1、第八讲 二元合金相图的建立 第三节 二元合金相图的建立 一、 主要内容： 二元合金相图的表示方法 二元合金相图的测定方法 相律及杠杆定律 二、 要点： 二元合金相图的表示方法，表象点的概念，二元合金相图的测定方法，相律，杠杆定律 三、 方法说明： 说明二元相图的表示方法及应用，说明二元合金相图的测定方法，说明相律及相律的应用， 在说明杠杆定律之前，应说明异分结晶的概念，对杠杆定律进行推导 授课内容： 一、 二元相图的表示方法 合金的熔炼都是在常压下进行的，所以合金的状态可以由成分和温度两个因素确定。 二元合金相图通常用横坐标表示成分， 纵坐标表示温度。 在成分和温度坐标平面内的任意一点称为表象
2、点。 二、 二元合金相图的测定方法 建立相图的方法有：实验测定和理论计算两种方法。 热分析法测定二元合金相图的过程： 二元相图是根据各种成分材料的临界点绘制的，临界点表示物质结构状态发生本质变化的相变点。测定材料临界点有动态法和静态法两种方法，如前者有热分析、膨胀法、电阻法等；后者有金相法、 X 射线结构分析等。相图的精确测定必须由多种方法配合使用。下面介绍用室温的冷却曲线，得到各临界点。 图给出纯铜 (Ni)为 30 ， 50 ， 70 的 Cu-Ni 合金及纯 Ni的冷却曲线。由图可见， 纯组元 Cu 和 Ni 的冷却曲线相似，都有一个水平台，表示其凝固在恒温下进行，凝固温度分别为 108
3、3 和 1452 。其他 3 条二元合金曲线不出现水平台，而为二次转折，温度较高的转折点（临界点）表示凝固的开始温度，而温度较低的转折点对应凝固的终结温度。 这说明3 个合金的凝固与纯金 属不同 ，是在一定温度范围内进行的。将这些与临界点对应的温度和成分分别标在二元相图的纵坐标和横坐标上，每个临界点在二元相图中对应一个点，再将凝固的开始温度点和终结温度点分别连接起来，就得到 如 图 所示的 Cu-Ni 二元相图。由凝固开始温度连接起来的相界线称为液相线，由凝固终结温度连接起来的相界线称为固相线。为了精确测定相变的临界点，用热分析法测定时必须非常缓慢冷却，以达到热力学的平衡条件，一般控制在每分钟
4、 0.5 0.15 之内。 三、 相律 相律是表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元数、 和相数之间的关系，是系统平衡条件的数学表达式。 f c p 2 当系统的压力为常数时，则为 ; f c p 1 c 是系统的组元数， p 是平衡条件下系统中的相数， f 是自由度数。 自由度：是指在保持合金相数不变的条件下，合金可以独立改变的、影响合金状态的内部及外部因素的数目。 相律的应用： 1、 可以确定系统中可能存在的最多平衡相数 2、 可以纯金属与二元合金结晶时的一些差别 组成一个体系的基本单元，例如单质（元素）和化合物，称为组元。体系中具有相同物理与化学性质的，且与其他部分以界面分开的均匀部分称
5、为相。通常 把具有 n 个组元都是独立的体系称为 n 元系，组元数为一的体系称为单元系。 处于平衡状态下的多相（ P 个相）体系，每个组元（共有 C 个组元）在各相中的化学势都必须彼此相等。处于平衡状态的多元系中可能存在的相数将有一定的限制。这种限制可用吉布斯相律表示之： f=C-P+2 式中， f 为体系的自由度数它是指不影响体系平衡状态的独立可变参数（如温度、压力、浓度等）的数目； C 为体系的组元数； P 为相数。 对于不含气相的凝聚体系，压力在通常范围的变化对平衡的影响极小，一般可认为是常量。因此相律可写成下列形式： f=C-P+1 相律给出了平衡状态下体系中存在的相数与组元数及温度、
6、压力之间的关系，对分析和研究相图有重要的指导作用。 单元系相图 单元系相图是通过几何图形描述由单一组元构成的体系在不同温度和压力条件下所可能存在的相及多相的平衡。现以水为例说明单元系相图的表示和测定方法。 水可以以气态（水气）、液态（水）和固态（冰）的形式存在。绘制水的相图，首先在不同温度和压力条件下，测出水 -汽、冰 -汽和水 -冰两相平衡时相应的温度和压力，然后，通常以温度为横坐标压力为纵坐标作图把每一个数据都在图上标出一个点，再将这些点连接起来，得到如图 6 所示的 H2O 相图。根据相律 f=C-P+2=3-P 由于 f0 ，所以 P3 ，故在温度和压力这两个外界条件变化下，单元系中最
7、多只能有三相平衡。 OA， OB和 OC 3 条曲线交于 O 点，它是汽、水、冰三相平衡点。根据相律，此时 f 0，因此要保此三相共存，温度和压 力都不能变动。 如果外界压力保持恒定（例如一个标准大气压），那么单元系相图只要一个温度轴来表示，如水的情况见图 6.1（ b）。根据相律，在汽、水、冰的各单相区内（ f 1），温度可在一定范围内变动。在熔点和沸点处，两相共存， f 0，故温度不能变动，即相变为恒温过程。 在单元系中，除了可以出现气、液、固三相之间的转变外，某些物质还可能出现固态中的同素异构转变。 除了某些纯金属，如铁等具有同素异构转变之外，在某些化合物中也有类似的转变，称为同分异构转
8、变或多晶型转变。 在二元 合金 相图中 ， 有单相区和两相区。根据相 律可知，在单相区内， f 2-1+1=2，说明合金 在此相区 范围内，可独立改变温度和成分而保持原状态。若在两相区内， f=1，这说明温度和成分中只有一个独立变量，即 在此相 区内任意改变温度，则成分随之而变，不能独立变化；反之亦然。若在合金中有三相共存，则 f 0，说明此时三个平衡相的成分和温度都不变，属恒温转变，故在相图上表示为水平线，称为三相水平线。 四、 杠杆定律 在合金的结晶过程中，随着结晶过程的进行，合金中各个相的成分及各相的相对含量都在不断的发生变化。杠杆定律可以通过相图计算合金结晶过程中的各相的含量。 杠杆定 律的推导： 杠杆定律： WL rb/ab 100% W ar/ab 100%
