5相图研究方法-相图的表示

Mg-Si相图
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1.1.3 相平衡条件与相律

相变：一个相转变为其它相的过程
汽
冰 晶型1 晶型2
水
一级相变 二级相变

相平衡状态：宏观上系统中同时共存的各 相在长时间内不互相转化，属于动态平衡， 微观上组元不停地通过各相界面进行迁移 速度相等的转移。
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相律
相律：在平衡条件下，合金的组元数和相数之间存在的关系 由热力学可知，组元转移驱动力是组元间化学位差，在 α、 β两相平衡系统中的平衡条件为： μiα＝μiβ (5-1) 即，同一组元在两相中的化学位相等 那么，合金中C个组元，p个相的平衡条件为每个组元在 每个相中化学位均相等：
（5-5）

WA和WB分别表示A和B组元的质量分数，aA、aB 分别表示A和B组元的摩尔量，XA、XB分别表示A 和B组元的摩尔分数
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线条：相转变温度和平 衡相的成分； 相区：被线条所划分的 区域，注明合金相态； 从相图上可以看出任一 成分的合金在任一温度 下所存在的相态，在什 么温度下发生相转变及 其转变类型等 如：x1合金冷却，
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1 有关相图的基本知识
1.1பைடு நூலகம்二元合金中存在的相
1.1.1 相 相：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。 相与相之间有界面，如冰和水是两种不同的相态， 食盐水溶液是一个相，若在饱和溶液中析出食盐晶 体则成为两个相。 有界面分开的不一定都是相，如合金中同一相的不 同晶粒间。
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求在T2温度下x1合金中 的L和Cd的含量 解： 1.在T2温度作水平线交于 相区的边界线点L2和S， 为L和Cd的成分点 2.以L2S连线为杠杆，可 求出两相的重量百分 含量为 L=OS/L2S×100% Cd=L2O/L2S×100%

Bi-Cd相图及各成分合金的组织变化示意图
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按杠杆定律计算x1合金在共晶温度的组织组成物的重 量百分数： Cd初晶=Em/ED×100%=35/60×100%=58.3% (Cd+Bi)共晶=mD/ED×100% =25/60×100% =41.7% 相组成物？ 2017/5/4 X2合金：？
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相图中其它成分合金凝固时的组织变化：
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合金
合金：由两种以上的金属或金属与非金属熔合（或烧
结）在一起而具有金属特性的物质。 根据组元数 目，可分为二元合金、三元合金，四元以上合金称多 元合金。

合金品种：在元素周期表中除了少数气体元素外，几 乎都可制作合金，若取80种元素来配制合金，任取三 种元素组成的三元合金系就有C（80,3）种；每一合金 系中还可以改变各组元的相对含量，形成许许多多合 金品种
二元相图
表示恒压（一个大气压）下的状态，采用温度和成分为坐标
的平衡图


横坐标的左、右 两端点及从左至 右的含义； 横坐标上任一点 代表某一成分的 合金：如x1合金， x2合金。
Bi-Cd相图及各成分合金的组织变化示意图
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合金成分的表示方法

质量分数和摩尔分数
a A xA 100% aA xA aB xB aB xB WB 100% aA xA aB xB WA / aA xA 100% WA / a A WB / aB WB / aB xA 100% WA / a A WB / aB WA
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1.3 用实验方法测绘二元相图


合金中发生的所有相转变都同时伴随着某种物理、 化学性质的变化，利用测定合金的某种物理、化 学性质随温度的变化找出它们的相变点来 测定相图常用方法 热分析法 X射线分析法 金相组织法 硬度法 电阻法 热膨胀法 磁性法……
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1.3.1热分析法测绘Cu-Ni二元相图
第二章 二元合金相图 及合金的凝固和组织
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目录
1 2 3 4 5 6 7 有关相图的基本知识 匀晶相图及固溶体合金的凝固和组织 共晶相图及共晶系合金的凝固和组织 包晶相图及其合金的凝固和组织 其它类型的二元合金相图 相图的分析和使用：Fe-C相图及铁碳合金 相图的热力学基础
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X1合金： Cd=75/100×100% Bi=25/100×100%
Bi-Cd相图及各成分合金的组织变化示意图
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附录：杠杆定律
WL/W α=rb / ar 注意：杠杆定律适用于平衡结晶时的两相区
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附录：杠杆定律的证明
合金成分为C，总重量为W 在t1温度时，由液相和固相组成， 液相的成分为CL ，重量为WL 固相成份为C α ，重量为Wα 则 W=WL+Wα （1） W L· CL+Wα· C α =W· C （2） 由（1）、（2）可得 WL/W α=(C α-C) / (C- CL) 故 WL/W α=rb / ar 上式还可换写成 WL/W =rb / ab
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2）固溶体 ：溶质原子(离子或分子)溶入溶剂的晶 体点阵中所形成的相，固溶体的晶体结构就是溶 剂的晶体结构，按照溶质原子溶入熔剂的方式分 为：
固溶体的强度总是比组成它的纯组元高， 且随溶质原子浓度增加，强度也增加。
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3）中间相（金属间化合物） 各组元间发生化学相互作用，形成晶体结构不同 于组成元素的新相，新相有自己独特的结构和性 质，位于相图的中间部位，又称为“金属间化合 物”，包括正常价化合物，电子化合物和原子尺 寸因素化合物。
● 淬火加热时没有变化 ▼出现部分熔化现象
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金相组织法测定固溶度线：熔铸-均匀化退火-在固溶度线 上、下温度进行加热和淬火，同一成分在不同温度的试样 和在同一温度的不同成分试样鉴别其单相和两相组织的分 界处，确定其固溶度线
○—α相合金；△—α+β两相合金
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1.1.2．合金相种类：液溶体、固溶 体、金属间化合物
1.液溶体： a.多数金属在液态下互相溶解而形成均匀的溶液； b. 液态下部分互相溶解，达到饱和溶解度后就不再溶 解，而形成有界面分开的成分不同的两种溶液，如 Al-Cd，Cu-Pb，在一定温度和成分范围内，形成 浓度不同和有界面分开的二层溶液 c. 在液态几乎完全不溶解，如Al-Ti，W-Cu，Fe-Bi等
固
铁的P-T图
O
B
A
f=C-P+2=3-P 系统最少1个相，f=3-1=2，即T、P可独立改变； 系统最多3个相，f=3-3=0，T、P均固定； 当2相共存时，f=3-2=1， T、P只有一个可自由改变。
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硫有两种晶型，正交R和单斜M，相图中有 3个三相点
硫的P-T图
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相和组织
从液相中先凝固出固 相，称为初晶组织，再 从液相中共同凝固出来 两种固相，交替排列， 称为共晶组织，共晶中 Cd相与初晶Cd相为同一 种相，性质完全一样， 形态不同。 相组成物：把相看作构成合金组织的基本单元，如固态x1 合金由Cd相和Bi相组成，Cd相占75%，Bi相占25% 组织组成物：按组织形貌的特征来划分构成合金组织的单 元，如固态x1合金由树枝状初晶Cd和共晶（Cd+Bi）组成
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合金相图

合金相图： 用图的形式表明一个合金系的成份、 温度和相态之间的关系；

用途：研究相结构和组织的形成和变化规律， 可以了解该系合金在各温度下所存在的相态、 相成分和各个相的含量，相转变温度等等。用 来指导熔铸、加工和热处理工艺，研究某合金 元素的作用和存在状态，研究合金的性能与组 织的关系等。
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1.2 二元相图的表示、含义和杠杆定律

单元相图：以温度和压力为坐标表示相态变化
•OB和OC：G-L与G-S转 变的临界线，体积变化很 大，随压力升高，转变温 度也升高 •OD：L-S转变的临界线， 几乎与温度坐标垂直，压 力变化对转变温度没有影 响
镁的相图
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1 1 1 1p 2 2 2 2p
……
(5-2)
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c c c cp
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吉布斯相律： ƒ=C-P+2 (5-3) C：组元数，P：平衡共存的相数， ƒ：自由度，指平衡系中不改变相数的前提下可 独立变化的因素数目（如温度、压力、浓度等） 2：表示温度与压力两个因素 对于不含气象的凝聚系统，合金相变时可视为恒压 条件，相律的表达式为 ƒ=C-P+1 (5-4) ∵f≥0， ∴纯金属最多只有两相平衡 二元系最多存在三相平衡
测定合金的冷却（或加热）曲线 1.选取有代表性的合金，测绘其冷却曲线，获得各合金的 相变临界点 2.将同类临界点成分-温度图上连接起来
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1.3.2 金相组织法测绘二元相图

通过观察一系列成分的合金在不同温度下的组织变化情况， 以确定其相变温度，一般用来测定固相线和固溶度线。
用金相组织法测定固相线 过程：熔铸试样-退火-固相线附近加热-淬火-观察组织变化。
液相线：BE、AE 共晶点：E点 共晶线：CED
Bi-Cd相图及各成分合金的组织变化示意图
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杠杆定律

将成分坐标当作杠杆，以合金成分点为支点，两相的成 分点分别为重点和力点，则与力学上的杠杆定律一样， 即Cd/Bi=Qp/pr。 即两相物质量/质量之比反比于支点到两个相点的线段 长。