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材科基考点强化(第9讲 二元相图)

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考点1：吉布斯自由能成分曲线
例：利用如图所示的自由能-成分曲线说明，公切线将成分范围分成三个区域，各区域内哪些相稳定？为什么？
考点2：合金组织与性能
例1：二元合金中、铸造性能好的合金通常在相图处在（）成分点。

A．发生匀晶转变B．发生共晶转变C．发生包晶转变
例2（名词解释）：伪共晶与离异共晶。

例3：由A、B组元组成甲、乙两种合金，其中甲合金成分为共晶成分，乙合金成分远离共晶成分，这两种合金铸造成型时：（1）哪种合金的流动性好，为什么？（2）哪种合金得到的组织更加致密，为什么？
例4：A、B两组元可以形成共晶合金，回答下列问题：（1）现有一合金样品（其成分未知），观察其室温显微组织为100%的共晶组织，是否可据此认为该样品成分一定为共晶成分，为什么？（2）对在平衡凝固时不发生共晶转变的某成分该合金，在其非平衡凝固时是否有可能得到含有共晶体的室温组织，为什么？
考点3：杠杆定律
例：在共析温度Fe-C合金中碳在铁素体的最大固溶度为0.02wt%，Fe-C合金共析点含碳量为0.77wt%。

现有某Fe-C合金平衡冷却，在共析转变刚结束时，观察到其显微组织中含有珠光体和铁素体各一半。

试求：（1）该合金中含碳量；（2）将该合金重新加热到730℃将得到什么平衡相？（3）将该合金重新加热到950℃又将得到什么平衡相？
考点4：二元相图综合计算
例1：根据如图所示的Al-Zn二元相图。

（1）画出Al-40at%Zn合金的冷却曲线和写出最终的平衡组织；（2）分别计算上述合金在共析转变后初生相和共析组织的相对量。

已知共析反应为：Al(59at%Zn)(Al)(16.5at%Zn)(96.4at%Zn)
例2：根据如下给出的信息，绘制出A和B组元构成的在600℃到1000℃之间的二元相图：A组元的熔点是940℃；B组元在A组元中的溶解度在所有温度下为零；B组元的熔点是830℃；A在B 中的最大溶解度是在700℃为12wt%；600℃下A在B中的溶解度是8wt%；700℃时在成分点A-75(wt%)B有一个共晶转变；730℃时在成分点A-60(wt%)B有另一个共晶转变；755℃时在成分点A-40(wt%)B还有一个共晶转变；在780℃时在成分点A-49(wt%)B有一个稳定金属间化合物凝固发生；在755℃时在成分点A-67(wt%)B有另一个稳定金属间化合物凝固发生。

例3：在如图所示的Ag-Cd二元相图中，当温度为736℃、640℃、590℃、440℃和230℃时分别会发生什么样的三相平衡反应？写出反应式。

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材料科学基础——二元系相图

材料科学基础——二元系相图


合金相
2021/10/23
合金相结构总结
固溶体
中间相/ 金属间 化合物
置换固溶体
间隙固溶体 正常价化合物 电子化合物
间隙相与 间隙化合物 拓扑密堆相
合金相结构总结
• 当二组元的电负性差别较大时，可能形成正常价化合 物。
• 当电子浓度是控制因素，并达到21/12、21/13、 21/14时，可能形成电子化合物。
2021/10/23
(2) 偏聚与有序
固溶体中的溶质原子分布可分为无序分布、偏 聚分布和短程有序分布。
2021/10/23
பைடு நூலகம்
(3) 有序固溶体
• 溶质原子和溶剂原子分别占居固定位置，而 且晶胞中溶质和溶剂原子之比都是一定的， 又称有序固溶体。
2021/10/23
2021/10/23
固溶体的性能
2021/10/23
合金相结构
• 相(phase) ：合金中具有同一聚集状态、成 分和性能均一，并以界面分开的组成部分。
• 合金相由固溶体和中间相两大类相组成。
2021/10/23
3.1.2 固溶体 Solid Solution
• 固溶体：溶质原子完全溶入固态溶剂中，并 能保持溶剂元素的晶格类型所形成的合金相 。
• 尺寸因素化合物(Size-Factor Compound)：间隙相， 间隙化合物，△r>41%结构简单， △r<41%，复杂结 构。
• 拓扑密堆相：全部或主要是四面体间隙的复杂结构。
2021/10/23
1. 正常价化合物
• 结合一般是离子键，具有稳定的电子层结 构。
➢ NaCl型结构，fcc: HfC, HfN, VC, TiC, ZrC, PbS, PbSe。
材料科学-二元相图

材料科学-二元相图

相图5.1 二元相图基本概念5.1.1 相平衡和相律1) 相平衡条件各组元在各相中的化学势相等。

在c个组元组成的系统中若有ρ个相则：μ1α=μ1β=μ1γ=....=μ1ρμ2α=μ2β=μ2γ=....=μ2ρ..........μcα=μcβ=μcγ=......=μcρ。

2) 相律系统的自由度与组元数和相数之间的关系f＝C－P＋2 其中：f：系统自由度数；C：系统组元数；P：系统相数在衡压的系统中（∆P＝0），相律可写成：f＝C－P＋15.1.2相图的表示方法1. 单元系的相图相图：反映组织（相组成）和系统变量参数之间关系的一种工具对于单元系，若∆P≠0，则：f＝C－P＋2＝3－p，最多可出现三相平衡。

例1：水的相图：水的相图纯铁的相图此图（a）反映了在确定的温度和压力下H2O的相组成，也反映温度和压力变化时相组成的变化。

若压强不变，相图是一条直线（b）。

例2：纯铁的相图－反映固态下的相转变可以看到纯铁在不同温度和压强下发生的相转变。

2. 二元系的相图1) 二元系的自由度根据相律：f=C－P+2，一般情况下P＝0f=C－P+1=3－P系统最大的自由度是2（单相平衡）分别是：T （温度）W （一个组元的浓度）因此二元相图中，横坐标是成分（组元浓度），纵坐标是温度.2) 成分表示法设两组元（A,B）在二元系中的质量百分数为：w A、w B，摩尔百分数为：x A、x B，两者之间是可以相互转换的。

设：R A 、R B 为组元的原子量， 则：100%x R x R x R w B B A A A A A ⨯+=， %100⨯+=BB A A BB B x R x R x R w ；%100⨯+=BBA A A A A R w R w R w x ， %100⨯+=BBA AB B B R w R w R w x3. 相图的建立可以从理论和实验两条途径获得相图实验：测临界点 理论：计算G-x 曲线测定临界点的方法：热分析、X 射线、热膨胀、磁性方法等。

二元相图ppt

二元相图ppt

组分固定
当组分固定时，相图中的液相线、固相线位置固定，各相区范围也相对固定。
06
二元相图的未来发展
提高测定精度
采用更精确的测定技术
例如，X射线衍射、中子散射等，以提高二元相图测定精度。
完善实验方案
采用多种实验技术结合，消除误差，提高测定数据的可靠性 和准确性。
探索新的二元相图类型
研究非金属二元体系
液态二元相图通常采用双变量坐标系，其中横坐标表示温度 ，纵坐标表示压力，以表示不同温度和压力下两种液体的平 衡状态。
固态二元相图
固态二元相图表现的是固体两相间平衡关系，通常用于描 述两种固体间的相互溶解度、结晶和分离过程。
固态二元相图通常采用双变量坐标系，其中横坐标表示温 度，纵坐标表示压力，以表示不同温度和压力下两种固体 的平衡状态。
实验测定流程
样品制备
选择合适的原材料，按照一定比例混合、 球磨、干燥等流程制备样品。
数据处理
对实验检测得到的数据进行处理和分析， 提取有用的信息。
样品检测
根据实验目的，选择合适的检测仪器对样 品进行检测。
结果总结
根据数据处理结果，撰写实验报告，总结 实验结果和结论。
实验测定数据的处理
数据整理
整理实验数据，排除异常值和误差 ，确保数据准确性。
温度降低
相图中的液相线、固相线位置会向低温方向移动，各相区范 围也会发生变化。
压力的影响
压力升高
相图中的液相线、固相线位置会向高压方向移动，各相区范围也会发生变化 。
压力降低
相图中的液相线、固相线位置会向低压方向移动，各相区范围也会发生变化 。
组分的影响
组分变化
相图中的液相线、固相线位置会随着组分的变化而移动，各相区范围也会发生变 化。
材料科学二元相图

材料科学二元相图


Phase diagram plays an important role in researching and developing new materials, and in processing materials!
10
相律 Gibbs phase rule
相律：确定在平衡条件下，一个系统的组成物的组元数、相 数、和自由度数之间的关系规律。
Fe-C binary phase diagram
Temperature-composition
8
A-B-C ternary phase diagram
Temperature-composit
相图
1、 某一成分合金，在一定的温度所处的状态、相组成； 2 、合金在冷却过程中发生了哪些转变，以及转变温度； 3、 一定成分的合金室温下具有什么样的平衡组织，进一 步可以根据组织与性能的关系，预测材料的性能； 4、 相图与材料的加工工艺性能（如流动性）也存在一定 的对应关系。
非晶体 材料在凝固过程中逐渐变硬
水晶 玻璃制品
结晶是由 液相 固相的过程，是相变过程。 材料在凝固过程中逐渐变硬只是一个凝固的过程，不是相变。
6
单组元相图
对于成分单一的纯物质，如纯水、纯金属、纯氧化物等，由
于没有成分的变化，一般采用 压力(Pressure)-温度(Temperature)相图(PT phase diagrams) 。
Pure Fe phase diagram
Temperature-pressure
7
合金相图
对于常用的合金相图，因为压力的影响很小，况且一般都 是处在1个大气压的条件下，所以不再把压力当作变量考虑，
而采用
温度-成分相图 (temperature-composition phase diagram)。