固体物理 第三章 相图

三、固溶体
合金中有两类基本相 —— 固溶体 和 化合物 固溶体概念 合金组元通过溶解形成成分和性能均匀的、 结构上与组元之一相同的固相。
或含有外来杂质原子的单一、均匀的晶态固体。
例，MgO晶体中含有FeO杂质，
→ Mg1-xFexO固溶体。
固溶体
固溶体的分类
按杂质原子的位置分： 置换型固溶体—杂质原子进入晶格中正常结点位置而取代基质 中的原子。例MgO-CoO形成Mg1-xCoxO固溶体。
相图分析（相图三要素） （1）点：纯组元熔点；共晶点等。 （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。
（1）Sn<2％的合金 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。
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？？
例：求30%Ni合金在1280C时相的相对量
T,C 1500 1400 a1 1300 1200 1100 a 1083 1000 Cu L 1455
c
b1L+
c1
1280 C
解：作成分线和 温度线如图。
18 20
30 40
66 60 Ni%
80
根据杠杆定律推 论， Q / QH = a1b1 /a1c1 =12/48=1/4 Ni 答：所求合金在 100 1280 时相的 相对质量为1/4。
共晶合金
%
de cd 100%; % 100% ce ce
合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例）
（4）亚共晶合金 ① 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。 ② 共晶线上两相的相对量计算。 ③ 室温组织（α＋βⅡ＋（α＋β））及其相对量计算。
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• 在一般的冷却条件下， 所得固体的成分是不均 匀的
• 先凝固出的含B较少， 后凝固出的含B较多，如 虚线所示。 在生长晶体时，若有温度 波动，而固相内扩散速度 又很慢时，就会引起晶体 的成分不均匀生长层 消除办法：把晶体放在低于该成分的固相点约50－1000C的温 度下进行长时间加热（均匀化退火）。如：红宝石晶体 退火：成分均匀、消除内应力
L+

Ni
液相线
铜-镍合金匀晶相图
液相区
T,C 1500 1400 1300 1200 1100 1000 1083 纯铜 熔点 Cu 固相区 20
L
1455
L+
纯镍 熔点

100
固相线 Ni
40
60 Ni%
80
液固两相区
匀晶合金的结晶过程
L T,C T,C 1500 1400 c 1300 1200d 1100 1000 1083 L 1455
有限（不连续）固溶体—杂质原子的固溶度x有限。
例MgO-CaO 思考题：间隙型固溶体能否形成连续固溶？为什么？
固溶体
固溶体类型
置 换 固 溶 体
臵换原子
Z
间 隙 固 溶 体
Z
间隙原子
Y Y X X
固溶体
固溶体的性质
1 活化晶格，促进烧结 例Al2O3熔点高：加入1~2%TiO2 → 缺位型固溶体， 1600℃烧结致密 2 稳定晶型 ZrO2加入Y2O3：形成稳定的立方氧化锆固溶体 3 催化剂 锶、镧、锰、钴、铁的氧化物间形成的固溶体， 催化消除汽车尾气的有害成分。
4g f4 % 100%; % 100%(或 % 1 %) fg fg
合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例）
（3）共晶合金：Sn＝61.9% ① 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。 ② 共晶线上两相的相对量计算。 ③ 室温组织（α＋β）及其相对量计算。
g
Ag
+ Ⅱ
t
4. 共析相图
共析转变：
( + ) 共析体 L
L+
T,C


A
+
c
+
d
e
+

B
5. 二元相图的一些几何规律
1.
两个单相区之间必定有一个由这两个相组成 的两相区，而不能以一条线接界。这个规律 被称为相区接触法则 在二元相图中，若是三相平衡，则三相区必 为一水平线。 当两相区与单相区的分界线与三相等温线相 交．则分界线的延长线应进入另一两相区， 而不会进人单相区。
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相的成分是确定的。
T,C L 1500 1 1400 a1 b1 1300 L+ 1200 1100 a 2 1000 1083 Cu 20
QL/Q=b1c1/a1b1
1455 c
c1
杠杆定律推论：在两 相区内，对应温度T1 时两相在合金b中的相 T1 对质量各为 T2 Q /Q =b c /a c
L H 1 1 1 1b 0Q/QH=a1b1/a1c1 =1- QL/QH Ni
80 100
60 Ni%
杠杆定则：溶质偏聚效应
Q点：T 相的成分由x'降到x 成分不均匀
n
n
合金成分X • T1 ：析出成分为 1 的固相。 1 偏 离合金的原始成分； • 由于析出了1固相，使液相中含B 量增高，于是液相成分随温度降低 而向富B的方向改变； • 在每一个温度时，固液两相的相 对量都可利用杠杆定理来确定； • 随温度降低，液相量逐渐减少， 固相量逐渐增加，而其成分则越来 越接近于合金的原始成分； • 当冷却至T5 时，液相减至零，全 部凝结为固体，其成分则变为原始 合金成分。 • 这种凝固过程要求温 度变化很慢，以便使不 同温度下析出的成分不 同的固相能经过扩散而 成为均匀一致。
+ Ld c
+ e
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。（是两相混合物）
特征：三相点的温度低于A 和B的纯组元的凝固点
冷却 液相( L) 固溶体( ) 固溶体( ) 加热
2.
3.
2.2.2 相图与性能的关系
1. 合金的使用性能与相图的关系
2．共晶相图
铅-锡合金共晶相图
T,C
液相线
固相线

Pb
L+
L
L+

Sn
固溶线 固溶线
+
Sn%
共晶转变分析
T,C

Pb
L+
c
L
d
L+
e

共晶反应线 表示从c点到e点 范围的合金，在 该温度上都要发 生不同程度上的 共晶反应。
共晶点 表示d点成分的合 Sn 金冷却到此温度 上发生完全的共 晶转变。
第三章 相图
● 相、相平衡与相律和固溶体
●
● ● ●
二元相图
固溶体的混合熵和自由能 相图的制作 相图的应用
第一节 相、相平衡与相律和固溶体

一、相 系统中每一宏观的均匀部分，或体系内物理性 质和化学性质完全相同的部分称为“相”。
二、相平衡 相变：相与相之间的转变称为相变。 组元：为确定平衡体系中各组成所需要的最少数 目的独立物质，称为“独立组元”，简称“组 元”。 自由度：在不引起旧相消失和新相形成的前提下， 体系中可自由变动的独立强度性质的数目，称 为体系在指定条件下的“自由度”。 相律：对一个达成相平衡的体系来说，若影响 平衡的外界因素仅为温度和压力，则相数 p， 组元数 k 及自由度 f 三者之间存在以下制约关 系： f＝k－p＋2
快速凝固中的溶质分凝
快速冷却：当代材料制备和处理技术中的重要手段 金属玻璃 聚焦激光束或电子束照射引起的熔化和重结晶
快速冷却 可以避免溶质分凝 固液界面前将不 出现溶质富集的边界层 无组分过冷区 界面形 态失稳（组分过冷）的判据对快速凝固失效
可以预期 当固液界面以甚高的速率运动 时，界面形态将保持稳定
合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例）
（5）组织组成物与组织图 组织组成物：组成材料的中各个不同本质和形态的部分。 组织图：用组织组成物填写的相图。 组织组成物相对量的计算：杠杆定律。
共晶组织 由于其凝固时的特点而具有特征的显微组织，一 般为片状或球状。
定向凝固
若对共晶成分的合金进行定向的缓慢生长，则共晶组织中 的、晶体均可成为单晶体；