相平衡与相图课件

5/18/20241第八章 相平衡与相图天津大学材料科学与工程学院2008年11月（一）第八章 相平衡与相图天津大学材料科学与工程学院（一）15/18/20242重点内容：重点内容：1)相与相平衡的基本概念，相律，杠杆规则；相与相平衡的基本概念，相律，杠杆规则；2)单元和二元系统各种类型相图的阅读分析；单元和二元系统各种类型相图的阅读分析；3)三元相图的基本概念，三元匀晶相图，简单三元共晶相图。三元相图的基本概念，三元匀晶相图，简单三元共晶相图。参考文献：参考文献：陈国发陈国发,李运刚，相图原理与冶金相图，北京李运刚，相图原理与冶金相图，北京 冶金工业出版社冶金工业出版社 2002顾菡珍，叶于浦，相平衡和相图基础，北京顾菡珍，叶于浦，相平衡和相图基础，北京 北京大学出版社北京大学出版社 1991 重点内容：25/18/20243材料的性能材料的性能组织结构组织结构相种类种类数量数量尺寸尺寸形状形状分布分布材料的性能组织结构相种类数量尺寸形状分布35/18/20244相图表示物质的状态与温度、压力、组成之间的关系的简明图解。表示物质的状态与温度、压力、组成之间的关系的简明图解。表示物质在热力学平衡条件下的情况，又称为表示物质在热力学平衡条件下的情况，又称为平衡相图。相图表示物质的状态与温度、压力、组成之间的关系的简明图解。表45/18/202458.1 相平衡与吉布斯相律 1.1.相相(Phase)(Phase)在一个系统中，在一个系统中，成分、结构相同，性能一致的均匀的组成部分叫做相，不同相之间有明显的叫做相，不同相之间有明显的界面分开分开,该界该界面称为面称为相界面。注意：注意：相在物理性能和化学性能上是均匀的。相在物理性能和化学性能上是均匀的。相界面和晶界的区别。相界面和晶界的区别。8.1.1 相平衡的基本概念相平衡的基本概念8.1 相平衡与吉布斯相律 1.相(Phase)注意：855/18/202462.组元组元(Component)组元通常是指系统中每一个可以单独分离出来，并能组元通常是指系统中每一个可以单独分离出来，并能独立存在的化学纯物质，在一个给定的系统中，组元就独立存在的化学纯物质，在一个给定的系统中，组元就是构成系统的各种是构成系统的各种化学元素或或化合物。按组元数目，将系统分为：按组元数目，将系统分为：一元系一元系二元系二元系三元系三元系化学元素：化学元素：Cu,Ni,Fe等等化合物：化合物：Al2O3,MgO,Na2O,SiO2等等2.组元(Component)按组元数目，将系统分为：一65/18/202473.相平衡相平衡 在某一温度下，系统中各个相经过很长时间也不互相在某一温度下，系统中各个相经过很长时间也不互相转变，处于平衡状态，这种平衡称为转变，处于平衡状态，这种平衡称为相平衡。各组元在各相中的化学势相同。各组元在各相中的化学势相同。AB热力学动态平衡热力学动态平衡3.相平衡各组元在各相中的化学势相同。AB热力学动态平衡75/18/20248 处于热力学平衡状态的系统中自由度数、组元数、处于热力学平衡状态的系统中自由度数、组元数、相数和外界影响因素之间的关系定律，通常简称为相数和外界影响因素之间的关系定律，通常简称为相律。F=C-P+n只考虑只考虑温度和和压力对系统平衡状态的影响对系统平衡状态的影响:F=C-P+2凝聚系统凝聚系统:F=C-P+1 式中：式中：F是自由度数；是自由度数；C是组成材料系统的独立组元数；是组成材料系统的独立组元数；P是平衡相的数目。是平衡相的数目。Gibbs Phase Rule，1876年，年，W.Gibbs8.1.2 吉布斯相律吉布斯相律 处于热力学平衡状态的系统中自由度数、组元数、相数和外85/18/202498.2 单元系相图单元系相图 组元数组元数 C=1 根据相律：根据相律：F=1-P+2=3-PF0,P3若，若，F=0，则，则P=3，即最多有三相平衡。，即最多有三相平衡。若，若，P=1，则，则F=2可以用可以用温度温度温度温度和和压力压力压力压力作坐标的平面图作坐标的平面图(p-T图图)来表来表示系统的相图。示系统的相图。8.2 单元系相图 组元数 C=1 若，F=0，则P=95/18/202410水的相图水的相图状态点水的相图状态点105/18/202411相图分析相图分析3条线：条线：C=1，P=2，F=1 OA是水与冰两相平衡线是水与冰两相平衡线OB是冰与蒸汽两相平衡线是冰与蒸汽两相平衡线OC是水与蒸汽两相平衡线是水与蒸汽两相平衡线 3个单相区：个单相区：C=1，P=1，F=2 固相区、液相区和气相区固相区、液相区和气相区 O点是气、液、固三相的平衡共存点点是气、液、固三相的平衡共存点 F=0611.73Pa）及）及273.16K（0.01水的三相点：水的三相点：相图分析3条线：C=1，P=2，F=13个单相区：C=1，115/18/202412如果外界保持一个大气压，如果外界保持一个大气压，根据相律，根据相律，C=1，P=1则则F=1。系统中只有一个独立可变的系统中只有一个独立可变的变数。因此单元系相图可以变数。因此单元系相图可以只用一个温度轴来表示。只用一个温度轴来表示。如果外界保持一个大气压，根据相律，C=1，P=1则F=1。系125/18/202413纯铁的相图纯铁的相图温度压力气液-Fe-Fe-Fe纯铁的相图温度压力气液-Fe-Fe-Fe135/18/202414二元系统有两个组元，根据相律：二元系统有两个组元，根据相律：F=C-P+1，二元系统，二元系统最大的自由度数目最大的自由度数目F=2，这两个自由度就是温度和成分。，这两个自由度就是温度和成分。故二元凝聚系统的相图，仍然可以采用二维的平面图形故二元凝聚系统的相图，仍然可以采用二维的平面图形来描述。即以温度和任一组元浓度为坐标轴的温度来描述。即以温度和任一组元浓度为坐标轴的温度-成成分图表示。分图表示。8.3 二元系相图二元系统有两个组元，根据相律：F=C-P+1，二元系统最大的145/18/202415成分轴成分轴温度轴温度轴状态点状态点成分轴温度轴状态点155/18/202416成分的表示方法成分的表示方法材料的成分是指材料各组元在材料中所占的数量。材料的成分是指材料各组元在材料中所占的数量。质量分数质量分数 wB摩尔分数摩尔分数 xB成分的表示方法材料的成分是指材料各组元在材料中所占的数量。165/18/2024178.3.1 二元系相图的建立二元系相图的建立物理方法物理方法热分析法热分析法金相组织法金相组织法X射线分析法射线分析法硬度法硬度法电阻法电阻法热膨胀法热膨胀法磁性法磁性法计算法计算法相图热力学计算相图热力学计算8.3.1 二元系相图的建立物理方法热分析法计算法相图热力学175/18/202418热分析法热分析法 时间温度凝固开始凝固终了LL+SS热分析法 时间温度凝固开始凝固终了LL+SS185/18/202419Cu-NiCu-Ni相图相图Cu30%Ni50%Ni70%NiNi时间温度CuNi305070wNi(%)LCu-Ni相图Cu30%50%70%Ni时间温度CuNi30195/18/2024208.3.2 杠杆规则杠杆规则 ABCoCLCTATBt1LL+abo8.3.2 杠杆规则 ABCoCLCTATBt1LL+205/18/202421证明证明成分为成分为C0的材料在的材料在t1温度时处于液、固两相平衡状态温度时处于液、固两相平衡状态 由以上两式可以得出由以上两式可以得出 证明成分为C0的材料在t1温度时处于液、固两相平衡状态 由以215/18/202422杠杆规则示意图杠杆规则示意图杠杆规则示意图22