题目优化：二元低共熔系的简单研究

图3.3是一张典型的简单二元低共熔系相图。组元B的熔点（液相限）温度为T_B，在加入一定量的另一个组元A后，液相开始结晶的温度下降，继续添加，开始结晶的温度就随着组成的变化沿着黑色箭头的方向由右向左继续下降。另外，组元A的熔点为T_A，在加入一定量的另一个组元B后，发生的情况和上述相同，开始结晶的温度也是随着组成的变化沿着左侧黑色箭头由左向右不断下降，最后汇聚于e点。这样就得到了T_A-e和T_B-e两条结晶的关系曲线，称为液相限曲线。液相限是单相的液相区（L）和液+固（L+A或L+B）两相区的分界线，也就是单一液相存在温度值的下限。在这两条液相限曲线上任何组成的点的温度都不再能称之为“熔点”，因为熔点的定义中有一个限制，它的自由度必定是0，而液相限曲线上合金的自由度F=2（组元数）+1（恒压）-2（相数）=1。

两条液相限曲线交汇于e点称为低共熔点。通过e点画一条水平线，表示这张相图中，任何一个组成的合金冷却过程的最后多少都会出现e点组成的低共熔合金。现在还是从图3.3这个相图来进行解释：有一个组成为m的合金，高温时是液态L，冷到温度为T₁时这个组成的合金的状态点到达1点，开始结晶出B的晶体，这时液相的组成是l₁。温度继续降低至T₂，合金的状态点到达2点，相应液相的组成变成l₂。这时平衡的两相是液相l₂和温度为T₂的B。用l₂T₂结线把平衡的两个相连接起来，数字“2”在中间将接线截为两段，l₂2线段的长度代表了结晶B的量，2T₂的长度代表了l₂的量。这样就有了：

l₂∶B=（2-T₂）∶（l₂-2）

此关系称为杠杆规则。温度继续降到T₃，液相的组成变到l₃，可见表示B量的l₃3相对于液相量3T₃是大大增多了。继续下去，液相相对的量则逐渐减少，直到温度降到T_e，液相组成到达e点，相当于液相量的4T_e比之代表固相的量e4更少了。e点左侧A的结晶过程也是一样。可以看到除非是在纯组元B或A的坐标上以外，此二元系中所有组成的合金，其液相的组成最后都将达到e点，只是所剩液相是多是少而已。此时e点的自由度F=2（组元数）+1（恒压）-3（相数）=0，意味着温度是不变的。通过e点画的通栏水平线就代表这个意思。

在e点的这个温度和组成固定的位置上，存在的是：L（液）=A+B的化学平衡反应。如果温度降低一个Δt，液相消失，同时结晶成A+B两个固相。从这个角度出发，工程技术和材料学界常称e点为“共晶点”。如果温度升高一个Δt，那么A和B同时熔化，只剩下一个单相的液相。从这个角度出发，物理学界和化学界又称e点为“低共熔点”。其实，在全世界科学界将e点通称为eutectic point的这个词里，不但没有赋予“结晶”，也完全没有赋予“熔化”的意思。从热力学相平衡的观点来看，这两个词的中文命名在涵义上都有偏颇，因为双方都偏离了真实的平衡点来看问题。在讨论加热过程和冷却过程时，为了叙述逻辑的合理，本书并不打算拘泥统一使用哪个名词，但不应因此忘掉e点的真实物理意义。

低于e点的温度，体系中就存在固体的A+B的混合相。在通常冷却的条件下，液相中同时结晶出A和B时，因为有冷却速度的动力学因素制约，析出的“共晶”都不是平衡时的状态，这些结晶生长时不是呈片状的就是呈枝状或条状的。金相观察共晶合金时，总是截取合金，磨光抛光后观察其断面，此时片状晶呈现的图形成了线状的，而枝状晶呈现的图形成了蠕状的或点状的。在金属学中常称这种混杂均匀的金相图形为“典型的”共晶结构（图3.4），这种命名对金相图片结构的分类有实用的价值，但是这“典型的”图形根本不是平衡时的结构，和平衡的相图联系在一起并无道理。其实平衡的共晶结构没有什么独特之处，只不过是在（摩尔分数）多的那个组元背底上，分散着（摩尔分数）少的，不同晶型的块状晶罢了。当你将“共晶合金”进行长时间的退火以后，就可以看出真实平衡的“共晶合金”。(www.xing528.com)

图3.3 简单二元低共熔系相图

图3.4 “典型的”共晶结构金相图片