华南师范大学材料科学与工程教程第五章 材料的相结构及相图(二)

11/12/20231第五章材料的相结构及相图（二）

——相图及其类型11/12/20232材料的性能组织结构相种类数量尺寸形状分布11/12/20233相图

表示物质的状态与温度、压力、组成之间的关系的简明图解。表示物质在热力学平衡条件下的情况，又称为平衡相图。11/12/20234一、有关相图的基本知识1.相(Phase)

在一个系统中，成分、结构相同，性能一致的均匀的组成部分叫做相，不同相之间有明显的界面分开,该界面称为相界面。注意：相在物理性能和化学性能上是均匀的。相界面和晶界的区别。11/12/202352.组元(Component)

组元通常是指系统中每一个可以单独分离出来，并能独立存在的化学纯物质，在一个给定的系统中，组元就是构成系统的各种化学元素或化合物。按组元数目，将系统分为：一元系二元系三元系……化学元素：Cu,Ni,Fe等化合物：Al2O3,MgO,Na2O,SiO2等11/12/202363.相平衡在某一温度下，系统中各个相经过很长时间也不互相转变，处于平衡状态，这种平衡称为相平衡。各组元在各相中的化学势相同。AB热力学动态平衡平衡相类型·液溶体·固溶体·金属间化合物11/12/20237

处于热力学平衡状态的系统中自由度与组元数和相数之间的关系定律，通常简称为相律。只考虑温度和压力对系统平衡状态的影响:f=c-p+2凝聚系统(可视为恒压条件）:

f=c-p+1

式中：f是自由度数；c是组成材料系统的独立组元数；p是平衡相的数目。4.吉布斯相律（GibbsPhaseRule）压力给定下，系统中可能出现的最多平衡相数比组元数多111/12/20238组元数C=1根据相律：F=1-P+2=3-P∵F≥0,∴P≤3若，F=0，则P=3，即最多有三相平衡。若，P=1，则F=2∴可以用温度和压力作坐标的平面图(p-T图)来表示系统的相图。二、一元系统相图11/12/20239例水的相图状态点3条线：C=1，P=2，F=1

OA是水与冰两相平衡线OB是冰与蒸汽两相平衡线OC是水与蒸汽两相平衡线3个单相区：C=1，P=1，F=2

固相区、液相区和气相区O点是气、液、固三相的平衡共存点

F=011/12/202310as1s2气相（G）液相晶相（I）晶相（II）升华凝结升华凝结蒸发b温度压力单组元物质的T-p图ED11/12/202311纯铁的相图温度压力气液α-Feγ-Feδ-Fe11/12/202312二元系统有两个组元，根据相律：F=C-P+1，二元系统最大的自由度数目F=2，这两个自由度就是温度和成分。故二元凝聚系统的相图，仍然可以采用二维的平面图形来描述。即以温度和任一组元浓度为坐标轴的温度-成分图表示。三、二元系相图11/12/202313成分轴温度轴状态点11/12/202314成分的表示方法材料的成分是指材料各组元在材料中所占的数量。质量分数wB摩尔分数

xB两者存在着换算关系！11/12/202315二元系相图的建立物理方法热分析法金相组织法X射线分析法硬度法电阻法热膨胀法磁性法计算法相图热力学计算11/12/202316热分析法时间温度凝固开始凝固终了LL+SS11/12/202317Cu-Ni相图Cu30%Ni50%Ni70%NiNi时间温度CuNi305070wNi(%)Lα11/12/202318液固两相质量符合杠杆规律适用于所有的两相平衡！！！11/12/202319三、二元相图的基本类型根据两组元相互溶解特点确定相图种类：1、匀晶相图：两组元在液态、固态都无限互溶2、共晶相图：两组元在液态无限互溶，固态有限互溶或完全不互溶3、包晶相图：两组元在液态无限互溶，固态有限互溶或不互溶。4、其它类型的二元系相图11/12/2023201.匀晶相图当两个组元化学性质相近，晶体结构相同，晶格常数相差不大时，它们不仅可以在液态或熔融态完全互溶，而且在固态也完全互溶，形成成分连续可变的固溶体，称为无限固溶体或连续固溶体，它们形成的相图即为匀晶相图(Isomorphoussystem)。11/12/202321二元匀晶相图ABTATBLαL+α11/12/202322二元匀晶相图1）相图分析液相线固相线液相区固相区两相共存区ABTATBLαL+α2条线：C=2，P=2，F=1

液相线固相线2个单相区：C=2，P=1，F=2

固相区、液相区1个两相区：C=2，P=2，F=111/12/2023232）平衡凝固ABL+ααLt1t211/12/202324ABCoCLCαTATBt1LαL+αabo杠杆规则的应用（确定液相、固相成份比值）11/12/202325固溶体结晶的特点固溶体的结晶是在一个温度范围内完成的。纯金属F=0

固溶体F=1选分结晶：结晶出的固相与共存液相的成分不同结晶过程中固相和液相的成分在不断变化，因此有原子的扩散，纯金属结晶过程中，固相与液相成分始终相同。11/12/2023263）匀晶系的不平衡结晶不平衡结晶，使固溶体先结晶部分与后结晶部分的成份出现了差异，这种在晶粒内部出现的成份不均匀的现象，称为晶内偏析！平衡成分的维持依靠原子的扩散，如果冷却速度过快，则会影响其扩散。固溶体内部富含高熔点组元，而后结晶的外部则富含低熔点组元。不平衡凝固时固相的平均成分线11/12/202327枝晶偏析

如果固溶体是以树枝状结晶并长大的则枝干与枝间也会出现成分的差异。影响晶内偏析的因素a、·冷却速度b、元素的扩散能力晶内偏析的危害强度降低、耐蚀性降低、枝晶熔化预防措施：通过扩散退火或均匀化退火，使异类原子互相充分扩散均匀，可消除晶内偏析。[低于固相线100~2000C]11/12/2023282、共晶相图及其结晶液态无限固溶、固态有限固溶或完全不互溶，且冷却过程中发生共晶反应的相图！①液相线AE、BE②固相线AM、BN③固溶度线（溶解度曲线）MF、NG④共晶线MEN,成分位于共晶线上的合金，可发生共晶转变三个单相区：L、α、β；三个两相区：一个三相共存区常见的具有共晶相图的合金系：Pb-Sn;Pb-Sb;Al-Si;Ag-Au;Pb-Bi11/12/202329（1）共晶转变相当于E点成分的液相，当冷却至三相共存线MEN时会同时结晶出成分为M的α相和成分为N的β相共晶反应式：共晶反应、共晶温度、共晶组织？某一成分的液相，在恒温下同时结晶出两个成分不同的固相的反应——共晶反应问题：是否只有满足成分的液相在冷却时才会发生共晶反应？11/12/202330（2）共晶系合金的平衡组织1）wSn≤19%，1→2，匀晶反应；2→3，无任何变化；3→4，α相过饱和，发生二次析出反应（脱溶），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内缺陷处析出；其质量分数可通过杠杆规则求出！11/12/202331二次相在晶界或晶内缺陷处产生11/12/2023322）共晶合金恒温下进行，获得两相机械混合物，百分含量可用杠杆定理得出！黑色层片为富Pb的α相，白色为富Sn的β相呈片层状分布11/12/20233311/12/20233411/12/2023353）亚共晶合金成分位于E点以左α+ββIIα先共晶相(初生相）—二次相βII来源室温下合金组织组织组成物（显微组织中能清晰分辨的独立组成部分，可以使单相也可以是多相）组织组成物的计算。杠杆规则的充分利用！11/12/2023364）过共晶合金βαII(α+β)成分位于E点以右αII与亚共晶合金类似。初生相、二次相、室温组织结晶过程11/12/202337（4）不平衡结晶及组织1）伪共晶平衡结晶条件下只有共晶成分的合金才能获得完全的共晶组织非平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的合金也可能全部转变为共晶组织，此非共晶成分的共晶组织为伪共晶组织。11/12/202338在不平衡条件下，因冷却速度较快，将产生过冷！过冷的合金溶液同时具备了结晶出A相和B相的热力学条件，两相可同时析出并长大，形成具有共晶组织特征的伪共晶组织。考虑动力学条件，某一组成相成分与液相的成分相差较大，这个相要通过原子扩散来达到其形成时所需的浓度就较为困难，而生长速度就较慢。此时热力学、动力学均有利的会优先析出规律：两组元有相近熔点时，出现对称型伪共晶区；熔点相差较大，共晶点偏向低熔点组元，伪共晶区偏向高熔点一方。11/12/202339伪共晶实例解释：在不平衡凝固条件下，共晶成分的Al-Si合金得不到共晶组织。11/12/2023402）不平衡共晶①

不平衡共晶：位于共晶线以外成分的合金发生共晶反应而形成的组织。②原因：不平衡结晶。成分位于共晶线以外端点附件。不平衡凝固时，因固相线下移，使其冷却到共晶温度时，仍有少量液相，这部分液相将发生共晶转变。11/12/2023413）离异共晶

当合金的成分离共晶点很远时(但仍在共晶线上），在不平衡凝固条件下，形成的共晶组织数量很少而初生晶相量很多，这时与初生晶相相同的组成相就会依附于初晶相长大，而把另一组成相孤立出来，结果另一组成相单独地分布在初晶相的晶粒边界上。这种两相分离的共晶组织叫做离异共晶。危害机械性能，消除方法是在稍低于共晶温度下进行扩散退火，通过原子扩散，使其成为均匀的单相组织。共晶体中α相依附于初生晶相α相上11/12/2023423、包晶相图及其结晶两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶，并发生包晶反应的相图。

包晶反应：在一定温度下，由一定成分的液相与一定成分的固相相互作用，生成另一个一定成分的新固相的过程。在该过程中新固相依附于原固相生核，将原固相包围起来，通过消耗液相和原固相而长大。线条的含义：液相线abc;固相线ad,pc固溶线df,pg包晶线dpb11/12/202343包晶系合金的结晶过程1）包晶点成分合金的结晶过程包晶点处于L、α、β三相平衡。ppp在p点处：p点以下：液相及α相均处于对β相的过饱和状态，液相与α相以析出β相来降低过饱和度，β相便在液相及α相界面处形成。αβLLb+αdtpβp11/12/2023442）成分在d-p之间的合金凝固过程温度tp时：Lb+αd

→βp

此时α相的质量分数，大于完全包晶反应所需的α相的质量分数，包晶反应结束，α相将剩余（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间成分范围的合金的结晶过程LL+αt1~tpL→αtpLb+αd

→βp

Lb+βpβtp~t2L→ββt2~t3无变化β+αIIt<t3β→αII11/12/2023464）不平衡结晶及其组织

异常α相导致包晶偏析〔包晶转变要经β扩散。包晶偏析：因包晶转变不能充分进行而导致的成分不均匀现象。在包晶点发生〕

异常β相由不平衡包晶转变引起。成分在靠近固相、包晶线以外端点附近，产生了一些不应出现的β