第四章-二元相图

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,载人航天的效益,原苏联宇航员加加林,1961,年首次进入太空，美国“阿波罗”飞船,1969,年成功登月，这两个轰动世界的壮举发掘和吸引了数以十万计的精英人才，促进了天文学、高能物理、材料学、自动控制、信息、制造工艺学等科学技术门类的发展，催生了航天器结构力学、航天动力学、空间电子学、航天医学等新学科，形成了大批高科技工业群体，丰富了人类对近地空间和月球的认识，产生了显著的社会和经济效益。,航天飞机、空间站的出现，使人类得以利用微重力、超低温、强太阳辐射、真空等太空中的独特条件开展多项研究。在空间站内，宇航员已制作出了杂质少、表面缺陷小、质地精良的半导体、金属材料、玻璃、陶瓷和光学元件；在生物材料加工方面，已可以在空间生产抗血栓制剂,尿激酶、纯度比地面高,100,倍的抗流感制剂和抗病毒干扰素、可治疗糖尿病的胰腺,-,细胞和用于治疗烧伤的表皮生长素等,30,多种质量、疗效较高的药物，航天员还可设法使蛋白质分子按预定的立体结构排列起来，形成纯度比地面高,10,倍、性能超群的蛋白质晶体，促进新药开发、疾病研究和防治；载人航天器搭载的农作物种子在宇宙射线的作用下，其遗传基因会发生变化，有可能诞生高产、营养成分增加或抗病毒的作物新品种。,1,能否用一个较为直观的方式建立材料科学四要素之间的联系,且能够用于指导生产,?,Properties:,Mechanical,And Functional,Processing,Synthesis,And,phase transformation,Structure and characterization,Theory and,Modeling,2,第四章,二元相图,相图：描述系统的状态、温度、压力及成分之,间关系的图解。,3,第四章,二元相图,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。,4,第一节 相图的基本知识,1,相律,（,1,）相律：热力学平衡条件下，系统的组元数、相数和自由度数之间的关系。,（,2,）表达式：,f=c-p+2;,压力一定时，,f=c-p+1,。,（,3,）,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。,可以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。,第,四,章,相,图,第,一,节,基,本,知,识,5,第一节 相图的基本知识,2,相图的表示与建立,（,1,）状态与成分表示法,状态表示：温度成分坐标系。,坐标系中的点表象点。,成分表示：质量分数或摩尔分数。,第,四,章,相,图,第,一,节,基,本,知,识,6,第一节 相图的基本知识,2,相图的表示与建立,（,2,）相图的建立,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。,相图结构,(,匀晶,),：两点、两线、三区。,第,四,章,相,图,第,一,节,基,本,知,识,7,第一节 相图的基本知识,3,杠杆定律,-,相含量的计算工具,（,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。,第,四,章,相,图,第,一,节,基,本,知,识,8,第二节 二元匀晶相图,1,匀晶相同及其分析,（,1,）匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的转变。,（,2,）匀晶相图：具有匀晶转变特征的相图。,(,两组元在液态和固态都无限互溶,),第,四,章,相,图,第,二,节,匀晶相图,（,3,）相图分析,两点：纯组元的熔点；,两线：,L,S,相线；,三区：,L,L+,。,9,第二节 二元匀晶相图,2,固溶体合金的平衡结晶,（,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,冷却曲线：温度时间曲线；,第,四,章,相,图,第,二,节,匀晶相图,2003 Brooks/Cole,a division of Thomson Learning,Inc.Thomson Learning,is a trademark used herein under license.,10,第二节 二元匀晶相图,2,固溶体合金的平衡结晶,相（组织）与相变（各温区相的类型、相变反应式，杠杆定律应用。）；,组织示意图；,成分均匀化：每时刻结晶出的固溶体的成分不同。,第,四,章,相,图,第,二,节,匀晶相图,2003 Brooks/Cole,a division of Thomson Learning,Inc.Thomson Learning,is a trademark used herein under license.,2h,11,第二节 二元匀晶相图,2,固溶体合金的平衡结晶,（,3,）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。,第,四,章,相,图,第,二,节,匀晶相图,12,第二节 二元匀晶相图,3,固溶体的不平衡结晶,（,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）；,结晶的温度范围增大；,组织多为树枝状。,第,四,章,相,图,第,二,节,匀晶相图,13,第二节 二元匀晶相图,3,固溶体的不平衡结晶,第,四,章,相,图,第,二,节,匀晶相图,2003 Brooks/Cole,a division of Thomson Learning,Inc.Thomson Learning,is a trademark used herein under license.,14,第二节 二元匀晶相图,3,固溶体的不平衡结晶,（,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。）,第,四,章,相,图,第,二,节,匀晶相图,15,第二节 二元匀晶相图,4,稳态凝固时的溶质分布,（,1,）稳态凝固：从液固界面输出溶质速度等于溶质从边界层,扩散出去速度的凝固过程。,（,2,）平衡分配系数：在一定温度下，固、液两平衡相中溶质,浓度的比值。,k,0,=C,s,/,C,l,第,四,章,相,图,第,二,节,匀晶相图,16,第二节 二元匀晶相图,4,稳态凝固时的溶质分布,(,3),溶质分布,冷却速度无限慢,有扩散和对流,液、固相内溶质完全混合,（平衡凝固）,a,;,冷却速度非常慢,有扩散和对流,固相不混合、液相完全混合,b,;,冷却速度很大,仅有扩散,固相不混合、液相完全不混合,c,；,冷却速度一般,部分扩散和对流,固相不混合、液相部分混合,d,。,第,四,章,相,图,第,二,节,匀晶相图,17,第二节 二元匀晶相图,4,稳态凝固时的溶质分布,(4),区域熔炼（上述溶质分布规律的应用）,第,四,章,相,图,第,二,节,匀晶相图,18,第二节 二元匀晶相图,5,成分过冷及其对晶体生长形态的影响,（,1,）成分过冷：由成分变化与实,际温度分布共同决定的过冷。,（,2,）形成：界面溶质浓度从高到低,液相线温度从低到高。,（图示：溶质分布曲线,匀晶相图,液相线温度分布曲线,实际温度分布曲线,成分过冷区。）,第,四,章,相,图,第,二,节,匀晶相图,19,第二节 二元匀晶相图,5,成分过冷及其对晶体生长形态的影响,（,3,）成分过冷形成的条件和,影响因素,条件：,G/RmC,0,(1-k,0,)/Dk,0,合金固有参数：,m(,液相线斜率,),k,0,;,实验可控参数：,G(,温度梯度,),R(,凝固速度,),。,第,四,章,相,图,第,二,节,匀晶相图,20,第二节 二元匀晶相图,5,成分过冷及其对晶体生长形态的影响,（,4,）成分过冷对生长形态的影响,（正温度梯度下）,G,越小，成分过冷,越大生长形态：平面状胞状,树枝状。,第,四,章,相,图,第,二,节,匀晶相图,21,第二节 二元匀晶相图,5,成分过冷及其对晶体生长形态的影响,（,4,）成分过冷对生长形态的影响,第,四,章,相,图,第,二,节,匀晶相图,4h,22,第三节 二元共晶相图及合金凝固,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。,Eutectic Reaction,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。（是两相混合物）,第,四,章,相,图,第,三,节,共晶相图,23,第三节 二元共晶相图及合金凝固,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。,第,四,章,相,图,第,三,节,共晶相图,24,第三节 二元共晶相图及合金凝固,2,合金的平衡结晶及其组织（以,Pb-Sn,相图为例）,（,1,）,Wsn,2,的合金,凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。,第,四,章,相,图,第,三,节,共晶相图,(c)2003 Brooks/Cole,a division of Thomson Learning,Inc.Thomson Learning,is a trademark used herein under license.,25,第三节 二元共晶相图及合金凝固,2,合金的平衡结晶及其组织（以,Pb-Sn,相图为例）,（,2,）,2,Wsn,19,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。,第,四,章,相,图,第,三,节,共晶相图,(c)2003 Brooks/Cole,a division of Thomson Learning,Inc.Thomson Learning,is a trademark used herein under license.,26,(c)2003 Brooks/Cole,a division of Thomson Learning,Inc.Thomson Learning,is a trademark used herein under license.,第三节 二元共晶相图及合金凝固,2,合金的平衡结晶及其组织（以,Pb-Sn,相图为例）,（,3,）共晶合金,凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。,共晶线上两相的相对量计算。,室温组织（,）,及其相对量计算。,第,四,章,相,图,第,三,节,共晶相图,(c)2003 Brooks/Cole,a division of Thomson Learning,Inc.Thomson Learning,is a trademark used herein under license.,27,第三节 二元共晶相图及合金凝固,2,合金的平衡结晶及其组织（以,Pb-Sn,相图为例）,（,3,）共晶合金,第,四,章,相,图,第,三,节,共晶相图,(c)2003 Brooks/Cole,a division of Thomson Learning,Inc.Thomson Learning,is a trademark used herein under license.,(c)2003 Brooks/Cole,a division of Thomson Learning,Inc.Thomson Learning,