冶金物理化学简明教程第三章相图.ppt

第第3 3章章 相相图图 （（（（8  8 学时）学时）学时）学时）一、一、  基本概念基本概念§ 1  相相图图基基础础•相图：相图：相平衡体系的几何图示描述多相体系中相相平衡体系的几何图示描述多相体系中相状态与状态与T、、P、、x等的关系等的关系•凝聚系：凝聚系：没有或不考虑气相的体系没有或不考虑气相的体系•自由度：自由度：在一定范围内可以任意在一定范围内可以任意独立改变独立改变而不致发而不致发生相变化的变数（如温度、压力和浓度等）的个数生相变化的变数（如温度、压力和浓度等）的个数•组元：组元：组成系统的独立化学组成物合金中元素视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为组元，熔渣中某一化合物视为组元•相数：相数：在一个多相体系中由界面分开的物质的均匀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部分，它们具有相同的物理、化学性质和晶体结构气液气液——有几个分层就有几个相；有几个分层就有几个相；   固固——有几种晶型就有几个相有几种晶型就有几个相一、一、  基本概念基本概念§ 1  相相图图基基础础l相律：相律：多相体系平衡的基本规律。

说明平衡体系中相数、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独立组元数与自由度的关系考虑到温度、压力两个变数时：考虑到温度、压力两个变数时：f =K–φ+2f：：自由度；自由度； K：：独立组元数；独立组元数； φ ：：相数相数对有其他影响因素的平衡体系，如磁场、电场等：对有其他影响因素的平衡体系，如磁场、电场等：为：为：f = K–φ+n对于凝聚系，可以不考虑体系压力：对于凝聚系，可以不考虑体系压力：为：为：f = K–φ+1一、一、  基本概念基本概念§ 1  相相图图基基础础实例：实例：FeO-Fe-O2系系 l  当当FeO、、Fe是固态时，体系有是固态时，体系有3相，有一个氧化反应：相，有一个氧化反应：Fe+1/2O2=FeO，，    K=3-1=2，，自由度自由度 f =2-3+2=1分解压是温度的函数分解压是温度的函数l  对于铁液中的对于铁液中的FeO、、Fe，，相数为相数为2，，自由度自由度f =2-2+2=2，，     影响氧分压的除了温度，还有铁液中影响氧分压的除了温度，还有铁液中FeO的活度二、二、  二元相图二元相图§ 1  相相图图基基础础2. 基本类型基本类型AA+BBLA+LB+L1.简单共晶型简单共晶型AA+AmBnLA+LB+L2.具有稳定化合物具有稳定化合物AmBn+BBAmBn（（AmBn+L））（（1）共晶反应）共晶反应L=S1+S2E二、二、  二元相图二元相图§ 1  相相图图基基础础2. 基本类型AA+AmBnLA+LB+L3.具有不稳定化合物具有不稳定化合物AmBn+BBAmBn（（AmBn+L））LA+LB+LA+AmBnAmBn+BA+B4.固相分解化合物型固相分解化合物型BA（（2）包晶反应）包晶反应 (转熔反应转熔反应)L+S1=S2DAmBn二、二、  二元相图二元相图§ 1  相相图图基基础础2. 基本类型LA+LB+LA+ α-B5.固相晶形转变固相晶形转变BAA+ β-BLA+LB+LA+ L26.液相分层液相分层BAA+ BL1+L2（（3）偏晶反应）偏晶反应L1=S1+L2D二、二、  二元相图二元相图§ 1  相相图图基基础础2. 基本类型7.连续固溶体型连续固溶体型LABSL+S8.连续固溶体型连续固溶体型LABSL+SLABSL+S二、二、  二元相图二元相图§ 1  相相图图基基础础2. 基本类型AAs+BsBLAs+LBs+L9. 有限固溶体型有限固溶体型   具有最低共熔点具有最低共熔点BsAsAB10. 有限固溶体型有限固溶体型      具有转熔点具有转熔点α+βLβ+Lβα+LαE二、二、  二元相图二元相图§ 1  相相图图基基础础3. 相变反应类型分解型共晶反应共晶反应L S1+S2 共析反应共析反应S S1+S2 偏晶反应偏晶反应L1 L2+S 熔晶反应熔晶反应S1L+S2 二、二、  二元相图二元相图§ 1  相相图图基基础础4. 相变反应类型合成型合成型包晶反应包晶反应L+ S1 S2 包析反应包析反应 S1+S2  S3 固相合成固相合成 A+B  Am B n 合晶反应合晶反应L1+L2S § 2  铁铁氧氧二二元元相相图图典型的二元相图典型的二元相图Fe－－O二元相图是分析铁的氧化、铁氧化物还原二元相图是分析铁的氧化、铁氧化物还原与分解的基础与分解的基础特殊线特殊线单相区单相区§ 2  铁铁氧氧二二元元相相图图浮士体：•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，x<1§ 2  铁铁氧氧二二元元相相图图570℃CaO-SiOCaO-SiO2 2系二元相图系二元相图图中图中符号符号相平衡相平衡性质性质PCaO=L熔化熔化QSiO2=L熔化熔化A方石英方石英+LB=LA熔化分层熔化分层B方石英方石英+LB=LA熔化分层熔化分层CCS+磷石英磷石英=L低共溶点低共溶点DCS=L熔化熔化ECS+C3S2=L低共溶点低共溶点FC3S2=αC2S+L转熔转熔Gα-C2S=L熔化熔化HCaO+αC2S=L低共溶点低共溶点MαC2S+CaO=C3S固相反应（化合）固相反应（化合）NαC2S+CaO=C3S固相反应（化合）固相反应（化合）OCS+磷石英磷石英=CS+石英石英晶型转变晶型转变RαC2S=α'C2S晶型转变晶型转变TγC2S=α'C2S晶型转变晶型转变一、一、  概论概论1.相律相律四维空间图四维空间图对凝聚体系：对凝聚体系： 即得三维空间立体图，又称三元立体熔度图。

即得三维空间立体图，又称三元立体熔度图§ 3  三三元元相相图图§ 3  三三元元相相图图1.投影平面图ABCe1e2e3EABC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  三三元元相相图图2.等温截面图等温线：封闭曲线（线上各点温度相等）等温线：封闭曲线（线上各点温度相等）L+AL+CL+BL+A＋＋C200℃结线三角形结线三角形f每边分成100份二、浓度三角形二、浓度三角形§ 3  三三元元相相图图BACPcbaACBCABPcPbPaCPcBPbAPa===++ïþïýüïîïíì===%%%===BcaCAb三、浓度三角形规则三、浓度三角形规则§ 3  三三元元相相图图1.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ACPacbdBad//BC，ad上含A%均等三、浓度三角形规则三、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  三三元元相相图图ACPacbBDe三、浓度三角形规则三、浓度三角形规则§ 3  三三元元相相图图BACODE3.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。

4.背向规则：液相组成向远离析出组元的方向变化背向规则：液相组成向远离析出组元的方向变化§ 3  三三元元相相图图BACDE三、浓度三角形规则三、浓度三角形规则体系点体系点D冷却到液相面温度，开始析出固相冷却到液相面温度，开始析出固相A5．质心规则：．质心规则：D、、E、、F混合成一个新三元系混合成一个新三元系M，，则成分点则成分点M必位于必位于△△DEF质心处§ 3  三三元元相相图图BACFDEMG•M点位于△DEF的物理质心处；三、浓度三角形规则三、浓度三角形规则5．质心规则：§ 3  三三元元相相图图BACFDEMG质心的确定方法：1.作图法（两次应用杠杆规则）2.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、浓度三角形规则三、浓度三角形规则6. 相对位规则§ 3  三三元元相相图图BACFDEMG•质心位：M点位于△DEF内重量关系：WM= WD+WE +WF反应： D＋F＋ E →M 三、浓度三角形规则三、浓度三角形规则三元共晶点：D＋E+F → M6.相对位规则§ 3  三三元元相相图图重量关系：WM+WF = WD+WE三元包晶点：D＋E－F → MM点位于△DEF外情况（析出）CBAFDEMG1. 交叉位    或：WM= WD＋WE －WF M点位于△DEF外，居于DE、DF延长线范围内，必有D＋E→ M +F 三、浓度三角形规则三、浓度三角形规则6. 相对位规则§ 3  三三元元相相图图重量关系：WF = WM+ WD+WEM点位于△DEF外情况：2. 共轭位或：WM = WF － (WD+WE )BACFDEMG  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、浓度三角形规则三、浓度三角形规则§ 3  三三元元相相图图四、立体熔度图与平面投影图关系四、立体熔度图与平面投影图关系 立体图立体图                                       三元相图三元相图在平面上投影立体图三元相图液相面（初晶面） f=2初晶区通常：组元数+化合物数=初晶区个数二次结晶线（二元包晶线、共晶线）f=1二次结晶线e’-E’→e1E，e2E，e3E……四相点: f=0四相点 单相区初晶区二次结晶线四相点φ1234f3210§ 3  三三元元相相图图四、立体熔度图与平面投影图关系四、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、简单三元共晶相图一、简单三元共晶相图§ 4  共共晶晶类类相相图图1.相图组成读图（点、线、面的物理意义）相律：在浓度三角形内：     f =4－－φ在浓度三角形边上： f =3－－φABtAtAtBtBtctcCe1e2e3e1’e2’e3’EABCE’ABCe1e2e3Ee2’e1’e3’tAtBtC§ 4  共共晶晶类类相相图图1.相图组成二元初晶线：6条§ 4  共共晶晶类类相相图图1.相图组成初晶区：三个E’ABCe1e2e3Ee2’e1’e3’tAtBtC§ 4  共共晶晶类类相相图图1.相图组成二元共晶线： 3条E’ABCe1e2e3Ee2’e1’e3’tAtBtC)()(  ,  )()(  ,  )()(  ,  21sAsCLEe3sCsBLEesBsALEe+®+®+®一、简单三元共晶相图一、简单三元共晶相图§ 4  共共晶晶类类相相图图二元共晶点：3个三元共晶点：1个LE=A（s）+B （s） +C （s）1.相图组成E’ABCe1e2e3Ee2’e1’e3’tAtBtCP→1AL→A（（S））L、、A （（S））2§ 4  共共晶晶类类相相图图2．缓冷过程分析一、简单三元共晶相图一、简单三元共晶相图ABCe1e2e3Eb’a’b1P液液相相     固固相相       相相变变化化          共共存存相相        f1AL→A（（S）） + B（（S））L、、A （（S）） 、、 B（（S））11→EA→bL→A（（S）） + B（（S））L、、A （（S）） 、、 B（（S））1Eb→PL→A（（S）） + B（（S）） + C（（S））L、、A （（S）） 、、 B（（S）） 、、C（（S））03．注意§ 4  共共晶晶类类相相图图一、简单三元共晶相图一、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  共共晶晶类类相相图图二、生成稳定化合物类型二、生成稳定化合物类型仅有一种稳定化合物存在：A+AmBnLA+LB+L二元相图－具有稳定化合物二元相图－具有稳定化合物AmBn+BBAmBn（（AmBn+L））§ 4  共共晶晶类类相相图图二、生成稳定化合物类型二、生成稳定化合物类型§ 4  共共晶晶类类相相图图二、生成稳定化合物类型二、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 ABCe1e2e3e4e5E1E2AmBn(D)1. 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2.温度最高点规则：（内界线上的交点） § 4  共共晶晶类类相相图图二、生成稳定化合物类型二、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e4ABCe1e2e3e5E1E2AmBn(D)§ 4  共共晶晶类类相相图图二、生成稳定化合物类型二、生成稳定化合物类型3.三角形划分规则：§ 4  共共晶晶类类相相图图二、生成稳定化合物类型二、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。

3.三角形划分规则：§ 4  共共晶晶类类相相图图二、生成稳定化合物类型二、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  3.三角形划分规则：§ 4  共共晶晶类类相相图图二、生成稳定化合物类型二、生成稳定化合物类型      存在两个以上化合物时：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、生成不稳定化合物一、生成不稳定化合物§ 5  包包晶晶型型相相图图1.相图组成读图（点、线、面的物理意义）AA+AmBnLA+LB+L具有不稳定化合物具有不稳定化合物AmBn+BBAmBn（（AmBn+L））一、生成不稳定化合物一、生成不稳定化合物§ 5  包包晶晶型型相相图图1.相图组成面：面：φ=2，，f=24个初晶区个初晶区线：线：φ=3，，f=15条二次结晶线：条二次结晶线：二元共晶线，二元共晶线，包晶线包晶线L+B（（s））→D（（s））点：点：φ=4，，f=0共晶点，包晶点共晶点，包晶点一、生成不稳定化合物一、生成不稳定化合物§ 5  包包晶晶型型相相图图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切线与相成分点的连线成分点的连线的交点表示。

交点表示一、生成不稳定化合物一、生成不稳定化合物§ 5  包包晶晶型型相相图图b．共晶线和包晶线的判别分界线上任一点切线切线与该边界线两边初晶组成点初晶组成点的连线的连线的交点交点：(1)在组成点连线内，共晶；(2)在组成点连线外，包晶；(3)恰与组成点重合：性质转变点一、生成不稳定化合物一、生成不稳定化合物§ 5  包包晶晶型型相相图图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ABCpPA2BEABCA2Be1e2e3一、生成不稳定化合物一、生成不稳定化合物§ 5  包包晶晶型型相相图图2．缓冷分析ABCpPA2BEABCA2Be1e2e3L→CL→A＋＋CL＋＋A→C＋＋A2B最终产物：最终产物：一、生成不稳定化合物一、生成不稳定化合物§ 5  包包晶晶型型相相图图2．缓冷分析ABCpPA2BEABCA2Be1e2e3最终产物：最终产物：L→CL→A＋＋CL＋＋A→C＋＋A2BL→ B ＋＋ C＋＋A2BL→ C＋＋A2BS1S2S3Ma1a2一、生成不稳定化合物一、生成不稳定化合物§ 5  包包晶晶型型相相图图2．缓冷分析ABCpPA2BEABCA2Be1e2e3L→AL ＋＋ A→ A2BL＋＋A→ A2B ＋＋ CL→C＋＋A2B最终产物：最终产物：L→B＋＋C＋＋A2BABCpPA2B321QEABCA2Be1e2e3a1§ 5  包包晶晶型型相相图图2．．缓冷分析缓冷分析固相组成变化固相组成变化ABCpPA2B1EABCA2Be1e2e3§ 5  包包晶晶型型相相图图思考题思考题怎么办？？怎么办？？一、生成不稳定化合物一、生成不稳定化合物§ 5  包包晶晶型型相相图图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  几几种种特特殊殊相相图图ABCBCABCBCEpe1e2e3e4k一、高温稳定、低温分解的二元化合物一、高温稳定、低温分解的二元化合物1.相图组成读图（点、线、面的物理意义）§ 6  几几种种特特殊殊相相图图ABCBCABCBCEpe1e2e3e4k一、高温稳定、低温分解的二元化合物一、高温稳定、低温分解的二元化合物a. 面：§ 6  几几种种特特殊殊相相图图ABCBCABCBCEpe1e2e3e4k一、高温稳定、低温分解的二元化合物一、高温稳定、低温分解的二元化合物b.线§ 6  几几种种特特殊殊相相图图ABCBCABCBCEpe1e2e3e4k一、高温稳定、低温分解的二元化合物一、高温稳定、低温分解的二元化合物c. 点§ 6  几几种种特特殊殊相相图图ABCBCABCBCEpe1e2e3e4k一、高温稳定、低温分解的二元化合物一、高温稳定、低温分解的二元化合物缓冷分析缓冷分析11. L=B+BC2. L+BC=B3. L+B=BC+A二、二元系包晶型，三元系发生共晶反应二、二元系包晶型，三元系发生共晶反应§ 6  几几种种特特殊殊相相图图1.相图组成a 面b.线c.点：性质转变点k缓冷分析缓冷分析ABpp’e1e2e3tAtBE1E2A2Bke2’BCAA2BC§ 6  几几种种特特殊殊相相图图三、二元系固相合成化合物，三元系存在初晶区三、二元系固相合成化合物，三元系存在初晶区1.相图组成读图（点、线、面的物理意义）LA+LB+LA+AmBnAmBn+BA+B固相分解化合物固相分解化合物BA§ 6  几几种种特特殊殊相相图图三、二元系固相合成化合物，三元系存在初晶区三、二元系固相合成化合物，三元系存在初晶区1.相图组成1.化合物由两种固相生成：A（s）+B（s）== AB（s）AB （s）在二元系不与液相共存。

2.三元系中存在二元化合物AB （s）的初晶区§ 6  几几种种特特殊殊相相图图三、二元系固相合成化合物，三元系存在初晶区三、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  几几种种特特殊殊相相图图三、二元系固相合成化合物，三元系存在初晶区三、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kFk—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(1)若处于偏于A小ΔF-A-AB内，B消耗完2) 若处于偏于B小ΔF-AB-B内，A消耗完 § 6  几几种种特特殊殊相相图图四、在二元系固相合成化合物，而在三元系存在初晶区四、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  几几种种特特殊殊相相图图§ 6  几几种种特特殊殊相相图图五、生成三元化合物五、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  几几种种特特殊殊相相图图五、生成三元化合物五、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  几几种种特特殊殊相相图图LP1+ A（s）D（s）+C（s）D（s）+B（s）LP2+ A（s）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  几几种种特特殊殊相相图图2. 异分熔点化合物型§ 6  几几种种特特殊殊相相图图六、有包晶及固溶体六、有包晶及固溶体1.相图组成ABaLCa+Le1e2BCpPP’BCCa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α固溶体组成点；ABaLCe1BCpPP’BCCa2. 缓冷分析§ 6  几几种种特特殊殊相相图图2. 缓冷分析§ 6  几几种种特特殊殊相相图图2. 缓冷分析§ 6  几几种种特特殊殊相相图图3 结晶终点、结晶产物（ⅰ）若位于CP’连线右侧小ΔC-P’-BC内，LP消失；（ⅱ）若位于CP’连线左侧小ΔC-P-P’内，BC消失§ 6  几几种种特特殊殊相相图图§ 6  几几种种特特殊殊相相图图七、有液相分层的三元系七、有液相分层的三元系TATBTCGELa LbKK’G’kabk’e1e2e3§ 6  几几种种特特殊殊相相图图七、有液相分层的三元系七、有液相分层的三元系一、相图分析一、相图分析 存在一个液相分层区。

•KK’临界点连线T>K、T

Al2O3CaOBB’C2’C2C1C1’1600℃1500℃2、、CaO-SiO2-Al2O3三元相图三元相图§ 7  相相图图应应用用应用实例 （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  相相图图应应用用3、、CaO-FeOn-Al2O3三元相图三元相图.应用实例  氧气顶吹转炉造渣路线选择。