冶金物理化学 第四章 相图

第四章冶金炉渣1 相图是热力学平衡条件下体系热力学函数的集合描述。

怎样理解相图中的点、线、面的意义？解（1）二元相图是温度和体系组分构成的坐标图。

它有若干边界线划分坐标面为单相区及二相区组成。

边界线是垂直线、水平线和曲线。

1）曲线。

单相区与二相区的边界线。

有两种：液相线（熔点线）：L S固溶体析出线：L→S·S·(固溶体)2)垂直线。

二组分形成化合物的组成线，有两种化合物：稳定化合物：垂直线顶点有曲线，顶点即化合物的熔点。

可利用此垂直线将相图划分为几个子相图。

不稳定化合物：垂直线顶端有横线，顶点是此化合物的分解或转熔反应的温度。

3）水平线。

一定温度的相变过程或相变反应线。

①相变过程：是同质异形物的晶型转变，横线上下两相区的界线是连线的。

②相变反应：是相之间的反应，横线上下二相区的界线不连线，有旧相分解或化合反应发生，产生新相。

4）相点。

相点出现在水平线的端点和交点上，从冷却过程看，有下列相变反应点：①共晶点：液相分解为两固相，固相是纯组分、化合物或固溶体：L→S1+S2②共析点：固体化合物或鼓溶体分解为两固相：S(或S·S·)= S1+S2③包晶点：液相与固相化合成另一固相，L+ S1 = S2④偏晶点：液相分解为一固相和另一液相，L1=S+L2⑤包析点：两固相化合成另一固相：S1+S2=S5）面。

单相区：L；二相区：S+L，S1+S2，L1+L2（共溶区）（2）三元相图，由面、线、点构成。

1）面。

单相区（初晶区）：L→S（纯组元，化合物）：稳定化合物在其初晶区之内，不稳定化合物在其初晶区之外。

2）线。

相邻两相区的边界线，稳定化合物的连线可划分相图为独立的子相图，不稳定化合物的连线，则无此作用。

共晶线：L=S1+S2；转熔线: L+ S1 = S23)点。

4相共存：共晶点：L=S1+S2+S3；转熔点：L+S1=S2+S3。

2 什么叫做炉渣的熔化温度和熔化性温度？它对高炉冶炼有什么影响？解炉渣的熔化温度（熔点）是指在温度升高时，固相完全转变为液相的温度，也即相图上熔渣组成所在液相线的温度。

第四章1.在Al-Mg合金中,X Mg为0.15,计算该合金中镁的W Mg为多少。

2.根据图4-117所示二元共晶相图,试完成:(1)分析合金Ⅰ,Ⅱ的结晶过程,并画出冷却曲线.(2)说明室温下合金Ⅰ,Ⅱ的相和组织是什么?并计算出相和组织组成物的相对量.(3)如果希望得到共晶组织加上相对量为5%的β初的合金,求该合金的成分.(4)合金Ⅰ,Ⅱ在快冷不平衡状态下结晶,组织有何不同.3.分析图4-118所示Ti-W合金相图中,合金Ⅰ(ww=0.40)和(ww=0.93)在平衡冷却和快冷时组织的变化.4.含W Cu为0.0565的Al-Cu合金(见图4-119)圆棒,置于水平钢模中加热熔化,然后采用一端顺序结晶方式冷却,试求合金圆棒内组织组成物的分布,各组成物所占圆棒的百分数及沿圆棒长度上Cu浓度的分布曲线(假设液相内熔质完全混合,固相内无扩散,界面平直移动,液相线与固相线呈垂直)。

5.参看图4-45所示的Cu-Zn相图,指出图中有多少三相平衡,写出它们的反应式.并分析含wZn为0.4的铜锌合金平衡结晶过程中的冷却曲线,主要转变反映式及室温相组成物与组织组成物.6.根据下列数据绘制Au-V二元相图.已知金和钒的熔点分别为1064℃和1920℃.金与钒可形成中间相β(AuV3),钒在金中的固熔体为α,其室温下的熔解度为wV=0.19,金在钒中的固熔体为γ, 其室温下的熔解度为wAu=0.25.合金系中的两个包晶转变,即(1) β(wV=0.4)+L(wV=0.25)== α(wV=0.27)(2) γ(wV=0.52)+ L(wV=0.345)== β(wV=0.45)7.计算含wC为0.04的铁碳合金按压稳态冷却到室温后组织中的珠光体`、二次渗碳体和莱氏体的相对量,并计算组成物珠光体中渗碳体和铁素体及莱氏体中二次渗碳体、共晶渗碳体与共析渗碳体的相对量.8.根据显微组织分析,一灰口铁内含有12%的石墨和88%的铁素体.试求其wC.9.汽车挡泥板应选用高碳钢还是低碳钢制造?10.当800℃时, 试求:(1)含wC =0.002的钢内存在哪些相.(2)写出这些相的成分.(3)各相所占的相对量是多少.11.根据Fe-Fe3C相图,试完成:(1)比较wC =0.004的合金在铸态和平横状态下结晶过程和室温组织有何不同.(2)比较wC =0.019合金在慢冷和铸态下结晶过程和室温组织的不同.(3)说明不同成分区铁碳合金的工艺性(铸造性、冷热变形性).12.图4-120为Pb-Sn-Zn三元合金相图液相面投影图.(1)在图上标出合金X(wPb =0.75,wSn=0.15,wZn=0.10)的位置,合金Y(wPb =0.50, wSn=0.30, wZn=0.20)的位置及合金Z(wPb =0.10, wSn=0.10, wZn=0.80)的位置.(2)若将2Kg X,4Kg Y及6Kg Z混熔成合金W,指出W的成分点位置.(3)若有3Kg合金X,问需要配多少何种成分的合金才能混合成6Kg的合金Y?13.有合金R由α, β, γ三相组成,合金R及三相中的组元A的含量依次为AR,Aα,Aβ,Aγ,组元B的含量依次为BR,Bα,Bβ,Bγ,组元C的含量依次为CR,Cα,Cβ,Cγ.试利用代数方法求合金R中的三相的质量分数.14.试分析图4-96中所示①,②,③,④和⑤区内合金的结晶过程,冷却曲线及组织组成物.15.试分析图4-102所示中Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ和Ⅴ区内合金的结晶过程,冷却曲线及组织组成物.16.请在图4-113所示中指出合金X(wCu=0.15,wMg=0.05)及合金Y(wCu= wMg =0.20)的成分点、初生相及开始凝固温度;并根据液相单变量线的走向判断所有四相平衡转变的类型.17.wCr=0.18,wC=0.01的不锈钢,其成分点在1150℃截面图(见图4-112)中p点处,合金在1150℃时各平衡相质量分数应如何计算?18.利用图4-111分析2Cr13不锈钢(wCr=0.13,wC=0.0002),4Cr13不锈钢(wCr=0.13,wC=0.0004)和Cr12型模具钢(wCr=0.13,wC=0.02)的凝固过程及组织组成物;并说明它们的组织特点.19根据图4-121分析陶瓷(wSiO2=0.57,wCaO=0.38,wAl2O3=0.05)的凝固顺序及试问室温下各相的质量分数.20.指出下列各题错误之错,并更正.(1)固熔体晶粒内存在枝晶偏析,主轴与枝间成分不同,所以整个晶粒不是一个相。

P3443（1）把含w(Ni)=30%的熔体从1600K开始冷却，试问在什么温度开始有固体析出，其组成如何？最后一滴熔体凝结时的温度和组成各为多少？（2）将含w(Ni)=50%的合金0.24kg冷却到1550K，Ni在熔体和固体中的含量各为多少？此为固态完全互熔系统。

设开始结晶温度为IT ，终了结晶温度为FT 。

（1）IT = -0.0214x 2+ 5.8041x + 1356.5，w(Ni)=30%，即 x=30, 开始有固体析出的温度IT=1511.37KFT = 0.0142x 2+ 2.2716x + 1355, FT=1511.37, x=53，即w(Ni)=53% 开始有固体析出时组成：固体相含53%(w/w) Ni ；液态熔体含30%(w/w) NiFT = 0.0142x 2+ 2.2716x + 1355, x=30, FT=1435.93KIT = -0.0214x 2+ 5.8041x + 1356.5， IT=1435.93K, x=14 最后一滴熔体凝结时温度T=1435.93K最后一滴熔体凝结时组成： 固体含30%(w/w) Ni ； 液态熔体含14%(w/w) Ni;(2) IT = -0.0214x 2+ 5.8041x + 1356.5， IT=1550K, x=38.9，w(Ni)=38.9%。

FT = 0.0142x 2+ 2.2716x + 1355, FT=1550, x=61.6，w(Ni)=61.6%。

(50-38.9)W L = (61.6-50)W S , 又 W L +W S =0.24kg联立以上两式子，解方程得： W S =0.118kg ， W L =0.123kg 固体含Ni=0.118*61.6%=0.073kg 熔体含Ni=0.123*38.9%=0.047kgCu-Ni Phase diagram0200400600800100012001400160018002000020406080100x=Ni%(w/w)T /K53-2（1）指出相图(a)中的错误，并说明理由(S 1是化学计量化合物)，如何改正? 写出相应的反应及中英文名称；（2）根据MgSO 4-H 2O 体系的相图，见图b 分析，从MgSO 4的稀溶液制取最大量的MgSO 4•6H 2O 应选择的条件和采取的步骤（图中S 1=MgSO 4•12H 2O ，S 2=MgSO 4•7H 2O ，S 3=MgSO 4•6H 2O ） 解： （1）1）在等压二元系相图中，由于自由度F=2-P+1最小为零，所以可能平衡共存的最大相数为3，图a 中线BGA 上有4相，所以是不正确的。

工程材料4-1铁碳相图ENGINEERINGMATERIALS工程材料及应用多媒体教案五邑大学机电工程学院第四章工程材料课件ppt第四章铁碳合金第一节铁碳合金系相图一、铁碳合金系组元的特性组元：纯铁碳1、纯铁纯铁的同素异构转变工程材料课件ppt工程材料课件ppt2.1.2同素异构转变许多金属在固态下只有一种晶体结构。

●许多金属在固态下只有一种晶体结构。

如铝、银等金属在固态时无论温度高低，如铝、铜、银等金属在固态时无论温度高低，均为面心立方晶格。

均为面心立方晶格。

钒等金属为体心立方晶格。

钨、钼、钒等金属为体心立方晶格。

有些金属在固态下，●有些金属在固态下，存在两种或两种以上的晶格形式。

的晶格形式。

如铁、钛等，在冷却或加热过程中，如铁、钴、钛等，在冷却或加热过程中，晶格形式会发生变化。

格形式会发生变化。

金属在固态下随温度的改变，金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变同素异构转变。

为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。

工程材料课件ppt工程材料课件ppt同素异晶体：同素异晶体：以不同晶体结构存在的同一种金属的晶体。

一种金属的晶体。

Fe、Fe、Fe都是纯铁的同素异δ-Fe、γ-Fe、α-Fe都是纯铁的同素异晶体。

晶体。

金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶重结晶。

二次结晶或晶态的过程称为二次结晶或重结晶。

金属的同素异构转变即是二次结晶或重结晶。

结晶。

工程材料课件ppt同素异构转变特点同素异构转变时也有过冷现象，●同素异构转变时也有过冷现象，放出潜热，有固定的转变温度。

潜热，有固定的转变温度。

新同素异构晶体也有形核和长大两个过程。

也有形核和长大两个过程。

导致金属体积发生变化，●导致金属体积发生变化，产生较大内应力。

例如γFe转变为转变为αFe时应力。

例如γ-Fe转变为α-Fe时，铁的体积会膨胀约1%。

可引起钢淬火时产生应力，会膨胀约1%。

可引起钢淬火时产生应力，可引起钢淬火时产生应力严重时会导致工件变形和开裂。

冶金物理化学教案中的相图与相变理论相图与相变理论在冶金物理化学教学中起到了至关重要的作用。

本文将详细介绍相图与相变理论的概念、应用以及在冶金学中的具体实例。

希望通过本文的阐述，读者能够对冶金物理化学教案的相图与相变理论有更深入的了解。

一、相图的概念与应用1.1 相图的定义相图是指描述物质在不同温度、压力和成分条件下的物相存在区域的图表。

相图可以通过实验或计算得到，用以研究物质的相变规律和相区稳定性。

1.2 相图的构造与表示方法相图通常以坐标轴表示温度、压力和成分等参数，而不同的物相则用不同的区域或曲线表示。

常见的相图表示方法包括等温线、等压线、等成分线等。

1.3 相图的应用相图的应用十分广泛，特别是在冶金学领域。

相图可以用于指导合金设计、优化冶金工艺和预测相变行为。

通过研究相图，我们能够了解合金在不同温度、压力和成分条件下的相平衡及相变规律，为冶金学的实践提供了理论基础。

二、相变理论的概念与应用2.1 相变的定义相变是指物质由一种物相转变为另一种物相的过程。

相变可以通过改变温度、压力和成分等条件来实现。

2.2 相变的分类相变可以分为一级相变和二级相变。

一级相变是指物质在相变过程中伴随着潜热的释放或吸收，如固液相变和液气相变；二级相变是指物质在相变过程中不伴随潜热的释放或吸收，如铁磁相变和铁电相变。

2.3 相变理论的应用相变理论可以用于解释和预测物质的相变行为。

在冶金学中，相变理论可以应用于合金的晶体生长、凝固过程和相变转变过程的控制。

通过研究相变理论，我们可以优化合金的性能和工艺，提高冶金产品的质量。

三、冶金物理化学教案中的相图与相变理论应用实例3.1 合金设计相图与相变理论可以用于指导合金设计的过程。

通过分析合金的相图，我们能够预测合金在不同条件下的相平衡和相变行为，从而选择合适的材料组成和工艺参数，优化合金的性能。

3.2 冶金工艺优化相图与相变理论在冶金工艺的优化中有着重要的应用价值。

通过研究相图，我们可以确定合金的热处理温度和时间，以控制合金的微观结构和性能。

基本概念回顾v自由度：体系的总变量数减去独立方程数的式，为 独立变量数，也即体系的自由度。

----计算方法冶金物理化学—相图体系总变量数为：(m-1)r+2（考虑温度和压力条件下）其中：假设体系有m个组元，存在r个相，则其中m-1个组元应为独立组 元。

则变量数为：(m-1)r独立方程数：(r-1)m 故自由度: f=m+2-r相律：若C表示组元的数量，P表示相的数量，则 相律常写为f=C-P+2。

冶金物理化学（相图）基本概念回顾 几个定义：v组元：组成系统的独立化学组成物。

合金中元素 视为组元，陶瓷中某一化合物视为组元。

v相：在一个多相体系中由界面分开的物质的均匀 部分，它们具有相同的物理、化学性质和晶体结 构。

v自由度：平衡状态下，在不改变相的类型和数目 时，可以独立变化的状态函数的数量。

冶金物理化学（相图）二元相图的类型v十二个基本类型1、具有最低共溶点或称简单共晶； 2、具有稳定化合物或称同分熔点化合物； 3、具有异分熔点化合物； 4、具有固相分解的化合物； 5、固相晶型转变； 6、液相分层； 7、形成连续固溶体； 8、具有最低点或最高点的连续固溶体； 9、具有低共熔点并形成不连续固溶体； 10、具有转熔反应并形成有限固溶体； 11、具有共析反应； 12、具有包析反应。

冶金物理化学（相图）二元相图的几何元素---面、线v 二元相图由曲线、水平线、垂直线和斜线组成，这些 线把整个图面分成若干区域 区域，形成若干交点 交点。

从而形成相 图中的基本几何元素点、线、面。

v二元相图的几何元素---线二元相图的垂直线：是两组分形成化合物的组成线，可以是 稳定化合物也可以是不稳定化合物。

在化合物的熔点温度，液相和固相有相同的组成，此种化合物 即为稳定化合物，又称同分熔点化合物 同分熔点化合物；若化合物没有固定熔点 仅有分解温度，作为分解产物的固相和液相组成都与原固相化合 物不同，此化合物即为不稳定化合物，也称为异分熔点化合物 异分熔点化合物。