无机材料科学基础课件 第十章 相图.ppt

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1、第十章相平衡110.1相平衡的基本概念、相律10.1.1相：物理化学性质相同、完全均匀、可含多种物质相数p：系统内性质相同且均匀部分的种类数。10.1.2独立组分数C：平衡系统中各相组成的最少纯物质数，纯物质数减去独立化学反应数。10.1.3自由度数F：相平衡系统中可独立改变而不引起相变的变量数10.1.4相律：F=C－p＋nn为影响系统平衡状态的外界因素数一般（仅温度和压力）：n=2F=C-P+2凝聚系统：n=1F=C-P+1210.2硅酸盐系统相平衡10.2.1热力学平衡和非平衡（1）相图只反应各相间相互转变所处的一种热力学平衡态，而不反应相转变所需要的时间

2、。（2）硅酸盐材料是一种固体材料，要达到高温熔融的过程，需要时间很长，工业生产要考虑经济核算、生产率、生产周期等，因此，实际生产过程不一定达到相图上所指示的平衡状态。（3）由于动力学原因，热力学非平衡态，即介稳态，经常出现于硅酸盐系统中。310.2.2硅酸盐系统中的组分、相及相图（1）组分：硅酸盐物质可视为金属碱性氧化物与酸性氧化物SiO2化合而成。因此，在硅酸盐系统中常采用氧化物作为系统的组成，如：SiO2一元系统；SiO2－Al2O3二元系统；CaO－SiO2－Al2O3三元系统。但要注意，硅酸盐矿物组成中的硅酸三钙，硅酸二钙等，是一种新的化合物，具有自己的

3、化学组成和晶体结构，因而具有自己的物理和化学性质。所以，它们可为单一的组分。4（2）相定义：是指系统中具有相同物理性质和化学性质的均匀部分。需要注意的是这个“均匀”的要求是严格的，非一般意义上的均匀，而是一种微观尺度的均匀。下面介绍硅酸盐系统中的相：①形成机械混合物几种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需要的微观均匀，因此，不能视为单项。有几种物质就有几个相。5例如：在硅酸盐系统中，将原料石灰石、粘土、铁粉一起磨成细粉，即生料粉，就是多相的混合物。另外，在低共熔温度下从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，即产生几种新相。6

4、②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。③形成固溶体由于固溶体的化学质点分布均匀，其物理化学性质符合相的均匀性要求，因而几个组分间形成的固溶体算一个相。④同质多晶现象在硅酸盐物系中这是极普遍的现象。同一物质的不同晶型，在结构和物理性质方面都不同，各自成相，有几种转变就有几个相。7⑤介稳变体介稳变体是一种热力学非平衡态，一般不出现在相图中，而生产实际经常产生，在某些一元、二元相图中用虚线表示。⑥硅酸盐高温熔体高温熔体一般表现为单相，如发生液相分层，则在熔体中有两项。8（3）硅酸盐系统相律我们研究的硅酸盐系统是属于凝聚态系统，压力这一因素可忽略，加上

5、我们是在常压下研究体系和应用相图，因而相律在凝聚态系统中具有如下形式：F=C–p+1。本章在讨论二元以上的系统时均采用上述相律表达式。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，我们并不把压力恒定，而是仍取为变量，这是需要注意的。910(4)相图相平衡相图是用来描述多相物系中相平衡问题的几何图形。利用相图可知某一确定组成在某温度下存在哪些相及各相的相对含量，但一切未达到平衡的现象在相图上得不到反映。相图是从热力学角度研究问题，具有热力学研究的特点。10.3单元系统单元系统中只有一种组份，不存在浓度问题，影响系统的平衡因素只有温度和压力，因此，单元系统相

6、图是用温度和压力两个坐标表示的。单元系统中C=1,根据相律：F=C-P+2=3-P从而看出，系统中的相数不可能少于一个，所以系统中最大自由度为2，这两个自由度即是温度和压力，自由度达最小为零，所以系统中平衡共存的相数最多三个，不可能出现三相以上的平衡状态。相图中的任意一点都表示了系统的平衡态，称为“状态点”。111210.3.1单元系统相图举例——以水相图为例如：水相图F=3-P（1）单相区：一相存在P=1F=2（2）各界线：两相共存P=2F=1DC—水的饱和蒸汽压曲线（蒸发曲线）L=GDB—冰的饱和蒸汽压曲线（升华曲线）G=SDA—冰的熔点曲线（熔融曲线

7、）S=l（3）三相点D：三相共存P=3F=01310.3.2具有同质多晶转变的单元系统相图其中：BF—晶型转变线，反映P对多晶转变的影响，该直线斜率不会太大。CE—晶2的熔融曲线BF—晶1、晶2的转变曲线AB—气相与晶1的两相平衡线（晶1的升华曲线）BC—气相与晶2的两相平衡线（晶2的升华曲线）CD—液相与气相的两相平衡线（液相的蒸发曲线）OG—过热晶型1与过冷液体的平衡曲线BH—过冷晶型2的升华曲线BO—过热晶型1的升华曲线OC—过冷液相的蒸发曲线FBOG区—过热晶1的相区OBC—过冷蒸汽介稳区GOCE区—过冷液相区具有同质多晶转变的单元系统相图1410.3.

8、3可逆多晶转变与不可逆多