相圖和相圖化學課件

MC20072.6相圖和相圖化學重點內容：相與相平衡的基本概念，相律；固溶體和中間相相圖分析；二元相圖的閱讀分析；三元相圖的閱讀分析。MC20072.6相圖和相圖化學11.基本概念（1）相(Phase)在一個系統(tǒng)中，成分、結構相同，性能一致的均勻的組成部分叫做相；不同相之間有明顯的界面分開,該界面稱為相界面；在一定的外界條件下（如溫度、壓力等），物質的某種狀態(tài)能量最低則為熱力學平衡相。類型：氣相，液相，固相，等離子相，液晶相

注意：相在物理性能和化學性能上是均勻的。相界面和晶界的區(qū)別。MC20071.基本概念MC20072（2）相圖表示物質的狀態(tài)與溫度、壓力、組成之間的關系的簡明圖解。表示物質在熱力學平衡條件下的情況，又稱為平衡相圖。（3）組元(Component)通常是指系統(tǒng)中每一個可以單獨分離出來，并能獨立存在的化學純物質，在一個給定的系統(tǒng)中，組元就是構成系統(tǒng)的各種化學元素或化合物。MC2007（2）相圖（3）組元(Component)MC20073（4）相平衡在某一溫度下，系統(tǒng)中各個相經(jīng)過很長時間也不互相轉變，處于平衡狀態(tài)，這種平衡稱為相平衡。各組元在各相中的化學勢相同。AB熱力學動態(tài)平衡MC2007（4）相平衡各組元在各相中的化學勢相同。AB熱力學動態(tài)平衡M4MC2007

處于熱力學平衡狀態(tài)的系統(tǒng)中自由度與組元數(shù)和相數(shù)之間的關系定律，通常簡稱為相律。只考慮溫度和壓力對系統(tǒng)平衡狀態(tài)影響的相律方程式:F=C-P+2凝聚系統(tǒng):F=C-P+1式中：F是自由度數(shù)；P是平衡相的數(shù)目；C是組成材料系統(tǒng)的獨立組元數(shù)。使用范圍：平衡狀態(tài)2.相律（GibbsPhaseRule）MC2007處于熱力學平衡狀態(tài)的系統(tǒng)中自由度與組元數(shù)5MC20073.固溶體合金：金屬-金屬，金屬-非金屬之間通過熔煉或其他手段使其化合的一類固體材料。合金元素（組元）：合金中人為摻入的有益元素。合金相：合金中化學成分和晶體結構完全相同，且其界面相互分開又彼此獨立存在的均勻組成的部分。包括固溶相和中間相兩種類型。MC20073.固溶體6（1）固溶體——混晶特點：*存在廣泛的固溶區(qū)范圍*不符合化合物的定組分定律類型：*置換式—固溶體中溶質原子在晶體點陣中統(tǒng)計地替換其溶劑原子。凡與溶劑具有相同的結構、相近原子半徑和化學性質的溶質，都容易形成置換式固溶體。MC2007（1）固溶體——混晶MC20077*間隙式—固溶體中溶質原子不置換溶劑原子，而是分布在溶劑原子所形成的晶體點陣的空隙中。原子半徑較小的元素容易成為間隙原子（如

H、N、C、B）。*缺位式—固溶體在化合物的基礎上形成的。在晶格中，第一個組元的原子仍占據(jù)著正常位置，而第二個組元的原子有某些位置空著。在合金和氧化物（尤其是d區(qū)元素形成的氧化物）的體系中常見。固溶體共性：固溶體中的第二組分（溶質）的原子在第一組分的晶體中的分布是完全無秩序的。MC2007*間隙式—固溶體中溶質原子不置換溶劑原子，而是分MC208考慮兩種組分互溶的程度，有兩種情況：（a）連續(xù)固溶體：兩種組分可以以任意比例互溶狀態(tài)圖有3種*沒有極點的連續(xù)固溶體型狀態(tài)圖TABliquidsolidl+sMC2007考慮兩種組分互溶的程度，有兩種情況：TABliquidsol9*具有最高點的連續(xù)固溶體型狀態(tài)圖（a圖）MC2007*具有最低點的連續(xù)固溶體型狀態(tài)圖（b圖）*具有最高點的連續(xù)固MC2007*具有最低點的連續(xù)固10（b）有限固溶體：兩種組分的互溶是有限度的。在A的晶格中只能容納有限數(shù)目的B原子；在B的晶格中亦只能容納有限數(shù)目的A原子。有限固溶體在結構上，和相應的純組分的晶格相同，只是晶格參數(shù)略有不同；在組成上，直接和純組分毗鄰。狀態(tài)圖有2種

MC2007（b）有限固溶體：兩種組分的互溶是有限度的。MC20011*生成低共熔型有限固溶體狀態(tài)圖（a圖）固溶體Ⅰ固溶體Ⅱ熔液lⅠ+lⅡ+lⅠ+ⅡABDEFAgPbl固溶體a固溶體ba+la+b+l三相線：＋＋l,f=0

*生成轉熔型有限固溶體狀態(tài)圖（b圖）MC2007*生成低共熔型有限固熔液lⅠ+lⅡ+lⅠ+ⅡA12MC2007Tkks1s2s1s2連續(xù)固溶體和有限固溶體均出現(xiàn)的情況MC2007Tkks1s2s1s2連續(xù)固溶體和有限固溶體均出13(2)中間相——金屬互化物特點：*一般在平衡相圖的中間成分區(qū)域內形成*晶體結構和任何組元或終端固溶體都不相同討論：液相直接轉變?yōu)楣滔?，液相線的形狀有一個最高點相變：*同成分相變——從一種相直接變化到另一種相，而在其相變過程中沒有發(fā)生成分的變遷。*不同成分的變遷MC2007(2)中間相——金屬互化物MC200714MC2007MC200715MC2007中間相類型：*電化學化合物——由有強烈的正電性的元素和有強烈的負電性的元素所組成的化合物。特點：a.成分服從于原子價定律b.固溶度范圍小c.從離子鍵化合物過渡到金屬鍵化合物d.電化學性質呈現(xiàn)出從離子導體、半導體直至金屬導體的一系列變化規(guī)律MC2007中間相類型：16MC2007*尺寸因素化合物——其組成的主要指導原則是兩種原子的尺寸大小的比例的化合物。特點：由金屬鍵構成類型：a.間隙型b.置換型*電子化合物——合金組元價電子數(shù)之和與組元總的原子個數(shù)的比值相等的化合物。MC2007*尺寸因素化合物——其組成的主要指導原則是17MC20074.二元系相圖總論(1)二元系二元系統(tǒng)有兩個組元，C=2根據(jù)相律：F=C-P+1，二元系統(tǒng)最大的自由度數(shù)目F=2，這兩個自由度就是溫度和成分。故二元凝聚系統(tǒng)的相圖，仍然可以采用二維的平面圖形來描述。即以溫度和任一組元濃度為坐標軸的溫度-成分圖表示。MC20074.二元系相圖總論(1)二元系18MC2007（2）二元相圖中的幾何規(guī)律①相鄰相區(qū)的相數(shù)差1（點接觸除外)；②三相區(qū)的形狀是一條水平線，其上三點是平衡相的成分點；③若兩個三相區(qū)中有2個相同的相，則兩水平線之間必是由這兩相組成的兩相區(qū)；④單相區(qū)邊界線的延長線應進入相鄰的兩相區(qū)。

MC2007（2）二元相圖中的幾何規(guī)律19MC2007（3）二元相圖的基本類型*勻晶相圖(Isomorphoussystem)當兩個組元化學性質相近，晶體結構相同，晶格常數(shù)相差不大時，它們不僅可以在液態(tài)或熔融態(tài)完全互溶，而且在固態(tài)也完全互溶，形成成分連續(xù)可變的固溶體，稱為無限固溶體或連續(xù)固溶體，它們形成的相圖即為勻晶相圖。

MC2007（3）二元相圖的基本類型20MC2007液相線固相線液相區(qū)兩相共存區(qū)ABTATBLαL+αMC2007液相線固相線液相區(qū)兩相共存區(qū)ABTATBLαL+21MC2007*共晶型MC2007*共晶型22MC2007*包晶型MC2007*包晶型23MC20075.三元系相圖總論(1)三元系三元系統(tǒng)有三個組元，C=3根據(jù)相律：F=C-P+1=4-P三元系統(tǒng)最大的自由度數(shù)目F=3，這三個自由度就是溫度和兩個成分。

通常用平面三角形表示三組分的濃度，用垂直于正三角形的軸長表示溫度，因此三元相圖是一種立體圖形，比二元相圖要復雜得多。MC20075.三元系相圖總論(1)三元系24MC2007（2）三元相圖的基本類型*三元勻晶相圖三個組元中，每兩個組元都可以形成一個二元勻晶相圖。這類三元系的液相面由各二元系的液相線在空間伸展組成，固相面由各二元系的固相線伸展至空間組成。MC2007（2）三元相圖的基本類型25MC2007*三元共晶相圖當三元系的三組兩兩之間均為二元共晶類相圖，那么三元相圖依然是共晶相圖。共晶三元系有兩種情況：a.簡單的共晶三元系，組元在固態(tài)下完全不互溶b.組元在固態(tài)下可以部分互溶MC2007*三元共晶相圖26MC2007(3)三元相圖實例a.單相平衡b.兩相平衡c.三相平衡d.四相平衡轉變二元系中的各種轉變在三元相圖中都可能出現(xiàn)，而三元系中四相平衡反應在二元相圖中是不存在的。四相平衡轉變的基本類型主要有：MC2007(3)三元相圖實例27MC2007MC200728MC2007MC200729MC20072.6相圖和相圖化學重點內容：相與相平衡的基本概念，相律；固溶體和中間相相圖分析；二元相圖的閱讀分析；三元相圖的閱讀分析。MC20072.6相圖和相圖化學301.基本概念（1）相(Phase)在一個系統(tǒng)中，成分、結構相同，性能一致的均勻的組成部分叫做相；不同相之間有明顯的界面分開,該界面稱為相界面；在一定的外界條件下（如溫度、壓力等），物質的某種狀態(tài)能量最低則為熱力學平衡相。類型：氣相，液相，固相，等離子相，液晶相

注意：相在物理性能和化學性能上是均勻的。相界面和晶界的區(qū)別。MC20071.基本概念MC200731（2）相圖表示物質的狀態(tài)與溫度、壓力、組成之間的關系的簡明圖解。表示物質在熱力學平衡條件下的情況，又稱為平衡相圖。（3）組元(Component)通常是指系統(tǒng)中每一個可以單獨分離出來，并能獨立存在的化學純物質，在一個給定的系統(tǒng)中，組元就是構成系統(tǒng)的各種化學元素或化合物。MC2007（2）相圖（3）組元(Component)MC200732（4）相平衡在某一溫度下，系統(tǒng)中各個相經(jīng)過很長時間也不互相轉變，處于平衡狀態(tài)，這種平衡稱為相平衡。各組元在各相中的化學勢相同。AB熱力學動態(tài)平衡MC2007（4）相平衡各組元在各相中的化學勢相同。AB熱力學動態(tài)平衡M33MC2007

處于熱力學平衡狀態(tài)的系統(tǒng)中自由度與組元數(shù)和相數(shù)之間的關系定律，通常簡稱為相律。只考慮溫度和壓力對系統(tǒng)平衡狀態(tài)影響的相律方程式:F=C-P+2凝聚系統(tǒng):F=C-P+1式中：F是自由度數(shù)；P是平衡相的數(shù)目；C是組成材料系統(tǒng)的獨立組元數(shù)。使用范圍：平衡狀態(tài)2.相律（GibbsPhaseRule）MC2007處于熱力學平衡狀態(tài)的系統(tǒng)中自由度與組元數(shù)34MC20073.固溶體合金：金屬-金屬，金屬-非金屬之間通過熔煉或其他手段使其化合的一類固體材料。合金元素（組元）：合金中人為摻入的有益元素。合金相：合金中化學成分和晶體結構完全相同，且其界面相互分開又彼此獨立存在的均勻組成的部分。包括固溶相和中間相兩種類型。MC20073.固溶體35（1）固溶體——混晶特點：*存在廣泛的固溶區(qū)范圍*不符合化合物的定組分定律類型：*置換式—固溶體中溶質原子在晶體點陣中統(tǒng)計地替換其溶劑原子。凡與溶劑具有相同的結構、相近原子半徑和化學性質的溶質，都容易形成置換式固溶體。MC2007（1）固溶體——混晶MC200736*間隙式—固溶體中溶質原子不置換溶劑原子，而是分布在溶劑原子所形成的晶體點陣的空隙中。原子半徑較小的元素容易成為間隙原子（如

H、N、C、B）。*缺位式—固溶體在化合物的基礎上形成的。在晶格中，第一個組元的原子仍占據(jù)著正常位置，而第二個組元的原子有某些位置空著。在合金和氧化物（尤其是d區(qū)元素形成的氧化物）的體系中常見。固溶體共性：固溶體中的第二組分（溶質）的原子在第一組分的晶體中的分布是完全無秩序的。MC2007*間隙式—固溶體中溶質原子不置換溶劑原子，而是分MC2037考慮兩種組分互溶的程度，有兩種情況：（a）連續(xù)固溶體：兩種組分可以以任意比例互溶狀態(tài)圖有3種*沒有極點的連續(xù)固溶體型狀態(tài)圖TABliquidsolidl+sMC2007考慮兩種組分互溶的程度，有兩種情況：TABliquidsol38*具有最高點的連續(xù)固溶體型狀態(tài)圖（a圖）MC2007*具有最低點的連續(xù)固溶體型狀態(tài)圖（b圖）*具有最高點的連續(xù)固MC2007*具有最低點的連續(xù)固39（b）有限固溶體：兩種組分的互溶是有限度的。在A的晶格中只能容納有限數(shù)目的B原子；在B的晶格中亦只能容納有限數(shù)目的A原子。有限固溶體在結構上，和相應的純組分的晶格相同，只是晶格參數(shù)略有不同；在組成上，直接和純組分毗鄰。狀態(tài)圖有2種

MC2007（b）有限固溶體：兩種組分的互溶是有限度的。MC20040*生成低共熔型有限固溶體狀態(tài)圖（a圖）固溶體Ⅰ固溶體Ⅱ熔液lⅠ+lⅡ+lⅠ+ⅡABDEFAgPbl固溶體a固溶體ba+la+b+l三相線：＋＋l,f=0

*生成轉熔型有限固溶體狀態(tài)圖（b圖）MC2007*生成低共熔型有限固熔液lⅠ+lⅡ+lⅠ+ⅡA41MC2007Tkks1s2s1s2連續(xù)固溶體和有限固溶體均出現(xiàn)的情況MC2007Tkks1s2s1s2連續(xù)固溶體和有限固溶體均出42(2)中間相——金屬互化物特點：*一般在平衡相圖的中間成分區(qū)域內形成*晶體結構和任何組元或終端固溶體都不相同討論：液相直接轉變?yōu)楣滔?，液相線的形狀有一個最高點相變：*同成分相變——從一種相直接變化到另一種相，而在其相變過程中沒有發(fā)生成分的變遷。*不同成分的變遷MC2007(2)中間相——金屬互化物MC200743MC2007MC200744MC2007中間相類型：*電化學化合物——由有強烈的正電性的元素和有強烈的負電性的元素所組成的化合物。特點：a.成分服從于原子價定律b.固溶度范圍小c.從離子鍵化合物過渡到金屬鍵化合物d.電化學性質呈現(xiàn)出從離子導體、半導體直至金屬導體的一系列變化規(guī)律MC2007中間相類型：45MC2007*尺寸因素化合物——其組成的主要指導原則是兩種原子的尺寸大小的比例的化合物。特點：由金屬鍵構成類型：a.間隙型b.置換型*電子化合物——合金組元價電子數(shù)之和與組元總的原子個數(shù)的比值相等的化合物。MC2007*尺寸因素化合物——其組成的主要指導原則是46MC20074.二元系相圖總論(1)二元系二元系統(tǒng)有兩個組元，C=2根據(jù)相律：F=C-P+1，二元系統(tǒng)最大的自由度數(shù)目F=2，這兩個自由度就是溫度和成分。故二元凝聚系統(tǒng)的相圖，仍然可以采用二維的平面圖形來描述。即以溫度和任一組元濃度為坐標軸的溫度-成分圖表示。MC20074.二元系相圖總論(1)二元系47MC2007（2）二元相圖中的幾何規(guī)律①相鄰相區(qū)的相數(shù)差1（點接觸除外)；②三相區(qū)的形狀是一條水平線，其上三點是平衡相的成分點；③若兩個三相區(qū)中有2個相同的相，則兩水平線之間必是由這兩相組成的兩相區(qū)；④單相區(qū)邊界線的延長線應進入相鄰的兩相區(qū)。

MC2007（2）二元相圖中的幾何規(guī)律48MC2007（3）二元相圖的基本類型*勻晶相圖(Isomorphoussystem)當兩個組元化學性質相近，晶體結構相