材料热力学--二组元相与二组元材料热力学.ppt

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1、材料热力学主讲：刘世凯ThermodynamicsofMaterialsScience8/7/20211第四章二组元相(BinaryPhases)热力学虽然实际的材料大多是多组元材料，但其中的多数可以简化为二组元材料来分析研究.Forexample:☞钢铁材料可以简化成Fe-C二元合金；☞镍基高温合金可以简化成Ni-Al二元合金；☞硅酸盐玻璃可简化为SiO2和Na2O或Al2O3等氧化物的二元系；☞ZrO2陶瓷材料可简化为ZrO2-Y2O3二元系等等二组元材料的热力学理论——材料热力学最基本的内容

2、8/7/20212二元系统中存在的相：»纯组元相»溶体相：溶液(液态)、固态溶体(固溶体)—晶体结构与其某一组元相同的相。含溶剂和溶质。»化合物中间相：组成原子有固定比例，其结构与组成组元均不相同的相。相：材料中结构相同、成分和性能均一的组成部分(如单相、两相、多相材料)4.二组元相(BinaryPhases)热力学8/7/20213如钢铁材料中Fe3C、Al合金中的Al2Cu、Al3Mg2，Ni基高温合金中的Ni3Al，Mg合金中的Mg17Al12等，»无机非金属材料以化合物为基体»金属材料中化

3、合物也发挥着重要作用化合物的数量、尺寸和形态是决定材料的硬度、强度和塑性的最重要的因素4.二组元相热力学—化合物相8/7/20214必须了解化合物的热力学特征：化合物相的主要热力学参数：生成焓(Enthalpyofformation)生成自由能(Freeenergyofformation)4.二组元相热力学—化合物相8/7/202154.二组元相热力学●溶体热力学理想溶体近似、正规溶体近似、亚正规溶体模型●溶体的性质●混合物的自由能●化学位●活度8/7/202164.1溶体(合金相)热力学溶体

4、（Solution）:以原子或分子作为基本单元的粒子混合系统溶体相是二组元材料及多组元材料中的最重要的相组成物溶体热力学：讨论对溶体相Gibbs自由能的描述8/7/20217理想溶体近似(IdealSolutionApproximation)1正规溶体近似(RegularSolutionApproximation)2亚正规溶体模型Sub-regularsolutionmodel34.1溶体(合金相)热力学8/7/202184.1.1理想溶体近似理想溶体：在宏观上，如果A、B两种组元的原子（或分子）

5、混合在一起后，既没有热效应也没有体积效应，则所形成的溶体即为理想溶体。Hmix=0;Vmix=0Smix=R(xAlnxA+xBlnxB)8/7/20219形成理想固溶体条件：宏观要求：组元具有相同的结构相同的晶格常数微观要求：4.1.1理想溶体热力学理想溶体热力学：（u：键能）混合内能保持不变Gmix=HmixTSmix8/7/2021104.1.1理想溶体混合熵的推导外界条件不变时体系的热力学性质不随时间变化的热力学平衡状态体系中的粒子的位置和动量瞬息万变，即在同一宏观状态下

6、，由于微观粒子的运动，包含很多微观状态，其数量用表示宏观状态：微观状态：由Boltzmann方程求混合熵：Smix=kln8/7/202111举例：CBAD有四个带有标号的空杯1、若把4个红球或4个黑球（同样颜色的球不可区分）放进去，可能出现的微观分布状态数W，只有如下一种，即=1CBADCBAD或微观状态数的描述—18/7/202112CBADI:DBACII:DBACIII:DBACIV:2、若把3个红球和1个黑球放进去，可能出现的=4数学表达式：微观状态数的描述—28/7/2021

7、13微观状态数的描述—3BAIII:DCBADCI:BACII:DBADIV:CV:BADCVI:ADCB3、若把2个红球和2个黑球放进去，可能出现的=6数学表达式：8/7/202114微观状态数的描述—44、若把1个红球和3个黑球放进去，可能出现的W与第2种情况相同，=4推广到：今有A和B原子形成置换固溶体（A原子和B原子各自等同）N=NA+NB原子总数A原子个数B原子个数则：8/7/202115若固溶体为1mol，即N=Na(阿佛加德罗数)则NA=xANa，NB=xBNa代入混合摩尔熵表达

8、式中：混合摩尔熵计算应用Stiring公式，当x值很大时：lnx!=xlnx–x8/7/202116混合熵计算理想溶体中两种原子的混合熵的特点：只取决于溶体的成分，而与原子的种类无关00；混合引起熵增大xA=0，xB=1时Smix=0xB=0，xA=1时Smix=08/7/202117混合熵计算混合熵引起的Gibbs自由能变化为负值–TSm=RT[xilnxi]<001-TSmxB低温高温0.5xA=xB=1/2时，=5.763Jmol-