4-4-二组元材料热力学

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1、1材料热力学与动力学北京航空航天大学材料科学与工程学院2理想溶体模型规则溶体模型溶体的性质亚规则溶体模型化学势与活度两相平衡(含固-液平衡)溶解度曲线与固-固平衡化学势根据Gm-X曲线可求出对应一定成分的两个组元的化学势。既然此二式描述了自由能和化学势的关系，一定会体现在Gm-X图上。规则溶体模型化学势的具体表达式因溶体模型而异：理想溶体化学势中没有与IAB有关的过剩项；规则和亚规则溶体中有与IAB有关的过剩项。小结4*固溶体中原子定向迁移的驱动力是化学势梯度，而不是浓度梯度。但是化学势的梯度经常和浓度梯

2、度方向一致，因此表现出原子沿着浓度梯度的方向迁移。化学势梯度与浓度梯度的方向是否一致,取决于自由能曲线的形状。Gm-X无拐点:一致Gm-X有拐点:在某一浓度范围内可以与浓度梯度相反,将发生上坡扩散。扩散方向判定溶体性质－IAB5化学势表述存在缺点:(1)无法求得绝对值(2)在i组元的成分Xi→0时，i→-∝活度活度既能克服化学势的缺点,又能保存化学势基本特征此定义与溶体模型无关对于二元系规则溶体fi:活度系数活度系数的产生原因：相互作用能IAB≠0如果IAB=0(理想溶体),fi=1,ai=Xi如果IA

3、B<0,则:fi<1,ai0,则:fi>1,ai>XiHenry’sLaw(稀溶体的溶质定律）：在温度一定时，稀溶体中溶质的活度系数为常数.以B为溶质的稀溶体以B为溶剂的稀溶体Raoult’sLaw(稀溶体的溶剂定律):当溶质的浓度极低时,稀溶体中溶剂的活度系数接近于1，即:处于热力学平衡中的两相，遵守：热平衡(两相温度相同)力平衡(压力相同)化学平衡(传质相同)两相平衡的基本判据:体系的Gibbs自由能为极小值A-B二元系，在P,T一定时,在和两相平衡共存的状态下，根据平衡态判据应

4、该有：两相平衡二组元材料的热力学理论是材料热力学最基本的内容。二元系相平衡(Phaseequilibrium)是分析多组元体系材料中相平衡的基础。以此为基础，掌握运用热力学分析材料平衡相成分以及平衡组织的基本方法。两相平衡的热力学条件：每个组元在各相中的化学势相等.等温等压和nB不变条件下，nA的微小变化引起自由能的变化组元A在和相中摩尔数之和为常数同理等温等压下9两相平衡的化学势相等条件-公切线法则切点成分满足同一组元在两相中化学位相等-两相平衡的条件对两相的自由能曲线作公切线，可求出：平衡相的成分

5、点两相平衡的成分范围某一温度T化学势反映了某一组元从某一相中逸出的能力。某一组元在某一相中化学势越高，它从这一相迁移到另一相中的倾向越大。化学势在判断相变和化学变化的方向和限度方面有重要作用。10切点成分：给定温度下的两平衡相成分。成分位于公切点之间的合金，处于多相平衡，因为此时自由能的值最低。公切线法则(Commontangentlaw):成分位于公切点之外，自由能？单相的液体或者固体的自由能？（体积分数）11公切线确定偏聚固溶体的分解吉布斯自由能－成分公切线确定两相平衡GxEBxFBxBEFxBx

6、BxoGabPQβα12α-L及β-L的两相平衡二元合金系中的3相平衡αβΑ+LLΒ+LLαβABXBX1X3X4X2αβγAB13固溶体与中间相的平衡二中间相的两相平衡GαβαβABXBABXB14固-液两相平衡A-B二元系固-液两相(-L)平衡的条件为A、B组元在固、液相中的化学势相等计算给定温度下固液两相平衡成分当固、液两相均用规则溶体模型描述时15纯组元液态摩尔自由能可用固态的摩尔自由能和熔化焓表示同上，当温度处于熔点TB附近时:当温度处于熔点TA附近时，可以认为:16固-液平衡时当热力学参数已

7、知时，求解上面的联立方程组可以求得各个温度下的相平衡成分17【例】：A-B二元系的液相及固相均为理想溶体，A和B两组元的熔点为TA＝1000K，TB=700K，试求该二元系的液相线和固相线。解：将题中的各参数代入下式对于理想溶体18液固相线之间的距离取决于熔化熵，熔化熵越大，液固相线间的距离就越大。将已知条件代入例：试利用规则溶体模型和Richard经验定律，分析液固两相相互作用能之差对液固相线极值的影响。解：假设IABL=0,按规则溶体模型：液固两相平衡时：Richard经验定律：TA、TB：纯金属A、

8、B的熔点固溶体相－规则溶体液体相－理想溶体(IAB=0)纯金属组元20在液固相线的极大或极小值处，液固两相的成分相等，即在温度Tm处21相互作用能对液固相线影响的基本公式：23【例】现代信息产业中使用的半导体测量如Ge、Si等都是纯度非常高的材料。有时纯度甚至高达8N。试分析如何利用固液相平衡原理来提纯材料。解：普通的冶金方法无法获得如此高的纯度，利用液固两相平衡成分的差异可实现-区域熔炼。将微量的杂质B与元素A构成以B为溶质