材料科学基础ppt电子课件教案第10章相变

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1、第十章材料热力学与固态相变基础合金自由能的计算自由能随成分变化规律相平衡原理相图与吉布斯自由能曲线固态相变概论总结与回顾－－材料的成分、加工工艺对组织、性能的影响引言平衡状态：系统吉布斯自由能处于最低所对应的状态。相图：表述物质的成分、环境条件与平衡状态下存在相之间关系的图形。相图的测定方法：一般用物理方法来进行，利用不同组成相所具有的不同物理性能特征参数或性能变化时的表现出物理量的变化特征来进行测定工作。例如常用的热分析法、热膨胀系数/比容变化、磁性法等等。计算法预测相图：由材料的成分判断可能组成的相结构，计算在某一温度下的自由能

2、，找出合适组成相或他们之间的组合，达到能量最低的状态(平衡态)，从而确定相图的结构。随着热力学数据的积累，计算机能力提高和普及，这种设想现在逐步可以实现。第一节固溶体自由能的计算纯组元自由能与温度的关系两相混合自由能的计算固溶体的自由能与成分温度的关系混合过程中S的变化混合过程中H的变化1.纯组元自由能与温度的关系其中H0和S0为标准状态下(25℃,一个大气压)的值，可以查相关的热力学资料得到。第一节固溶体自由能的计算2.两相混合自由能的计算设同样有A、B两组元组成的两相α和β，α的成分(原子百分比)为x1，β的成分(原子百分比)为x

3、2，α和β两相所占的比例分别为N1和N2(原子百分比),显然N1＋N2＝1。在G－X的图形中，G1、G、G2三点在一直线上，并服从杠杆定律。第一节固溶体自由能的计算3.固溶体自由能与成分温度的关系在温度T下，寻找G－x之间的关系。设NA和NB为固溶体中A、B的原子数，XA和XB为两组元的摩尔浓度，即在温度T下，G0为混合前的自由能，ΔGm为混合过程中自由能变化。G0A的值由纯组元公式计算出。先计算混合过程中H、S的变化量，可以计算ΔGm变化。第一节固溶体自由能的计算混合过程中S的变化熵表征为系统的混乱程度，固态下系统的熵构成：主要是混

4、合熵(配置熵)，决定于原子可能排列的方式；其次还有振动熵，决定于温度和缺陷。每摩尔物质有原子，在二元系统中，A、B各自的原子数为NA、NB，即NA＋NB＝N，材料的成分和浓度为：XA＝NA/N、XB＝NB/N(XA＋N＝1)。混合时熵的变化：配置熵定义：K－波耳兹曼常数W－可能构成的排列方式第一节固溶体自由能的计算3.固溶体自由能与成分温度的关系混合过程中S的变化第一节固溶体自由能的计算3.固溶体自由能与成分温度的关系混合过程中H的变化利用溶液的准化学模型：①设A、B组元尺寸相接近，排列无序；②混合过程中体积基本不变，即ΔV＝0；③原

5、子只与最近邻的原子之间存在相互作用，即只计算最近邻原子之间的结合能。设两最近邻原子之间的结合能分别为uAA、uBB、uAB，固溶体和组元的配位数均为Z。由于H=u+PV，第一节固溶体自由能的计算3.固溶体自由能与成分温度的关系混合过程中H的变化第一节固溶体自由能的计算3.固溶体自由能与成分温度的关系3.固溶体自由能与成分温度的关系注意这个表达式的推导用的假设，即使用条件，这是一最简单的情况，其它情况下应根据使用环境来加以修正。结论：第一节固溶体自由能的计算第二节自由能随成分变化规律数学表达关系分析当ΔHM=0时的状态当ΔHM<0时的状

6、态当ΔHM>0时的状态1.数学表达关系分析第二节自由能随成分变化规律2.当ΔHM=0时这时为理想溶液模型，即G(x)为下垂线，即曲线的凹向朝上。第二节自由能随成分变化规律3.ΔHM<0时这时异类原子的结合力大于同类原子之间的结合力。表现为在溶解时会放出热量。G(x)为下垂线，曲线的凹向朝上。由于ΔHM和TΔSM的同时作用，曲线下垂更大。第二节自由能随成分变化规律4.ΔHM>0时自由能随成分变化规律溶解时会吸收热量，由于ΔHM和TΔSM表现为相反的作用，曲线的形状与二者的大小相关。混合所提高的内能全部由热温熵来补充，ΔGm≤0，G(x)

7、依然为下垂曲线，仅仅下垂的程度小一点。下页第二节自由能随成分变化规律4.ΔHM>0时自由能随成分变化规律构成的曲线有三个极值点和两个拐点，在靠近坐标轴(x接近0或1)处为上凹曲线，有两个极小值，而中部位凹向朝下的上凸曲线，会有一极大值。在这种情况下，存在两个必然的规律：其一是任何组元，少量的溶解其它组元都会使其吉布斯自由能下降，绝对的不能溶解其它元素是不存在的，得到绝对的纯净物资是不可能的，即“金无赤足”。其二是当出现上凸时，吉布斯自由能会提高，自发的趋势是形成两相混合物可以降低体系的自由能，两组元表现为有限溶解。第二节自由能随成分变

8、化规律4.ΔHM>0时自由能随成分变化规律溶解时会吸收热量，由于ΔHM和TΔSM表现为相反的作用，曲线的形状与二者的大小相关。若T＝0时，两组元的混合全部表现为提高自由能，由于绝对0度是不可能的，所以这种情况不可能出现。