晶体缺陷.PPT

第四章 单组元相图 及纯晶体的凝固,第一节 单元系相图 第二节 纯晶体的凝固 第三节 气-固相变与薄膜生长 第四节 高分子的结晶特征,第一节 单元系相图,一、相图概述 二、相平衡条件与相律 三、单元系相图,材料的性能,组织结构,相,原子结构与原子间键合,固体/晶体结构与晶体缺陷,相 (Phase) 在一个系统中，成分、结构相同，性能一致的均匀的组成部分叫做相，不同相之间有明显的界面分开，该界面称为相界面。 相在物理性能和化学性能上是均匀的。 相界面和晶界的区别。 相的特征： 1.一个相中可以包含几种物质，即几种物质可以形成一个相； 2.一种物质可以有几个相； 3.固体机械混合物中有几种物质就有几个相； 4.一个相可以连续成一个整体，也可以不连续。,盐水溶液：NaCl、H2O组元 Na+、Cl-、H+、OH-不是组元,组元：系统中每一个能单独分离出来并能独立存在的均匀物质。,组元数(c)：决定一个相平衡系统成分所必需的最少的组元个数。 C=1，单元系统 C=2，二元系统 C=3，三元系统,相图是描述系统的状态、温度、压力及成份之间关系的一种图解。 物质在温度、压力、成分变化时，其状态可以发生改变。 因为相图表示的是物质在热力学平衡条件下的情况，所以又称之为平衡相图。 利用相图，我们可以知道在热力学平衡条件下，各种成分的物质在不同温度、压力下的相组成、各种相的成分、相的相对量。,一、相图概述,一元相图常用温度、气压相图，表示材料的状态随温度和气压变化而发生变化的情况。,气压,温度,二元合金相图常用温度、成分相图，表示合金的状态随成分和温度变化而发生变化的情况。,温度,组分,二、相平衡与相律 （1）相平衡 概念：在某一温度下，系统中各个相经过很长时间也不互相转变，处于平衡状态，这种平衡称为相平衡。,特点：热力学动态平衡。,条件：各组元在各相中的化学势相同。,（2）相律,相律是描述材料在不同条件下相平衡状态所遵循的法规，是描述系统的组元数、相数和自由空间关系的法则。,式中，C为系统的组元数，P为平衡共存的相的数目，f为自由度。,自由度数是指在不改变系统平衡相的数目的条件下，可以独立改变的，不影响合金状态的因素(如温度、压力、平衡相成分)的数目。,对于不含气相的凝聚体系，压力在通常范围的变化对平衡的影响极小，一般可认为是常量。即在固态下，相律可写成下列形式：,自由度f为最小不能小于零，取f =0，有： P=C+2 若压力给定，去掉一个自由度，上式可写为： P=C+1 在压力给定的情况下： 一元系，C=1，P=2，最多可以两相共存； 二元系，C=2，P=3，最多可以三相共存； 三元系，C=3，P=4，最多可以四相共存； n元系，C=n，P=n+1，最多可以n+1相共存。,关于相律的几点注意事项： 1）相律只适用于热力学平衡状态。平衡状态下各相的温度相等（热量平衡）；各相的压力应相等（机械平衡）；每一组元在各相中的化学位必须相同（化学平衡）。 2）相律只能表示体系中组元和相的数目，不能指明组元或相的类型和含量。 3）相律不能预告反应动力学（速度）。 4）自由度的数不能小于零。,相律的作用： （1）分析相图； （2）利用相律可以解释金属和合金结晶过程中的很多现象。 纯金属具有固定的凝固点。（固、液共存， P=2，C1，代入相律表达式得f1-2+1=0） 二元合金一般在一定温度范围内结晶。（只生成一个固相，P2，C=2, f=1，这说明此时还有一个可变因素。） 二元合金同时结晶出两个固相时，恒温结晶。（三相平衡时f2-3+1=0。）,三、一元系相图,组元数 C=1 根据相律： F=1-P+2=3-P F0, P3 若，P=1，则F=2 可以用温度和压力作坐标的平面图 (p-T图) 来表示系统的相图。 若，F=0，则P=3，即最多有三相平衡。,3条线：OA是冰与蒸汽两相平衡线；OB是水与蒸汽两相平衡线；OC是冰与水两相平衡线。,3个单相区：固相区、液相区、气相区。,O点是气、液、固三相的平衡共存点。,水在25及1.0105Pa的压强下呈液态，如果在一定范围内任意改变水的温度和压强，水仍能保持液态，则此时系统的自由度数为2。 水与水蒸气在100、1.0105Pa的压强下可以两相平衡共存。若温度变为90，为了保持水与水蒸气的两相共存，必须将压强相应地变为7.0104Pa。这就是说，温度和压强这两个参数中只能有一个可以独立变化，另一个只能随之而变。所以，此时系统的自由度数为1。 当水、水蒸气和冰三相在0.0098和6.1102Pa下平衡共存时，这个系统的温度和压强都不能任意变化，所以，此时系统的自由度数为零。,如果外界保持一个大气压，根据相律：C=1时，若P=1则F=1。 系统中只有一个独立可变的变数。因此单元系相图可以只用一个温度轴来表示。,纯铁的相图,克劳修斯-克莱普隆方程,在一元系相图中，表示每一条两相平衡曲线的斜率。 dp气