二元系相图和合金的凝固与制备原理.ppt
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1、二元相图(xin(xin t)t)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。用热分析测量临界点来绘制二元相图(xin t)(xin t)的过程。1第1页/共51页第一页,共52页。在二元相图中有单相区和两相区。由相律可知(k(k zh)zh),二元系最多只能三相共存,且在相图上为水平线。2第2页/共51页第二页,共52页。固溶体的自由(zyu)(zyu)能为 7.2 7.2 相图热力学的基本相图热力学的基本(jbn)(jbn)要点要点 7.2.1 固溶体的自由(zyu)能-成分曲线 xA和xB分别表示A,B组元的摩尔分数;A和B分别表示A,B组元在T(K)温
2、度时的摩尔自由能;R是气体常数;为相互作用参数,其表达式为 NA为阿伏加德罗常数,z为配位数,eAA,eBB和eAB为A-A,B-B,A-B对组元的结合能。3第3页/共51页第三页,共52页。按三种不同的情况,分别作出任意给定温度(wnd)(wnd)下的固溶体自由能-成分曲线。4第4页/共51页第四页,共52页。相互作用参数的不同,导致自由能成分(chng(chng fn)fn)曲线的差异,其物理意义为:当 0 0,A AB B对的能量低于AAAA和BBBB对的平均能量,所以固溶体的A A,B B组元互相吸引,形成短程有序分布,在极端情况下会形成长程有序,此时HmHm0 0。当 0 0,ABA
3、B对的能量等于A-AA-A和B-BB-B对的平均能量,组元的配置是随机的,这种固溶体称为理想固溶体,此时Hm Hm 0 0。当 0 0,ABAB对的能量高于A-AA-A和B-BB-B对的平均能量,意味着 ABAB对结合不稳定,A A,B B组元倾向于分别聚集起来,形成偏聚状态,此时Hm Hm 0 0。5第5页/共51页第五页,共52页。两相平衡时的成分由两相自由(zyu)(zyu)能成分曲线的公切线所确定。7.2.2 7.2.2 多相平衡的公切线原理多相平衡的公切线原理(yunl)(yunl)6第6页/共51页第六页,共52页。对于二元系在特定温度(wnd)(wnd)下可出现三相平衡:7第7页
4、/共51页第七页,共52页。7.2.3 7.2.3 混合物的自由能和杠杆混合物的自由能和杠杆(gnggn)(gnggn)法则法则混合物中B B组元的摩尔(m(m r)r)分数为:混合物的摩尔(m r)吉布斯自由能为由上两式可得:混合物的摩尔吉布斯自由能Gm应和两组成相的摩尔吉布斯自由能Gm1和Gm2在同一直线上。该直线即为相和相平衡时的共切线。8第8页/共51页第八页,共52页。两平衡相共存(gngcn)(gngcn)时,两相的成分是切点所对应的成分x1x1和x2x2,即固定不变,可导出:(7.7)式称为杠杆法则(fz),在和两相共存时,可用杠杆法则(fz)求出两相的相对量,相的相对量为 ,相
5、的相对量为 ,两相的相对量随体系的成分x而变。9第9页/共51页第九页,共52页。7.2.4 7.2.4 从自由能从自由能成分成分(chng fn)(chng fn)曲线推测相曲线推测相图图根据公切线原理可求出体系在某一温度下平衡(pnghng)(pnghng)相的成分:匀晶相图。10第10页/共51页第十页,共52页。图7.87.8表示了由5 5个不同温度下L L,和相的自由能一成分(chng fn)(chng fn)曲线求得A A,B B两组元形成共晶系的相图。11第11页/共51页第十一页,共52页。7.2.5 7.2.5 二元相图的几何二元相图的几何(j h)(j h)规律规律 根据热
6、力学的基本原理,可导出相图应遵循的一些几何规律,由此能帮助我们理解相图的构成(guchng)(guchng),并判断所测定的相图可能出现的错误。(1)(1)相图中所有的线条都代表发生相转变的温度和平衡相的成分,所以相界线是相平衡的体现,平衡相成分必须沿着相界线随温度而变化。(2)(2)两个单相区之间必定有一个由该两相组成的两相区把它们分开,而不能以一条线接界。两个两相区必须以单相区或三相水平线隔开。(3)(3)二元相图中的三相平衡必为一条水平线,表示恒温反应。(4)(4)当两相区与单相区的分界线与三相等温线相交,则分界线的延长线应进入另一两相区内,而不会进入单相区内。12第12页/共51页第十
7、二页,共52页。两个单相区只能(zh nn)交于一点而不能交于一条线13第13页/共51页第十三页,共52页。两相区与单相区的分界线的延长线应进入另一两相区内(q ni),而不会进入单相区14第14页/共51页第十四页,共52页。第七章第七章 二元系相图二元系相图(xin t)(xin t)和合金的凝固和合金的凝固与制备原理与制备原理7.1相图的表示和测定方法7.2相图热力学的基本要点7.3 二元相图分析7.4 二元合金的凝固(nngg)理论7.5 高分子合金概述7.6 陶瓷合金概述15第15页/共51页第十五页,共52页。1.二元相图成分表示方法:2.相互作用参数的不同,导致自由能-成分曲线
8、的差异(chy):3.当0,A-B对的能量低于A-A和B-B对的平均能量,A,B组元互相吸引,形成短程有序分布,Hm0。4.当0,A-B对的能量等于A-A和B-B对的平均能量,组元的配置是随机的,理想固溶体,Hm 0。5.当0,A-B对的能量高于A-A和B-B对的平均能量,A,B组元倾向于形成偏聚状态,Hm 0。第7章 内容(nirng)回顾16第16页/共51页第十六页,共52页。1.公切线:两平衡相共存时,两相的成分是切点所对应的成分x1和x2,即固定不变。2.杠杆(gnggn)法则:求出两相的相对量。第7章 内容(nirng)回顾17第17页/共51页第十七页,共52页。1.二元相图几何
9、规律:2.(1)相图中所有的线条都代表发生相转变的温度和平衡相的成分,所以相界线是相平衡的体现,平衡相成分必须沿着相界线随温度而变化。3.(2)两个单相区之间必定有一个由该两相组成的两相区把它们(t men)分开,而不能以一条线接界。两个两相区必须以单相区或三相水平线隔开。4.(3)二元相图中的三相平衡必为一条水平线,表示恒温反应。5.(4)当两相区与单相区的分界线与三相等温线相交,则分界线的延长线应进入另一两相区内,而不会进入单相区内。第7章 内容(nirng)回顾18第18页/共51页第十八页,共52页。第七章第七章 二元系相图二元系相图(xin t)(xin t)和合金的凝固与制和合金的
10、凝固与制备原理备原理7.1相图的表示和测定方法7.2相图热力学的基本要点7.3 二元相图分析(fnx)7.4 二元合金的凝固理论7.5 高分子合金概述7.6 陶瓷合金概述19第19页/共51页第十九页,共52页。7.3.1 7.3.1 匀晶相图匀晶相图(xin t)(xin t)和固溶体凝固和固溶体凝固-匀晶相图匀晶相图(xin t)(xin t)由液相结晶出单相(dn xin)(dn xin)固溶体的过程称为匀晶转变。7.3 二元相图(xin t)分析 1.匀晶相图20第20页/共51页第二十页,共52页。匀晶相图还可有其他(qt)(qt)形式,如Au-CuAu-Cu,Fe-CoFe-Co等
11、在相图上具有极小点,而在PbTlPbTl等相图上具有极大点。21第21页/共51页第二十一页,共52页。2.2.固溶体的平衡固溶体的平衡(pnghng)(pnghng)凝固凝固平衡凝固是指凝固过程中的每个阶段都能达到(d(d do)do)平衡,即在相变过程中有充分时间进行组元间的扩散,以达到(d do)(d do)平衡相的成分。22第22页/共51页第二十二页,共52页。23第23页/共51页第二十三页,共52页。v需要着重指出的是,在每一温度下,平衡(pnghng)(pnghng)凝固实质包括三个过程:v液相内的扩散过程;v固相的继续长大;v固相内的扩散过程。24第24页/共51页第二十四页
12、,共52页。3.3.固溶体非平衡固溶体非平衡(pnghng)(pnghng)凝固凝固在工业生产中,合金溶液浇涛后的冷却速度较快,使凝固过程偏离平衡条件,称为非平衡凝固。非平衡凝固时液、固两相成分(chng fn)(chng fn)变化的示意图。25第25页/共51页第二十五页,共52页。26第26页/共51页第二十六页,共52页。对非平衡凝固结论如下:对非平衡凝固结论如下:固固相相、液液相相的的平平均均成成分分分分别别与与固固相相线线、液液相相线线不不同同,有有一一定定的的偏偏离离,其其偏偏离离程程度度(chngd)(chngd)与与冷冷却却速速度度有有关关。冷冷却却速速度度越越大大,其其偏偏
13、离离程程度度(chngd)(chngd)越越严严重重;冷冷却却速速度度越越小小,偏偏离离程程度度(chngd)(chngd)越越小小,越越接接近近于于平平衡衡条条件件。液液相线的偏离程度相线的偏离程度(chngd)(chngd)较固相线小。较固相线小。先先结结晶晶部部分分含含有有较较多多的的高高熔熔点点组组元元(Ni)(Ni),后后结结晶晶部部分分含含有有较较多的低熔点组元多的低熔点组元(Cu)(Cu)。非非平平衡衡结结晶晶条条件件下下,凝凝固固的的终终结结温温度度低低于于平平衡衡结结晶晶时时的的终终止止温度。结晶的温度范围增大。温度。结晶的温度范围增大。27第27页/共51页第二十七页,共5
14、2页。固溶体通常以树枝状生长方式结晶,非平衡凝固导致先结晶的枝干和后结晶的枝间的成分不同,故称为枝晶偏析。图7.187.18是Cu-NiCu-Ni合金的铸态组织,树枝晶形貌的显示是由于枝干和枝间的成分差异引起浸蚀后颜色(yns)(yns)的深浅不同。经扩散退火后的Cu-NiCu-Ni合金的显微组织,树枝状形态消失,由电子探针微区分析的结果也证实枝晶偏析已消除。28第28页/共51页第二十八页,共52页。u组组成成共共晶晶相相图图(the the eutectic eutectic phase phase diagramdiagram)两两组组元元相相互互作作用用特特点点:液液态态下下两两组组元
15、元能能无无限限(wxin)(wxin)互互溶溶,固固态态下下只只能能部部分分互互溶溶(形形成成有有限限固固溶溶体或化合物体或化合物),甚至有时完全不溶,并具有共晶转变。,甚至有时完全不溶,并具有共晶转变。u共共晶晶转转变变是是在在一一定定条条件件下下(温温度度、成成分分不不变变),由由均均匀匀液液体体中中同同时时结结晶晶出出两两种不同固相的转变。种不同固相的转变。L+L+。具有共晶转变的相图称为共晶相图。具有共晶转变的相图称为共晶相图。u所所得得到到两两固固相相的的混混合合物物称称为为共共晶晶组组织织,其其特特点点是是两两相相交交替替细细弥弥混混合合,其其形形态与合金的特性及冷却速度有关,通常
16、呈片层状。态与合金的特性及冷却速度有关,通常呈片层状。共晶体(jngt)的结构 7.3.2 共晶相图及其合金(hjn)凝固 29第29页/共51页第二十九页,共52页。30E第30页/共51页第三十页,共52页。2.2.2.2.共晶系合金的平衡共晶系合金的平衡共晶系合金的平衡共晶系合金的平衡(pnghng)(pnghng)(pnghng)(pnghng)凝固凝固凝固凝固 根据相变特点和组织特征将共晶系合金分为(fn wi)了四类:端部固溶体合金、亚共晶合金、过共晶合金、共晶合金。31第31页/共51页第三十一页,共52页。(1)(1)端部固溶体合金(端部固溶体合金(WSn19%)WSn19%)
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