相平衡与相图课件.ppt

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：Al2O3,MgO,Na2O,SiO2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-PF0,P3,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 wB摩尔分数 xB,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,wNi(%),L,8.3.2 杠杆规则,A,B,Co,CL,C,TA,TB,t1,L,L+,a,b,o,证明,成分为C0的材料在t1温度时处于液、固两相平衡状态,由以上两式可以得出,杠杆规则示意图,