6相平衡和相图讲解.ppt

6 相平衡和相图 引言 材料的性质除了与化学成分有关还取决与起显微结构 研究材料的显微结构，需要综合考虑热力学和动力学两方面因素 相平衡为我们从热力学平衡角度判断系统在一定热力学条件下所趋向的最终状态提供依据 相平衡是研究一个或者多个组分，多相体系的平衡状态如何随影响因素（温度、压力、组分浓度）变化而改变的规律 其优点是不需要把体系中的化学物质或相加以分离来分别单独研究，综合考虑系统中组分间发生的各种物理、化学变化，因而具有极大的普遍意义和使用价值 材料工作者能必须熟练判读相图 6.1 相平衡及其研究方法 研究内容：在一定外界条件下（温度、压力等）热力学平衡下，一个体系或系统所处的状态。 研究对象称为系统 系统外的一切称为环境 外界条件不变时，如果系统的各种系统不随时间变化，则系统处于平衡状态 6.1.1.2 相Phase 系统中化学和物理性质完全均匀的部分总称为相(phase) 同种物质可以有不同的相，例如气态、液态、固态这3个不同的相 混合均匀的气体或者溶液也视为同一个相，例如混合均匀熔体或者溶液或者空气 系统中的固体的相情况 机械混合物：无论如何处理，都不能达到完全均匀的程度，属于不同的相(水泥生料) 生成化合物：产生一种化合物，就生成一个新相 固溶体：几种物质碱的固溶体是一个相 同质多晶现象：结构和物理性质不同，分别各自成相 均匀的气体和溶液是一个相，不能混溶和液体属于不同的相 6.1.1.3 独立组分或组元Component 系统中能单独分离出来的并能独立存在的化学物质称为组元。(H2O是；H+不是) 用来表示平衡系统中组成所需的最少的组元，称为独立组元， 硅酸盐系统中经常用氧化物作为系统的组成，例如SiO2一元系统，Al2O3-SiO2二元系统，CaO-Al2O3-SiO2三元系统等 6.1.1.4 自由度 可以任意改变而不引起旧相消失或者新相产生的独立变量称为自由度。平衡系统自由度数用F表示 这些变量主要指组成、温度、压力等。 在F=2的时候，（温度与压力）或者（温度与组分）可以随意变化，也不会导致相的变化。 （双变量系统） F=1时，独立变量只有一个，例如确定温度后，压力就确定了。 （单变量系统） F=0时，系统温度、压力和组成是平衡的，如果任一因素改变，都会引起系统相的变化。（无变量系统） 水的相图 三条线：水的饱和蒸汽压线OD、冰的饱和蒸汽压线OA、冰的熔融曲线OF。在线上（两相共存）温度和压力只有一个是独立的，另一个随之变化，即F=1。 三个单相区：固，液，气 三线交点O点是三相共存点，F=0 6.1.2 相律 几点说明： (1)相平衡是研究多相体系的平衡状态如何随温度、压力和组分浓度等变数而改变的规律； (2)相图是根据多相平衡的实验结果而绘制的几何图形；又称状态图； （3）相图中的平衡状态的概念。只适用于热力学平衡状态，各相温度相等（热量平衡）、各相压力相等（机械平衡）、各相化学势相等（化学平衡）。 （4）相律只表示体系中组元和相的数目，不能指明组元和相的类型和含量。 （5）不能预告反应动力学（即反应速度问题）。 6.1.3 相平衡的研究方法 动态法和静态法两种 动态法： 加热或者冷却曲线法 差热分析DTA 热膨胀曲线法 电阻法 静态法： 淬冷法 （3）热膨胀曲线法 应用相图的几个注意事项 实际生产过程和相图差别的原因：相图是热力学平衡下得到的，不能反映相变过程的动力学因素；而实际生产过程出于效率的考虑，常常达不到平衡状态，距平衡状态的远近，要视系统的动力学性质及过程所经历的时间两方面因素综合考虑。 介稳态的出现：热力学非平衡态（基于动力学因素） 杂质的影响：实际生产原料中含杂质且是低温到高温过程；相图的绘制采用纯组分，是将系统升到高温再平衡冷却方法。 因此不能用教条主意的态度看待相图 6.2 单元系统 研究对象只是一种纯物质C=1，考虑温度和压力对系统的影响，n=2 F=C-P+n=3-P Pmin=1，Fmax=2；Fmin=0，Pmax=3，系统中平衡共存的相最多是3个，不可能是4个或者5个；三相共存时，系统无变量。 只要温度和压力确定，系统中平衡共存的相数和个相的形态，便可依图确定出来 状态点：相图中的每一个点对应着系统的一个状态。 6.2.1 具有同质多晶转变的单元系统 稳定的相平衡(实线)：固-气、液气、固液的界线外，多了一条两种晶型的转变线(BE 线)，共4相。单相区，F=3-P=3-1-2。平衡线，F=3-P=3-2=1。B和C点是三相点，F=3-P=3-3=0。 介稳态的相平衡(虚线)，过冷熔体(FCGH过冷液体)(BK过冷α-晶型)和过热晶相(EBGH过热β-晶型)。 6.2.1.2 相图的特点 熔点：α-晶型为C点，β-晶型为G点。 多晶转变点：B点是α