无机非金属材料基础PPT课件第六章 相平衡 .ppt

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1、相平衡第六章主要内容相图就是表示物质的状态和温度、压力、成分之间的关系的简明图解。相图研究一个多组分(或单组分)多相体系的平衡状态随温度、压力、组分浓度等的变化而改变的规律。利用相图，我们可以知道在热力学平衡条件下，各种成分的物质在不同温度、压力下的相组成、各种相的成分、相的相对量。（显微结构）材料的性质除了与化学组成有关外，还取决于其显微结构，即其中所包含的每一相(晶相、玻璃相及气孔)的组成、数量和分布。相图可以帮助我们正确选择配料方案及工艺制度合理分析生产过程中的质量问题进行新材料的研制（结构设

2、计）根据吉布斯相律f=c－p＋2f－自由度数c－独立组分数p－相数2－温度和压力外界因素硅酸盐系统的相律为:f=c－p＋1第一节相平衡基本概念和相律(i)相与相之间有界面，可以用物理或机械办法分开。(ii)一个相可以是均匀的，但不一定是一种物质。气体：一般是一个相，如空气组分复杂。固体：有几种物质就有几个相，但如果是固溶体时为一个相。液体：视其混溶程度而定。p－相数，p=1单相系统，p=2双相系统，p=3三相系统1、相：指系统中具有相同的物理性质和化学性质的均匀部分。注：均匀微观尺度上的均匀，而非

3、一般意义上的均匀。形成机械混合物几种固体物质形成的机械混合物，不管其粉磨得多细，都不可能达到相所要求的微观均匀性，因而都不能视为单相。有几种物质就有几个相。在材料系统中，在低共熔温度下从具有低共熔组成的液相中析出的低共熔混合物是几种晶体的混合物。因而，从液相中析出几种晶体，即产生几种新相。生成化合物组分间每生成一个新的化合物，即形成一种新相。当然，根据独立组分的定义，新化合物的生成，不会增加系统的独立组分数。由于在固溶体晶格上各组份的化学质点是随机均匀分布的，其物理性质和化学性质符合相的均匀性要求，

4、因而几个组份间形成的固溶体算一个相。同质多晶现象在材料系统中，这是极为普遍的现象。同一物质的不同晶型(变体)虽具有相同的化学组成，但由于其晶体结构和物理性质不同，因而分别各自成相。有几种变体，即有几个相。形成固溶体高温熔体组分在高温下熔融所形成的熔体，即材料系统中的液相，一般表现为单相。如发生液相分层，则在熔体中有二个相。介稳变体介稳变体是一种热力学非平衡态，一般不出现于相图中。鉴于在材料系统中，介稳变体实际上经常产生，为了实用上的方便，在某些一元二元系统中，也可能将介稳变体及由此而产生的介稳平衡的

5、界线标示于相图上。这种界线一般不用实线，而用虚线表示，以与热力学平衡态相区别。2、组分、独立组分(组元)组分：组成系统的物质。独立组分：足以表示形成平衡系统中各相所需要的最少数目的组分:c=组分数－独立化学反应数目－限制条件例如：c=3－1－0=2系统中化学物质和组分的关系：当物质之间没有化学反应时，化学物质数目＝组分数；当物质之间发生化学反应时，组分数=化学物质数-在稳定条件下的化学反应数。在硅酸盐系统中经常采用氧化物作为系统的组分。如：SiO2一元系统Al2O3－SiO2二元系统CaO－Al2O

6、3－SiO2三元系统3、自由度(f)定义:温度、压力、组分浓度等可能影响系统平衡状态的变量中，可以在一定范围内改变而不会引起旧相消失新相产生的独立变量的数目。F=0，称无变量系统F=1，单变量系统F=2，双变量系统材料系统中的相律不含气相或气相可以忽略的系统称为凝聚系统。在温度和压力这二个影响系统平衡的外界因素中，压力对不包含气相的固液相之间的平衡影响不大，变化不大的压力实际上不影响凝聚系统的平衡状态。大多数材料（硅酸盐物质）属难熔化合物，挥发性很小，因而材料系统一般均属于凝聚系统。通常我们是在常压

7、下研究体系和应用相图的，因而相律在凝聚系统中具有如下形式：对于一元凝聚系统，为了能充分反映纯物质的各种聚集状态(包括超低压的气相和超高压可能出现的新的晶型)，我们并不把压力恒定，而是仍取为变量，这是需要引起注意的.相律应用必须注意以下四点：1.相律是根据热力学平衡条件推导而得，因而只能处理真实的热力学平衡体系。2.相律表达式中的“2”是代表外界条件温度和压强。如果电场、磁场或重力场对平衡状态有影响，则相律中的“2”应为“3”、“4”、“5”。如果研究的体系为固态物质，可以忽略压强的影响，相律中的“2

8、”应为“1”。3.必须正确判断独立组分数、独立化学反应式、相数以及限制条件数，才能正确应用相律。4.自由度只取“0”以上的正值。如果出现负值，则说明体系可能处于非平衡态。硅酸盐系统相平衡特点一、热力学平衡态和非平衡态1.平衡态相图即平衡相图，反应的是体系所处的热力学平衡状态，即仅指出在一定条件下体系所处的平衡态(其中所包含的相数，各相的状态、数量和组成)，与达平衡所需的时间无关。硅酸盐熔体即使处于高温熔融状态，其粘度也很大，其扩散能力很有限，因而硅酸盐体系的高温物理化