材料科学基础 10相图-1.ppt

1．均匀形核 6.3.3 形核 a．晶核形成时的能量变化和临界晶核 条件： 结构（相）起伏 温度起伏 液—固转变时 驱动力：△ G ＜0 阻 力：表面自由能 第三节 纯晶体的凝固 第三节 纯晶体的凝固 1．均匀形核 6.3.3 形核 假定晶胚为球形，半径为r，当过冷液中出现一个晶胚时，总的自由能变化△ G应为： 式中： σ为比表面能，可用表面张力表示。 第三节 纯晶体的凝固 1．均匀形核 6.3.3 形核 在一定温度下，△Gv和σ是确定值，所以△ G是r的函数。 临界半径r*可通过求极值得到。 式中：Lm是熔化热，表示固相转变为液相时，体系向环境吸热，定义为正值； 第三节 纯晶体的凝固 1．均匀形核 6.3.3 形核 式中： △ G*为形成临界晶核所需的功，简称形核功，它与(△ T)2成反比，过冷度越大，所需的形核功越小。 第三节 纯晶体的凝固 1．均匀形核 6.3.3 形核 以临界晶核表面积表示 式中： △ G*为形核功。 不足的1/3则需依靠液相中存在的能量起伏来补充。 能量起伏是指体系中每个微小体积所实际具有的能量会偏离体系平均能量水平而瞬时涨落的现象。 《材料科学基础》 第6章 单组元相图及纯晶体结晶 6.1 前言 A B 20 40 60 80 T 200 400 600 800 1000 (%) S L+S L 何谓相图？ 相图是绘制在以合金成分为横坐标的、以温度为纵坐标，表征合金系相特征的一组曲线。 在压力恒定的条件下，以图解的方法，表示合金系在平衡状态下，相的状态、组织、成分与温度之间的关系。 （1450） （1250） （980） 6.1 前言 为何要研究与绘制相图？ 导向 预测 6.1 前言 相图的分类 单元相图 二元合金相图 多元合金相图 6.1 前言 第一节 单元系相变的热力学及相平衡 一、研究条件界定： 有关相平衡及其转变方向等问题，属于热力学的研究范畴，只与系统宏观转变的始末有关，而不涉及其转变过程或途径。 第一节 合金相平衡的热力学条件 第一节 合金相平衡的热力学条件 二、几个基本定义： 1 组元 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。 2 相 体系中具有相同物理和化学性质 的，而且与其它部分以界面分开的均 匀部分。 3 多元系 通常把具有n个独立组元的体 系称之为n元系。 三、发生相转变的充要条件： △G≠0 根据热力学原理： 一个系统的稳定性可以通过自由 能的高低来判定。 在T、P恒定的条件下，系统自发 地趋于G最低的稳定状态。 第一节 合金相平衡的热力学条件 四、吉布斯自由能G的计算 设有一个多元系，含组元1为n1摩尔，组元2为n2摩尔， ‥‥‥ ，各组元物资量的变化会引起系统性质的变化。G是T、P、 n1 、 n2 、 ‥‥‥的函数： G = G( T, P, n1, n2, ‥‥‥ ) 第一节 合金相平衡的热力学条件 式中：S和 V分别为体系的总熵和总体积； 第一节 合金相平衡的热力学条件 对上式进行微分，经整理后可得： 为由组元物质量的改变而产生的体系自由能变化 组元i的化学势，它代表体系内相转变的驱动力。 是组元i的偏摩尔自由能，称为 五、相律 相律是判别系统中相平衡条件的数学表达式，它概括了平衡状态下系统的组元数C、相数P和独立可变因素与自由度数f之间的关系： f = C-P+2 第一节 合金相平衡的热力学条件 所谓自由度，是指在系统保持平衡状态和相数不变的前提下，能够在一定范围内任意独立改变的因素（温度、压力、成分等）的数目。 如不考虑压力的影响，上式可改为： f = C-P+1 第一节 合金相平衡的热力学条件 第二节 单（组）元相图 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的温度和压力条件下可能存在的相及多相的平衡。 第二节 单（组）元相图 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。 单元系 单元系相图 现以水为例说明单元系相图的表示方法。 第二节 单（组）元相图 现以水为例说明单元系相图的表示方法。 第二节 单（组）元相图 现以水为例说明单元系相图的表示方法。 第二节 单（组）元相图 f = C-P+2 = 3 – P f ≥ 0 P