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。