材料科学基础-第六章(课件)

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1、第六章单组元相图及纯晶体的凝固1本章要求掌握的内容应掌握的内容:1.纯金属凝固的过程和现象2.结晶的热力学、动力学、能量和结构条件3.过冷度对结晶过程和结晶组织的影响；过冷度、临界过冷度、有效过冷度、动态过冷度之间的区别。4.几个重要概念：过冷度，临界晶核半径，临界形核功，形核率，均匀形核，非均匀形核。5.液—固界面的结构及温度梯度，晶体生长形态 、生长条件和长大机制。了解：1.凝固理论的主要应用2.控制结晶组织的措施2概述（基本概念）单组元晶体(纯晶体)：由一种化合物或金属组成的晶体。该体系称

2、为单元系（onecomponentsystem）。从一种相转变为另一种相的过程称为相变（phasetransformation）。若转变前后均为固相，则成为固态相变（solidphasetransformation）。从液相转变为固相的过程称为凝固(solidification)。若凝固后的产物为晶体称为结晶(crystallization)。金属转变过程为：汽态←→液态←→固态3组元（component）：组成合金的最基本、独立的物质。可以是单一元素(如Fe、Mg等)也可以是稳定的化合物（如Fe

3、3C）。相图(phasediagram)：表示合金系中合金的状态与温度、成分之间的关系的图形，又称为平衡图或状态图。单组元相图(singlephasediagram)是表示在热力学平衡条件下所存在的相与温度，压力之间的对应关系的图形。合金系（alloysystem）：由给定的组元可以以不同比例配制成一系列成分不同的合金，这一系列合金就构成一个合金系统。二（三、多）元系。相（phase）：合金中结构相同、成分和性能均一并以界面分开的组成部分。单（双、多）相合金46.1.1相平衡条件和相律1.相平衡的

4、条件通过一些数学推导和系统平衡条件dG=0可得：处于平衡状态下的多相(P个相)体系中，每个组元(共有C个组元)在各项中的化学势（chemicalpotential）都彼此相等。相平衡(phaseequilibrium)是一种动态平衡。6.1单元系相变的热力学及相平衡52.相律相律(phaserule)是表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和相数之间的关系，是系统的平衡条件的数学表达式。相律数学表达式：f=c-p+2式中p—平衡相数c—体系的组元数f—体系自由度（degreesoffreedom

5、）数2－温度和压力自由度数f：是指在保持合金系平衡相的数目不变的条件下，合金系中可以独立改变的、影响合金的内部及外部因素。在恒压下，相律表达式：f=c－p＋163.相律的应用A合金状态，成分、温度、压力、二元系、三元系……①利用它可以确定系统中可能存在的最多平衡相数例：单元系，因f≥0，故P≤1-0+1=2，平衡相最大为二个。注意：这并不是说，单元系中能够出现的相数不能超过二个，而是说，某一固定T下，单元系中不同的相只能有两个同时存在，而其它相则在别的条件下存在。②利用它可解释纯金属与二元合金结晶

6、时的差别。纯金属结晶，液－固共存，f=0，说明结晶为恒温。二元系金属结晶两相平衡，f=2－2+1=1，说明有一个可变因素（T），表明它在一定（T）范围内结晶。二元系三相平衡，f=2－3+1=0，此时温度恒定，成分不变，各因素恒定。73.相律的应用B相律是检验、分析和使用相图的重要工具。利用它可以分析和确定系统中可能存在的相数，检验和研究相图。注意使用相律有一些限制：（1）只适用于热力学平衡状态，各相温度相等（热量平衡）、各相压力相等（机械平衡）、各相化学势相等（化学平衡）。（2）只表示体系中组元和

7、相的数目，不能指明组元和相的类型和含量。（3）不能预告反应动力学（即反应速度问题）。（4）f≧086.1.2单元系相图单元系相图指：单组元相图(singlephasediagram)是表示在热力学平衡条件下所存在的相与温度，压力之间的对应关系的图形.单元系相图分析1.水的单元相图分析（图6.1）：点，线，相区的分析点的分析：O1点是气、水、冰三相平衡点。根据相律f=C-P+2可知，f=1-3+2=0，即在O1点，三相共存时，温度和压力都不能变.线的分析：O1C线水和蒸气共存的曲线；O1A线冰和水共

8、存的曲线；O1B冰和水气共存的曲线。根据相律f=C-P+2可知，f=1-2+2=1，即在O1A、O1B和O1C线上，两相共存时，温度和压力两个参数只能有一个可以独立变化，且按相应曲线变化.相区的分析：三个单相区分别是水区、冰区和水气区，在每个相区内，其自由度为：f=C-P+2=1-1+2=2，说明在这三个相区内，温度和压力的变化不会产生新相。9如果外界压力保持恒定（例如一个标准大气压），那么单元系相图只要一个温度轴来表示。根据相律，在汽、水、冰的各单相区内（f＝1），温度可在一定范