单元组相图及纯晶体的凝固h.ppt

本章要求掌握的内容
应掌握的内容:

、动力学、能量和结构条件
；过冷度、临界过冷度、有效过冷度、动态过冷度之间的区别。
：过冷度，临界晶核半径，临界形核功，形核率，均匀形核，非均匀形核。
—固界面的结构及温度梯度，晶体生长形态 、生长条件和长大机制。
了解：


单元组相图及纯晶体的凝固h
2021/5/10
1
概 述（基本概念）
单组元晶体(纯晶体)：由一种化合物或金属组成的晶体。该体系称为单元系（one component system）。
从一种相转变为另一种相的过程称为相变（phase transformation）。若转变前后均为固相，则成为固态相变（solid phase transformation ）。
从液相转变为固相的过程称为凝固(solidification)。若凝固后的产物为晶体称为结晶(crystallization)。
金属转变过程为：汽态←→液态←→固态
单元组相图及纯晶体的凝固h
2021/5/10
2
组元（component）：组成合金的最基本、独立的物质。可以是单一元素(如Fe、Mg等)也可以是稳定的化合物（如Fe3C）。
相图(phase diagram)：表示合金系中合金的状态与温度、成分之间的关系的图形，又称为平衡图或状态图。
单组元相图(single phase diagram)是表示在热力学平衡条件下所存在的相与温度，压力之间的对应关系的图形。
合金系（alloy system）：由给定的组元可以以不同比例配制成一系列成分不同的合金，这一系列合金就构成一个合金系统。二（ 三、多）元系。
相（phase）：合金中结构相同、成分和性能均一并以界面分开的组成部分。单（双、多）相合金
单元组相图及纯晶体的凝固h
2021/5/10
3
单元系相变的热力学及相平衡
单元组相图及纯晶体的凝固h
2021/5/10
4
相平衡条件和相律
1. 相平衡的条件
通过一些数学推导和系统平衡条件dG=0可得：处于平衡状态下的多相(P个相)体系中，每个组元(共有C个组元)在各项中的化学势（chemical potential）都彼此相等。
相平衡(phase equilibrium)是一种动态平衡。
单元组相图及纯晶体的凝固h
2021/5/10
5

相律(phase rule)是表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和相数之间的关系，是系统的平衡条件的数学表达式。
相律数学表达式：f=c-p+2
式中 p—平衡相数 c—体系的组元数
f—体系自由度（degrees of
freedom）数 2－温度和压力
自由度数f：是指在保持合金系平衡相的数目不变的条件下，合金系中可以独立改变的、影响合金的内部及外部因素。
在恒压下，相律表达式：f=c－p＋1
单元组相图及纯晶体的凝固h
2021/5/10
6
3. 相律的应用A
合金状态，成分、温度、压力、二元系、三元系……
① 利用它可以确定系统中可能存在的最多平衡相数
例：单元系，因f ≥0，故P≤1-0+1=2，平衡相最大为二个。
注意：这并不是说，单元系中能够出现的相数不能超过二个，而是说，某一固定T下，单元系中不同的相只能有两个同时存在，而其它相则在别的条件下存在。
② 利用它可解释纯金属与二元合金结晶时的差别。
纯金属结晶，液－固共存，f=0，说明结晶为恒温。
二元系金属结晶两相平衡，f=2－2+1=1，说明有一个可变因素（T），表明它在一定（T）范围内结晶。
二元系三相平衡，f=2－3+1=0，此时温度恒定，成分不变，各因素恒定。
单元组相图及纯晶体的凝固h
2021/5/10
7
3. 相律的应用B
相律是检验、分析和使用相图的重要工具。利用它可以分析和确定系统中可能存在的相数，检验和研究相图。
注意使用相律有一些限制：
（1）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）。
（2）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。
（3）不能预告反应动力学（即反应速度问题）。
（4）f≧0
单元组相图及纯晶体的凝固h
2021/5/10