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热力 I · 相图:材料的地图
把一堆铜和镍熔在一起冷下来,会得到什么?什么温度下是液体、什么成分下分成两种固体?相图一张纸回答全部——它是热力学替材料人算好的"平衡态地图",读图能力是材料工程师的第一识字课。本页从 Gibbs 自由能出发建立读图法,主角是两张图:匀晶(教学价值)与 Fe–C(工业价值之王)。
学习层:冷却一块 Cu–Ni 型合金,先猜相区再算比例
1. 具体材料情境:45 wt% Ni 的铸锭截面
把一块标称 C₀ = 45 wt% Ni 的铜镍型合金从液态冷到 T = 1350 °C。这里用一条便于读图的匀晶示意模型:两条线在纯组元端点相接,中间夹出 L + α 两相区。问题不是“总成分变没变”,而是液体和固溶体各自拿走了多少 Ni,以及两相各有多少。
2. 必须作答的预测门:当前点属于哪里?
在下方实验中先选择一个答案:单相液体 L、单相固溶体 α、L + α 两相区、恰在相界。请同时写下你的理由:比较 \(T\) 与当前成分处的液相线、固相线;若是两相区,水平连接线的两端成分是否会等于 45 wt%?揭示后才显示连接线、端点与杠杆定则账本。
3. 正式公式桥:从相界到质量分数
令 \(c=C/100\),本实验的教学示意线为
若 \(T_S(C_0)<T<T_L(C_0)\),水平 tie line 与两条边界交于 \(C_\alpha\)、\(C_L\)。溶质守恒把图上的几何桥成数量公式:
4. 误区与模型边界
- 两相区里,相的成分由温度和边界决定,\(C_0\) 主要决定两相的比例;不能把配料点直接当成两相成分。
- 在液相线/固相线边界,某一相的分数是零的极限;单相区没有合法的两相杠杆臂,纯组元端点还要单独处理。
- 这里的液相线、固相线只是说明 tie line 读法的示意线,不是实测 Cu–Ni 数据,也不替代 CALPHAD、压力修正或实验相鉴定。
- 相图是平衡态地图,不是凝固时刻表;快速冷却、枝晶偏析和有限扩散会让实际组织偏离这个平衡账本。
无 JavaScript 时的静态 fallback:取 \(C_0=45\) wt% Ni、\(T=1350\) °C。示意线给出 \(T_L(C_0)\approx1389.6\) °C、\(T_S(C_0)\approx1300.5\) °C,所以点在 L + α 两相区;水平连接线约交于 \(C_\alpha=30.6\) wt%、\(C_L=58.0\) wt%。
| 账本量 | 静态结果 | 读法 |
|---|---|---|
| \(C_0\) | 45.0 wt% Ni | 合金总成分 |
| \(C_\alpha, C_L\) | 30.6, 58.0 wt% Ni | tie line 两端 |
| \(f_\alpha\) | 0.473 | \((C_L-C_0)/(C_L-C_\alpha)\) |
| \(f_L\) | 0.527 | \((C_0-C_\alpha)/(C_L-C_\alpha)\) |
| 质量守恒 | \(0.473+0.527=1\) | 两相分数闭合 |
1. 热力学三分钟:为什么会有相图
相 = 结构与成分均匀的区域。平衡由 Gibbs 自由能 \(G = H - TS\) 最小裁决(🔗 数学站信息论 III 的最大熵、物理站热统——同一位裁判):低温焓主导(有序晶体赢)、高温熵主导(无序液体赢)——熔化就是熵的胜利。混合两组元时混合熵总是奖励互溶、混合焓看"异类原子相处愉快否"——两者的拉锯画出相界。Gibbs 相律:
(\(F\) 自由度、\(C\) 组元数、\(P\) 相数。)读图前先用它对账:单相区可自由动温度与成分(\(F=2\));两相区温度定则两相成分定(\(F=1\)——所以有连接线);三相共存只在孤点/水平线上(\(F=0\)——共晶线为什么是水平的,相律一行回答)。
2. 匀晶相图与杠杆定则(读图基本功)
两组元无限互溶(Cu–Ni:同为 FCC、原子尺寸相近——Hume-Rothery 规则【研】)给出最简单的"透镜":
两相区读图三步(一切复杂相图都是这三步的拼装):① 画水平连接线;② 两端点读成分(\(C_L\)、\(C_\alpha\)——两相的成分由温度定,不由你配的料定!);③ 杠杆定则读数量:
(【推】溶质守恒一行:\(C_0 = f_\alpha C_\alpha + (1-f_\alpha)C_L\)。名字的由来:\(C_0\) 是支点,哪端"杠杆臂"长,对面那相多。)
凝固的成分再分配:先结晶的固体富高熔点组元 ⇒ 实际铸造(冷速快、扩散来不及)产生枝晶偏析——铸锭为何要均匀化退火(热力 II 的扩散来收拾),"平衡图 + 动力学修正"是相图使用的完整姿势【研:Scheil 方程】。
3. 共晶与中间相(组装复杂相图的零件)
共晶反应 \(L \to \alpha + \beta\):两固相互溶有限时,液相线从两端下压、交于共晶点——该成分熔点最低、凝固直接长出两相交替的层片组织。焊锡(Sn–Pb/Sn–Ag–Cu)、铸铁、Al–Si 铸造合金全靠共晶的低熔点与好流动性。同族亲戚(共析:固→固+固;包晶)反应式记形状即可。中间相/金属间化合物:相图中部的窄竖线(如 Fe₃C)——成分固定、通常硬而脆,既是强化的筹码也是脆化的隐患。
4. Fe–C 相图(工业之王,值得单独背)
五个角色:铁素体 α(BCC,溶碳 ≤0.02%——间隙太小,结构 II 的几何伏笔兑现)、奥氏体 γ(FCC,溶碳至 2.14%——高温才有)、渗碳体 Fe₃C(硬脆化合物)、珠光体(共析产物:α+Fe₃C 层片)、液相。两条关键水平线:共晶 1148 °C(铸铁的世界,C>2.14%)与共析 727 °C:
钢的成分逻辑一句话:碳量决定珠光体比例——亚共析钢(<0.77%C)软韧、过共析钢硬脆,杠杆定则直接算比例。但相图只给平衡态:快冷不走平衡路(马氏体!)——这正是下下页热处理的全部戏剧,相图是地图、不是时刻表(时刻表 = TTT 图,热力 III)。
5. 数字感与反直觉
- 必背五数:727 °C(共析)、0.77%C(共析点)、2.14%C(钢/铸铁分界)、1148 °C(共晶)、1538 °C(纯铁熔点);
- 反直觉:两相区里相的成分不听你的配料、只听温度(配料只决定两相的比例);共晶合金比两个纯组元熔点都低(混乱降低自由能——冰盐撒路化雪同理);碳含量差 1% 能让铁的性格从可拉拔的软钢变成敲得碎的铸铁——微量成分的杠杆是冶金的第一魔法。
【研】对标 Porter & Easterling《Phase Transformations》§1;正规溶液模型、公切线构造(\(G\)-\(x\) 曲线到相图的推导)与 CALPHAD 计算相图是研究生标准装备(前沿 III 的计算材料学衔接)。
相图说了"去哪",没说"多快"。下一页:扩散——原子的迁徙学,一切热处理的时钟。