上海交大-材料科學(xué)基礎(chǔ)-第五章

第五章單組元相圖一、基本概念組元：組成材料最基本、獨(dú)立的物質(zhì)。可以是單

一元素也可以是穩(wěn)定的化合物。2.系統(tǒng)（體系）：選擇的研究對(duì)象稱為系統(tǒng)；系統(tǒng)

以外的一切物質(zhì)都稱為環(huán)境。凝聚系統(tǒng)：不含氣相或氣相可以忽略的系統(tǒng)如：合金、硅酸鹽系統(tǒng)第一節(jié)相與相平衡例：（1）一般系統(tǒng)水、空氣、酒精溶液、水與油、水與冰（2）凝聚系統(tǒng)機(jī)械混合物、化合物、固溶體、同質(zhì)多晶3.單元系：由一種元素或化合物構(gòu)成的晶體稱為單組元晶體或純晶體，該系統(tǒng)稱為單元系。4.二元系和多元系：由二組元及多組元組成的系統(tǒng)。一個(gè)相中可以包含幾種物質(zhì)，即幾種物質(zhì)可以形成一個(gè)相。空氣、NaCl水溶液一種物質(zhì)可以有幾個(gè)相。水（冰、液、汽）；碳（石墨、金剛石）固體機(jī)械混合物中有幾種物質(zhì)就有幾種相。鐵粉+碳粉一個(gè)相可以連續(xù)成一個(gè)整體，也可以不連續(xù)。水中的冰塊5.相：體系中具有相同的物理與化學(xué)性質(zhì)的，且與其他部分以界面分開的均勻部分。6.相變：從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的過(guò)程。若轉(zhuǎn)變前后均為固相，則成為固態(tài)相變。從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟倪^(guò)程稱為凝固。若凝固后的產(chǎn)物為晶體稱為結(jié)晶。二、相平衡機(jī)械平衡：合力為零；熱平衡：溫差為零；化學(xué)平衡：各相化學(xué)勢(shì)相等相平衡就是指各相的化學(xué)熱力學(xué)平衡（簡(jiǎn)稱熱力學(xué)平衡或平衡）熱力學(xué)平衡1.平衡2.相平衡條件系統(tǒng)中每一組元在所有各相中的化學(xué)勢(shì)相等。例：1）NaCl水溶液；2）CaCO3（S）、CaO（S）、CO2（g）三種物質(zhì)形成的系統(tǒng)3.組元：組成系統(tǒng)的物質(zhì)獨(dú)立組元：形成平衡系統(tǒng)中各相組成所需要的最少數(shù)目的化學(xué)純物質(zhì)；其數(shù)目稱為獨(dú)立組元數(shù)，用C表示。C=組元數(shù)-獨(dú)立化學(xué)反應(yīng)數(shù)目-限制條件C＝1，單元系統(tǒng)；C＝2，二元系統(tǒng)；C＝3，三元系統(tǒng)4.相數(shù)：一個(gè)系統(tǒng)中所含相的數(shù)目，用P表示。P＝1，單相系統(tǒng)；P＝2，二相系統(tǒng)；P＝3，三相系統(tǒng)氣體物質(zhì)一般只能是一個(gè)相：相平衡條件下，不同氣體可以任何比例均勻混合在一起；固體有幾種物質(zhì)就有幾個(gè)相，但固溶體時(shí)為一個(gè)相；液體視其混溶程度而定5.自由度

在相平衡系統(tǒng)中，可以獨(dú)立改變的變量（如溫度、壓力或組分濃度等）稱為自由度。這些變量的數(shù)目叫自由度數(shù)，用f表示。f＝0，無(wú)變量系統(tǒng)；f＝1，單變量系統(tǒng)；f＝2，雙變量系統(tǒng)蒸發(fā)曲線升華曲線溶解曲線6.外界影響因素影響系統(tǒng)平衡狀態(tài)的外界因素包括：溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、重力場(chǎng)等。外界影響因素的數(shù)目稱為影響因素?cái)?shù)，用n表示。

一般系統(tǒng)：n＝2（T、P）

凝聚系統(tǒng)：n=1（T）吉布斯相律：f＝C－P＋n7.相律描述系統(tǒng)的組元數(shù)、相數(shù)和自由度間關(guān)系的法則

一般系統(tǒng)相律：f＝C－P＋2

凝聚系統(tǒng)相律：f＝C－P＋1根據(jù)相律，可以判斷在一定條件下系統(tǒng)最多可能平衡共存的相數(shù)目f＝C－P＋nC一定，f越小，P越大，f最小為0P＝C＋2n=2P＝C＋1n=1壓力一定C=1P=？C=2P=？C=3P=？根據(jù)相律，可以判斷系統(tǒng)中可以獨(dú)立改變的自由度數(shù)二元凝固系統(tǒng)單相f=C-P+1=2-1+1=2溫度和成分可變

兩相f=C-P+1=2-2+1=1溫度和成分可變一個(gè)

三相f=C-P+1=2-3+1=0溫度和成分都固定不變8.相圖

描述在平衡條件下，體系的相平衡狀態(tài)與成分和溫度、壓力等外部條件之間關(guān)系的圖解。又稱狀態(tài)圖或平衡圖。單元系相圖、二元系相圖、三元系相圖。

三、相圖的應(yīng)用及重要性1）合金工業(yè)2）硅酸鹽工業(yè)3）新材料的開發(fā)從相圖可以了解該體系在各種溫度和壓力下所存在的相態(tài)、相成分和各個(gè)相的含量以及當(dāng)溫度和壓力變化時(shí)，將發(fā)生什么類型的相轉(zhuǎn)變，在什么條件下轉(zhuǎn)變等第二節(jié)單元系相圖一、單元系統(tǒng)相圖的表示和實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法單相系相律

f=C-P+2=1-P+2=3-P單相狀態(tài)p=1f=2兩相狀態(tài)p=2f=1三相狀態(tài)p=3f=0二、相圖分析相區(qū):相界線：三相點(diǎn)：水的相圖蒸發(fā)曲線溶解曲線升華曲線熔點(diǎn)沸點(diǎn)一個(gè)大氣壓f=C-P+1=1-P+1=2-P三、具有晶型變化的單元系統(tǒng)相圖1、純鐵的相圖同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（多晶型轉(zhuǎn)變）：

許