举例
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《材料科学基础》第七章
举例
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《材料科学基础》第七章
举例
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《材料科学基础》第七章
总结
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《材料科学基础》第七章
三、Al-Si合金的凝固
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《材料科学基础》第七章
Al-Si合金典型显微组织 (a)白的区域是初次Al的 枝晶，黑的区域是A1+Si 组成的共晶组织 (b)共晶 组织; (c)块状粒子是初生 Si，黑针和亮基底是共晶 组织。
系统的自由度数f=变数-条件数=P(c-1)+2-c(p-1)=c-p+2
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《材料科学基础》第七章
在研究不包括气相反应在内的合金相变时， 压力的影响不大，可以忽略。相律的表达式为： f=C-P+1 应用举例：纯金属最多只有两相平衡；二元系则存 在三相平衡，此时自由度等于零。 相律是分析、检验相图的理论基础，可以用 于指导生产实践，具有普遍指导意义。
材料是由相组成的，相之间有界面存在。
多相材料的整体性能取决：
相的数目
它们的相对量
各相的成分与结构
相的尺寸和空间分布
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《材料科学基础》第七章
材料的显微组织取决于成分、温度、压力 等变量。 描述材料的组织与温度、压力、成分之间
关系的工具：相图
相图是在接近平衡状态下测定得到的。
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《材料科学基础》第七章
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《材料科学基础》第七章
相界线 在相图上将各相区分隔开的线叫相界线， 由于相界线的特性不同，可区分为： ①液相线：其上全为液相，线下有固相出现， 可以表示为L/L+。 ②固相线：其下全为固相，可表示为L+/L。
③固溶线：当单相固溶体处于有限溶解时，其饱和溶解度决定 于温度，温度降低，溶解度减少，因此自固溶体中析出第二相， 相图中以固溶线反应这种析出转变。 ④水平反应线：在共晶、包晶等类型相图中有水平线，代表在 此恒定温度下发生某种三相反应。 ⑤其它相界线：不具有以上特性，仅作为相区分界线的相界线
达到平衡状态的速度太慢。一般来说，只有在稀溶液
中的聚合物有可能达到平衡。
聚合物中含有大量分子量不同的分子，这些分子的特
性不同。 除非聚合物的化学结构非常相似，否则它们很难均匀 混溶在一起。
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《材料科学基础》第七章
无机非金属材料相图
与金属的相图类似。如： Al2O3-MgO Al2O3-SiO2 ZrO2-MgO ZrO2-Al2O3 等体系的相图。
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《材料科学基础》第七章
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《材料科学基础》第七章
5.确定液相线和固相线
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《材料科学基础》第七章
6.具体的匀晶体系
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《材料科学基础》第七章
7.偏离理想的行为
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《材料科学基础》第七章
举例1
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《材料科学基础》第七章
举例2
固溶体合金凝固过程
有两个特点： 固溶体合金凝固时析 出的固相成分与原液相 成分不同； 固溶体合金凝固在一定温度范围内进行，在每一温度下，只 能凝固出来一定数量的固相。随着温度的降低，固相的量增加， 同时，固相和液相的成分也分别沿固相线和液相线而连续地改 变，直至遇上固相线，才凝固完毕。
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《材料科学基础》第七章
3. 相区的特征
单相区：f=2，相的成分和温度可以在一定范围内独立 变化。在特殊情况下，单相区也可以是一条垂直的几何 线，如确定成分的化合物或纯组元。
两相区：f=1，共存的两个相的成分随温度的变化被约
束在一对共轭曲线上，该曲线是两相区的边界线。 三相区：f=0，三相区呈一定温度、一定成分范围的一 条水平线段。三个平衡相的成分一定，分别位于该水平 线段的两个端点及两个端点之间。
xA=(wA/MA)/(wA/MA + wB/MB)
xB=(wB/MB)/(wA/MA + wB/MB)
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《材料科学基础》第七章
二、相图的类型和结构
(一)相图分类及结构特点
1.相图分类
二组元在液态无限溶解，固态下也无限溶解，形成连续 固溶体的匀晶相图。 二组元在液态无限溶解，固态有限溶解，有共晶反应， 形成机械混合物的共晶相图。
二组元在液态无限溶解，固态有限溶解，有包晶反应的 包晶相图。
二组元在液态有限溶解，有偏晶或合晶反应的相图。
其它相图。
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《材料科学基础》第七章
2. 相图的组成元素
组元
组成相图的独立组成物。组元可以是纯的 元素，如金属材料的纯金属，也可以是稳定 的化合物，如陶瓷材料的Al2O3，SiO2等。 相区 相图中代表不同相的状态的区域叫相区，相区可分为单相 区、双相区和三相区。单相区中液相一般以L表示，当有几个 固态单相区时，则由左向右依次以、、等符号表示。在两 个单相区之间有对应的两相区存在。
由于某些物理化学参数尚无法精确测定或推算，因此 计算相图尚有很大的困难，只有非常简单的相图有可能计 算出来。到目前为止．绝大部分相图都是由实验测得的。
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《材料科学基础》第七章
取不同成分的合金，在相图的 成分坐标上引出垂直线，如图所 示。为测定A-B系相图，在纯组元 A和B之间配制不同成分的合金， 成分间隔愈小，合金数目愈多， 试验愈准确。对每一合金，经熔 化、混合均匀后，测定其在缓慢 冷却条件下，性能随温度的变化。 在有相变发生时，合金系统的状 测试方法有：热分析法、 态和结构发生变化，相应的物理 膨胀法、磁性法．电阻法、 化学性质也会有突变，根据性能 硬度法．金相法：X射线 突变点对应的温度可以作出相图。衍射法等。其中最常用的 是热分析方法。
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《材料科学基础》第七章
举例：
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《材料科学基础》第七章
举例：
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《材料科学基础》第七章
举例：
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《材料科学基础》第七章
第3节 二元系中的相平衡
一、成分的描述
质量分数和摩尔分数。
如A组元的质量分数为wA、摩尔分数为xA，
其相对原子量为MA ；B组元的质量分数为wB 、
摩尔分数为xB，其相对原子量为MB，则：
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《材料科学基础》第七章
四、相图的建立
理论方法：根据热力学计算和分析法建立相图
利用已有的热力学参数，可作出不同温度、成分下各 相的吉布斯自由能曲线，确定不同温度、成分下平衡存在 的相的状态和成分，绘制出不同合金的相图；或者通过热 力学计算，求出有关数据，直接作出相图。计算机的广泛 使用为计算相图提供了有利的条件，从长远发展看，相图 的计算确定是有很大潜力的。 实验测定
应的相图称为共晶相图。
成分低于共晶成分的合金称 为亚共晶合金；高于共晶成分 的合金称为过共晶合金。
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《材料科学基础》第七章
离异共晶： 对于亚(过)共晶合金，成分靠
近端际固溶体时，初生相周围的
共晶不具有典型的共晶形态，往 往造成两相分离的离异共晶。这 是由于初生相析出后，周围共晶 液相结晶时，共晶中的相依附在
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《材料科学基础》第七章
第4节 共晶相图
一、共晶系相图的基本概念
当固相丛聚倾向增加时 ， 不仅液相线和固相线降低，同 时在低温开始发展一个不互溶 的间隙(不混溶区域)。实际上， 在某些温度和成分，两组元不 再完全互溶。 随着连续增加固相的丛聚 倾向，最低熔点降低，同时固 相的临界温度升高。 进一步增加丛聚倾向就得 到共晶相图。
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《材料科学基础》第七章
三、匀晶相图
1.定义
二组元在液态和固态下均无限 溶解的二元相图叫做匀晶相图。 形成此类相图的合金系有Cu-Ni、 Bi-Sb,W-Mo,Ti-Zr,Ti-Hf等。
2. 相率 在单相区f=C-P+1=2
在两相区f=C-P+1=1，即只有1 个独立变量。假定T为独立变量， 则相的成分就是温度的函数。给 定温度就可以确定相的成分。
初生的相上而长大，使周围液相
中的溶质富集，形成相，结果造 成相孤立分布于相周围。
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《材料科学基础》第七章
2.共晶合金的凝固
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《材料科学基础》第七章
3.非共晶合金的凝固
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《材料科学基础》第七章
举例：计算
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《材料科学基础》第七章
举例
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《材料科学基础》第七章
举例
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《材料科学基础》第七章
合金：
Fe-C合金相图
在一种金属元素中有目的地加入一种或几种 金属或非金属元素，通过冶金或粉末冶金的方法 将其熔合(或烧结)在一起而形成的具有金属特性 的物质称为合金。 根据组成合金的组元数目，又可分为二元合 金、三元合金，四元以上合金称多元合金。
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《材料科学基础》第七章
聚合物：
在聚合物科学中因如下三个理由限制了相图的使用：
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《材料科学基础》第七章
3.杠杆定律
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《材料科学基础》第七章
此关系符合力学杠杆原理，故称之为杠杆定律。这说明在确定 的温度下，两相的相对含量可以根据杠杆定律确定。
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《材料科学基础》第七章
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《材料科学基础》第七章
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《材料科学基础》第七章
4.匀晶合金的组织特征
在平衡凝固过程中，尽管最 后的相和合金原来的成分是一致 的，但是在整个结晶过程中，液、 固两相的成分都在变化，这是合金 凝固与纯金属凝固的重要要差别。 正是由于这一点，合金的凝固过程 伴随着溶质原子的扩散过程，特别 是固相中的扩散。因此当冷速较快 时，没有充分的时间达到完全的干 衡状态，从而将可能出现各种复杂 的非平衡结晶过程。 匀晶合金的组织为单相多晶体。
系统的自由度为: f=C-P+2。式中C为合金系组元数，P为平
衡共存的相数，f为自由度，2表示温度与压力两个因素。