相平衡与相图课件

,*,*,*,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）,重点内容：,相与相平衡的基本概念，相律，杠杆规则；,单元和二元系统各种类型相图的阅读分析；,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：,陈国发,李运刚，相图原理与冶金相图，北京 冶金工业出版社,2002,顾菡珍，叶于浦，相平衡和相图基础，北京 北京大学出版社,1991,材料的性能,组织结构,相,种类,数量,尺寸,形状,分布,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。,表示物质在热力学平衡条件下的情况，又称为,平衡相图,。,8.1 相平衡与吉布斯相律,1.相(Phase),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,界面,分开,该界面称为,相界面,。,注意：,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。,8.1.1 相平衡的基本概念,2.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,化学元素,或,化合物,。,按组元数目，将系统分为：,一元系,二元系,三元系,化学元素：Cu,Ni,Fe等,化合物：Al,2,O,3,MgO,Na,2,O,SiO,2,等,3.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。,A,B,热力学动态平衡,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,相律,。,F=C-P+n,只考虑,温度,和,压力,对系统平衡状态的影响:,F=C-P+,2,凝聚系统:,F=C-P+,1,式中：,F,是自由度数；,C,是组成材料系统的独立组元数；,P,是平衡相的数目。,Gibbs Phase Rule，1876年，W.Gibbs,8.1.2 吉布斯相律,8.2 单元系相图,组元数,C,=1,根据相律：,F,=1-,P,+2=3-,P,F,0,P,3,若，,F,=0，则,P,=3，即最多有三相平衡。,若，,P,=1，则,F,=2,可以用,温度,和,压力,作坐标的平面图(,p-T,图)来表示系统的相图。,水的相图,状态点,相图分析,3条线：,C,=1，,P,=2，,F,=1,OA,是水与冰两相平衡线,OB,是冰与蒸汽两相平衡线,OC,是水与蒸汽两相平衡线,3个单相区：,C,=1，,P,=1，,F,=2,固相区、液相区和气相区,O,点是气、液、固三相的平衡共存点,F,=0,水的三相点：0.01（273.16K）及611.73Pa,如果外界保持一个大气压，根据相律，,C,=1，,P,=1则,F,=1。系统中只有一个独立可变的变数。因此单元系相图可以只用一个温度轴来表示。,纯铁的相图,温度,压力,气,液,-Fe,-Fe,-Fe,二元系统有两个组元，根据相律：,F,=,C-P,+1，二元系统最大的自由度数目,F,=2，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来描述。即以温度和任一组元浓度为坐标轴的温度-成分图表示。,8.3 二元系相图,成分轴,温度轴,状态点,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。,质量分数,w,B,摩尔分数,x,B,8.3.1 二元系相图的建立,物理方法,热分析法,金相组织法,X射线分析法,硬度法,电阻法,热膨胀法,磁性法,计算法,相图热力学计算,热分析法,时间,温度,凝固开始,凝固终了,L,L+S,S,Cu-Ni相图,Cu,30%,Ni,50%,Ni,70%,Ni,Ni,时间,温度,Cu,Ni,30,50,70,w,Ni,(%),L,8.3.2 杠杆规则,A,B,C,o,C,L,C,T,A,T,B,t,1,L,L+,a,b,o,证明,成分为C,0,的材料在,t,1,温度时处于液、固两相平衡状态,由以上两式可以得出,杠杆规则示意图,