相图----材料科学基础课件

相图材料科学基础——相图是描述平衡状态下系统组分、物相和外界条件相互关系的几何表示，是材料设计与热处理的基础工具相图能够预测材料在特定温度和成分条件下的相组成和微观结构，为材料科学研究和工程应用提供重要指导本课程将系统介绍相图的基本概念、热力学原理、各类相图的分析方法，并结合年最新材料科学研究进展，深入探讨相图在现代材料设计中的应2025用通过学习，学生将掌握相图分析的基本技能，为后续材料专业课程奠定坚实基础课程大纲1相图基本概念介绍相的定义、平衡状态、相律等基础概念，建立相图分析的理论框架2平衡相图热力学基础阐述自由能与相平衡的关系，为相图分析提供热力学依据Gibbs3二元相图分析详细讲解各类二元相图的特征、分析方法和工程应用4铁碳相图与热处理应用深入分析最重要的工业相图，指导钢铁材料的热处理工艺设计第一部分相图基础概念相的定义平衡状态相律相图意义物理性质和化学组成均匀的系统处于最低自由能状态，相律描述了平衡系统中预测材料平衡组织，指导热Gibbs物质部分，与周围存在明确不随时间变化，可以进行可相数、组元数和自由度之间处理工艺设计和新材料开的界面相可以是固态、液逆过程的关系发态或气态什么是相？相的基本特征金属中的典型相物理性质和化学组成均匀的物质例如铁碳合金中的（铁素α-Fe部分，与周围存在明确的界面体）、（奥氏体）、γ-Fe Fe3C相可以是固态、液态或气态在（渗碳体）等每种相都有其特金属材料中，不同的相具有不同定的晶体结构、化学组成和物理的晶体结构和性能性质相界面的重要性相与相之间的界面对材料性能有重要影响界面结构、取向关系和界面能等因素决定了材料的力学性能和相变行为平衡状态最低自由能状态不随时间变化可逆过程系统处于最低自由能状平衡状态下系统的宏观平衡态之间的转变可以态，这是热力学平衡的性质不随时间变化，达通过可逆过程实现，无基本条件到稳定状态净熵增加工业实际实际工业过程通常处于非平衡状态，但平衡相图仍具有重要指导意义相律（相律）Gibbs自由度含义系统可独立变化的参数数目，决定了系相律公式2统的变化自由度自由度越大，系统越容易调节F=C-P+2自由度数•F1组元数•C约束条件相数•P相律反映了热力学平衡系统中各变量之温度和压力•2间的约束关系，是相图分析的理论基3础相律在不同系统中的应用1一元系统纯组分系统，如纯铁的同素异构转F=1-P+2=3-P变当三相共存时，为不变系统F=02二元系统最常见的工程合金系统两相共存F=2-P+2=4-P时，可独立调节温度和成分F=23三元系统复杂多元合金系统常压下F=3-P+2=5-P F=C，简化分析-P+1相图的意义新材料设计与开发指导热处理工艺设计相图为新材料的成分设计和工艺优化提供预测材料组织结构通过相图可以确定适当的加热温度、保温理论指导，加速新材料的研发进程现代相图可以预测材料在平衡状态下的组织结时间和冷却速率，设计出最佳的热处理工计算相图技术更是大大提高了材料设计效构，包括相的种类、数量和分布，为材料艺这是实现材料性能优化的关键技术手率性能预测提供基础这对于材料选择和应段用具有重要指导意义相图中的基本术语相区相图中具有相同相组成的区域每个相区内的合金具有相同的相数和相的种类相界线分隔不同相区的线，表示相变发生的温度和成分条件共晶点液相同时分解为两种固相的点，是重要的相变反应点固溶度一种元素在另一种元素中的最大溶解度，决定了固溶体的形成范围第二部分相图热力学基础相平衡条件各相化学势相等自由能Gibbs系统稳定性判据热力学第二定律系统趋向最低自由能热力学第二定律与相平衡最低自由能原理系统自发趋向于最低自由能状态平衡条件所有相的化学势必须相等基本方程dG=-SdT+VdP+Σμidni自由能Gibbs温度效应焓的作用温度升高时熵项贡献增大，影响相稳定键合能和晶格能决定了焓的大小性平衡判据熵的贡献，平衡时各相摩尔自由能G=H-TS混合熵和振动熵影响相的稳定性相等相平衡条件1温度相等热平衡条件2压力相等力学平衡条件3化学势相等化学平衡条件4最低自由能热力学稳定性条件相图与自由能的关系Gibbs几何表达关系切线法原理相图是自由能曲线的几何表达公切线法确定平衡时两相的成相变线对应自由能曲线的交点，分切点对应各相的平衡成分，相区对应某一相自由能最低的成切线斜率代表化学势这是相图分范围温度变化导致自由能曲定量分析的重要方法线发生变化杠杆定则基础杠杆定则的热力学基础来源于质量守恒和化学势相等条件通过几何关系可以计算各相的相对含量第三部分二元相图类型分析二元相图是工程中最常遇到的相图类型，包括全溶型、共晶型、包晶型等基本类型每种类型都有其特定的相变规律和微观组织特征，对应不同的工业应用需求二元相图的表示方法横轴表示成分轴，可用原子百分比或重量百分比表示纵轴表示温度轴，从室温到熔点以上的温度范围二维投影常压条件下的二维表示，简化了三维相图表象点代表特定成分和温度下合金的状态点相图中的表象点两相区表象点合金由两种相组成两相平衡共存•单相区表象点2相成分由相界线确定•合金为单一相相比例由杠杆定则计算•均匀的化学组成•1三相区表象点单一的晶体结构•三种相共存连续的物理性质•3通常为等温线•自由度为零•发生不变反应•全溶型相图液相区两种元素在液态完全互溶，形成均匀的液态合金温度高于液相线时，合金完全为液相两相区液相和固相共存区域凝固过程中液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化，存在成分差异固相区两种元素在固态完全互溶，形成连续固溶体具有相同的晶体结构，性能连续变化全溶型相图的凝固分析平衡凝固过程在极慢冷却条件下，液相和固相始终保持平衡固相成分通过扩散均匀化，最终获得均匀的单相固溶体组织但实际生产中很难实现完全平衡凝固非平衡凝固偏析实际冷却速率较快时，扩散不充分导致成分偏析先凝固的固相溶质含量低，后凝固的固相溶质含量高，形成枝晶偏析现象偏析消除方法通过均匀化退火处理可以消除偏析在高温长时间保温，利用扩散作用使成分均匀化这是改善铸造合金性能的重要工艺共晶型相图有限固溶两种元素在固态只有有限的互溶度，形成两个端部固溶体和相αβ共晶反应，一种液相同时分解为两种固相，具有固定的反应温度和L→α+β成分共晶组织和相交替排列的层片状结构，具有优异的综合性能αβ典型应用焊料、铸造合金等重要工业材料都属于共晶型系统Pb-Sn Al-Si共晶相图的微观组织亚共晶组织共晶组织过共晶组织成分小于共晶成分的合金先析出初生成分等于共晶成分的合金完全由层成分大于共晶成分的合金先析出初生αα+ββ相，后形成共晶组织初生相粗片状共晶组织组成具有最低的熔点和相，后形成共晶组织冷却速率影响α+βαα+β大，共晶组织细小优异的铸造性能组织形态包晶型相图包晶反应L+α→β固相形成液相与一种固相反应形成另一种固相典型例子、系统中的包晶反应Cu-Zn Fe-C偏晶型和单包晶型相图偏晶反应，一种液相分解为另一种液相和一种固相在某些金属非金属系统中出现L1→L2+α-单包晶反应，与包晶反应类似但机理不同在复杂多元系统中较为常见L+α→β应用相对较少这类相图在工业应用中相对较少，但对理解复杂相变机理具有重要意义共析型相图相图分析方法杠杆定则计算两相区中各相的相对含量计算公式2Wα=C0-Cβ/Cα-Cβ杠杆臂长度相分数等于对应杠杆臂长度比相变过程分析等温截面分析在固定温度下分析成分变化对相组成的影响，确定相区边界和相组成垂直截面分析在固定成分下分析温度变化引起的相变过程，绘制冷却曲线冷却曲线分析通过热分析获得的冷却曲线来确定相变温度和相变类型相变路径追踪跟踪表象点在相图中的运动轨迹，分析整个相变过程第四部分三元相图等边三角形表示三维空间模型吉布斯三角形是三元相图的基本表示方完整的三元相图是四维的，通常用三维法，三个顶点代表纯组元模型表示温度成分关系-工业应用截面分析4镍基高温合金、陶瓷材料等复杂系统需通过等温截面和垂直截面简化复杂的三要三元相图指导元相图分析三元相图的表示方法吉布斯三角形三维空间模型等温截面图等边三角形表示法是最常用的三元相加入温度轴后形成三维棱柱体模型在固定温度下的水平截面，显示该温图表示方法三个顶点分别代表三种垂直轴表示温度，底面三角形表示成度下的相区分布这是实际应用中最纯组元，边线代表二元系统，三角形分这种表示方法更直观地显示了温常用的分析方法，便于工艺设计内部的点代表三元合金的成分度对相关系的影响三元相图的特点1三个独立组元表示三种独立组元组成的合金系统，比二元系统更复杂但更接近实际工业合金2顶点和边线三个顶点代表纯组元，三条边线代表二元子系统，内部代表真正的三元合金3相区复杂性相区数量和形状比二元相图复杂得多，需要特殊的分析方法和软件工具三元相图的组成表示100%3总成分垂直距离三组分浓度之和必须等于任一点到三边的垂直距离之和等于三角形高100%2∞表示方法等浓度线重量百分比或原子百分比两种表示方法平行于对边的直线表示某组元的等浓度线三元相图在工业中的应用镍基高温合金陶瓷材料系统化工分离过程系统是航空发动机叶片材料的系统广泛应用于耐正戊醇乙酸水体系的三元相图在化工Ni-Cr-Al Al2O3-SiO2-MgO--基础通过三元相图优化合金成分，获火材料三元相图指导配方设计，控制萃取分离中具有重要应用相区边界确得优异的高温强度和抗氧化性能强液相生成温度和数量，优化材料的耐火定了萃取操作的可行性和分离效果γ化相的析出行为是关键性能和热震稳定性第五部分铁碳相图详解铁碳相图是工业上最重要的相图之一，是钢铁冶金和热处理的理论基础严格意义上是的亚稳相图，碳含量范围Fe-Fe3C0-，为钢铁材料的成分设计和工艺制定提供基本依据

6.67%铁碳相图概述重要性和地位铁碳相图是工业上最重要的相图之一，是钢铁冶金、热处理和材料设计的基础全世界钢铁产量占金属总产量的以上，使得这个相图具有95%极其重要的工程意义相图的本质严格意义上是的亚稳相图，而不是的稳定相图在稳Fe-Fe3C Fe-C定条件下，碳应以石墨形式存在，但由于动力学因素，渗碳Fe3C体在工程条件下是稳定的成分和温度范围碳含量范围从到的含碳量，温度范围从室温到

06.67%Fe3C℃这个范围涵盖了所有工业用钢铁材料的成分和使用温1600度纯铁的同素异构转变（铁素体）α-Fe体心立方结构，室温至℃碳溶解度极低，最大

9120.022%（奥氏体）γ-Fe面心立方结构，℃碳溶解度高，最大912-

13942.11%δ-Fe体心立方结构，℃高温相，碳溶解度中等1394-1538溶解度差异不同晶体结构中的间隙大小决定了碳的溶解度差异铁碳相图中的主要相铁素体奥氏体αγ碳在中的固溶体碳在中的固溶体α-Feγ-Fe最大溶碳量最大溶碳量•

0.022%•

2.11%体心立方结构面心立方结构••软而韧的特性高温稳定相••液相渗碳体L Fe3C液态合金含碳量的化合物Fe-C

6.67%高温下存在硬而脆的特性••碳完全溶解复杂晶体结构••铸造工艺基础亚稳相••铁碳相图中的重要反应钢的分类与组织过共析钢

0.77%C

2.11%共析钢2，珠光体C=

0.77%100%亚共析钢，铁素体珠光体C

0.77%+铸铁的分类与组织白口铸铁灰口铸铁快速冷却形成的亚稳组织，含有缓慢冷却时碳以石墨片形式析莱氏体和渗碳体硬而脆，切削出，含铁素体珠光体基体和片/加工困难，多用作耐磨件或可锻状石墨具有良好的铸造性能和铸铁的坯料减振性球墨铸铁通过球化处理使石墨呈球状分布，基体为铁素体或珠光体综合性能优异，可替代某些钢件使用固态相变的分析方法相区边界识别相变线表示相区边界，如线℃表示铁素体与奥氏体的平衡线，线表示亚共析钢中铁素体开始析出的温度线A1727A3相区特征分析单相区内合金性质均匀，两相区内需用杠杆定则计算相比例三相区对应不变反应，如珠光体转变区表象点运动轨迹冷却过程中表象点的移动路径反映了相变过程垂直下降表示恒成分冷却，水平移动表示等温相变过程第六部分相图在材料热处理中的应用退火工艺正火工艺淬火回火加热至奥氏体区后缓慢空冷获得细化晶粒和均快冷获得马氏体后回冷却，获得接近平衡的匀组织，改善材料综合火，调节硬度和韧性的组织状态性能最佳匹配固溶时效有色金属合金的强化处理，利用溶解度变化析出强化相退火工艺与相图完全退火加热至奥氏体区℃，保温后随炉缓冷30-50球化退火过共析钢长时间保温使渗碳体球化工艺参数温度和时间选择基于相图中的相界线正火工艺与相图空冷过程加热阶段空气中冷却，冷却速率介于退火和淬火加热至奥氏体区，完全奥氏体化是关键之间性能改善晶粒细化强度提高，韧性良好，消除内应力获得细小均匀的铁素体珠光体组织-淬火与回火淬火过程奥氏体快速冷却形成马氏体，获得高硬度但脆性大马氏体特征亚稳相，体心正方结构，不在平衡相图上显示回火处理淬火后再加热，马氏体分解提高韧性和图TTT CCT时间温度转变图指导热处理工艺设计--固溶与时效处理固溶处理将合金加热到高温单相区，使第二相完全溶解到基体中形成过饱和固溶体然后快速冷却以保持高温下的溶解状态，为后续时效处理创造条件时效处理在较低温度下长时间保温，利用溶解度随温度降低而减小的特点，使过饱和固溶体中析出细小弥散的第二相颗粒，起到强化作用析出强化机理细小的析出相阻碍位错运动，显著提高材料强度析出相的类型、尺寸和分布是控制强化效果的关键因素，需要通过相图指导优化第七部分现代相图研究方法计算相图技术第一性原理计算相图数据库方法结合热力学模型和实验基于量子力学原理计算材料的电子结构建立标准化的相图数据库，集成实验数CALPHAD数据，能够预测复杂多元系统的相图和热力学性质，为相图预测提供理论基据和计算结果，为材料设计提供可靠的这种方法大大加速了新材料的设计过础特别适用于极端条件下的相图预数据支撑现代材料设计越来越依赖于程，降低了实验成本测这些数据库计算相图技术方法原理CALPHAD计算相图方法，结合热力学理论和实验数据，建立描述相平衡的数学模型热力学模型建立采用亚正规溶液模型、化合物能量模型等描述各相的热力学性质参数优化通过最小二乘法等数学方法优化模型参数，使计算结果与实验数据吻合相图预测验证预测未知体系的相图，并通过实验验证计算结果的准确性实验相图研究方法热分析技术射线衍射X、等方法物相分析的主要手段DSC DTA测量相变温度确定晶体结构••确定相变类型识别相的类型••计算相变焓测量晶格参数••成分分析显微分析化学成分测定组织形态观察能谱分析光学显微镜••电子探针扫描电镜••质谱分析透射电镜••相图在新材料开发中的应用航空航天材料轻质高强合金设计高温合金开发镍基、钴基超合金的相图指导成分优化相图指导合金成分设计组织控制微观组织的精确控制相图研究前沿进展亚稳相图研究梯度材料相图研究非平衡条件下的亚稳相及其功能梯度材料中成分连续变化，转变规律亚稳相往往具有特殊需要建立连续变化的相图描述性能，在功能材料中应用广泛这类材料在航空航天、生物医学快速凝固和机械合金化等技术可等领域应用前景广阔以获得各种亚稳相纳米材料相变纳米尺度下材料的相变行为与块体材料显著不同表面效应、尺寸效应等因素导致相图发生变化，需要新的理论框架描述。