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第8章 相平衡與相圖 |
| 8.3 二元系相圖(1) 8.3.1 二元系相圖的建立 建立相圖的方法有實(shí)驗(yàn)測(cè)定和理論計(jì)算兩種，目前所用的相圖大部分是通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定的。當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生相變時(shí)，各種性質(zhì)的變化或多或少的帶有突變性，這樣就可以通過測(cè)量材料的性質(zhì)來確定其相變臨界點(diǎn)。這也是用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定臨界點(diǎn)并構(gòu)成相圖的依據(jù)。 測(cè)定相圖常用的物理方法有：熱分析法、金相組織法、X射線分析法、硬度法、電阻法、熱膨脹法、磁性法等。精確地測(cè)定一個(gè)相圖，通常都是各種方法配合使用，以充分利用每一種方法的優(yōu)點(diǎn)。以下以熱分析法為例說明如何測(cè)定Cu-Ni相圖。  熱分析法就是測(cè)定合金的冷卻（或加熱）曲線的方法。由于合金凝固時(shí)的結(jié)晶潛熱較大，結(jié)晶時(shí)冷卻曲線上的轉(zhuǎn)折比較明顯，因此常用熱分析法來測(cè)定合金的結(jié)晶溫度，即測(cè)液相線、固相線。 首先配制幾種有代表性的合金，如圖8-2 (a)所示；測(cè)定每種合金從液態(tài)冷卻到室溫的冷卻曲線，并求得各相變點(diǎn)；最后將這些相變點(diǎn)描繪在溫度與成分的坐標(biāo)圖紙上。把意義相同的各點(diǎn)連結(jié)起來，即可繪出Cu-Ni相圖，如圖8-2 (b)所示。 8.3.2 杠桿定律 杠桿定律是質(zhì)量守恒定律的一種表達(dá)形式，是通過相圖來確定各相含量的重要表達(dá)式。在結(jié)晶過程中，隨著結(jié)晶過程的進(jìn)行，系統(tǒng)中各相的成分以及它們的相對(duì)含量都將不斷發(fā)生變化。在二元系統(tǒng)中用杠桿定律確定相的相對(duì)含量只適用于兩相區(qū)。因?yàn)閷?duì)于單相區(qū)來說沒有意義，而對(duì)于三相區(qū)F=0是恒溫過程，在相圖上只表現(xiàn)為一條水平線此時(shí)3個(gè)相的成分雖然固定不變，但是卻可以任何比例來平衡故此3個(gè)相的數(shù)量又無法確定。然而在兩相區(qū)F=1，系統(tǒng)只允許有一個(gè)獨(dú)立的變數(shù)，這樣就可以確定平衡相的相對(duì)含量。假若這個(gè)獨(dú)立的變數(shù)是溫度，隨著溫度的變化，兩個(gè)平衡相的成分都將隨之改變。平衡相的成分隨溫度變化而變化的狀態(tài)點(diǎn)的軌跡就是成分與溫度的平衡曲線。事實(shí)上液相線就是液相成分隨溫度變化而變化的平衡曲線，固相線是固相成分隨溫度變化而變化的平衡曲線。液態(tài)合金結(jié)晶時(shí)，隨溫度的變化，液相成分將沿液相線變化，固相成分沿著固相線變化。一旦溫度恒定，則F=0，液相和固相的成分液隨之固定下來。此時(shí)兩平衡相成分點(diǎn)之間的連線即為一條水平的等溫線。利用這一特性可以導(dǎo)出杠桿定律。  如圖8-3（a）的二元相圖中，成分為C0的材料在t1溫度時(shí)處于液、固兩相平衡狀態(tài)，即L→α。確定液相和固相α的成分，可通過t1作一水平的等溫線，分別與液相線、C0的成分線（垂直于成分軸）、固相線交于a、o、b, a、b兩點(diǎn)在成分坐軸上的投影CL和Cα即為液相L和固相α的成分。 設(shè)材料的總質(zhì)量為1，液相的質(zhì)量為wL，固相的質(zhì)量為wa，則 （8-3） 由以上兩式可以得出 （8-4） 如圖8-3（b）所示，若將o點(diǎn)視為支點(diǎn)，把wL和wa看成作用于a、b兩點(diǎn)的力，由力學(xué)上的杠桿定律就可以得到上式。故將上式稱為杠桿定律。 以上推導(dǎo)杠桿定律過程，僅僅是基于相平衡的基本原理，并不涉及相圖的性質(zhì)。應(yīng)當(dāng)注意，杠桿定律只適用于二元系兩相區(qū)，對(duì)其他區(qū)域不適用。 |
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