复旦大学：《材料科学导论》课程教学资源（课件讲义）第五章 材料热力学与相图

第五章材料热力学与相图 5.1概述 5.2相图建立的基本方法 5.3二元相图的基本类型和分析 5.4相图与合金性能之间的关系 5.5铁碳合金相图 5.6相图热力学基础 2020年9月 复旦大学材料科学系

2020年9月 复旦大学材料科学系 2 5. 1 概述 5. 2 相图建立的基本方法 5. 3 二元相图的基本类型和分析 5. 4 相图与合金性能之间的关系 5. 5 铁碳合金相图 5. 6 相图热力学基础 第五章 材料热力学与相图

5.1概述 单质金属作为一种功能材料有特殊的应用。比如, 纯铜用作微电子器件的互连线,纯铁用作电磁离合器、 电磁间、继电器等磁性材料。 但是,单质金属的性能比较有限,若要改善综合 性能,需固溶改性,制成合金材料。比如,常见的碳 钢、合金钢、双相不锈钢等。 单质金属经固溶改性、制成合金后,平衡态下聚 集态的显微组织(四级结构),主要取决于温度、压力和 成分。显微组织对材料的力学性能有较大的影响 2020年9月 复旦大学材料科学系

2020年9月 复旦大学材料科学系 ● 单质金属作为一种功能材料有特殊的应用。比如， 纯铜用作微电子器件的互连线, 纯铁用作电磁离合器、 电磁阀、继电器等磁性材料。 但是，单质金属的性能比较有限，若要改善综合 性能，需固溶改性，制成合金材料。比如，常见的碳 钢、合金钢、双相不锈钢等。 单质金属经固溶改性、制成合金后，平衡态下聚 集态的显微组织(四级结构)，主要取决于温度、压力和 成分 。显微组织对材料的力学性能有较大的影响。 5.1 概述

UNIV 51概述 因此,了解相平衡的影响因素,对设计和开发合金 材料有重要的工程意义。 ●相( phase)是平衡态下具有相同的化学成分、晶体 结构、同一性质并以界面隔开的一种匀质材料。 相组元( component)可以是纯元素如单组元Fe, 也可以是化合物如a-A12O3。多组元组成的金属材料称 其为合金aloy),比如铁碳合金(Fe-Fe3C)。 ●材料性能是组元间相互作用的结果,是系统状态变 化及其相转变过程的一种宏观表现形式。 2020年9月 复旦大学材料科学系

2020年9月 复旦大学材料科学系 因此，了解相平衡的影响因素，对设计和开发合金 材料有重要的工程意义。 ● 相 (phase)是平衡态下具有相同的化学成分、晶体 结构、同一性质并以界面隔开的一种匀质材料。 相组元(component)可以是纯元素如单组元Fe， 也可以是化合物如α-Al2O3。多组元组成的金属材料称 其为合金(alloy)，比如铁碳合金（Fe-Fe3C）。 ● 材料性能是组元间相互作用的结果，是系统状态变 化及其相转变过程的一种宏观表现形式。 5.1 概述

5.2相图建立的基本方法 相图( Phase diagram) 相图表示在温度、压力、成分等任一组合下合金 的相组成及其相转变。图5-1是A、B二个组元组成的 合金随温度、成分而变化的相图。 L+ L+β a+β 图5-1二元合金相图 2020年9月 复旦大学材料科学系

2020年9月 复旦大学材料科学系 5 ● 相图 （Phase diagram） 相图表示在温度、压力、成分等任一组合下合金 的相组成及其相转变。图5-1是A、B二个组元组成的 合金随温度、成分而变化的相图。 图5-1 二元合金相图 5. 2 相图建立的基本方法 L α+β L+β L+α

5.2相图建立的基本方法 1.相图的作用 ●相图是用图解法描述材料在平衡态下相的状态及 转变与温度、压力、成分间的相互关系。 按组元数,相图可分为二元相图、三元相图、多 元相图等。 通过相图分析,可以获得一些重要信息 (1)材料在不同条件下相的组成及转变; (2)预测材料的基本性能及变化; (3)为新材料的设计和研发提供理论依据 2020年9月 复旦大学材料科学系

2020年9月 复旦大学材料科学系 6 1. 相图的作用 ● 相图是用图解法描述材料在平衡态下相的状态及 转变与温度、压力、成分间的相互关系。 按组元数，相图可分为二元相图、三元相图、多 元相图等。 通过相图分析，可以获得一些重要信息： (1) 材料在不同条件下相的组成及转变; (2) 预测材料的基本性能及变化; (3) 为新材料的设计和研发提供理论依据。 5. 2 相图建立的基本方法

2.吉布斯相律 ●相律是描述系统的相数、组元数与自由度间相互关 系的基本法则。 吉布斯( Gibbs)相律是基本的相律,通式为: f=C-P+2 (5-1) 式中,C是系统的组元数,P是平衡共存的相数,f为自 由度数。 ●自由度是平衡时在相数不变的前提下确定系统可 以独立变化的数目。 相律反映了系统在平衡条件下相的数目。 2020年9月 复旦大学材料科学系

2020年9月 复旦大学材料科学系 7 2. 吉布斯相律 ● 相律是描述系统的相数、组元数与自由度间相互关 系的基本法则。 吉布斯(Gibbs) 相律是基本的相律，通式为： f = C－P＋2 （5-1） 式中，C是系统的组元数，P是平衡共存的相数，f为自 由度数。 ● 自由度是平衡时在相数不变的前提下确定系统可 以独立变化的数目。 相律反映了系统在平衡条件下相的数目

如(5-1)式所示,自由度越小,平衡共存的相数越 多。若自由度f为零,则(5-1)式变为: P=C+2 (5-2) 若压力给定,去掉一个自由度,(5-2)式变为: P=C+1 (5-3) 这表明系统中平衡的相数最多比组元数多一个。 一元系:C=1,P=2,最多二相平衡共存 二元系:C=2,P=3,最多三相平衡共存。 2020年9月 复旦大学材料科学系

2020年9月 复旦大学材料科学系 8 如(5-1)式所示，自由度越小，平衡共存的相数越 多。若自由度f 为零，则(5-1)式变为： P＝C＋2 （5-2） 若压力给定，去掉一个自由度, (5-2)式变为 : P＝C＋1 （5-3） 这表明系统中平衡的相数最多比组元数多一个。 一元系：C＝1, P＝2，最多二相平衡共存。 二元系：C＝2，P＝3，最多三相平衡共存

3.相图的建立 元相图采用两个坐标系描述。图52是三种不 同类型的二组元合金相图。其中,纵坐标表示温度、 横坐标表示成分(质量分数w(%)或摩尔分数x (%)),A、B表示合金的两个组元,横坐标左边 是组元A,右边是组元B 任何由A、B二个组元组成的合金,在不同温度 下相的平衡状态都可以确定,相图是通过对不同成分 的合金冷却而建立的。 2020年9月 复旦大学材料科学系

2020年9月 复旦大学材料科学系 9 3. 相图的建立 二元相图采用两个坐标系描述。图5-2是三种不 同类型的二组元合金相图。其中，纵坐标表示温度、 横坐标表示成分（质量分数w（％）或摩尔分数x （％）），A、B表示合金的两个组元，横坐标左边 是组元A，右边是组元B。 任何由A、B二个组元组成的合金，在不同温度 下相的平衡状态都可以确定，相图是通过对不同成分 的合金冷却而建立的

L L+B B a+B a+B B B B (a)均晶 (b)共晶 (c)包晶 图52三种不同类型的二元合金相图 2020年9月 复旦大学材料科学系

2020年9月 复旦大学材料科学系 10 （a）均晶 （b）共晶 （c）包晶 图5-2 三种不同类型的二元合金相图

例如,一定成分的合金在冷却过程中,冷却曲线随 时间而变化,见图5-3a。曲线转折点表示合金从一种 相转变为另一种相的临界点,即临界温度。图5-3b是 对应于不同成分-温度下合金的相转变曲线。 60%80%C1 150 12004 1100 10 900 时间 20 图5-3相图建立的方法 (a)时间温度冷却曲线(b)相转变曲线 2020年9月 复旦大学材料科学系

2020年9月 复旦大学材料科学系 11 图5-3 相图建立的方法 （a） 时间-温度冷却曲线 （b）相转变曲线 例如，一定成分的合金在冷却过程中，冷却曲线随 时间而变化，见图5-3a。曲线转折点表示合金从一种 相转变为另一种相的临界点，即临界温度。图5-3b是 对应于不同成分-温度下合金的相转变曲线