相平衡和相图.ppt

第六章相平衡和相图合金相图是表示合金在热力学平衡条件下相或状态与温度、成分之间关系的图形，又称为状态图或平衡图。
合金相图的用途：
①利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相及各相的相对含量和成分，以及温度变化时发生的相的变化。这种相与相之间的转变称为相变。
②利用相图可以分析平衡状态下合金的组织，并进而预测性能。
③合金相图还是制订合金熔炼、铸造、锻造、焊接和热处理工艺的重要依据。6.1相平衡及其研究方法
一、相平衡的基本概念
1、系统
通常，我们把选择的研究对象称为系统。而系统以外的一切物质都称为环境。
当外界条件不变时，如果系统的各种性质不随时间而改变，则这系统就处于平衡状态。没有气相或虽有气相但其影响可忽略不计的系统称为凝聚系统。一般地讲，合金和硅酸盐系统都属于凝聚系统。

2、相
系统中具有相同物理与化学性质的完全均匀部分的总和称为相。系统中，相与相之间总是以明显的界面相互分开的，称为相界面。
比如，纯金属：
固态时为一个相→固相
液态时也为一个相→液相
熔点状态下，固体和液体共存，并以界面分开，则就是两个相。一个系统中所含相的数目，叫做相数，以符号P表示。
按照相数的不同，系统可以分为：单相系统（P＝1），二相系统（P＝2），三相系统（P＝3）等等。
含有两个相以上的系统，统称为多相系统。几点规律：
（1）一种物质可以有几个相。
（2）相是一个抽象的概念，它一般不涉及
具体的形态，也与其是否连续没有关
系。
（3）相与物质的数量多少无关，即一个相
不一定只含有一种物质。（4）几种物质混合后，既可能形成一个
相，也可能形成几个相。
对于固体系统，有以下几种情况：
①形成机械混合物
②生成化合物
③形成固溶体
④同质多晶现象3、组元、独立组元
组元是指系统中每一个能单独分离出来并能独立存在的化学纯物质，也称为组分。组元既可以是纯元素，也可以是稳定的化合物。
在金属合金中，以纯元素为组元，而在硅酸盐系统中，则以各氧化物作为系统组元。独立组元是指足以表示形成平衡系统中各相组成所需要的最少数目的物质（组元），也称为独立组分。
独立组元的数目，称为独立组元数，以符号C表示。按照独立组元数目的不同，可以对系统分类。通常把具有n个独立组元的系统称为n元系统。
C＝1，称为单元系统；C＝2，称为二元系统；C＝3，称为三元系统等。组元与独立组元的关系：
（1）如果系统中不发生化学反应，则：
独立组元数＝物种数（即组元数）
（2）如果系统中存在化学反应并建立了平衡，
则：
独立组元数＝物种数一独立化学反应数
（指独立化学平衡关系式数）
例如，由CaCO3、CaO、CO2组成的系统，在高温下存在下述反应：

若该反应能够达到平衡，则有一个独立的化学反应平衡常数。
此时，虽然组元数＝3，但独立组元数C＝3－1＝2。4、自由度
在一定范围内，可以任意改变而不引起旧相消失或新相产生的独立变量称为自由度，平衡系统的自由度数用F表示。
这些变量主要指组成（即组分的浓度）、温度和压力等。.5、外界影响因素
影响系统平衡状态的外界因素包括：温度、压力、电场、磁场、重力场等等。外界影响因素的数目称为影响因素数，用符号n表示。
在一般情况下只考虑温度和压力对系统平衡状态的影响，即n＝2。
对于凝聚系统，由于在相变过程中压力保持常数，则外界影响因素主要是温度，即n＝1。二、相律
合金的相平衡条件：每个组元在各相中的化学位相等。
1、相律表达式
F＝C－P十nF＝C－P十2
对于凝聚系统，n＝1：F＝C－P十1
系统中组分数C越多，则自由度数F就越大；相数P越多，自由度数F越小；自由度为零时，相数最大；相数最小时，自由度最大。2、相律的应用
①利用相律可以确定系统中可能存在的最多平衡相数
eg1：对单元系—纯金属来说，C=1，fmax=1
（温度）
若f=1，代入得P=1
f=0，则P=2
最大平衡相数为2eg2：对于二元系合金来说，C=2，fmax=2
若f=2，→P=1
f=1，→P=2
f=0，→P=3
可见，二元合金平衡状态最多可有三个相共存。②利用相律可以分析凝固现象
eg3：纯金属的凝固只能在恒温下进行，而二元
合金的凝固存在一定的温度范围
∵纯金属凝固时，二相共存，P=2，而C=1，代入公式，则f=0，∴温度不能改变。
而二元合金凝固时，也是二相共存，P=2，C=2，则f=C－P+1=1，即存在一个变量。对于给定成分的合金，其温度可以变化。.三、相平衡的研究方法
1、动态法
最普通的动态法是热分析法。这种方法主要是观察系统中的物质在加热和冷却过程中所发生的热效应。
热分析法又包括冷却曲线法和差热分折法。此外还有热膨胀曲线法和电导（或电阻）法。冷却曲线法测定相图的原理和步骤：
①配制合金
②测定相变临界点
冷却曲线上的转折点即相变临界点。