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第8章 相平衡与相图 |
| 8.4 三元系相图简介(1) 8.4.1 三元相图概述 工业上使用的大多数材料是由两种以上组分构成的，例如陶瓷、合金钢、ABS塑料等等都是属于三元体系。即使有些二元体系，因为不可避免的原因，也会存在一些杂质，因而也构成三元甚至多元体系。在多元系统中，各组元之间的交互作用并非是加和性的，例如在二元系统中加入第三组元后，不仅改变了原有组元之间的溶解度，而且在某些情况下还可以发生新的转变，形成新相。加入第3组元或更多组元后，会使体系出现液相的温度大幅度降低，这对耐高温场合应用的材料，需要特别引起注意。因此，要全面了解和掌握材料的结构（或组织）、性能以及相应的加工工艺，除了使用二元相图外，还需要掌握和应用三元甚至多元相图。当然，三元相图是使用最多、最普遍的一类相图，虽然组分只比二元体系增加了一种，但是三元相图的复杂性远远超过二元相图，实际三元相图的测定与绘制非常困难，相图的分析和应用也更复杂。本节主要介绍三元相图的基本内容，三元相图的基本类型以及结合不同材料专业方向的实际相图的分析与应用将在各专业方向课程中讲授。 对于三元凝聚系统，F=?C –P + 1 = 4 –P，当F = 0时，P = 4，即三元凝聚系统中可能存在的平衡共存的相数最多为4个。当P = 1时，F = 3，即系统的最大自由度为3。这3个自由度指温度和三个组分中的任意2个浓度。由于要描述三元系统的状态，需要三个独立变量，其完整的状态图应该是一个三坐标的立体图。与普通的三维坐标系不同，三元系统相图的状态图是以三角形为底，表示三组分的组成，垂直于底面的坐标表示温度，所以这个状态图是一个三方棱柱体，柱体内的任一点代表了某一组成在一定温度下的状态。但这样的立体图不便于应用，我们实际使用的是它的平面投影图。图8-35是一个最简单的具有低共熔点的三元系统相图立体状态图，图8-36是其在底面上的投影图。   8.4.2 三元系统基本原理 1. 三元系统组成表示法  三元系统中任意两个组成确定后，第三个组成便随之确定，因此在相图上需要用两个坐标轴来表示组成的变化，这两个坐标轴之间的夹角没有任何限定，但为了使用上的简便直观，常用等边三角形来表示三元系统的组成。这个三角形又称为浓度三角形或成分三角形。如图8-37所示，三角形的三个顶点分别表示三元系统的三个纯组分A、B、C，三条边分别表示3个二元系A-B、B-C、C-A的组成，三角形内部任意一点都表示含有A、B、C三个组分的三元系统，不同点所含的三个组分的比例不同。从几何学上可以很容易证明等边三角形具有如下一个性质：即经过等边三角形内的任意一点，作平行于三角形各边的直线，则在每条边上所截的截线之和等于等边三角形的边长（参见图8-37，a + b + c = AB = BC = CA），所以可以利用这个性质来确定三元系统的组成。 将三角形的边长分成100份，用于表示三元系统组成总含量为  100%。那么M点的组成按如下方法来确定：A = 长度a = 50%，B = 长度b =30%，C = 长度c = 20%（见图8-37）。实际上M点的组成可以用双线法求得，即过M点朝着某一边做另外两边的平行线，在该边上的两个截点将边长分成3段，分别代表三个组分的含量，a + b + c = BD + AE + ED = AB = 100%，见图8-38。如已知三元系统的组成，也可用双线法确定其组成点在浓度三角形内对应的位置。即按相反的操作程序即可确定组成点。如已知三元系统的组成A = 50%、B = 30%、C = 20%，那么在三角形AB边上，截取BD = 50%代表组分A的含量，截取AE = 30%代表B的含量，中间一段DE = 20%代表C的含量。过D点作平行于BC边的直线，过E点作平行于AC的直线，两直线交点M即为所求的组成点，参见图8-37。 根据浓度三角形的这种表示法，不难看出，一个三元组成点越靠近某一边，则该边所代表的2个组成含量越高；越靠近某一顶角，则该顶角所代表的组分含量必定越高。 |
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