第六章 单组元相图及纯晶体的凝固ppt课件.ppt

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1、第六章单组元相图及纯晶体的凝固本章主要讲授内容相平衡条件和相律单元系相图纯金属结晶的形核（热力学条件、结构条件、能量条件）纯金属晶核的长大结晶动力学及其凝固组织凝固理论的应用基本概念复习：合金、组元、相本章基本概念：单组元晶体：由一种元素或化合物构成的晶体相变：随温度和压力的变化，材料从一种相转变成另一种相。凝固：从液相转变为固相的过程结晶：若凝固后的固体是晶体，则此凝固过程称为结晶。固态相变：不同固相之间的转变相图：表示在热力学平衡条件下所存在的相与温度和压力之间的对应关系6.1单元系相变的热力学及相平衡

2、一、相平衡条件和相律相平衡：指合金系中参与相变过程的各相长时间不再互相转化（指成分和相对量）时所达到的平衡。动态平衡多元系相平衡条件：处于平衡状态的多相体系，每个组元在各相中化学势都必须相等说明：用表示化学势，则表示α相中A组元的化学势，即上标表示平衡相，下标表示组元。当A-B二元系处于α、β、γ三相平衡时，其热力学条件为：设有一个多元系含有C个组元，组元1的含量为n1摩尔，组元2的含量为n2摩尔……组元C的含量为nc摩尔，吉布斯自由能G是温度T、压力P，以及各组元含量的函数，则经微分运算和整理后可得：式中

3、：S—体系的总熵V—体系的总体积—各组元量改变时引起体系自由能的变化组元i的偏摩尔自由能，也称为组元i的化学势，它代表体系内物质传输的驱动力。1、相平衡条件的推导相平衡条件推导设体系中含1、2、……、C个组元；包含有α、β、γ……、P个相。在等温等压条件下，每个相自由能的微分式可写成：相平衡条件推导若体系中只有α、β两相，由1、2两个组元组成，当极少量的组元2（dn2）从α相转移到β相中时，引起总的自由能变化为：分别代表此时两相的自由能变化显然组元2从α相自发地转移到β相中的热力学条件为dG<0，即或而当d

4、G=0，因此处于两相平衡。迁移的驱动力相平衡条件推导同理，多元系（有C个组元，P个相的体系）各相平衡的热力学条件为：2、相律1）吉布斯相律：-体系的自由度数，指不影响体系平衡状态的独立可变参数（温度、压力、浓度等）C-体系的组元数P-相数不含气相的凝聚体系：2）相律的推导设一平衡体系，有相数为P，组元数为C每1个相中有个浓度变量P个相，有个浓度变量。加上温度和压力两个变量，则描述体系的状态共有个变量。注意：但这些变量并不是彼此独立的，有些是相互制约的。相平衡时，每1个组元在各相中的化学势彼此相等，C个组元

5、，共有个等式由代数定理：独立变量个数=变量总个数–变量间关系式个数fP（C-1）+2C（P-1）-=C-P+2C（P-1）（P-1）P（C-1）+2P（C-1）（C-1）=P个相，可列出个等式3）相律的应用确定相平衡时系统中可独立变化的因素数目例：H2O★单元单相系：P和T可在一定范围内变动，而体系不变★单元两相系：冰水，水汽，冰汽，P和T中确定一个后，另一个就不能独立改变★单元三相系：三相共存，P和T中任一个发生变化都会破坏平衡f=2f=1f=0相律的应用确定体系可能存在的最多平衡共存的相数C确定时，f越

6、小，P越多f取最小值f=0时，P=C+2，若压力给定，则P=C+1例：纯金属凝固C=1，在恒压下：0=1–P+1→P=2二元合金C=2，恒压下：0=2–P+1→P=3二、单元系相图表征：通过几何图形描述由单一组元构成的体系在不同温度和压力条件下所可能存在的相数及多相的平衡1、相图的建立（以H2O为例）温度体系的水蒸气压力(kPa)水冰(kPa)（℃）水汽冰汽(kPa)(kPa)-20--0.1031.996x105-150.1910.1651.611x105-100.2860.2591.145x104-50

7、.4210.4016.18x1040.009890.610.610.61202.338--100101.3--3742.204x104--PTACBO水汽冰单元系相图2、相图分析：=C-P+2=3-P由于≥0，则P≤3在温度和压力这两个外界条件变化下，单元系最多只能有三相平衡三条曲线：OA-水与冰共存平衡曲线OB-冰和汽共存平衡曲线OC-水和汽共存平衡曲线三个区域：汽区、冰区、水区=2三相平衡点O：=0Ｈ2O的相图=1单元系相图3、压力恒定时H2O的相图在汽、水、冰三个单相区=1→可用一个温度轴

8、表示温度相自由度>Tb汽1Tb汽＋水0Tb~Tm水1Tm水＋冰0