相图热力学课件.ppt

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1、3.1相图热力学基础3.3固-液两相平衡3.4固-固相平衡：溶解度曲线3.5固溶体间的相平衡3.6相稳定化参数3.2两相平衡第3章相图的热力学材料的性质除了与化学组成有关外，还取决于其显微组织结构，即其中所包含的每一相的组成、数量和分布。研究材料显微组织结构的形成，需综合考虑热力学和动力学两方面的因素。相平衡为从热力学平衡角度判断系统一定热力学条件下所趋向的最终状态提供了十分有用的工具。应用：陶瓷材料配料方案及工艺制度的选择钢的热处理新材料的研制3.1相图热力学基础一、相律基本概念1、相与相数：——相（phase

2、）系统中物理性质和化学性质完全均一的部分称为一相；相的数目称相数（numberofphase），用“φ”或“P”表示相图（phasediagram)：在压力（P）、温度（T）、成分（X）等参数构成的坐标系中描绘平衡条件下体系的状态，就是平衡相图。相平衡：系统同时达到机械平衡、热平衡、化学平衡，指各相的化学热力学平衡2．物种数(numberofspecies)与组分数C(numerofcomponents)●定义——物种数S系统所含化学物质种类数。不同相含同一物质，视为同一物种。例，H2O(g)＋H2O(L)，S＝

3、1——组分数C足以确定多相平衡系统各相组成所需的最少独立物种数●二者关系C=S－物种数之间的独立关系数3．自由度(degreesoffreedom)F●定义在不引起旧相消失和新相形成(相数不变)前提下，一定范围内可独立变动的强度性质的数目，符号：F●说明——独立变动的强度性质又称独立变量，如温度、压力、浓度等可能影响系统平衡状态的变量，其个数称为自由度——例，纯液态水，可在一定范围内改变温度或压力，仍保持为单相，F=2。水与水蒸气两相平衡时，若改变系统的温度，系统的压力也必须随之变化，否则系统会消失一相，则此水与

4、水蒸气两相平衡系统，只有一个独立可变的强度性质，F=1——简单系统可直接分析出其自由度数，对复杂系统，自由度很难直接判断，需根据相律计算二、相律（phaserule）反映多相平衡系统F与C和Φ关系的数学式1.相律的形式F=C－P＋2式中，F表示自由度数，C表示组分数，Φ表示相数。“2”表示除浓度强度性质以外的温度和压力两个独立强度性质。若考虑重力场、电场等因素，则为F=C－P＋n一般以前者为相律的表达式。在凝聚系统中，忽略压力对相平衡的影响F=C－P＋12．相律应用的注意事项（1）相律只适用于相平衡系统。例，定T

5、，p下，金刚石与石墨共存，是因未达平衡F＝C－＝1－1＝0（2）若除温度和压力外，还需考虑其它外界强度变量如重力场、电场、磁场等，相律的形式为：F=C—φ＋n，n指除浓度外的所有外界强度变量（3）只有固相和液相存在的系统，称凝聚系统。凝聚系统受压力的影响很小，可忽略，相律形式可写为：F=C—P＋1（4）若指定温度或压力，相律形式为：F=C—P＋1，称条件自由度（degreesofconditionfreedom），用“F﹡”表示，或F﹡=C—P＋1。若同时指定温度和压力，则F﹡=P三、由自由能-成分曲线合成相图

6、当体系中各可能出现的相在不同温度下的自由能组成曲线及其相互位置关系确定之后，便可应用公切线法则引自由能-成分曲线的公切线，由此推导出相应于不同温度下相界点的平衡位置，然后将其综合绘制到温度-成分坐标图上，并将有相同意义的点连接起来，相图的合成即完成。1、无限互溶的匀晶相图的合成在A、B两组元形成的二元系统中，若液、固两相都是理想溶体，则IAB(L)=0,IAB(S)=0。液、固两相在不同温度下的自由能-成分曲线如图所示。2、有溶解度间隙的相图的合成若IAB(L)=0,IAB(S)=8.37X103J/mol,即固

7、溶体呈偏聚态，A、B的熔点分别为900K、1300K，在不同温度下的自由能-成分曲线如图所示。最小值点，300K是a、b点，400K时是c、d点。ab及cd为最小值点的公切线。把各温度下的最小值点连接起来就构成了相图上称为固溶度间隙曲线achdb。在此曲线以下为a1+a2两相。800—1300K时，液、固两相的自由能-成分曲线相交，对1000K时的自由能-成分曲线引公切线，得到切点及其对应的液、固平衡相的成分。在810K时，两相自由能-成分曲线彼此相切，只有一个交点，这是在液、固相线上出现极小值点的特殊情况。在5

8、00K以下，二元系的固溶体自由能-成分曲线出现两个设固溶体自由能-成分曲线出现两个最小值时的临界温度为Tc，在Tc时，有,是两个最小值重合时的成分。在处和等于零，这样得到：当时，Tc取得最大值，3、共晶相图的合成4、包晶相图的合成3.2两相平衡平衡态判据(Equilibriumstatecriterion)：体系的Gibbs自由能为极小值，即：A-B二元系，在P、T一定时