相變熱力學(xué)基礎(chǔ)

相變熱力學(xué)基礎(chǔ)第一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三二組元材料的熱力學(xué)理論是材料熱力學(xué)最基本的內(nèi)容以二元系相平衡(Phaseequilibrium）為基礎(chǔ)，分析材料學(xué)中的一些基本問題，掌握運用熱力學(xué)分析材料平衡相成分以及平衡組織的基本方法2第二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三5.1 兩相平衡5.2 固-液兩相平衡5.3 溶解度曲線5.4 固溶體間的兩相平衡5.5 相穩(wěn)定化參數(shù)主要內(nèi)容3第三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三5.1 兩相平衡1.Thermalequilibrium(Tempsareequal).2.Mechanicalequilibrium(Pressuresareequal).3.Chemicalequilibrium(equilibriumwithrespecttotransferofcomponents).Fortwophasestobeinthermodynamicequilibrium,theymustbein:4第四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三兩相平衡的基本判據(jù)即平衡態(tài)判據(jù)(Equilibriumstatecriterion)：體系的Gibbs自由能為極小值（min），即:G=min,or,dG=0A-B二元系，在P、T一定時，在α和β兩相平衡共存的狀態(tài)下，根據(jù)平衡態(tài)判據(jù)應(yīng)該有：5.1兩相平衡5第五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三組元A在α和β相中的摩爾數(shù)和為常數(shù)：因此：同理：兩相平衡的熱力學(xué)條件：每個組元在各相中的化學(xué)位相等.5.1兩相平衡6第六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三兩相平衡的熱力學(xué)條件：每個組元在各相中的化學(xué)位相等.單組元材料兩相平衡的熱力學(xué)條件：5.1兩相平衡7第七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三兩相平衡的化學(xué)勢相等條件-公切線法則 (Commontangentlaw)對兩相的自由能曲線作公切線，可求出：

兩相平衡的成分范圍

平衡相的成分點。切點成分滿足同一組元在兩相中化學(xué)位相等—兩相平衡的條件5.1兩相平衡8第八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三公切線法則(Commontangentlaw):切點成分：給定溫度下的兩平衡相成分。成分位于公切點之間的合金，處于多相平衡，因為此時自由能的值最低。成分位于公切點之外，自由能？相？5.1兩相平衡9第九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三公切線確定偏聚固溶體的分解5.1兩相平衡10第十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三吉布斯自由能－成分公切線確定兩相平衡5.1兩相平衡11第十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三α-L及β-L的兩相平衡5.1兩相平衡12第十二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三二元合金系中的3相平衡5.1兩相平衡13第十三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三固溶體與中間相的平衡5.1兩相平衡14第十四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三二中間相的兩相平衡5.1兩相平衡15第十五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三根據(jù)材料的摩爾吉布斯自由能曲線和相平衡熱力學(xué)條件，可以確定一定溫度、成分下材料所存在的相的平衡狀態(tài)。Phasediagram材料中相狀態(tài)與成分、溫度的關(guān)系圖5.1兩相平衡16第十六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三吉布斯自由能曲線建立勻晶相圖5.1兩相平衡17第十七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三5.1兩相平衡18第十八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三19第十九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三5.1兩相平衡20第二十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三21L為理想溶體第二十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三吉布斯自由能曲線建立共晶相圖(兩固相具有相同的晶體結(jié)構(gòu))5.1兩相平衡22第二十二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三5.1兩相平衡23第二十三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三24TA>T1>TP>T2>TB>T3第二十四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三5.2固-液兩相平衡如何求給定溫度下的固液兩相平衡成分A-B二元系固-液兩相(α-L)平衡的條件為當(dāng)固、液兩相均用正規(guī)溶體近似描述時：25第二十五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三純組元的液態(tài)摩爾自由能0GiL可以用固態(tài)的摩爾自由能0Giα和熔化焓ΔHm表示:當(dāng)溫度處于熔點TA附近時，可以認(rèn)為:5.2固-液兩相平衡26第二十六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三在與B組元熔點TB溫度相差不多時:5.2固-液兩相平衡27第二十七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三5.2固-液兩相平衡28第二十八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三5.2固-液兩相平衡29第二十九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三理想溶體二元勻晶相圖的計算1953年Thurmond5.2固-液兩相平衡30第三十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三T231液固平衡應(yīng)用舉例：區(qū)域熔煉技術(shù)高純Ge、Si半導(dǎo)體材料提純原理由A、B組成二元體系，B為雜質(zhì)，其中由液相L和固相組成，雜質(zhì)分配比ABT15.2固-液兩相平衡L第三十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三325.3溶解度曲線solidus固相線solvus固溶線溶解度(Solubility)：溶體相在與第二相平衡時的溶體成分（濃度）。固溶體在與第二相平衡時的濃度也稱為固溶度溶解度曲線：指溶解度與溫度的關(guān)系曲線第三十二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三33固溶體在與第二相平衡時的濃度也稱為固溶度第二相有兩種情況：純組元，包括端際固溶體中間相，主要是中間化合物5.3溶解度曲線第三十三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三34典型材料：5.3.1第二相為純組元時的溶解度鋼鐵材料(Fe-C合金):石墨態(tài)碳在鐵中的溶解度金屬系中的Fe-Cu、Al-Si、Al-Zn、AI-Ge、Cu-Ag、Cu-B、Cu-Mo、Cu-Nb、Cu-Ta、Cu-V等無機非金屬系中的MgO-CaO等5.3溶解度曲線第三十四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三35以A為溶劑，以B為溶質(zhì)的溶體相A(B)中第二相是純組元B，即B中不溶解組元A。α相:固溶體相A(B)β相:組元B(與固溶體A(B)結(jié)構(gòu)不同)α+β兩相平衡5.3溶解度曲線第三十五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三36溶解度與熱力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系：溫度無關(guān)的熵因子K(Entropyfactor)5.3溶解度曲線第三十六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三375.3.2第二相為化合物時的溶解度典型材料：鋼鐵材料(Fe-C合金):Fe3C在鐵中的溶解度金屬系中的Ni-Al、Co-Al、Cu-Al、Cu-Sn、Cu-Zn、Cu-Mg、Cu-Ti、Al-Mg等大多數(shù)無機非金屬的二元系統(tǒng)5.3溶解度曲線第三十七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三38若A-B二元系中存在化合物中間相AmBn(θ)，則溶體相α與化合物相θ的平衡條件為：5.3溶解度曲線第三十八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三395.3溶解度曲線第三十九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三405.4固溶體間的兩相平衡兩相均為固溶體，而且相互間處于平衡狀態(tài)實際材料典型實例：深沖性能良好的雙相低碳低合金鋼，高強度雙相（α+β）鈦合金，γ’相強化Ni基高溫合金高強度高拉伸性能的3-7黃銅如果A-B二元系中的兩種固溶體α和β相均為以A為基的固溶體：α+β兩相平衡時應(yīng)有第四十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三41如果溶體摩爾自由能用正規(guī)溶體近似描述物理意義：若α和β相均為稀溶體，則平衡兩相的濃度差(兩相區(qū)的寬度)與溶質(zhì)無關(guān)，而只取決于該溫度下溶劑的相變自由能。5.4固溶體間的兩相平衡如果α和β相均為稀溶體，即第四十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三42Forexample:低合金含量的Fe-M合金(Fe(M))，奧氏體γ與鐵素體α平衡時的兩相成分差只取決于該溫度下純鐵的α→γ相變自由能:第四十二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三43非常重要的概念——溶質(zhì)元素的分配比分配比:溶質(zhì)元素的重要性質(zhì)，用它可以判斷溶質(zhì)元素對平衡兩相穩(wěn)定性的影響5.4固溶體間的兩相平衡第四十三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三44Forexample:鐵基合金（Fe-M合金），溶質(zhì)元素M在α和γ兩相中的分配比為：奧氏體（γ）相穩(wěn)定化參數(shù)(Phasestabilizationparameter)，是分配比的熱力學(xué)表征第四十四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三455.5相穩(wěn)定化參數(shù)鐵基合金(Fe-M)為例，說明相穩(wěn)定化參數(shù)的意義和應(yīng)用按對Fe-M二元合金中γ相區(qū)的影響可以把M組元分為兩類：擴大γ相區(qū)的組元縮小（或封閉）γ相區(qū)的組元決定因素：M組元的奧氏體穩(wěn)定化參數(shù)第四十五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三46奧氏體穩(wěn)定化參數(shù)是描述分配比的熱力學(xué)參數(shù)5.5相穩(wěn)定化參數(shù)第四十六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三47bcc結(jié)構(gòu)的元素大都屬于α-former（鐵素體形成元素)fcc結(jié)構(gòu)的元素大都屬于γ-former（奧氏體形成元素）5.5相穩(wěn)定化參數(shù)第四十七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三485.5相穩(wěn)定化參數(shù)第四十八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三49例：向Fe中加入α-former元素將使γ相區(qū)縮小，試證明:無論加入什么元素，要使γ相區(qū)完全封閉，元素的加入量至少要達(dá)到0.6at%.解：加入不同的α-former元素，使γ相區(qū)完全封閉的加入量是不同的在使γ相區(qū)縮小到最小時，可以假設(shè)在1400K有極值5.5相穩(wěn)定化參數(shù)第四十九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三50第五十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三51第五十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三52第五十二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三53第五十三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三54第五十四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三55例：亞穩(wěn)相的穩(wěn)定化-Co

basedsuperalloys第五十五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三56Ni

basedsuperalloy第五十六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三57第五十七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三58Fieldemission