导图社区 材科基-二元系相图及其合金的凝固2
上交《材科基》二元相图，含铁碳相图详解，本图汇总了相图的表示和测定方法、相图热力学的基本要点、二元相图分析的内容。
含电阻率（四探针等）、扩展电阻、CV、霍尔效应、深能级、复合寿命测量的基本原理、技术与示例，适合半导体材料领域小白。
参考自南开大学《结构化学》视频课程，内容包括量子力学基础、原子结构、分子结构、共轭体系和休克尔分子轨道处理方法，适合材料人参考。
参考自刘恩科等编著的《半导体物理学》，在完整的半导体中，电子的能谱是一些密集的能级组成的带（能带），能带与能带之间被禁带隔开。在每个能带中，电子的能量E可表示成波矢的函数E(k)。在绝对零度时，完全被电子充满的最高能带，称为价带，能量最低的空带称为导带。
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第7章 二元系相图及其合金的凝固
7.1 相图的表示和测定方法
可用质量分数w或摩尔分数x表示
测定方法
动态法
热分析法
膨胀法
电阻法
静态法
金相法
X射线结构分析
液相线
由凝固开始温度连接起来的线
固相线
由凝固终结温度连接起来的线
相区
由相界线划分出来的区域
7.2 相图热力学的基本要点
7.2.1 固溶体的自由能-成分曲线
固溶体的准化学模型近似
只考虑最近邻原子间的键能
两者晶体结构相同，原子半径相等，且无限互溶，混合后体积不变
只考虑两种不同组元不同排列方式产生的混合熵
固溶体的自由能
三种任意给定温度下的固溶体自由能-成分曲线
相互作用参数的不同，导致自由能-成分曲线的差异，其物理意义为
E、F为谷点，r、q为拐点（为了获得相图中的拐点迹线）
7.2.2 多相平衡的公切线原理
在任意一相的吉布斯自由能-成分曲线上每一点的切线，其两端分别于纵坐标相截，与A组元的截距表示A组元在固溶体成分为切点成分时的化学势，与B组元的同理
因为
而此处图的纵轴是摩尔吉布斯自由能而非自由能
在二元系中，当两相平衡时，A和B分别在两相中的化学势相等，因此，两相平衡时的成分由两相（摩尔）自由能-成分曲线的公切线所确定 特定温度下会出现三相平衡
7.2.3 混合物的自由能和杠杆法则
7.2.4 从自由能-成分曲线推测相图
7.2.5 二元相图的几何规律
（4）或者说单相区两条边界线的夹角小于180
杠杆定律的证明
7.3 二元相图分析
7.3.4 溶混间隙相图与调幅分解
溶混间隙
是两种液相或两种固溶体不相混溶的现象
它可以出现在单相的液相中，也可以出现在单一固溶体内
转变方式有二种
形核长大方式，需要克服形核能垒
没有形核阶段的不稳定分解，称为调幅分解
在拐点迹线内发生调幅分解
（画拐点迹线的）原因
匀晶系相图
匀晶系统
若材料的两个组元在固态和液态均能够完全互溶，称为匀晶系统
匀晶反应
液相中生成一种固相的反应
联结线
确定某一温度下两相平衡成分的连线
非平衡凝固
实际固溶体凝固过程中，冷速较快，固相中的原子来不及扩散，使先 结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素，后结晶的枝晶尖含有较多的 低熔点元素
枝晶偏析
在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象
非平衡凝固终结温度低于平衡凝固时的终结温度
共晶系相图
共晶反应
液相同时生成两种固相的反应
共晶相图
含有共晶反应或共晶转变的相图为共晶相图
共晶系合金的平衡凝固和组织
相组成物
构成显微组织的基本相
组织组成物
由基本相构成并具有独特组织形态的组成部分
脱溶反应
由过饱和固溶体分离出另外一种相的过程 脱溶相又称为次生相
1）端部固溶体合金
2）共晶合金
3）亚共晶合金
t2<t<t3：共晶相特征保持不变，即理解为不向外析出相，故（杠杆）支点改变，变为M，即由a相析出b相
4）过共晶合金
伪共晶
在不平衡凝固时，成分在共晶点附近的合金，也可能得到百分之百的共晶组织，这样的共晶组织称为伪共晶
非平衡共晶
在固溶体最大固溶度点内侧附近的合金（平衡凝固时不能发生共晶转变），在不平衡凝固时，由于固相线下降，在冷却过程中仍能发生共晶转变的现象
离异共晶
合金的成分距离共晶点很远时，在不平衡凝固条件下，形成的共晶组织量很少，通常共晶体中的α相依附于初生α相生长，将共晶体另一相β推到最后凝固的晶界处， 即相单独地分布α相的晶粒边界上。这种两相分离的共晶组织叫做离异共晶
包晶系相图
包晶反应
液相与一种固相反应生成另外一种固相的反应
包晶相图
含有包晶反应或包晶转变的相图为包晶相图
包晶偏析
因包晶转变不能充分进行而导致的成分不均匀现象
铁碳相图
金相
金属或合金的化学成分以及各种成分在合金内部的物理状态和化学状态
铁素体（2种）
碳溶入a-Fe的八面体间隙
碳溶入d-Fe的八面体间隙，又称高温铁素体
奥氏体
溶解了少量碳的g-Fe
珠光体
共析转变产物，即S点
莱氏体
共晶转变产物，即C点
渗碳体
Fe3C
硬而脆
渗碳体是亚稳定相，在高温下长期加热会分解为奥氏体和石墨
不过，当碳从铁基固溶体析出时，一般是 以渗碳体形式出现，而不是以石墨形式出现。 这因为渗碳体的形成速度比石墨的形成速度快
共析反应
一种固相生成两种固相的反应
重要的反应
1）包晶反应
2) 共晶反应
3) 共析反应
重要的线
包晶线HJB
三相平衡包晶转变线，生成奥氏体
共晶线ECF
三相平衡共晶转变线，生成莱氏体
共析线PSK
三相平衡共析转变线，生成珠光体
GS线
奥氏体中析出铁素体的曲线
CD线
液相中析出一次渗碳体的曲线
一次渗碳体——首次出现渗碳体，后同
ES线
奥氏体中析出二次渗碳体的曲线
PQ线
铁素体中析出三次渗碳体的曲线
（两条）磁性转变线
各点含义
铁碳合金的分类
（1）工业纯铁
（2）共析钢（Wc=0.77%）
（3）亚共析钢（Wc=0.0218～0.77%）
（4） 过共析钢（Wc=0.77～2.11%）
（5）共晶白口铸铁（Wc=4.30%）
（6）亚共晶白口铸铁（Wc=2.11%-4.30%）
（7）过共晶白口铸铁（Wc=4.30%-6.69%）
碳素结构钢的分类和编号
根据钢的含碳量分类
低碳钢 Wc≤0.25%
不作热处理，用于车身，薄板，强韧性好，可机加工，焊接性好
中碳钢 Wc=0.25～0.60%
热处理（淬火，回火），车轮，车轨和齿轮等
高碳钢 Wc≥0.60%
硬化时效，用于工具钢，模具钢等
根据钢的质量（钢中含杂质S、P的量）分类
普通碳素钢 Ws≤0.055% Wp≤0.045%
优质碳素钢 Ws≤0.040% Wp≤0.040%
高级优质碳素钢 Ws≤0.030% Wp≤0.030%
钢中的杂质元素及其对性能的影响
按组织标注的铁碳相图
各组织中渗碳体的形态
