第一章 相图

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成分三角形中特殊的点和线 三个顶点：代表三个纯组元 三个边上的点：二元系合金的成分点 平行于某条边的直线：其上合金所含由此边 对应顶点所代表的组元的含量一定 通过某一顶点的直线：其上合金所含由另两 个顶点所代表的两组元的比值恒定。
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四相平衡转变 共晶、包晶、包共晶、偏共晶、共析、包析、 包共析转变等
相图要用三维立体图表示。直观上保持某一
变量为常数，使三维立体图变为二维平面图，
也可理解为某个条件按下的截面图，T-x图，
p-x图，T-p图。
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二元系统有两个组元，系统最多有3个独立变 量，而两个组元中只有一个组元的浓度作独 立变量。通常范围内压力对凝聚系统相平衡 的影响可忽略，相律为： f=c-p+1，二元系统中 f 最大2，为温度T和成 分X。
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气体物质一般只能是一个相：相平衡条 件下，不同气体可以任何比例均匀混合 在一起。
相界面：不同的相之间必然有界面将其 截然分开，但由界面分开的并不一定就 是两个不同的相；在界面两侧性质发生 变化的是两个不同的相，它们之间的界 面称为相界面。
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组元：通常指构成材料的最简单、最基 本、可以独立存在的物质。在一给定系 统中，就是构成系统的各种化学元素或 化合物。 按照组元数目的不同，可将系统划分为 单元系，二元系，三元系和多元系。
两相机械混合物的合金 形成稳定化合物（出现突变点）
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注意
相图反映的是平衡条件下相的平衡，而不是 组织的平衡。
给出的是体系中存在的相和相对量，不表示 相的形状、大小和分布。
相图给出的是平衡状态时的情况。注意在非 平衡条件下可能出现的相和组织。
二元相图只反映二元系合金的相的平衡关系 60
第四节 三元系相图
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固态相变
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第二节 相律与相平衡
相律：相平衡的热力学条件。也是统摄 一切相图的最基本规律。
f=c-p+2 （吉布斯相律）
f：自由度数，c：组元数，p：相数
热力学名词：系统，相，组元，自由度，
相平衡
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系统：任何选定的一部分物质“孤立” 起来进行研究的对象。 所谓“孤立”：物质的量和成分始终 保持不变。 相：性质和成分均匀，结构相同，以 界面相互分开。
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相图是根据临界点特征建立的。
相变临界点
决定系统状况的温度、压力、浓度等变数连 续变化，并保持相数目和特点不变，则整个 系统性质的变化即为连续的；
若系统中有了新相产生或旧相消失，则整个 系统的性质将发生跳跃式变化，发生跳跃的 奇异点即为相变的临界点。
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临界点测定方法：热分析法；金相法；膨胀 法；磁性法；电阻法，X射线结构分析法等。 温度T和成分X的相图
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第一章 相图 第一节 引论
相变：指在一定外 界条件下，体系中 发生的从一相到另 外一相的变化过程
T
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相：系统中成分均一，结构相同，性能一 致的均匀的组成部分，并和体系其它部分 有明显界面的称为相。在相界面处物质的 性质发生突变。
相图：具体描述在平衡条件下材料的相平 衡态与成分和温度、压力等外部条件之间 关系的图解，又称状态图或平衡图。
均相系统和复相系统
水
糖水
糖水 糖
均相系统
复（多、非均）相系统
（homogeneous system） （heterogeneous system )
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平衡：系统没有任何变化的趋势。
在平衡态，温度必须恒定，成分必须均 匀。如果有气相，压力也必须恒定。
相平衡强调是动态的平衡，两种或者两 种以上的相彼此变化的速率相等。
当系统压力为常数时，相律为
f=c-p+1
固态相变中，比如合金的状态由成分和 温度两个因素确定。
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关于相律的几点说明
1）相律适用于宏观系统，不适用微观系 统；
2）相律能够说明系统处于平衡的条件和 系统趋向相平衡的方向，但是，不能说 明达到平衡的速度；
3）相律仅适用于平衡系统。
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第三节 单元系相图 只有一种纯物质，c=1，影响系统平衡状 态的外界因素是温度和压力，相律为： f=c-p+n=c-p+2=3-p
包晶转变 包析转变 合晶转变
合成型
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二元相图恒温转变类型（反应式，相图特征）
共晶转变 共析转变 偏晶转变 熔晶转变
L↔α+β γ↔α+β L1↔L2+α β↔α+ L
分解型
包晶转变 包析转变 合晶转变
L+β↔α γ+β↔α L2+L1↔α
合成型
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二元铁碳合金中的珠光体
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二元铁碳合金中的珠光体
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三元系相图特点？
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三元相图的主要特点 是立体图形，主要由曲面构成 可发生四相平衡转变 一、二、三相区为一空间
成分表示法－成分（浓度）三角形（等边、等 腰、直角三角形）（点——成分）
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成分（浓度）三角形（等腰、直角三角形） （点——成分）
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成分三角形中特殊的点和线 三个顶点：三个纯组元 三个边上的点：二元系合金的成分点 平行于某条边的直线：其上合金所含由此边 对应顶点所代表的组元的含量一定 通过某一顶点的直线：其上合金所含由另两 个顶点所代表的两组元的比值恒定。
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是否存在稳定化合物 熟悉单相区中所标的相 三相共存线，确定三相平衡转变的性质 利用相图分析合金的结晶过程及组织 单相区，该相成分与原合金相同 两相区，不同温度下两相成分分别沿其相界线 而变，杠杆法求出两相的相对量。 三相共存，三相成分是固定的。
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应用 判断力学和物理性能，判断工艺性能 合金硬度、强度、电导率等 铸造性能、压力加工性能、热处理性能等
单相区内无论温度还是压力都可在一定范围作 任意变动，既不会有相生成也不会有相消失。
单元系统在两相平衡时，温度和压力只有一个 是独立可变的；三相平衡共存点，温度和压力 都不能随意变动。
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第四节 二元系相图
有两个组元，c=2，体系中至少有一个相，其 自由度最多为3。即系统最多有3个独立变量， 即温度、压力和组成，比单元系统多了一个， 即组元浓度的变化。
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本课程要求
掌握金属材料固态相变的基本概念、基 本原理、研究方法及其主要应用领域；
掌握成分、组织与性能之间的关系，对 金属材料具有一定的研究与分析能力；
运用固态相变基本原理分析实际材料中 的相变问题，合理制定热处理工艺，为 开发新材料和新工艺奠定理论基础。
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本课程主要内容
金属固态相变概论 钢中奥氏体的形成 珠光体转变 马氏体相变 贝氏体相变 过冷奥氏体转变 脱溶沉淀及时效
垂线左侧的汽相区
O是三相点，f=0，是定态， 垂线右侧的气相区因高于临 系统的压力和温度均一定 界温度，不可能只用加压的 （273.16K，610.12Pa） 方法使气体液化。
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水的冰点：
在101.325kPa下，被 空气所饱和了的水的凝 固点(273.15K)。
P = 101.325 kPa
空气
OA线斜率为负值，是由于冰在融化过程中体积减少30 。
二氧化碳相图
硫相图
熔化过程中的体积增加， 常温常压下有异构体，相
熔化曲线的斜率为正。 图更复杂。
（大多数物质）
（其他特殊）
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纯铁的相图
温度和压力都能变化
只有温度变化
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二氧化硅相图 同素异构体转变
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相图分析
相图上的每一点，都对应着系统的某一状态， 通常称作状态点、表象点或示态点。
H2O(s) H2O(l)
水的三相点： 纯水三相平衡的温度。
H2O(g) H2O(s)
H2O(l)
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OA线也不能无限制地延伸， 大约在（-20C，2.3108Pa） 开始，相图变得复杂，有 不同结构的冰生成。
OB线在理论上可以延长到 绝对零度。
OC线是OC线的延长线，是水和水蒸气的介稳平衡线， 过冷状态是非稳定状态。一旦向其中投入少量冰作引 发，体系迅速变为冰。
材料的热力学与相变 （相变部分）
赵新奇 材料学院
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材料的相结构是直接影响材料力学、 物理、化学性能的重要因素。
研究和控制材料中的相变过程，从而 提高材料性能，一直是材料科学与工 程领域的一个重要的研究领域。
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本课程目的
介绍相变的基本理论，使大家能够对材 料的相变化过程有深入的了解，尤其是 金属的固态相变，熟悉主要的热处理工 艺对金属材料 固态组织与性能的影响规 律，了解金属固态相变-组织-性能之间 的具体关系，为从事材料科学的深入研 究打下必要的理论基础。
-活动度
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相律：限制使系统的自由度 f 和组元数 c 、相数 p 以及对系统平衡状态能够产 生影响的外界因素数 n （通常是2）之间 存在的一定关系，即为相律。
f=c-p+n
更确切的说相律是系统的自由度、组元 数和相数之间的关系。
是检验、分析和使用相图的重要工具。 20
相律推导
在平衡系统中，有c种物质，则有(c-1)个 浓度变量。
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相图分析步骤 是否存在稳定化合物 熟悉单相区中所标的相 三相共存线，确定三相平衡转变的性质 利用相图分析合金的结晶过程及组织
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稳定化合物？
中间相：相图中间存在化合物
稳定化合物：有确定的熔点，可熔化成与固态 相同成分液体的化合物，也称为一致熔融化合 物。
不稳定化合物：不能熔化成与固态相同成分的 液体，当加热到一定温度时会发生分解，转变 为两个相。
共析体，是两相的机械混合物（铁素体+渗碳 体） 与共晶反应不同的是，共析反应的母相是固 相，而不是液相。 由于固态转变过冷度大，因而共析组织比共 晶组织细。