冶金物理化学简明教程第三章相图.ppt

第3章 相图,（8 学时）,一、基本概念,1 相图基础,相图：相平衡体系的几何图示。描述多相体系中相状态与T、P、x等的关系。凝聚系：没有或不考虑气相的体系。自由度：在一定范围内可以任意独立改变而不致发生相变化的变数（如温度、压力和浓度等）的个数。组元：组成系统的独立化学组成物。合金中元素视为组元，熔渣中某一化合物视为组元。相数：在一个多相体系中由界面分开的物质的均匀部分，它们具有相同的物理、化学性质和晶体结构。气液有几个分层就有几个相；固有几种晶型就有几个相。,一、基本概念,1 相图基础,相律：多相体系平衡的基本规律。说明平衡体系中相数、独立组元数与自由度的关系。考虑到温度、压力两个变数时：f=K+2f：自由度；K：独立组元数；：相数对有其他影响因素的平衡体系，如磁场、电场等：为：f=K+n对于凝聚系，可以不考虑体系压力：为：f=K+1,一、基本概念,1 相图基础,实例：FeO-Fe-O2系,当FeO、Fe是固态时，体系有3相，有一个氧化反应：Fe+1/2O2=FeO，K=3-1=2，自由度 f=2-3+2=1。分解压是温度的函数。,对于铁液中的FeO、Fe，相数为2，自由度f=2-2+2=2，影响氧分压的除了温度，还有铁液中FeO的活度。,二、二元相图,1 相图基础,2.基本类型,A,（1）共晶反应L=S1+S2,E,二、二元相图,1 相图基础,2.基本类型,（2）包晶反应(转熔反应)L+S1=S2,D,AmBn,二、二元相图,1 相图基础,2.基本类型,（3）偏晶反应L1=S1+L2,D,二、二元相图,1 相图基础,2.基本类型,8.连续固溶体型,二、二元相图,1 相图基础,2.基本类型,A,E,二、二元相图,1 相图基础,3.相变反应类型,分解型共晶反应L S1+S2 共析反应S S1+S2 偏晶反应L1 L2+S 熔晶反应S1L+S2,二、二元相图,1 相图基础,4.相变反应类型,合成型包晶反应L+S1 S2 包析反应 S1+S2 S3 固相合成 A+B Am B n 合晶反应L1+L2S,2 铁氧二元相图,典型的二元相图,FeO二元相图是分析铁的氧化、铁氧化物还原与分解的基础,特殊线,单相区,2 铁氧二元相图,浮士体：溶解O的FeO相不同温度下含氧量不同不存在化学计量的FeO表示FexO，x1,2 铁氧二元相图,570,CaO-SiO2系二元相图,一、概论,1.相律,四维空间图,对凝聚体系：,即得三维空间立体图，又称三元立体熔度图。,3 三元相图,3 三元相图,1.投影平面图,缺点：难以表达清楚解决办法：1.投影平面图2.等温截面图,3 三元相图,2.等温截面图,等温线：封闭曲线（线上各点温度相等）。,L+A,L+C,L+B,L+AC,200结线三角形,f,每边分成100份,二、浓度三角形,3 三元相图,B,c,b,a,AC,BC,AB,Pc,Pb,Pa,C,Pc,B,Pb,A,Pa,=,=,=,+,+,=,=,=,%,%,%,=,=,=,Bc,aC,Ab,三、浓度三角形规则,3 三元相图,等含量规则：与某一边平行的直线上，任一点对应顶点组元的量都相等。,d,B,ad/BC，ad上含A%均等。,三、浓度三角形规则,2定比例规则：AP线上，每点B、C含量比值相等。,3 三元相图,A,C,P,a,c,b,B,D,e,三、浓度三角形规则,3 三元相图,直线规则：由D、E所组成的新体系点必落在原体系点连线上，该点至原体系点的距离和原体系点的量成反比。,背向规则：液相组成向远离析出组元的方向变化。,3 三元相图,B,A,C,D,E,三、浓度三角形规则,体系点D冷却到液相面温度，开始析出固相A。,5质心规则：D、E、F混合成一个新三元系M，则成分点M必位于DEF质心处。,3 三元相图,M点位于DEF的物理质心处；,三、浓度三角形规则,5质心规则：,3 三元相图,质心的确定方法：,作图法（两次应用杠杆规则）计算法（物料平衡）,应用：三个三元母合金配一新合金，求新合金成分；已知最终产物成分点，求平衡相组成。,三、浓度三角形规则,6.相对位规则,3 三元相图,质心位：M点位于DEF内。,重量关系：WM=WD+WE+WF,反应：DF E M,三、浓度三角形规则,三元共晶点：DE+F M,6.相对位规则,3 三元相图,重量关系：WM+WF=WD+WE,三元包晶点：DEF M,M点位于DEF外情况（析出）,1.交叉位,或：WM=WDWE WF,M点位于DEF外，居于DE、DF延长线范围内，必有DE M+F,三、浓度三角形规则,6.相对位规则,3 三元相图,重量关系：WF=WM+WD+WE,M点位于DEF外情况：,2.共轭位,或：WM=WF(WD+WE),此外，还有温度最高点规则(A1kemade规则)及切线规则，将放在有关部分讨论。,三、浓度三角形规则,3 三元相图,四、立体熔度图与平面投影图关系,立体图 三元相图,3 三元相图,四、立体熔度图与平面投影图关系,三元相图，点、线、面的自由度与相数关系,一、简单三元共晶相图,4 共晶类相图,相图组成,读图（点、线、面的物理意义）,4 共晶类相图,相图组成,4 共晶类相图,相图组成,4 共晶类相图,相图组成,E,A,B,C,e1,e2,e3,E,e2,e1,e3,tA,tB,tC,一、简单三元共晶相图,4 共晶类相图,LE=A（s）+B（s）+C（s）,相图组成,P1ALA（S）L、A（S）2,4 共晶类相图,2缓冷过程分析,一、简单三元共晶相图,A,B,C,e1,e2,e3,E,1,P,液相 固相 相变化 共存相 f,1ALA（S）+B（S）L、A（S）、B（S）1,1EAbLA（S）+B（S）L、A（S）、B（S）1,EbPLA（S）+B（S）+C（S）L、A（S）、B（S）、C（S）0,3注意,4 共晶类相图,一、简单三元共晶相图,物系点位置不变，改变的是液固相组成；任意时刻，液、固相总组成点与物系点共线。,4 共晶类相图,二、生成稳定化合物类型,仅有一种稳定化合物存在：,4 共晶类相图,二、生成稳定化合物类型,4 共晶类相图,二、生成稳定化合物类型,仅有一种稳定化合物存在：,分成两个简单三元共晶系。,相图分析面：初晶区4个初晶区（A）、（B）、（C）、（AmBn）线：二次共晶线（界线）内界线，侧界线点：二元、三元共晶点2.缓冷分析,AmBn与C的二元共晶点，是该线上的温度最低点，又是E1E2线上的温度最高点。,D,温度最高点规则：（内界线上的交点）,4 共晶类相图,二、生成稳定化合物类型,界线上 液相平衡的二晶相组成点的连线或延长线与界线或延长线相交，交点是该界线上温度的最高点。,4 共晶类相图,二、生成稳定化合物类型,三角形划分规则：,4 共晶类相图,二、生成稳定化合物类型,将四相点周围3个初晶面固相组成相连，组成分三角形。,三角形划分规则：,4 共晶类相图,二、生成稳定化合物类型,两固相组成点连线只能与内界线相交，若与侧界线相交则为虚线。浓度三角形原则适用于分三角形。,三角形划分规则：,4 共晶类相图,二、生成稳定化合物类型,存在两个以上化合物时：连接固相成分点的直线彼此不能相交。四固相点构成的四边形对角线不相容。,一、生成不稳定化合物,5 包晶型相图,相图组成,读图（点、线、面的物理意义）,一、生成不稳定化合物,5 包晶型相图,相图组成,面：=2，f=2。4个初晶区,线：=3，f=15条二次结晶线：二元共晶线，包晶线L+B（s）D（s）,点：=4，f=0共晶点，包晶点,一、生成不稳定化合物,5 包晶型相图,a切线规则,分界线上任一点代表的熔体，在结晶瞬间析出的固相可由该点的切线与相成分点的连线的交点表示。,一、生成不稳定化合物,5 包晶型相图,b共晶线和包晶线的判别,分界线上任一点切线与该边界线两边初晶组成点的连线的交点：,在组成点连线内，共晶；在组成点连线外，包晶；恰与组成点重合：性质转变点。,一、生成不稳定化合物,5 包晶型相图,c三角形规则,结晶产物：原始熔体组成点所在三角形的顶点。结晶终点：上述三种物质初晶区包围的三元四相点。,一、生成不稳定化合物,5 包晶型相图,2缓冷分析,LC,LAC,LACA2B,最终产物：,一、生成不稳定化合物,5 包晶型相图,2缓冷分析,A,B,C,p,P,E,A2B,e1,e2,e3,最终产物：,LC,LAC,LACA2B,L B CA2B,L CA2B,S1,S2,S3,M,a1,a2,一、生成不稳定化合物,5 包晶型相图,2缓冷分析,LA,L A A2B,LA A2B C,LCA2B,最终产物：,LBCA2B,A,B,C,p,P,3,2,E,e1,e2,e3,a1,5 包晶型相图,2缓冷分析,固相组成变化,A,B,C,p,P,1,E,e1,e2,e3,5 包晶型相图,思考题,怎么办？,一、生成不稳定化合物,5 包晶型相图,3.注意：,体系点始终不动；任何情况下均三点共线；液相组成和固相组成点路径异，首尾相接；最终存在相与原体系点符合重心规则。,6 几种特殊相图,一、高温稳定、低温分解的二元化合物,相图组成,读图（点、线、面的物理意义）,6 几种特殊相图,一、高温稳定、低温分解的二元化合物,a.面：,6 几种特殊相图,一、高温稳定、低温分解的二元化合物,b.线,6 几种特殊相图,一、高温稳定、低温分解的二元化合物,c.点,6 几种特殊相图,A,B,C,BC,BC,E,p,e1,e2,e3,e4,k,一、高温稳定、低温分解的二元化合物,缓冷分析,1,1.L=B+BC,2.L+BC=B,3.L+B=BC+A,二、二元系包晶型，三元系发生共晶反应,6 几种特殊相图,相图组成,a 面b.线c.点：性质转变点k缓冷分析,6 几种特殊相图,三、二元系固相合成化合物，三元系存在初晶区,相图组成,读图（点、线、面的物理意义）,6 几种特殊相图,三、二元系固相合成化合物，三元系存在初晶区,相图组成,6 几种特殊相图,三、二元系固相合成化合物，三元系存在初晶区,2.特点分析,二次结晶线上不存在性质转变点；内界线上无温度最高点；存在三元包晶点：LP+A（s）AB（s）+C（s）,6 几种特殊相图,三、二元系固相合成化合物，三元系存在初晶区,2.特点分析,FE2上存在转变点k,Fk包晶线kE2共晶线,内界线上存在温度最高点i；有两个三元共晶点（E1、E2）,四、在二元系固相合成化合物，而在三元系存在初晶区,3.缓冷分析：结晶终点、结晶产物,6 几种特殊相图,四、在二元系固相合成化合物，而在三元系存在初晶区,3.缓冷分析：结晶终点、结晶产物,6 几种特殊相图,6 几种特殊相图,五、生成三元化合物,（1）同分熔点化合物型（2）异分熔点化合物型,1.同分熔点化合物型,主要特征：三元化合物在自己初晶区内，3个简单三元共晶系。,6 几种特殊相图,五、生成三元化合物,2.异分熔点化合物型,主要特征：三元化合物组成点在初晶区外。,图（b）：温度最高点，三元共晶点；包晶点、包晶线,6 几种特殊相图,2.异分熔点化合物型,图（c）：温度最高点，三元共晶点，包晶点,6 几种特殊相图,2.异分熔点化合物型,6 几种特殊相图,六、有包晶及固溶体,相图组成,特点：三侧面组成；面：初晶区；,线：包晶线，共晶线；点：共晶点，包晶点，四相点,P为与液相P平衡的固溶体组成点；,A,B,a,L,C,e1,BC,p,P,P,2.缓冷分析,6 几种特殊相图,2.缓冷分析,6 几种特殊相图,2.缓冷分析,6 几种特殊相图,3 结晶终点、结晶产物,（）若位于CP连线右侧小C-P-BC内，LP消失；,（）若位于CP连线左侧小C-P-P内，BC消失。,6 几种特殊相图,6 几种特殊相图,七、有液相分层的三元系,6 几种特殊相图,七、有液相分层的三元系,一、相图分析,存在一个液相分层区。KK临界点连线TK、TK液相都不分层。KK之间，空间形成一个液相分层区。等温截面上是一系列弧线。此温度区间内，随C含量不同，液相分层的浓度不一。C越多，两个液层浓度相差越小。Akb为分层区在平面的投影，是两平衡共存共轭溶液组成点连线随温度方向变化。,注意：（1）液相分层区发生两种相变化；,（2）上述变化的每一时刻，杠杆规则起作用。,6 几种特殊相图,七、有液相分层的三元系,A,B,C,M,a,b,c,d,d,c,b,m1,m2,a,E,m,L,La,Lb,6 几种特殊相图,七、有液相分层的三元系,一、相图实例,7 相图应用,在工业领域内用途：,工艺制度制订 产品成分设计 配料计算,例：钢铁冶金中渣系选择。（碱度、熔点、粘度）,1、CaO-SiO2-Al2O3三元相图,7 相图应用,a.四相点,7 相图应用,c.三角形划分,d.箭头方向、点性质,2、CaO-SiO2-Al2O3三元相图,7 相图应用,.应用实例（一）,炼铁、玻璃、陶瓷、水泥、耐火材料等,2、CaO-SiO2-Al2O3三元相图,炼钢硅砖选择,7 相图应用,应用实例（二）,2、CaO-SiO2-Al2O3三元相图,7 相图应用,应用实例（二）,在该区域内：,Al2O3仅增加0.5%，但B砖液相含量显著增加，温度越高，越为严重。生产实践中使用B成分砖，有助于延长炉子寿命。,7 相图应用,3、CaO-FeOn-Al2O3三元相图,.应用实例 氧气顶吹转炉造渣路线选择,