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第8章 相平衡与相图 |
| 8.3 二元系相图(1) 8.3.1 二元系相图的建立 建立相图的方法有实验测定和理论计算两种，目前所用的相图大部分是通过实验测定的。当系统中发生相变时，各种性质的变化或多或少的带有突变性，这样就可以通过测量材料的性质来确定其相变临界点。这也是用实验方法测定临界点并构成相图的依据。 测定相图常用的物理方法有：热分析法、金相组织法、X射线分析法、硬度法、电阻法、热膨胀法、磁性法等。精确地测定一个相图，通常都是各种方法配合使用，以充分利用每一种方法的优点。以下以热分析法为例说明如何测定Cu-Ni相图。  热分析法就是测定合金的冷却（或加热）曲线的方法。由于合金凝固时的结晶潜热较大，结晶时冷却曲线上的转折比较明显，因此常用热分析法来测定合金的结晶温度，即测液相线、固相线。 首先配制几种有代表性的合金，如图8-2 (a)所示；测定每种合金从液态冷却到室温的冷却曲线，并求得各相变点；最后将这些相变点描绘在温度与成分的坐标图纸上。把意义相同的各点连结起来，即可绘出Cu-Ni相图，如图8-2 (b)所示。 8.3.2 杠杆定律 杠杆定律是质量守恒定律的一种表达形式，是通过相图来确定各相含量的重要表达式。在结晶过程中，随着结晶过程的进行，系统中各相的成分以及它们的相对含量都将不断发生变化。在二元系统中用杠杆定律确定相的相对含量只适用于两相区。因为对于单相区来说没有意义，而对于三相区F=0是恒温过程，在相图上只表现为一条水平线此时3个相的成分虽然固定不变，但是却可以任何比例来平衡故此3个相的数量又无法确定。然而在两相区F=1，系统只允许有一个独立的变数，这样就可以确定平衡相的相对含量。假若这个独立的变数是温度，随着温度的变化，两个平衡相的成分都将随之改变。平衡相的成分随温度变化而变化的状态点的轨迹就是成分与温度的平衡曲线。事实上液相线就是液相成分随温度变化而变化的平衡曲线，固相线是固相成分随温度变化而变化的平衡曲线。液态合金结晶时，随温度的变化，液相成分将沿液相线变化，固相成分沿着固相线变化。一旦温度恒定，则F=0，液相和固相的成分液随之固定下来。此时两平衡相成分点之间的连线即为一条水平的等温线。利用这一特性可以导出杠杆定律。  如图8-3（a）的二元相图中，成分为C0的材料在t1温度时处于液、固两相平衡状态，即L→α。确定液相和固相α的成分，可通过t1作一水平的等温线，分别与液相线、C0的成分线（垂直于成分轴）、固相线交于a、o、b, a、b两点在成分坐轴上的投影CL和Cα即为液相L和固相α的成分。 设材料的总质量为1，液相的质量为wL，固相的质量为wa，则 （8-3） 由以上两式可以得出 （8-4） 如图8-3（b）所示，若将o点视为支点，把wL和wa看成作用于a、b两点的力，由力学上的杠杆定律就可以得到上式。故将上式称为杠杆定律。 以上推导杠杆定律过程，仅仅是基于相平衡的基本原理，并不涉及相图的性质。应当注意，杠杆定律只适用于二元系两相区，对其他区域不适用。 |
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