《工程材料科学与设计》(james p. schaffer)chapter-07.ppt
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1、工程材料科学与设计 (James P. Schaffer等著) 余永宁等翻译 机械工业出版社,相平衡与相图,2,Wisdom in the mind is better than money in the hand. Nothing is impossible for a willing heart.,3,7.0 前言,Freeze-dried coffee (冻干咖啡),4,How ice skater move so easily on ice?,5,世界上的山到底能有多高?,6,一、相平衡的基本概念 1.系统 选择的研究对象称为系统。 系统以外的一切物质都称为环境。 2.相(phase)
2、 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。 (1)相与相之间有界面; (2)可用机械的方法将它们分开,越过界面时性质发生突变; (3)系统中存在的相可以是稳定的、亚稳的或不稳定的。 (4)系统在某一热力学条件下,只有当能量具有最小值的相才是最稳定的。系统的热力学条件改变时,自由能会发生变化,相的结构也相应发生变化。,7.1 相与相图,7,eg 水和水蒸气共存,组成虽同为H2O,但物理性质不同,故为两个不同的相。 乙醇和水混合形成的溶液 整个系统只是一个液相 油和水混合 二相系统 空气(O2,N2,CO2) 一个相 系统中液体,纯液体是一相;混合液体完全互溶,即为一相,分层则不止
3、一相,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,图 7.1 相与溶解度的示意图 Illustration of phases and solubility: (a) The three forms of water gas, liquid, and solid are each a phase. (b) Water and alcohol have unlimited solubility. (c) Salt
4、and water have limited solubility. (d) Oil and water have virtually no solubility.,8,系统中的固体 (1)机械混合物, 有几种物质就有几相 (2)生成化合物,固态物质间每生成一个新的化合物,则形成一种新的固态物质,即产生一个新相。 (3)形成固溶体 (4)同质多晶现象,9,3.独立组元 系统中每一个能够单独分离出来并能独立存在的化学纯物质称为组元。 eg 在盐水中,NaCl和水都是物种,而Na+、Cl-、H+、OH-等离子就不是物种,因为它们不能独立存在。 只有特定条件下,独立组元和组元的含义才是相同的。若系统
5、中不发生化学反应,则: 独立组元数=物种数 eg 砂糖和砂子 盐和水 如果一个系统中,同一相内存在一定的浓度关系,则独立组元数为 独立组元数=物质数-独立的化学平衡关系式数,10,4.自由度 在一定范围内,可以任意改变而不引起旧相消失或者新相产生的独立变量称为自由度。 一个系统中有几个独立变量就有几个自由度。 对于给定的相平衡系统,在保持系统中相的数目和相的状态下不发生变化的条件下,并不是温度、压力、组分的浓度等所有的变量都可以任意改变。 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。外界影响因素的数目称为影响因数数。 在一般情况下,只考虑温度和压力对系统
6、平衡状态的影响。,11,二、相图(phase diagram) 相图:描述物质的状态与温度、压力及成分之间关系的图解。 根据相图可确定不同成分的材料在不同温度下组成相的种类、各相的相对量、成分及温度变化时可能发生的变化。仅在热力学平衡条件下成立,不能确定结构、分布状态和具体形貌。 聚合物科学中相图的使用受到限制: (1)达到平衡的速度非常慢。大多数溶化过程聚合物永远达不到平衡 (2)聚合物含有很多分子,每个分子的相对分子量都不同 (3)除非聚合物的化学结构非常相似,否则它们通常是不相容的。,12,7.2 单元系相图,图7.2 水的相图,13,2003 Brooks/Cole, a divisi
7、on of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,图 7.3 镁的一元相图 Schematic unary phase diagram for magnesium, showing the melting and boiling temperatures at one atmosphere pressure.,14,相律 Gibbs phase rule,1876年美国 W.Gibbs从热力学推导出来,(1)表达式:f=c-p+2; f:自由度; c:独立组元数; p:
8、相数 压力一定时,f=c-p+1。 (2)应用 可确定系统中可能存在的最多平衡相数。如单元系2个,二元系3个。解释纯金属与二元合金的结晶差别。纯金属结晶恒温进行,二元合金变温进行。,15,图7.4 铁的平衡温度压力图,在一个相图中可能存在多个三相点,16,7.3 二元相图,溶解度 :一种物质溶解在另外一种物质中而且不生成第二相,溶解的量就称为溶解度。,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,图7.5 几种不同
9、的溶解情况,Figure 7.5 (a) Liquid copper and liquid nickel are completely soluble in each other. (b) Solid copper-nickel alloys display complete solid solubility, with copper and nickel atoms occupying random lattice sites. (c) In copper-zinc alloys containing more than 30% Zn, a second phase forms becaus
10、e of the limited solubility of zinc in copper.,17,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,图7.6 锌在铜中的溶解度 Figure 7.6 The solubility of zinc in copper. The solid line represents the solubility limit; when excess zinc is added, th
11、e solubility limit is exceeded and two phases coexist.,18,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,图7.7 MgO和NiO形成无限固溶体 Mg0 and Ni0 have similar crystal structures, ionic radii, and valences; thus the two ceramic materials can f
12、orm solid solutions.,19,方法:实验法和计算法。 过程:配制合金测冷却曲线确定转变温度填入坐标绘出曲线。,相图的建立,图7.8 Ni-Cu相图的建立,20,方法:实验法和计算法。 过程:配制合金测冷却曲线确定转变温度填入坐标绘出曲线。,相图的建立,图7.8 Ni-Cu相图的建立,21,图7.9 几种同晶相图 Figure 7.9 (a) The equilibrium phase diagrams for the Cu-Ni and NiO-MgO systems. (b) The liquidus and solidus temperatures are shown f
13、or a Cu-40% Ni alloy. (c) and (d) Systems with solid solution maxima and minima. (Source: Adapted from Introduction to Phase Equilibria, by C.G. Bergeron, and S.H. Risbud. Copyright 1984 American Ceramic Society. Adapted by permission.),二元相图之同晶相图,22,图7.10 Cu-Ni合金的机械性能 Figure 7.10 The mechanical prop
14、erties of copper-nickel alloys. Copper is strengthened by up to 60% Ni and nickel is strengthened by up to 40% Cu.,23,杠杆定律 Lever Rule,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,Figure 7.11 A tie line 1250C in the copper-nickel sy
15、stem that is used in Example 9.9 to find the amount of each phase.,Calculate the amounts of and L at 1250oC in the Cu-40% Ni alloy shown in Figure 7.11.,24,(1)平衡相成分的确定 根据相律,若温度一定,则自由度为0,平衡相成分随之确定。 (2)数值确定 直接测量计算或投影到成分轴测量计算。 (3)注意:只适用于两相区;三点(支点和端点)要选准。,3 杠杆定律,25,(1)平衡结晶:每个时刻都能达到平衡的结晶过程。 (2)平衡结晶过程分析 冷
16、却曲线: 温度时间曲线 相(组织)与相变 (各温区相的类型、相变反应式、杠杆律应用); 组织示意图; 成分均匀化:,平衡结晶,26,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,Figure 7.12 The change in structure of a Cu-40% Ni alloy during equilibrium solidification. The nickel and copper atoms
17、must diffuse during cooling in order to satisfy the phase program and produce a uniform equilibrium structure.,27,与纯金属结晶的比较 相同点:基本过程:形核长大; 热力学条件:T0; 能量条件:能量起伏; 结构条件:结构起伏。 不同点:合金在一个温度范围内结晶(可能性:相律分析;必要性:成分均匀化。) 合金结晶是选分结晶:需成分起伏。,28,(1)原因:冷速快(假设液相成分均匀、固相成分不均匀)。 (2)结晶过程特点: 固相成分按平均成分线变化(但每一时刻符合相图); 结晶的温度范
18、围增大; 组织多为树枝状。 (3)成分偏析: 晶内偏析:一个晶粒内部化学成分不均匀现象。 枝晶偏析:树枝晶的枝干和枝间化学成分不均匀的现象 (消除:扩散退火,在低于固相线温度长时间保温。),固溶体的不平衡结晶,29,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,Figure 7.13 The change in structure of a Cu-40% Ni alloy during nonequilibrium
19、 solidification. Insufficient time for diffusion in the solid produces a segregated structure.,30,7.4 共晶相图 Eutectic Phase Diagrams,共晶转变:由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相的转变。 共晶相图:具有共晶转变特征的相图。 液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶,且发生共晶反应。 共晶组织:共晶转变产物(两相混合物)。,31,(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Lea
20、rning is a trademark used herein under license.,Figure 7.14 the lead-tin equilibrium phase diagram.,32,1 相图分析(相图三要素) (1)点:纯组元熔点;最大溶解度点;共晶点(是亚共晶、过共晶合金成分分界点)等。 (2)线:结晶开始、结束线;溶解度曲线;共晶线等。 (3)区:3个单相区;3个两相区;1个三相区。,33,(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark
21、 used herein under license.,Figure 7.15 Solidification and microstructure of a Pb-2% Sn alloy. The alloy is a single-phase solid solution.,34,(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,Figure 7.16 Solidification, precipitation
22、, and microstructure of a Pb-10% Sn alloy. Some dispersion strengthening occurs as the solid precipitates.,35,2 合金的平衡结晶及其组织(以Pb-Sn相图为例) (1)Wsn19的合金 凝固过程(冷却曲线、相变、组织示意图)。 二次相(次生相)的生成:脱溶转变(二次析出或二次再结晶)。 室温组织()及其相对量计算。,36,(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a tra
23、demark used herein under license.,Figure 7.16 Solidification and microstructure of the eutectic alloy Pb-61.9% Sn.,37,(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,Figure 7.17 The cooling curve for a eutectic alloy is a simple th
24、ermal arrest, since eutectics freeze or melt at a single temperature.,38,(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,Figure 7.18 (a) Atom redistribution during lamellar growth of a lead-tin eutectic. Tin atoms from the liquid p
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