第10章 相图 《材料科学与工程基础》

第10章相图

为什么要学习相图

相图的了解和知识对工程师为什么重要，一个原因是可以根据相图设计和控制热处理过程；材料的一些性质是其微结构的函数，也就是它们的热处理过程留下的产物的函数。即使大多数相图表示它们的稳定（或平衡）态和微结构，在了解非平衡态结构和它们的附带性质的发展和保存方面相图也并不是没有用的；经常发生这样的情况，即非平衡态的某些性质比平衡态呈现的某些性质更加有用。这可以通过沉积硬化的现象说明（11.10和11.11节）。

学过这一章后，你应当掌握以下内容：

1.（a）画出简单的匀晶和共晶相图，

（b）在相图上标出各相区，

（c）标出液相线、固相线和固溶相线。

2.给出一个二元相图，合金的组成，它的温度，假设合金处于平衡态，请确定：

(a)存在的相态；(b)相的成分；(c)相的质量分数。

3.对于某个二元相图，请确定：

（a）相图中所有共晶、包晶、析晶相变的温度和组成

（b）在加热或冷却时，写出所有这些相变的反应式。

4.给出含碳0.022～2.14wt%铁－碳相图,能够确定：

（a）定义该合金是亚共析还是过共析；

（b）命名过共熔相；

（c）计算过共熔相和珠光体的质量分数；

（d）画出略低于共熔温度的合金微结构图。

10.1引言

了解相图对于合金体系是非常重要的，因为合金的微结构与其力学性质有极其密切的关系，合金微结构的发展与其相图的分析也密切相关。此外，相图也提供了有关熔点、铸造、结晶和其他现象的有价值的信息。

本章将讨论如下课题：（1）与相图和相变有关的术语；（2）相图的解释；（3）某些普通的相对简单的二元相图，包括铁－碳相图；和（4）在冷凝的时候，几种情况下的平衡微结构的进展。

定义和基本概念

在介绍和应用相图之前，有必要建立有关合金、相、平衡的基本定义和概念。在讨论相图的时候常常用到组元这个词，组元可以是纯金属也可以是合金。例如在铜－锌合金中，组元是Cu和Zn。溶质和溶剂如5.4节定义的也常常用到。在本章用到的另一个常用词是系统，系统有两重含义。首先“系统”可以表示考虑的特定材料（例如熔化钢的杓子）。或者，它可以是相同组元的一系列合金，但是不考虑合金的成分（例如铁－碳合金系）。

回顾一下在5.4节介绍的固溶体的概念，一种固溶体至少由两种不同类型的原子构成；溶质原子占据溶剂晶格的间隙或置换位置，晶体结构维持溶剂的结构不变。

10.2溶解度极限

对许多合金体系，在同样的特定温度下，溶质原子溶解在溶剂中形成固溶体有一个最大浓度，该浓度称作溶解度极限。超过这个浓度，继续加入溶质就会生成另外的固溶体或具有其他不同组分的化合物。为了说明这一概念，先看一下糖－水系的例子。开始，糖加入到水中，形成糖水溶液即糖浆，当加入更多的糖，

溶液变浓，直到达到溶解度极限，即变成糖的饱和溶液。这时，溶液不能再溶解更多的糖，继续加糖只能使沉积在溶液的底部。于是，这时系统由糖水溶液和未溶解的固体糖晶体两种物质构成。

糖在水中的溶解度极限取决于水的温度，可以用组成（糖的重量百分浓度）为横轴，温度为纵轴作图表示，如图10.1，糖的成分从左到右增加，水从左到右降低。因为只有两种成分，在任一点，重量百分浓度的和为100wt％.溶解度极限是图上的一条垂直的曲线，在曲线左边的浓度和温度范围只有糖水溶液存在，而在曲线的右边，糖水溶液和固体糖两相共存。从该图可以查到某温度下糖在水中的溶解度。例如，20℃糖在水中的溶解度为65wt%。图10.1指出，随着温度升高，糖的溶解度略有增加。

10.3相

了解相图的关键是相的概念。相的定义是：在体系内部，凡物理状态和化学组成完全均匀一致的部分称为相。每一种纯净材料，而且每种固体、液体和气体溶液被认为是一个相。例如前面讨论的糖水溶液是一个相，固体糖是另一个相。每种有不同的物理性质（一个是液体，另一个是固体）；而且，每种化学性质也不同（如具有不同的化学成分）；一个实际上是纯的糖，另一个是糖的水溶液。如果系统中存在不止一个相，每个相有它的自己的独特性质，在越过相的界面时，物理和和化学性质会发生突变。系统存在两相时无需其物理和化学性质都存在差异，其性质存在一种差异便足够。在一个容器中存在水和冰这两个分离的相时，它们的物理性质不同（一个是固体，一个是液体），但是其化学性质是相同的。而且当某种物质存在两种或多种晶体形式时（如具有FCC和BCC结构），每一种结构代表一单独的相，因为它们的物理性质不同。

有时，单相体系也叫做“均相”体系。由两个或两个以上的相构成的体系叫做“混合”体系或叫做“多相”体系。大多数金属合金、陶瓷、聚合物和复合材料是多相体系。通常多相体系的性质结合了存在于体系中各种相的一些性质，而不是体系中某一个相当性质。

10.4微结构

材料的物理性质，特别是力学性质取决于它的微结构。微结构可以用光学显微镜和电子显微镜直接观测；这在5.12节中曾讨论过。在金属合金中微结构是通过分析存在的若干相，这些相的性质、它们分布和排列的情况来进行的。合金的微结构取决于存在的合金元素，它们的浓度，以及合金的热处理（即温度，在某一温度下处理的时间，和冷却到室温的速度）。

在5.12节简要描述了显微分析时样品的制作过程。在适当的抛光和刻蚀后，可以鉴别不同相的形貌。例如对于两相合金，一相可能较亮，另一相可能较暗，如本章卷首页中的图。当体系中只有一个相或是固溶体形式存在时，则整个组织是均匀的，只能看到晶粒界{图5.16b}。

10.5 相平衡

平衡是另一个重要的概念。它的最好描述是按照热力学中的自由能来定义。简言之，自由能是系统内能的函数，也是原子和分子随机或无序的函数（熵）。在一定温度、压力和组成条件下，系统的自由能最低的状态就是平衡状态。宏观上，这意味着系统的特性不会随时间改变，即系统是稳定的。平衡时系统的温度、压力、和/或组成发生变化会导致体系的自由能增加，同时会向自由能低的状态变化。

相平衡这个词经常用在本章的讨论中，指体系中存在不止一个相的平衡状态。