单组元相图及纯晶体的凝固ppt课件.ppt

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1、单组元相图及纯晶体的凝固单元系相变的热力学及相平衡纯晶体的凝固相变概论由一种元素或化合物构成的晶体称为单组元晶体或纯晶体，该体系称为单元系。对于纯晶体材料而言，随着温度和压力的变化，材料的组成相随之而变化。从一种相到另一种相的转变称为相变，由液相至固相的转变称为凝固，如果凝固后的固体是晶体，则又可称之为结晶。而由不同固相之间的转变称为固态相变，这些相变的规律可借助相图直观简明地表示出来。单元系相图表示了在热力学平衡条件下所存在的相与温度和压力之间的对应关系，理解这些关系有助于预测材料的性能。本章将从相平衡的热力学条件出发来理解相图中相平衡的变化规律。在这基

2、础上，进一步讨论纯晶体的凝固热力学和动力学问题，以及内外因素对晶体生长形态的影响，鉴于单组元高分子（均聚物）的某些特殊性，本章专列一节"高分子的结晶特征"。1单元系相变的热力学及相平衡相平衡条件和相律组成一个体系的基本单元，例如单质（元素）和化合物，称为组元。体系中具有相同物理与化学性质的，且与其他部分以界面分开的均匀部分称为相。通常把具有n个组元都是独立的体系称为n元系，组元数为一的体系称为单元系。处于平衡状态下的多相（P个相）体系，每个组元（共有C个组元）在各相中的化学势都必须彼此相等。处于平衡状态的多元系中可能存在的相数将有一定的限制。这种限制可

3、用吉布斯相律表示之：式中，f为体系的自由度数．它是指不影响体系平衡状态的独立可变参数（如温度、压力、浓度等）的数目；C为体系的组元数；P为相数。1单元系相变的热力学及相平衡对于不含气相的凝聚体系，压力在通常范围的变化对平衡的影响极小，一般可认为是常量。因此相律可写成下列形式：相律给出了平衡状态下体系中存在的相数与组元数及温度、压力之间的关系，对分析和研究相图有重要的指导作用。(1)单元系相单元系相图是通过几何图形描述由单一组元构成的体系在不同温度和压力条件下所可能存在的相及多相的平衡。现以水为例说明单元系相图的表示和测定方法。水可以以气态（水气）、液

4、态（水）和固态（冰）的形式存在。绘制水的相图，首先在不同温度和压力条件下，测出水-汽、冰-汽和水-冰两相平衡时相应的温度和压力，然后，通常以温度为横坐标．压力为纵坐标作图．把每一个数据都在图上标出一个点，再将这些点连接起来，得到H2O相图。根据相律由于f≥0，所以P≤3，故在温度和压力这两个外界条件变化下，单元系中最多只能有三相平衡。OA，OB和OC3条曲线交于O点，它是汽、水、冰三相平衡点。根据相律，此时f＝0，因此要保此三相共存，温度和压力都不能变动。(1)单元系相如果外界压力保持恒定（例如一个标准大气压），那么单元系相图只要一个温度轴来表示。根据相

5、律，在汽、水、冰的各单相区内（f＝1），温度可在一定范围内变动。在熔点和沸点处，两相共存，f＝0，故温度不能变动，即相变为恒温过程。在单元系中，除了可以出现气、液、固三相之间的转变外，某些物质还可能出现固态中的同素异构转变。除了某些纯金属，如铁等具有同素异构转变之外，在某些化合物中也有类似的转变，称为同分异构转变或多晶型转变。H2O的相图（a）温度与压力都能变动的情况（b）只有温度能变动的情况(2)纯晶体的凝固液态结构凝固是指物质由液态至固态的转变。因此，了解凝固过程首先应了解液态的结构。由X射线衍射对金属的径向分布密度函数的测定表明.液体中原子间的平

6、均距离比固体中略大；液体中原子的配位数比密排结构晶体的配位数减小，通常在8~11的范围内。上述两点均导致熔化时体积略为增加，但对非密排结构的晶体如Sb，Bi，Ga，Ge等，则液态时配全数反而增大，故熔化时体积略为收缩。除此以外，液态结构的最重要特征是原子排列为长程无序，短程有序，并且短程有序原子集团不是固定不变的，它是一种此消彼长，瞬息万变，尺寸不稳定的结构，这种现象称为结构起伏，这有别于晶体的长程有序的稳定结构。(2)纯晶体的凝固晶体凝固的热力学条件晶体的凝固通常在常压下进行，从相律可知，在纯晶体凝固过程中，液固两相处于共存，自由度等于零，故温度不变。

7、按热力学第二定律，在等温等压下，过程自发进行的方向是体系自由能降低的方向。自由能G用下式表示：G=H-TS，式中，H是焓；T是绝对温度；S是熵，可推导得dG＝Vdp－SdT。在等压时，dp=0，故上式简化为：由于熵恒为正值，所以自由能是随温度增高而减小。(2)纯晶体的凝固纯晶体的液、固两相的自由能随温度变化规律如.右图所示。这样，两条斜率不同的曲线必然相交于一点，该点表示液、固两相的自由能相等，故两相处于平衡而共存，此温度即为理论凝固温度，也就是晶体的熔点Tm。事实上，在此两相共存温度，既不能完全结晶，也不能完全熔化，要发生结晶则体系必须降至低于Tm温度

8、，而发生熔化则必须高于Tm。自由能随温度变化的示意图(2)纯晶