固体物理第三章 相图 PPT
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3 催化剂 锶、镧、锰、钴、铁的氧化物间形成的固溶体， 催化消除汽车尾气的有害成分。
4 电性能（超导材料，压电陶瓷等） 5 光学性能（透明陶瓷，人造宝石等）
固溶强化
形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象
正常晶格
晶格畸变
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
10
晶格畸变
小原子置换引起的 晶格畸变
c
a
L+
匀晶转变 L
1200d
1100 1000 1083
b
L
Cu 20
40 60 Ni%
80
Ni 100
冷却曲线 t
匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点， 而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。
杠杆定律
T,C
L
1500
1400 1300
1
a1 b1L+ c1
1200
1100 1000
自由度：在不引起旧相消失和新相形成的前提下， 体系中可自由变动的独立强度性质的数目，称 为体系在指定条件下的“自由度”。
相律：对一个达成相平衡的体系来说，若影响 平衡的外界因素仅为温度和压力，则相数 p， 组元数 k 及自由度 f 三者之间存在以下制约关 系：
f＝k－p＋2
三、固溶体
合金中有两类基本相 —— 固溶体 和 化合物
66 60 80
Ni%
Ni 答：所求合金在
100 1280 时相的
？？
例：求30%Ni合金在1280C时相的相对 量
T,C
L
1500
1455 c 解：作成分线和
1400 1300
a1
1200
1100a 1000
1083
b1L+ c1
wk.baidu.com
1280 C
温度线如图。
根据杠杆定律推 论， Q / QH = a1b1 /a1c1 =12/48=1/4
Cu
18 20
30 40
T2 QL/QH=b1c1/a1 c1
Cu
20 b 40 60
NiQ/QH=a1b1/a1
80 100
c1
Ni%
=1- QL/QH
杠杆定则：溶质偏聚效应
Q点： T相的成x分 '降由 到 x
成分不均匀
n
n
合金成分X
• T1：析出成分为1的固相。 1偏 离合金的原始成分；
• 由于析出了1固相，使液相中含B 量增高，于是液相成分随温度降低 而向富B的方向改变；
间隙原子引起的 晶格畸变
第二节 二元相图
1．匀晶相图 2．共晶相图 3．包晶相图 4．共析相图
1．匀晶相图
相图（平衡图、状态图）
平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。
T,C
1500 1400 1300 1200 1100 1000 1083
L
L+
1455
Cu 20
40 60 Ni%
Ni 80 100
铜-镍合金匀晶相图
液相线
T,C
1500 1400 1300 1200 1100 纯铜 1000 1083 熔点
液相区 L
1455
L+
纯镍 熔点
固相线
Cu
固相区
20
液固两相区
40 60 Ni%
Ni 80 100
匀晶合金的结晶过程
L
T,C
T,C
L
1500
1455
L
1400 1300
结构类型 相同，并且晶胞较大。 离子电价 等价置换 电 负 性 相近—易固溶；
差别大—易形成化合物。 间隙型固溶体—杂质原子进入晶格中的间隙位置。
形成条件：结构间隙要大；杂质原子要小。
固溶体
按杂质原子的固溶度x分：
无限（连续）固溶体—溶质和溶剂任意比例固溶 (x=0~1)。例MgO-NiO
有限（不连续）固溶体—杂质原子的固溶度x有限。 例MgO-CaO
固溶体概念 合金组元通过溶解形成成分和性能均匀的、
结构上与组元之一相同的固相。
或含有外来杂质原子的单一、均匀的晶态固体。
例，MgO晶体中含有FeO杂质，
→ Mg1-xFexO固溶体。
固溶体
固溶体的分类
按杂质原子的位置分： 置换型固溶体—杂质原子进入晶格中正常结点位置而取代基质
中的原子。例MgO-CoO形成Mg1-xCoxO固溶体。 影响x因素：离子半径 r1-r2/r1∠15%，完全互溶x=0-1；
• 在一般的冷却条件下， 所得固体的成分是不均 匀的
• 先凝固出的含B较少， 后凝固出的含B较多，如 虚线所示。
在生长晶体时，若有温度 波动，而固相内扩散速度 又很慢时，就会引起晶体 的成分不均匀生长层
消除办法：把晶体放在低于该成分的固相点约50－1000C的温 度下进行长时间加热（均匀化退火）。如：红宝石晶体
思考题：间隙型固溶体能否形成连续固溶？为什么？
固溶体
置 换 固 溶 体
Z
固溶体类型
Z 置换原子
间 隙 固 溶 体
间隙原子
Y Y
X X
固溶体
固溶体的性质
1 活化晶格，促进烧结 例Al2O3熔点高：加入1~2%TiO2 → 缺位型固溶体， 1600℃烧结致密
2 稳定晶型 ZrO2加入Y2O3：形成稳定的立方氧化锆固溶体
a1083
2
杠杆12.定.在随律两：着相在温两区度相内的区，降内对低，应对， 应每两每一相一确的确定成定的分的温分度温T别度1，沿，两液两相相
质量Q相的线L的/比Q和成值固分=是相b是确1线定确c的1变定/。a化的1即。b。1
1455c
杠杆定律推论：在两 相区内，对应温度T1
时两相在合金b中的相 T1 对质量各为
● 相、相平衡与相律和固溶体 ● 二元相图 ● 固溶体的混合熵和自由能 ● ● 相图的应用
第一节 相、相平衡与相律和固溶体
一、相 系统中每一宏观的均匀部分，或体系内物理性 质和化学性质完全相同的部分称为“相”。
二、相平衡
相变：相与相之间的转变称为相变。
组元：为确定平衡体系中各组成所需要的最少数 目的独立物质，称为“独立组元”，简称“组 元”。
• 在每一个温度时，固液两相的相对 量都可利用杠杆定理来确定；
• 随温度降低，液相量逐渐减少，固 相量逐渐增加，而其成分则越来越 接近于合金的原始成分；
• 当冷却至T5时，液相减至零，全部 凝结为固体，其成分则变为原始合 金成分。
• 这种凝固过程要求温度 变化很慢，以便使不同 温度下析出的成分不同 的固相能经过扩散而成 为均匀一致。
退火：成分均匀、消除内应力
快速凝固中的溶质分凝
快速冷却：当代材料制备和处理技术中的重要手段 金属玻璃
聚焦激光束或电子束照射引起的熔化和重结晶
快速冷却 可以避免溶质分凝 固液界面前将不出 现溶质富集的边界层 无组分过冷区 界面形态失 稳（组分过冷）的判据对快速凝固失效
可以预期
当固液界面以甚高的速率运动 时，界面形态将保持稳定
4 电性能（超导材料，压电陶瓷等） 5 光学性能（透明陶瓷，人造宝石等）
固溶强化
形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象
正常晶格
晶格畸变
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
10
晶格畸变
小原子置换引起的 晶格畸变
c
a
L+
匀晶转变 L
1200d
1100 1000 1083
b
L
Cu 20
40 60 Ni%
80
Ni 100
冷却曲线 t
匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点， 而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。
杠杆定律
T,C
L
1500
1400 1300
1
a1 b1L+ c1
1200
1100 1000
自由度：在不引起旧相消失和新相形成的前提下， 体系中可自由变动的独立强度性质的数目，称 为体系在指定条件下的“自由度”。
相律：对一个达成相平衡的体系来说，若影响 平衡的外界因素仅为温度和压力，则相数 p， 组元数 k 及自由度 f 三者之间存在以下制约关 系：
f＝k－p＋2
三、固溶体
合金中有两类基本相 —— 固溶体 和 化合物
66 60 80
Ni%
Ni 答：所求合金在
100 1280 时相的
？？
例：求30%Ni合金在1280C时相的相对 量
T,C
L
1500
1455 c 解：作成分线和
1400 1300
a1
1200
1100a 1000
1083
b1L+ c1
wk.baidu.com
1280 C
温度线如图。
根据杠杆定律推 论， Q / QH = a1b1 /a1c1 =12/48=1/4
Cu
18 20
30 40
T2 QL/QH=b1c1/a1 c1
Cu
20 b 40 60
NiQ/QH=a1b1/a1
80 100
c1
Ni%
=1- QL/QH
杠杆定则：溶质偏聚效应
Q点： T相的成x分 '降由 到 x
成分不均匀
n
n
合金成分X
• T1：析出成分为1的固相。 1偏 离合金的原始成分；
• 由于析出了1固相，使液相中含B 量增高，于是液相成分随温度降低 而向富B的方向改变；
间隙原子引起的 晶格畸变
第二节 二元相图
1．匀晶相图 2．共晶相图 3．包晶相图 4．共析相图
1．匀晶相图
相图（平衡图、状态图）
平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。
T,C
1500 1400 1300 1200 1100 1000 1083
L
L+
1455
Cu 20
40 60 Ni%
Ni 80 100
铜-镍合金匀晶相图
液相线
T,C
1500 1400 1300 1200 1100 纯铜 1000 1083 熔点
液相区 L
1455
L+
纯镍 熔点
固相线
Cu
固相区
20
液固两相区
40 60 Ni%
Ni 80 100
匀晶合金的结晶过程
L
T,C
T,C
L
1500
1455
L
1400 1300
结构类型 相同，并且晶胞较大。 离子电价 等价置换 电 负 性 相近—易固溶；
差别大—易形成化合物。 间隙型固溶体—杂质原子进入晶格中的间隙位置。
形成条件：结构间隙要大；杂质原子要小。
固溶体
按杂质原子的固溶度x分：
无限（连续）固溶体—溶质和溶剂任意比例固溶 (x=0~1)。例MgO-NiO
有限（不连续）固溶体—杂质原子的固溶度x有限。 例MgO-CaO
固溶体概念 合金组元通过溶解形成成分和性能均匀的、
结构上与组元之一相同的固相。
或含有外来杂质原子的单一、均匀的晶态固体。
例，MgO晶体中含有FeO杂质，
→ Mg1-xFexO固溶体。
固溶体
固溶体的分类
按杂质原子的位置分： 置换型固溶体—杂质原子进入晶格中正常结点位置而取代基质
中的原子。例MgO-CoO形成Mg1-xCoxO固溶体。 影响x因素：离子半径 r1-r2/r1∠15%，完全互溶x=0-1；
• 在一般的冷却条件下， 所得固体的成分是不均 匀的
• 先凝固出的含B较少， 后凝固出的含B较多，如 虚线所示。
在生长晶体时，若有温度 波动，而固相内扩散速度 又很慢时，就会引起晶体 的成分不均匀生长层
消除办法：把晶体放在低于该成分的固相点约50－1000C的温 度下进行长时间加热（均匀化退火）。如：红宝石晶体
思考题：间隙型固溶体能否形成连续固溶？为什么？
固溶体
置 换 固 溶 体
Z
固溶体类型
Z 置换原子
间 隙 固 溶 体
间隙原子
Y Y
X X
固溶体
固溶体的性质
1 活化晶格，促进烧结 例Al2O3熔点高：加入1~2%TiO2 → 缺位型固溶体， 1600℃烧结致密
2 稳定晶型 ZrO2加入Y2O3：形成稳定的立方氧化锆固溶体
a1083
2
杠杆12.定.在随律两：着相在温两区度相内的区，降内对低，应对， 应每两每一相一确的确定成定的分的温分度温T别度1，沿，两液两相相
质量Q相的线L的/比Q和成值固分=是相b是确1线定确c的1变定/。a化的1即。b。1
1455c
杠杆定律推论：在两 相区内，对应温度T1
时两相在合金b中的相 T1 对质量各为
● 相、相平衡与相律和固溶体 ● 二元相图 ● 固溶体的混合熵和自由能 ● ● 相图的应用
第一节 相、相平衡与相律和固溶体
一、相 系统中每一宏观的均匀部分，或体系内物理性 质和化学性质完全相同的部分称为“相”。
二、相平衡
相变：相与相之间的转变称为相变。
组元：为确定平衡体系中各组成所需要的最少数 目的独立物质，称为“独立组元”，简称“组 元”。
• 在每一个温度时，固液两相的相对 量都可利用杠杆定理来确定；
• 随温度降低，液相量逐渐减少，固 相量逐渐增加，而其成分则越来越 接近于合金的原始成分；
• 当冷却至T5时，液相减至零，全部 凝结为固体，其成分则变为原始合 金成分。
• 这种凝固过程要求温度 变化很慢，以便使不同 温度下析出的成分不同 的固相能经过扩散而成 为均匀一致。
退火：成分均匀、消除内应力
快速凝固中的溶质分凝
快速冷却：当代材料制备和处理技术中的重要手段 金属玻璃
聚焦激光束或电子束照射引起的熔化和重结晶
快速冷却 可以避免溶质分凝 固液界面前将不出 现溶质富集的边界层 无组分过冷区 界面形态失 稳（组分过冷）的判据对快速凝固失效
可以预期
当固液界面以甚高的速率运动 时，界面形态将保持稳定