第三章二元相图及合金的凝固 3-1二元相图概论 如前所述,合金的组织要比纯金属复杂,为了研究合金的组织与性能间的关 系,必须了解合金的结晶过程,了解合金中各种组织的形成及变化规律。 状态图( state diagram)表明了合金系中合金的状态与温度、成分间的关系, 表示合金系在平衡条件(即缓慢加热或冷却条件)下,不同温度、成分下的各相 的关系,因此又称为平衡图( equilibrium diagram)、相图。 利用相图,我们可以了解不同成分的合金,在不同温度时的平衡条件下的状 态,由哪些相组成,每个相的成分及相对含量等,还能了解合金在加热冷却过程 中可能发生的转变。因此,相图是进行微观分析,制定铸造、锻造、热处理工艺 的重要依据 在常压下,二元合金的相状态决定于温度与成分,因此二元合金相图可用温 度一成分坐标系的平面图来表示。 相律 相律是描述系统的组元数、相数和自由度间关系的法则。相律有多种,其中 最基本的是吉布斯(Gibs相律,其通式如下 F=C一P十2 式中,C为系统的组元数,P为平衡共存的相的数目,f为自由度,自由度是在 平衡相数不变的前提下,给定系统中可以独立变化的、决定体系状态的(内部、 外部)因素的数目。自由度f不能为负值。 利用相律可以判断在一定条件下系统最多可能平衡共存的相数目。从上式可 以看出,当组元数C给定时,自由度f越小,平衡共存的相数便越多。由于f不 能为负值,其最小值为零。取其最小值f=0,从上式可以得出 P=C十 若压力给定,应去掉一个自由度,上式可写为 P=C十1 上式表明:在压力给定的情况下,系统中可能出现的最多平衡相数比组元数 多1。例如: 元系C=1,P=2,即最多可以两相平衡共存。如纯金属结晶时,其温 度固定不变,同时共存的平衡相为液相和固相。 二元系C=2,P=3,最多可以三相平衡共存 三元系C=3,P=4,最多可以四相平衡共存; 依此类推,n元系,最多可以n十1相平衡共存 应当注意,相律具有如下限制性: 1)相律只适用于热力学平衡状态。平衡状态下各相的温度应相等(热量平 衡):各相的压力应相等(机械平衡);每一组元在各相中的化学位必须相同(化学 平衡):2)相律只能表示体系中组元和相的数目,不能指明组元或相的类型和含 第1页Chap3 第 1 页 第三章 二元相图及合金的凝固 3-1 二元相图概论 如前所述，合金的组织要比纯金属复杂，为了研究合金的组织与性能间的关 系，必须了解合金的结晶过程，了解合金中各种组织的形成及变化规律。 状态图（state diagram）表明了合金系中合金的状态与温度、成分间的关系， 表示合金系在平衡条件（即缓慢加热或冷却条件）下，不同温度、成分下的各相 的关系，因此又称为平衡图（equilibrium diagram）、相图。 利用相图，我们可以了解不同成分的合金，在不同温度时的平衡条件下的状 态，由哪些相组成，每个相的成分及相对含量等，还能了解合金在加热冷却过程 中可能发生的转变。因此，相图是进行微观分析，制定铸造、锻造、热处理工艺 的重要依据。 在常压下，二元合金的相状态决定于温度与成分，因此二元合金相图可用温 度—成分坐标系的平面图来表示。 一、相律 相律是描述系统的组元数、相数和自由度间关系的法则。相律有多种，其中 最基本的是吉布斯(Gibbs)相律，其通式如下： f＝C 一 P 十 2 式中，C 为系统的组元数，P 为平衡共存的相的数目，f 为自由度，自由度是在 平衡相数不变的前提下，给定系统中可以独立变化的、决定体系状态的(内部、 外部)因素的数目。自由度 f 不能为负值。 利用相律可以判断在—定条件下系统最多可能平衡共存的相数目。从上式可 以看出，当组元数 C 给定时，自由度 f 越小，平衡共存的相数便越多。由于 f 不 能为负值，其最小值为零。取其最小值 f＝0，从上式可以得出： P＝C 十 2 若压力给定，应去掉一个自由度，上式可写为 P＝C 十 1 上式表明：在压力给定的情况下，系统中可能出现的最多平衡相数比组元数 多 1。例如： 一元系 C＝1，P＝2，即最多可以两相平衡共存。如纯金属结晶时，其温 度固定不变，同时共存的平衡相为液相和固相。 二元系 C＝2，P＝3，最多可以三相平衡共存； 三元系 C＝3，P＝4，最多可以四相平衡共存； 依此类推，n 元系，最多可以 n 十 1 相平衡共存。 应当注意，相律具有如下限制性： 1）相律只适用于热力学平衡状态。平衡状态下各相的温度应相等(热量平 衡)；各相的压力应相等(机械平衡)；每一组元在各相中的化学位必须相同(化学 平衡)；2）相律只能表示体系中组元和相的数目，不能指明组元或相的类型和含