3. 相图

  • 定义

    • phase 是物理和化学性质层面具有独特性质的面

    • 合金的分类

      • 二元 binary
      • 三元 ternary
      • 可以通过促成成分和各自元素占比来进行分类

  • 二元合金的形式

    • 单一固溶体
    • 两种分离的纯净物质
    • 两种分离的固溶体
    • 拥有固态溶质的溶液

  • 结构

    • constitution 表示的是当前的相、质量分数和各相的组成
    • 平衡结构 在一定温度和压强下没有改变自身结构的趋势
    • 状态变量 T, P , Composition

  • 吉布斯相律

    • P+F=C+NP+F=C+N

      • PP 表示相的数量

      • FF 表示混杂状态的自由度

      • CC 表示组成元素成分数量

      • NN 表示非成分变量的数量

        • 存在大规模变化的温度或者压强的数量

    • 由于大多数时候目标是对固溶体（不大会考虑气态）求 FF, 所以公式也可以写作 F=C+N−P=C+1−PF = C + N - P = C+ 1 - P

      • 理解：

        • 纯净物三相点的 C=1,P=3,N=2,F=1+2−3=0C = 1, P = 3, N = 2, F = 1 + 2 - 3 = 0 所以是一个点
        • 纯净物两种状态并存的时候 P=2,F=1−P+2=1P = 2, F = 1-P +2 = 1 所以是一条线
        • 单相区由于 P=1P = 1 所以是二维平面

      • 由于两相区的空间满足双相互相不会形成新的结构，也就是说双相空间只是类似溶液的质量分数，这就需要我们用下面的公式获得成分占比。

        • 双相区的自由度是 1,也就是说确定温度就能确定各自组成

    • Liquidus: 单一液态的下界

    • Solidus: 单一固态的上界

    • liquidus temperature: 高于之温度的材料呈现纯净液态

    • solidus temperature: 低于之温度的材料呈现纯净固态

    • freezing range: 存在于liquidus和solidus 之间的固液共存状态

    • isomorphous: 一个成分在另一个成分中完全可溶

  • 相图的功能

      1. 知道温度 TT 和合金的组成 C0C_0 可以知晓当前的 相
      • 也就是在 T−C0T-C_0 图表中找到点位对应的区域
      1. 知道温度和合金组成我们就可以知道各个相的组成成分

      • 就是在定点处画一条水平线和两个solidus 和liquidus 线相交的横坐标就是成分系数 (和哪个相交就是哪个相的成分系数)

      • tie line: 存在于 solidus 和liquidus 之间的水平线

        • 由于吉布斯相律，这种情况只有 F=C+N−P=2+1−2=1F = C+N-P = 2 + 1 - 2 = 1 也就是一条直线
      1. 知道各个相的成分占比

      • 也就是交叉相乘相等

      • WL=SR+SW_L = \frac{S}{R+S}

      • Wα=RR+SW_\alpha = \frac{R}{R+S}

        • 杠杆定律 lever rule

          • WL=SR+S=Cα−C0Cα−CLW_L = \frac S {R+S} = \frac{C_\alpha - C_0}{C_\alpha - C_L}
          • Wα=RR+S=C0−CLCα−CLW_\alpha = \frac{R}{R+S} = \frac{C_0 - C_L}{C_\alpha - C_L}

      • 注意区分，在横轴的坐标就是各自相中的元素质量分数

        • 但是杠杆定律就是各自相的占比

  • 合金的冷却

    • 在相图中就是一个从上到下的直线运动，各个部分都可以算出各个组分占比

    • 快速冷却：会呈现 core 的状态：就是内部和外部的浓度不相同

      • 原因：速度过快导致分子来不及扩散结果内外浓度不同

  • 合金的性质

    • 抗拉力更强 (theoretical cohesive tensile stress 更大)
    • 延展性减弱 (pure 的 ductility 更好)

  • 几个常见的概念

    • 共晶 (eutectic): 合金冷却的时候液相分解成固相 α,β\alpha , \beta 的时候形成的晶体

      • 在共晶点处存在一个化学平衡，也就是三相点处自由度为 0

    • 共析 (eutectoid): 固相分解为固相的情况

    • 微观结构的生长

      • 对于高浓度的 A 从液态冷却至固态，可以获得α\alpha 相的晶粒
      • 三相点质量分数怎么算？

    • 层状结构 (lamellar) :由片层形式的不同材料的精细交替层组成的。它们经常在相变前沿快速移动并留下两种固体产物的情况下观察到，例如共晶（例如焊料）或共析物（例如珠光体）系统的快速冷却。

      • 由于总体积在反应过程中几乎不变，当层厚度越薄，层之间的接触面积就越大，对应的冷却过程就越快，对应的 eutectic point 的强度越大

    • 中间金属化合物 (intermetallic compounds): 在相图的中间位置作为一根直线存在，由于化学动力学作用

    • 奥氏体 Austenite FCC: 铁碳合金在碳浓度较低的情况下形成的晶体

    • 铁素体 Ferrite: 碳浓度极低的铁碳合金

    • 渗碳体 Cementite: 碳浓度较高的铁碳合金