獲得兩相機械混合物，百分含量可用杠桿定理得出！黑色層片為富Pb的α相，白色為富Sn的β相呈片層狀分布11/12/20233311/12/20233411/12/2023353）亞共晶合金成分位于E點以左α+ββIIα先共晶相(初生相）—二次相βII來源室溫下合金組織組織組成物（顯微組織中能清晰分辨的獨立組成部分，可以使單相也可以是多相）組織組成物的計算。杠桿規(guī)則的充分利用！11/12/2023364）過共晶合金βαII(α+β)成分位于E點以右αII與亞共晶合金類似。初生相、二次相、室溫組織結晶過程11/12/202337（4）不平衡結晶及組織1）偽共晶平衡結晶條件下只有共晶成分的合金才能獲得完全的共晶組織非平衡結晶條件下，成分在共晶點附近的合金也可能全部轉變?yōu)楣簿ЫM織，此非共晶成分的共晶組織為偽共晶組織。11/12/202338在不平衡條件下，因冷卻速度較快，將產生過冷！過冷的合金溶液同時具備了結晶出A相和B相的熱力學條件，兩相可同時析出并長大，形成具有共晶組織特征的偽共晶組織。考慮動力學條件，某一組成相成分與液相的成分相差較大，這個相要通過原子擴散來達到其形成時所需的濃度就較為困難，而生長速度就較慢。此時熱力學、動力學均有利的會優(yōu)先析出規(guī)律：兩組元有相近熔點時，出現對稱型偽共晶區(qū)；熔點相差較大，共晶點偏向低熔點組元，偽共晶區(qū)偏向高熔點一方。11/12/202339偽共晶實例解釋：在不平衡凝固條件下，共晶成分的Al-Si合金得不到共晶組織。11/12/2023402）不平衡共晶①

不平衡共晶：位于共晶線以外成分的合金發(fā)生共晶反應而形成的組織。②原因：不平衡結晶。成分位于共晶線以外端點附件。不平衡凝固時，因固相線下移，使其冷卻到共晶溫度時，仍有少量液相，這部分液相將發(fā)生共晶轉變。11/12/2023413）離異共晶

當合金的成分離共晶點很遠時(但仍在共晶線上），在不平衡凝固條件下，形成的共晶組織數量很少而初生晶相量很多，這時與初生晶相相同的組成相就會依附于初晶相長大，而把另一組成相孤立出來，結果另一組成相單獨地分布在初晶相的晶粒邊界上。這種兩相分離的共晶組織叫做離異共晶。危害機械性能，消除方法是在稍低于共晶溫度下進行擴散退火，通過原子擴散，使其成為均勻的單相組織。共晶體中α相依附于初生晶相α相上11/12/2023423、包晶相圖及其結晶兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)有限互溶，并發(fā)生包晶反應的相圖。

包晶反應：在一定溫度下，由一定成分的液相與一定成分的固相相互作用，生成另一個一定成分的新固相的過程。在該過程中新固相依附于原固相生核，將原固相包圍起來，通過消耗液相和原固相而長大。線條的含義：液相線abc;固相線ad,pc固溶線df,pg包晶線dpb11/12/202343包晶系合金的結晶過程1）包晶點成分合金的結晶過程包晶點處于L、α、β三相平衡。ppp在p點處：p點以下：液相及α相均處于對β相的過飽和狀態(tài)，液相與α相以析出β相來降低過飽和度，β相便在液相及α相界面處形成。αβLLb+αdtpβp11/12/2023442）成分在d-p之間的合金凝固過程溫度tp時：Lb+αd

→βp

此時α相的質量分數，大于完全包晶反應所需的α相的質量分數，包晶反應結束，α相將剩余（α+β）βII及αII析出tp以下LL+ααd+βpα+β+αII+βIIt1~tpL→αtpLb+αd

→βp

t<tpα→βIIβ→αII11/12/2023453)p~b間成分范圍的合金的結晶過程LL+αt1~tpL→αtpLb+αd

→βp

Lb+βpβtp~t2L→ββt2~t3無變化β+αIIt<t3β→αII11/12/2023464）不平衡結晶及其組織

異常α相導致包晶偏析〔包晶轉變要經β擴散。包晶偏析：因包晶轉變不能充分進行而導致的成分不均勻現象。在包晶點發(fā)生〕

異常β相由不平衡包晶轉變引起。成分在靠近固相、包晶線以外端點附近，產生了一些不應出現的β