东大材料热力学-第四章

材料热力学蒋敏4.1Gibbs相率的推导4.2相图的热力学分析4.3液/固两相平衡4.4端际固溶体的溶解度4.5固溶体间的相平衡4.相图热力学4.1Gibbs相率的推导c个组元的体系，包含p个相，则根据成分归一化条件，成分独立变量为p(c-1)根据相平衡的化学势条件，，可建立c(p-1)个方程因此成分独立变量为pc-p-pc+c=c-p平衡态下体系所有相的温度和压强相等，独立变量为2因此自由度——Gibbs’phaserule考虑其他外场，如磁场，则恒压下，piii...212pcf3pcf1pcf4.相图热力学——构成体系各相自由能的变化是相图的物理基础4.2相图的热力学解析凝固是材料制备的第一步，对于铸件，凝固组织就是材料的终态组织；锻件虽然有后续处理，但凝固组织的影响是重要的，尤其对于无固态相变的材料，如铝合金、镁合金；合金化的一个重要目的是消除枝晶偏析，增加流动性，获得细小均匀的铸态组织；4.3液/固两相平衡Ge-Si匀晶体系相图aCo-NiPhaseDiagramL/adescribedbyregularsolutionmodel:LAAaLBBa2200)1()1(lnaaaaBABLBLABBLBLBBxIxIGGxxRT)1ln()(20BBABAAxRTxIGBBABBBxRTxIGln)1(202200)()(11lnaaaaBABLBLABALALBBxIxIGGxxRT对于纯组元，在熔点具有液/固两相平衡iLiLiLiTHSGaaa0000L/adescribedbyregularsolutionmodel)()(0000TTSTTSGGAmeltingAALAALAaaATT220)(1)(111lnaaaBABLBLABAmALBBxIRTxIRTTTTRSxx)(000000000TTSGSTSTGSTHGGALAALALAAALALAALAaaaaaaaa稀溶液BBBxxx)1ln(1TTTRSxxAmABLB0a液固相线间距与溶质无关，只取决于溶剂组元的熔化熵mAALBALBASRTmk0max/0a液相线斜率LBALBAxTTm)1(/0LBAmAALBAkSRTma——液相线斜率的最大值平衡分配系数LBBLBAxxkaa/K越小偏析愈显著LiquidusinFe-Xsystems在相图上溶解度线表示把B组元加入到A中，能够溶解多少。能够溶解的部分，可能具有固溶强化的效果；不能够溶解的部分，只能以某种形式析出，可能形成析出强化。——合金化过程元素的分布问题4.4端际固溶体的溶解度4.4.1端际固溶体间的两相平衡a/bdescribedbyregularsolutionmodelbbaBBBG0RIHTRSxABBBBababaa001lnRSKBba0lnaaaaaBBABBBxRTxIGln)1(20200)1(lnaaabaBABBBBxIGGxRTRIHTKxABBBabaa01lnln令稀溶液1aBx截距与溶质组元相变熵有关斜率与溶质组元相变焓和相互作用TxB1lna曲线Al的稀溶体中溶质溶解度与温度的关系HypereutecticAl-SialloyA390(Al–17%Si–4.5%Cu–0.5%Mg,wt.%)highresistancetowearandcorrosion,goodmechanicalproperties,lowthermalexpansionandreduceddensity---beingofparticularinteresttotheautomobileindustry.thepresenceofhardprimary(Si)particlesdistributedinthematrix(Al):(1)goodmechanicalpropertiesandhighresistancetowear;(2)crackscannucleate.A.Hekmat-Ardakan,ActaMater.,58(2010),3422-3428PhasediagramofAl–Si–4.5%Cu–0.5%MgPrimary(Si)At566,amaximum(Si)fractionof6.1%;Below566,(Al)andeutecticSiform,till502,88%liquidchangestoformthesolid.502：Liq→(Al)+(Si)+Mg2Si497：Liq→CuAl2+(Al)+(Si)+Mg2Si653566502497PhasefractionsofAl–Si–4.5%Cu–0.5%MgMicrostructureofcastAl–Si–4.5%Cu–0.5%MgalloyEutectic(Si)Intermetallicphases4.4.2固溶体/化合物两相平衡a/qdescribedbyregularsolutionmodelqaAAqaBBqqqBAmnmG)1ln()(20BBABAAxRTxIGBBABBBxRTxIGln)1(20aq相平衡nmmGBABmqqqq1nm)ln()1()1ln()(2020aaaaaaaaqBBABBBBABAmxRTxIGnxRTxIGmGa/qdescribedbyregularsolutionmodel1aBx稀溶体nRTnIGxABmfBaqaln)ln(00aaaaqqBABBAmmfxnRTnIGnGmGG化合物稳定性愈高，固溶体溶解度愈小，愈容易造成析出强化Mg-AlPhaseDiagramMg-SiPhaseDiagram有很多工业材料是双相合金，如双相钢（奥氏体+铁素体），双相钛合金（ab），黄铜（ab）等等，之所以采取双相形式，就是为了尽可能兼备两种相的优良性能。在这类材料中两相的体积分数、合金元素在两相的分配都是影响性能的重要因素。4.5固溶体间的相平衡Cu-ZnPhaseDiagramabrass(C26000),Cu-30%Zn,annealed:s=105MPaa+bbrass(C28000),Cu-40%Zn,annealed:s=145MPaFe-MoPhaseDiagram)1ln()(20BBABAAxRTxIGa/gdescribedbyregularsolutionmodelgaAA)1ln()()1ln()(2020ggggaaaaBBABABBABAxRTxIGxRTxIG1aBxa和g均以A为基，则稀溶体中1gBxggaaBABARTxGRTxG00RTGxxABBgaag0稀溶体两相平衡，两相的浓度差只取决于溶剂组元两相的相变自由能和温度，与溶质组元无关。Fe-BePhaseDiagramFe-ZnPhaseDiagramg/aphaseequilibriainFe-MsystemsgaBBggggaaaaBBABBBBABBxRTxIGxRTxIGln)1(ln)1(2020BBABBBxRTxIGln)1(201aBxa和g均为以A为基的稀溶体1gBxgggaaaBABBBABBxRTIGxRTIGlnln00RTIGxxABBBBgagaga0lnRTIGkABBBAgagaga0/exp固溶体两相平衡时的分配系数——B组元平衡分配系数的热力学表征0*gaMG1/gaMKgaMMxx00gaMGa稳定化元素:Cr,W,Mo,V,Ti,Si,ZnFe-M合金奥氏体相稳定化参数gagagagagagaMMMMFeMMMxxkkRTIGG//0*lnFe-Vphasediagrama-formerFe-Crphasediagrama-formerStainlesssteelFe-Siphasediagrama-former1/gaMKgaMMxx0*gaMG00gaMGg稳定化元素:Ni,Mn,C,NFe-M合金奥氏体相稳定化参数gagagagagagaMMMMFeMMMxxkkRTIGG//0*lnFe-Niphasediagramg-formerFe-Mnphasediagramg-formerFe-Cphasediagramg-formerFe-Nexperimentalphasediagramg-formerFe-Ncalculatedphasediagramg-formergaedFe4NLCr-Nphasediagram0/125000gaaFeAlFeAlImolJI1/gaAlKgaAlAlxx0*gaAlG00gaAlGa稳定化元素:AlFe-M合金奥氏体相稳定化参数gagagagagagaMMMMFeMMMxxkkRTIGG//0*lnFe-Alphasediagrama-former0/125000gaaFeAlFeAlImolJI1/gaAlKgaAlAlxx0*gaAlG00gaAlGa稳定化元素0*gaMG1/gaMKgaMMxx00gaMGa稳定化元素Cr,W,Mo,V,Ti,Si,Zn1/gaMKgaMMxx0*gaMG00gaMGg稳定化元素Ni,Mn,CFe-M合金奥氏体相稳定化参数gagagagagagaMMMMFeMMMxxkkRTIGG//0*ln