相变热力学基础-第5章课件.ppt

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1、第五章二组元材料热力学1二组元材料的热力学理论是材料热力学最基本的内容以二元系相平衡(Phaseequilibrium）为基础，分析材料学中的一些基本问题，掌握运用热力学分析材料平衡相成分以及平衡组织的基本方法25.1两相平衡5.2固-液两相平衡5.3溶解度曲线5.4固溶体间的两相平衡5.5相稳定化参数主要内容35.1两相平衡1.Thermalequilibrium(Tempsareequal).2.Mechanicalequilibrium(Pressuresareequal).3.Chemicalequilibrium(equilibriumwithre

2、specttotransferofcomponents).Fortwophasestobeinthermodynamicequilibrium,theymustbein:4两相平衡的基本判据即平衡态判据(Equilibriumstatecriterion)：体系的Gibbs自由能为极小值（min），即:G=min,or,dG=0A-B二元系，在P、T一定时，在α和β两相平衡共存的状态下，根据平衡态判据应该有：5.1两相平衡5组元A在α和β相中的摩尔数和为常数：因此：同理：两相平衡的热力学条件：每个组元在各相中的化学位相等.5.1两相平衡6两相平衡的热力学条件

3、：每个组元在各相中的化学位相等.单组元材料两相平衡的热力学条件：5.1两相平衡7两相平衡的化学势相等条件-公切线法则(Commontangentlaw)对两相的自由能曲线作公切线，可求出：两相平衡的成分范围平衡相的成分点。切点成分满足同一组元在两相中化学位相等—两相平衡的条件5.1两相平衡8公切线法则(Commontangentlaw):切点成分：给定温度下的两平衡相成分。成分位于公切点之间的合金，处于多相平衡，因为此时自由能的值最低。成分位于公切点之外，自由能？相？5.1两相平衡9公切线确定偏聚固溶体的分解5.1两相平衡10吉布斯自由能－成分公切线确定两相

4、平衡5.1两相平衡11α-L及β-L的两相平衡5.1两相平衡12二元合金系中的3相平衡5.1两相平衡13固溶体与中间相的平衡5.1两相平衡14二中间相的两相平衡5.1两相平衡15根据材料的摩尔吉布斯自由能曲线和相平衡热力学条件，可以确定一定温度、成分下材料所存在的相的平衡状态。Phasediagram材料中相状态与成分、温度的关系图5.1两相平衡16吉布斯自由能曲线建立匀晶相图5.1两相平衡175.1两相平衡18195.1两相平衡20L为理想溶体21吉布斯自由能曲线建立共晶相图(两固相具有相同的晶体结构)5.1两相平衡225.1两相平衡23TA>T1>TP>

5、T2>TB>T3245.2固-液两相平衡如何求给定温度下的固液两相平衡成分A-B二元系固-液两相(α-L)平衡的条件为当固、液两相均用正规溶体近似描述时：25纯组元的液态摩尔自由能0GiL可以用固态的摩尔自由能0Giα和熔化焓ΔHm表示:当温度处于熔点TA附近时，可以认为:5.2固-液两相平衡26在与B组元熔点TB温度相差不多时:5.2固-液两相平衡275.2固-液两相平衡285.2固-液两相平衡29理想溶体二元匀晶相图的计算1953年Thurmond5.2固-液两相平衡30T2液固平衡应用举例：区域熔炼技术高纯Ge、Si半导体材料提纯原理由A、B组成二元体

6、系，B为杂质，其中由液相L和固相组成，杂质分配比ABT15.2固-液两相平衡L315.3溶解度曲线solidus固相线solvus固溶线溶解度(Solubility)：溶体相在与第二相平衡时的溶体成分（浓度）。固溶体在与第二相平衡时的浓度也称为固溶度溶解度曲线：指溶解度与温度的关系曲线32固溶体在与第二相平衡时的浓度也称为固溶度第二相有两种情况：纯组元，包括端际固溶体中间相，主要是中间化合物5.3溶解度曲线33典型材料：5.3.1第二相为纯组元时的溶解度钢铁材料(Fe-C合金):石墨态碳在铁中的溶解度金属系中的Fe-Cu、Al-Si、Al-Zn、AI-G

7、e、Cu-Ag、Cu-B、Cu-Mo、Cu-Nb、Cu-Ta、Cu-V等无机非金属系中的MgO-CaO等5.3溶解度曲线34以A为溶剂，以B为溶质的溶体相A(B)中第二相是纯组元B，即B中不溶解组元A。α相:固溶体相A(B)β相:组元B(与固溶体A(B)结构不同)α+β两相平衡5.3溶解度曲线35溶解度与热力学参数之间的关系：温度无关的熵因子K(Entropyfactor)5.3溶解度曲线365.3.2第二相为化合物时的溶解度典型材料：钢铁材料(Fe-C合金):Fe3C在铁中的溶解度金属系中的Ni-Al、Co-Al、Cu-Al、Cu-Sn、Cu-Zn、Cu-

8、Mg、Cu-Ti、Al-Mg等大多数无机非金属的二元