材料科学基础第三章优秀课件
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若，F=0，则P=3，即最多有三相平衡。
水的相图
二元系相图
• 二元凝聚系统有两个组元，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。
A
AB
热力学动态平衡
• 3.组元与独立组分
• 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。
• 化学元素：Cu, Ni, Fe等
• 化合物：Al2O3, MgO, Na2O, SiO2等
独立组分是指决定一个相平衡系统中多相组成所需 要的最少数目的化学纯物质，它的数目称为独立 组分数，用字母C表示。
互熔，而在固相时，完成互不相熔或只 是有限互熔并发生共晶转变，形成共晶 组织的相图，称为二元共晶相图。
典型的二元共晶相图
二元相图的基本类型
• （3）固溶型相图 特征： 高温时，两个组元在液态和固态都完全互
溶，而低温时，完全互溶的固溶体又分 成两个部分互溶的固溶体。
• 固溶型体系的相图有两种类型： • 一种是包含有共溶型结构的二元系统（共溶型）；
• 当然，现在还有使用计算机，通过热力学数据 的计算结果来绘制相图的方法。
热分析法画制Cu-Ni相图
Cu-Pb合金相图
杠杆规则
上式也可写成： wL ob C Co w ao Co CL
杠杆规则示意图
二元相图的基本类型
• （1）均晶相图
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均晶相图 (Isomorphous system)。
二元相图的建立方法：
• 二元相图的测定或建立是根据各种成分材料的 临界点（critical point）绘制的。
• 临界点是表示物质结构状态发生本质变化的临 界相变点。测定材料临界点有两种方法类型： (1)动态法：热分析法（thermal analisis method）、膨胀法、电阻法 (2) 静态法： 金相法、X－ray衍射分析法 这些方法主要 是利用合金在相结构变化时，引起物理性能、 力学性能及金相组织变化的特点来测定。
• 异分熔化化合物型二元系统
• 固相内化合物生成和分解的二元系统
同分熔化化合物型二元相图
• 这是一种最简单的具有化合物型的二元 相图。
• 所谓的同化是指该化合物在固态和液态 时都具有相同的组成，也称为一致熔化。
• 在金属材料中，最典型的是Nd2O3-Al2O3 • 在非金属材料中称为一致熔融化合物相
Pb-Sn相图是其典型的代表。
• 另一种是包含有转熔型结构的二元系统（包溶 型）。
Ag-Pt相图是其典型的代表。
共熔型
二元相图的基本类型
• （4）偏晶型相图 特征：
在液态时部分互溶的二元相图，又称偏 熔型二元相图。
典型的相图例子： Ga-Hg相图
二元相图的基本类型
（5）化合物型相图 • 同分熔化化合物型二元系统
材料科学基础第三章
本章主要内容
• 相与相平衡的基本概念，杠杆规则； • 二元系统各种类型相图的基本特点和阅
读分析； • 三元相图的基本概念，三元匀晶相图，
简单三元共晶相图。
为什么要研究相图？
3.2.1相图的基础知识
• 一、相与相平衡 • 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。
2. 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。(反之称为非平衡相）
• 各组元在各相中的化学势相同。
• （4）相律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。
• （5）不能预告反应动力学（即反应速度问 题）。
单元系统的相图
• 组元数 C=1 • 根据相律： F=1-P+2=3-P • ∵F≥0, ∴P≤3 • 若，P=1，则F=2
• ∴可以用温度和压力作坐标的平面图 (pT图) 来表示系统的相图。
均晶相图分析：
杠杆规则的应用
均晶结晶的特点：
• 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
• 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
二元相图的基本类型
• （2）共晶相图 在二元系统中，两个组元在液相可以无限
F=C-P+2
• 凝聚系统:
•
F=C-P+1
• 式中的P称为相数，显然在f＝0时，
P最大。
几点说明：
• (1)相平衡是研究多相体系的平衡状态如何随 温度、压力和组分浓度等变数而改变的规律；
• (2)相图是根据多相平衡的实验结果而绘制的 几何图形；又称状态图；
• （3）相图中的平衡状态的概念。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）、各相化学势相等 （化学平衡）。
• 二元相图的表示法
• 如果合金系由A、B两组元组成，横坐标一端 为组元A，而另一端为组元B，那么体系中任 一成分合金都可以在横坐标上找到相应的点。
• 根据国标，二元合金成分可以有两种表示方法： 质量分数(W)和摩尔分数(x)。但通常多数用 质量百分数表示，在没有特别注明，合金成分 都是指质量百分数。若A、B为单质，质量百 分数和摩尔分数之间可以换算 。
按（独立）组元数目，将系统分为：一元系统、二 元系统、三元系统……
• 4 自由度和吉布斯相律
自由度是指在平衡系统中那些独立可变因 素的最大数目，以符号f表示。
吉布斯相律是指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：
Fra Baidu bibliotekf+p=c+n
• 只考虑温度和压力对系统平衡状态的影响:
•
图。
异分熔化化合物型二元相图
• 所谓异分熔化是指化合物被熔化后的组 成与原先的固态组成完全不同。也称为 不一致熔融。
水的相图
二元系相图
• 二元凝聚系统有两个组元，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。
A
AB
热力学动态平衡
• 3.组元与独立组分
• 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。
• 化学元素：Cu, Ni, Fe等
• 化合物：Al2O3, MgO, Na2O, SiO2等
独立组分是指决定一个相平衡系统中多相组成所需 要的最少数目的化学纯物质，它的数目称为独立 组分数，用字母C表示。
互熔，而在固相时，完成互不相熔或只 是有限互熔并发生共晶转变，形成共晶 组织的相图，称为二元共晶相图。
典型的二元共晶相图
二元相图的基本类型
• （3）固溶型相图 特征： 高温时，两个组元在液态和固态都完全互
溶，而低温时，完全互溶的固溶体又分 成两个部分互溶的固溶体。
• 固溶型体系的相图有两种类型： • 一种是包含有共溶型结构的二元系统（共溶型）；
• 当然，现在还有使用计算机，通过热力学数据 的计算结果来绘制相图的方法。
热分析法画制Cu-Ni相图
Cu-Pb合金相图
杠杆规则
上式也可写成： wL ob C Co w ao Co CL
杠杆规则示意图
二元相图的基本类型
• （1）均晶相图
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均晶相图 (Isomorphous system)。
二元相图的建立方法：
• 二元相图的测定或建立是根据各种成分材料的 临界点（critical point）绘制的。
• 临界点是表示物质结构状态发生本质变化的临 界相变点。测定材料临界点有两种方法类型： (1)动态法：热分析法（thermal analisis method）、膨胀法、电阻法 (2) 静态法： 金相法、X－ray衍射分析法 这些方法主要 是利用合金在相结构变化时，引起物理性能、 力学性能及金相组织变化的特点来测定。
• 异分熔化化合物型二元系统
• 固相内化合物生成和分解的二元系统
同分熔化化合物型二元相图
• 这是一种最简单的具有化合物型的二元 相图。
• 所谓的同化是指该化合物在固态和液态 时都具有相同的组成，也称为一致熔化。
• 在金属材料中，最典型的是Nd2O3-Al2O3 • 在非金属材料中称为一致熔融化合物相
Pb-Sn相图是其典型的代表。
• 另一种是包含有转熔型结构的二元系统（包溶 型）。
Ag-Pt相图是其典型的代表。
共熔型
二元相图的基本类型
• （4）偏晶型相图 特征：
在液态时部分互溶的二元相图，又称偏 熔型二元相图。
典型的相图例子： Ga-Hg相图
二元相图的基本类型
（5）化合物型相图 • 同分熔化化合物型二元系统
材料科学基础第三章
本章主要内容
• 相与相平衡的基本概念，杠杆规则； • 二元系统各种类型相图的基本特点和阅
读分析； • 三元相图的基本概念，三元匀晶相图，
简单三元共晶相图。
为什么要研究相图？
3.2.1相图的基础知识
• 一、相与相平衡 • 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。
2. 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。(反之称为非平衡相）
• 各组元在各相中的化学势相同。
• （4）相律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。
• （5）不能预告反应动力学（即反应速度问 题）。
单元系统的相图
• 组元数 C=1 • 根据相律： F=1-P+2=3-P • ∵F≥0, ∴P≤3 • 若，P=1，则F=2
• ∴可以用温度和压力作坐标的平面图 (pT图) 来表示系统的相图。
均晶相图分析：
杠杆规则的应用
均晶结晶的特点：
• 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
• 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
二元相图的基本类型
• （2）共晶相图 在二元系统中，两个组元在液相可以无限
F=C-P+2
• 凝聚系统:
•
F=C-P+1
• 式中的P称为相数，显然在f＝0时，
P最大。
几点说明：
• (1)相平衡是研究多相体系的平衡状态如何随 温度、压力和组分浓度等变数而改变的规律；
• (2)相图是根据多相平衡的实验结果而绘制的 几何图形；又称状态图；
• （3）相图中的平衡状态的概念。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）、各相化学势相等 （化学平衡）。
• 二元相图的表示法
• 如果合金系由A、B两组元组成，横坐标一端 为组元A，而另一端为组元B，那么体系中任 一成分合金都可以在横坐标上找到相应的点。
• 根据国标，二元合金成分可以有两种表示方法： 质量分数(W)和摩尔分数(x)。但通常多数用 质量百分数表示，在没有特别注明，合金成分 都是指质量百分数。若A、B为单质，质量百 分数和摩尔分数之间可以换算 。
按（独立）组元数目，将系统分为：一元系统、二 元系统、三元系统……
• 4 自由度和吉布斯相律
自由度是指在平衡系统中那些独立可变因 素的最大数目，以符号f表示。
吉布斯相律是指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：
Fra Baidu bibliotekf+p=c+n
• 只考虑温度和压力对系统平衡状态的影响:
•
图。
异分熔化化合物型二元相图
• 所谓异分熔化是指化合物被熔化后的组 成与原先的固态组成完全不同。也称为 不一致熔融。