1 相图基本知识 一元相图

自由度与相律
纯金属（恒压下）：
当只有单相存在时：f = 1 - 1 + 1 = 1，其自由 度数为1，即温度是可以独立改变的； 当自由度 f = 0 时：0 = 1 - p + 1 即 p = 2，纯 金属可以（液－固）两相平衡共存，此时为恒 温状态。
自由度与相律
二元系金属（恒压下）：
水：
• 温度、压力 • f=2
自由度与相律
相律
表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元数 和相数之间的关系，是系统的平衡条件的数学 表达式。
相律数学表达式： f=c-p+n
p：平衡相数 ； c ：体系的组元数； f ：体系自由度数 ； n：温度和压力等因素
注：平衡状态下f≥0； p≥1 若 f＜0 系统处于非平衡状态
两相平衡：f = 2 - 2 + 1 = 1，其自由度数为1， 说明有一个可变因素，表明它在一定温度范围 内稳定存在； 三相平衡：f = 2 - 3 + 1 = 0，此时温度恒定， 三相成分恒定不变，各因素恒定。
单元系相图
单元系 组元数 c = 1
f=c-p+2=3-p p = 1 f = 2; p = 2 f = 1; p = 3 f = 0
即可以是一种物质，也可以是混合体
气体 液体 固体 同素异晶体
相与组元
材料的整体性能取决于
存在相的数目 它们的相对量 各相的成分与结构 相的尺寸和空间分布
材料的相依赖于
整体成分 温度和压力等变量
相与组元
水 一元系 H2O 单相 液
苏打水
二元系 H2O CO2 两相 气 液
冰水 一元系 H2O 两相 液 固
冰苏打水 二元系 H2O CO2 三相 气 液 固
相平衡
机械平衡 热平衡 化学热力学平衡 各相 各组元 化学势 相平衡
化学平衡
相平衡
每一个组元在各相中的化学势相等是多相系统 处于热力学平衡的必要条件，也是其相平衡的 必要条件（证明过程略）
相平衡
相平衡
c
B
α
潜热
时间
Cu Cu-Ni相图
Biblioteka Baidu30
50 70 wNi(%)
Ni
相图的建立
液相线
液相区
两相共存区 TA
L
L+α
TB 固相线
α
固相区
A
二元匀晶相图
B
相图的建立
从相图中得到的信息
材料发生相变的温度和相变的类型 得到某一温度下两相的成分 得到某一温度下两相的相对含量
L L+α
TB
TA
α
A
6
背景知识
宏观性能取决于微观结构
背景知识
材料的性能决定于内部的组织结构
C 石墨 无定形碳
金刚石
相与组元
组元
构成材料的最简单、最基本、可以独立存在的 物质 将既不分解也不发生化学反应的稳定化合物也 视为一种组元
• 元素（Fe，Si，C……） • 计量化合物（NaCl，Li2O，Si3N4……）
学习
工作
重要的指导意义
材料科学 基础
报考材料学科的 研究生的专业课 -重要保障
考研
毕业
教学大纲
相平衡与相图
相图基本知识 合金相图，共晶相图 包晶相图，其他类型相图 铁碳相图 铁碳相图 三元相图
教学大纲
凝固
纯金属凝固，均匀形核 非均匀形核 固溶体结晶 溶质浓度分布，合金的成分过冷 共晶合金的凝固 非平衡凝固
宏观上系统中参与相变过程的各相长时间不再 互相转化（指成分和相对量）时所达到的平衡。 相平衡属于动态平衡，微观上组元不停地通过 各相界面进行迁移的速度相等。
相变：一个相转变为其它相的过程。
自由度与相律
自由度
在平衡系统中独立可变的因素
• 温度、压力、相的成分
自由度数 f：自由度的最大数目
水的相图
单元系相图
纯铁的相图（同素异晶转变）
图中有4个特性点：
• α-Fe ←→γ-Fe ←→δ-Fe ←→ L相
单元系相图
课堂练习——SiO2的相图
相图的建立
二元系
Cu-Ni Zr-Ti Pb-Sn Pt-Ag Mg-Cu Fe-C …… CaO-MnO MgO-NiO FeO-MnO……
测定材料临界点有两种方法类型：
动态法：热分析法、膨胀法、电阻法 静态法：金相法、X-ray衍射分析法 通常配合使用
相图的建立
热分析法：
热分析装置示意图
相图的建立
L
温度
L+S 凝固开始 凝固终了 S
时间
热分析法
相图的建立
50% Ni 70% Ni Ni 30% Cu Ni
L
温度
教学大纲
固态相变
固态相变形核与长大 过饱和固溶体分解 共析转变 马氏体转变 贝氏体转变
教学大纲
材料的变形与再结晶
单晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形 材料的加工硬化 冷变形金属的回复与再结晶
本节大纲
相图基本知识
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背景知识 相与组元 相平衡 自由度与相律 单元系相图 相图的建立
一元系、二元系、三元系及多元系统
相与组元
材料由基本的相所组成
相是在一个体系中，结构相同，成分和性能均 一，并以界面相互分开的均匀部分。 不同相之间必有界面分开（相界面），在相界 面处的物质的性能发生突变。（晶界）
相可以是单质，也可以是化合物
Au, Ag, Fe, SiO2, H2O
材料科学基础
秦文静 60215746 qq:78976819 E-mail：qinerrrr@yahoo.com.cn
注意事项
考勤
以随堂测验作为考勤，三次不到取消考试资格
作业
作为平时成绩的参考
考试
无划重点
课堂纪律
请尽量不要迟到早退，课堂上不许喧哗
课代表
-材料学科的基础 -课程的重中之重
组元数 c = 2
f=c-p+2=4–p p ≥ 1，f ≤ 3 （组元浓度）
压力的影响甚小 f = c - p + 1 = 3 – p
p = 1 f = 2; p = 2 f = 1; p = 3 f = 0
温度——成分图
相图的建立
二元相图测定方法
二元相图的测定是根据各种成分材料的临界点 绘制。 临界点：是表示物质结构状态发生本质变化的 临界相变点