相图的基本知识及单元系相图
5.1 相图的基本知识
相律的应用
① 利用相律可以判断在一定条件下系统最多可能平衡共存的相数 f=C-P+1 P=C-f+1
压力给定时,最多平衡相数比组元数多1 P=C+1 (压力给定时,最多平衡相数比组元数多1) 单元系,C=1 P=2 最多两相共存。 例:单元系,C=1,P=2 最多两相共存。
利用它可解释纯金属与二元合金结晶时的差别。 ② 利用它可解释纯金属与二元合金结晶时的差别。 纯金属结晶, 固共存, 说明结晶为恒温。 纯金属结晶,液-固共存,f=0,说明结晶为恒温。 二元系金属结晶两相平衡, 二元系金属结晶两相平衡,f= 2-2+1=1,说明有一个可变因 表明它在一定( 范围内结晶。 素(T),表明它在一定(T)范围内结晶。 二元系三相平衡, 此时温度恒定, 成分不变, 二元系三相平衡 , f= 2 - 3 + 1=0, 此时温度恒定 , 成分不变 , 各因素恒定。 各因素恒定。
系中旧相 新相的转变过程称为相变。 新相的转变过程称为相变。 若转变前后均为固相 , 则称为 固态相变 ( solid phase transformation )。 从液相转变为固相的过程称为凝固 凝固( 从液相转变为固相的过程称为凝固(solidification)。若凝 ) 固后的产物为晶体称为结晶 结晶( 固后的产物为晶体称为结晶(crystallization)。 )
1 相图的基本知识
相律是检验、分析和使用相图的重要工具。 相律是检验、分析和使用相图的重要工具。利用它 可以分析和确定系统中可能存在的相数, 可以分析和确定系统中可能存在的相数,检验和研究 相图。 相图。 注意使用相律有一些限制: 注意使用相律有一些限制: 只适用于热力学平衡状态,各相温度相等( (1)只适用于热力学平衡状态,各相温度相等(热量 平衡) 各相压力相等(机械平衡) 平衡)、各相压力相等(机械平衡)、各相化学势相 化学平衡) 等(化学平衡)。 只表示体系中组元和相的数目, (2)只表示体系中组元和相的数目,不能指明组元和 相的类型和含量。 相的类型和含量。 不能预告反应动力学(即反应速度问题) (3)不能预告反应动力学(即反应速度问题)。 ( 4 ) f ≧0
5.1 相图的基本知识
相图的分类(平衡图、状态图) 三 相图的分类(平衡图、状态图) 相图:描述系统的状态、温度、 相图:描述系统的状态、温度、压力及成分之间的图解 常压下,研究合金相-成分常压下,研究合金相-成分-温度三者之间关系的图解 根据组元数分为一元相图、二元相图、三元相图。 根据组元数分为一元相图、二元相图、三元相图。 一元相图: 一元相图: 纯水、 纯水、纯铁相图 二元相图: 二元相图: 匀晶、共晶、 匀晶、共晶、包晶相图 三元相图: 三元相图: 匀晶、 匀晶、共晶
二( 三、多)元系合金 钢和铸铁属于铁碳合金系 如:钢和铸铁属于铁碳合金系
5.1 相图的基本知识
相变、相平衡、 二 相、相变、相平衡、相律 1.相(phase):合金中结构相同、成分和性能均一并以界 ) 合金中结构相同、 面相互分开的组成部分。 面相互分开的组成部分。
单相合金: 体不锈钢,单相黄铜(30%Zn) 单相合金:如单相 A 体不锈钢,单相黄铜(30%Zn) 多相合金:如双相不锈钢(A+F、A+M) 双相黄铜(40%Zn) 多相合金:如双相不锈钢(A+F、A+M)、双相黄铜(40%Zn) 2.相变(phase transformation):随外界条件的变化,体 相变( ) 随外界条件的变化,
5.2 单元系相图
单元系相图: 单元系相图: 单元相图分析 1. 水的单元相图分析 纯铁的相图分析( 12) 2. 纯铁的相图分析(图5-12) 磁性转变点, 磁性转变点,A2 α-Fe与γ-Fe间晶型转变点,A3; 间晶型转变点, ; 与 间晶型转变点 γ-Fe与δ-Fe间晶型转变点,A4; 间晶型转变点, ; 与 间晶型转变点 δ-Fe与液相转变点(熔点),Tm; 与液相转变点( 与液相转变点 熔点) ; 即:α-Fe←→γ-Fe←→δ-Fe ←→液相 液相 对于金属而言,一般在常压下进行转变(沸点以下) 对于金属而言,一般在常压下进行转变(沸点以下) 。 除某些金属外,在某些化合物中也有多晶型转变( 3. 除某些金属外,在某些化合物中也有多晶型转变(称为同 在不同T和 下出现四种晶体结构 下出现四种晶体结构: 分异构转变) 分异构转变 ) 。 SiO2在不同 和P下出现四种晶体结构: α-SiO2、 β-SiO2 、β2 -SiO2、β-方SiO2 方
5.1 相图的基本知识
4.相律( 4.相律(phase rule) 相律 ) 相律是表示在平衡条件下,描述系统的自由度数、 相律是表示在平衡条件下,描述系统的自由度数、 组元数和相数之间关系的法则, 组元数和相数之间关系的法则,是系统平衡条件的数学 表达式。 表达式。 相律数学表达式: 相律数学表达式:f=C-P+2 式中 P—平衡相数 平衡相数 C—体系的组元数 体系的组元数 体系自由度数( f—体系自由度数(degrees of freedom) 体系自由度数 ) 2-温度和压力 自由度数f 自由度数 f: 指给定合金系在平衡相的数目不变的条 件下,合金系中可以独立变化的、决定合金状态的( 件下,合金系中可以独立变化的、决定合金状态的(内 部及外部)因素的数目。 f≥0 部及外部)因素的数目。 f≥0 在恒压下,相律表达式: 在恒压下,相律表达式:f=C-P+1
第五章 材料的相结构及相图
5.1 相图的基本知识
组元、 一 组元、合金系
1.组元(component):组成合金的最基本的、可以独立存在的物质. 组元( ) 组成合金的最基本的、可以独立存在的物质. 可以是纯元素也可以是稳定的化合物( 可以是纯元素也可以是稳定的化合物(如:Fe3C)。 ) 一元合金: 一元合金: 纯Fe、纯Cu 、 二元合金: 二元合金:Fe-C、Fe-Fe3C ,Cu-Zn、Cu-Ni 、 、 三元合金: 三元合金:1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13 、 、 、 合金系( 2.合金系(alloy system):若干给定的组元可以以不同比例配制 ) 成一系列成分不同的合金,这一系列合金就构成一个合金系统, 成一系列成分不同的合金 , 这一系列合金就构成一个合金系统 , 简称合金系。 简称合金系。
纯铁的冷却曲线及晶体结构变化
SiO2相平衡图
本节总结
基本概念和术语 组元、合金系、 相变、相平衡、相图、 1. 组元、合金系、相、相变、相平衡、相图、固态相变 凝固与结晶、 2. 凝固与结晶、相律及应用
5.1 相图的基本知识
相变、相平衡、 二 相、相变、相平衡、相律
3.相平衡(phase equilibrium):相与相之间既没有量的增 相平衡( ) 相与相之间既没有量
成份的改变 也没有成份的改变。 减,也没有成份的改变。 宏观上:共存的各相长时间不互相转化,处于平衡状态。 宏观上:共存的各相长时间不互相转化,处于平衡状态。 微观看并非平衡,分子或原子在相界面处不停地转换, 微观看并非平衡,分子或原子在相界面处不停地转换, 只不过转化速度相同,实际上是一种动态平衡 动态平衡。 只不过转化速度相同,实际上是一种动态平衡。 相平衡条件: 相平衡条件: 处于平衡状态下的多相( 个相)体系中,每个组元(共有C 处于平衡状态下的多相(P个相)体系中,每个组元(共有C 个组元)在各相中的化学势 化学势( 个组元)在各相中的化学势(chemical potential)都彼此 ) 相等。 相等。