C5-Thermodynamics of binary materials(1).ppt

Chapter5 ThermodynamicsofMaterials Thermodynamicsofbinarymaterials 第五章二组元材料热力学 以二元系相平衡 Phaseequilibrium 为基础 分析材料学中的一些基本问题 掌握运用热力学分析材料平衡相成分以及平衡组织的基本方法 二组元材料的热力学理论是材料热力学最基本的内容 Goal 5 1两相平衡5 2固 液两相平衡5 3溶解度曲线5 4固溶体间的两相平衡5 5相稳定化参数 第五章二组元材料热力学 5 1两相平衡 Fortwophasestobeinthermodynamicequilibrium theymustbein 1 Thermalequilibrium Tempsareequal 2 Mechanicalequilibrium Pressuresareequal 3 Chemicalequilibrium equilibriumwithrespecttotransferofcomponents 5 1两相平衡 两相平衡的基本判据即平衡态判据 Equilibriumstatecriterion 体系的Gibbs自由能为极小值 min 即 G min or dG 0 A B二元系 在P T一定时 在 和 两相平衡共存的状态下 根据平衡态判据应该有 G min or dG 0 dG dG dG 0 组元A在 和 相中的摩尔数和为常数 因此 两相平衡的热力学条件 每个组元在各相中的化学位相等 5 1两相平衡 AtconstantT PandnBi 同理 dnA dG dG dG 0 两相平衡的热力学条件 每个组元在各相中的化学位相等 5 1两相平衡 Howabouttheconditionforphasesatequilibriuminsingle componentmaterials 单组元的化学位就是摩尔自由能 单组元材料两相平衡的热力学条件 Conditionforphasesatequilibrium 相平衡的公切线法则 Commontangentlaw 两相平衡的化学势相等条件 公切线法则 Commontangentlaw 对两相的自由能曲线作公切线 可求出 两相平衡的成分范围平衡相的成分点 切点成分满足同一组元在两相中化学位相等 两相平衡的条件 切点成分 给定温度下的两平衡相成分 成分位于公切点之间的合金 处于多相平衡 因为此时自由能的值最低 相平衡的公切线法则 公切线法则 Commontangentlaw Why 成分位于公切点之外 自由能 相 公切线确定偏聚固溶体的分解 吉布斯自由能 成分公切线确定两相平衡 相平衡的公切线法则 L及 L的两相平衡 二元合金系中的3相平衡 L L 相平衡的公切线法则 固溶体与中间相的平衡 二中间相的两相平衡 G 相平衡的公切线法则 GraphicconstructionofP D 根据材料的摩尔吉布斯自由能曲线和相平衡热力学条件 可以确定一定温度 成分下材料所存在的相的平衡状态 Phasediagram 材料中相状态与成分 温度的关系图 吉布斯自由能曲线建立匀晶相图 GraphicconstructionofP D A B 吉布斯自由能曲线建立相图 GraphicconstructionofP D G G G G 吉布斯自由能曲线建立相图 GraphicconstructionofP D j 吉布斯自由能曲线建立共晶相图 两固相具有相同的晶体结构 A HCtroll TheoreticalStructuralMetallurgy EdwardArnold London 1955 GraphicconstructionofP D b T3 吉布斯自由能曲线建立复杂相图 A HCtroll TheoreticalStreucturalMetallurgy EdwardArnold London 1955 GraphicconstructionofP D GraphicconstructionofP D 5 2固 液两相平衡 A B二元系固 液两相 L 平衡的条件为 当固 液两相均用正规溶体近似描述时 0GiL和0Gi 的绝对值未知 如何求给定温度下的固液两相平衡成分 如何求 5 2固 液两相平衡 纯组元的液态摩尔自由能0GiL可以用固态的摩尔自由能0Gi 和熔化焓 Hm表示 当温度处于熔点TA附近时 可以认为 在与B组元熔点TB温度相差不多时 当热力学参数IABL IAB 0HA L 0HB L已知时 求解上面的联立方程组可以求得各个温度下的相平衡成分 液 固相线实际上是由上面的一组联立方程组确定的 在采用不同的热力学模型时 该方程组有不同的形式 5 2固 液两相平衡 5 2固 液两相平衡 例 A B二元系的液相及固相均为理想溶体 A B两组元的熔点为TA 1000K TB 700K HA L 11 3kJ mol 1 HB L 14 2kJ mol 1 试求该二元系的液相线和固相线 解 将题中的各参数代入下式 由于IABL IAB 0 可得下面两式 理想溶体二元匀晶相图的计算 1953年 Thurmond 5 2固 液两相平衡 例 试利用正规溶体近似和Richard经验定律 分析液固两相相互作用能之差对液固相线极值 Extremumofliquidusandsolidus 的影响 解 假设IABL 0 按正规溶体近似 液固两相平衡时 Richard经验定律 TA TB 纯金属A B的熔点 5 2固 液两相平衡 在液固相线的极大或极小值处 液固两相的成分相等 即在温度Tm处 5 2固 液两相平衡 相互作用能对液固相线影响的基本公式 5 2固 液两相平衡 例 已知下列热力学参数 试用正规溶体近似汁算FeNi二元相图中的液相线和固相线 解 虽然两者还有一定的差距 但还是可以接受的 要更精确地再现实验相图 需采用亚正规溶体近似 相互作用能和相变焓不能再是常数 L L 5 2固 液两相平衡 例 近年来 Mg合金以其轻质的优势在航空 航天 汽车等工业和3C产业备受关注 其中Mg Al合金系是最重要的基础系统 Mg17Al12 是最重要的第二相 试通过Mg Al合金相图中液固相线的分析 了解Mg17Al12相中Mg和Al原子间的相互作用特点 解 Mgl7Al12相的液固相线有极大值 这说明相对于假定为理想溶体的液相 Mg17Al12相中Mg和Al之间的相互作用能是负值 Extrapolaterule 5 2固 液两相平衡 上列计算假设了IMgAlL 0 了解Mg17Al12相中Mg和Al之间的实际相互作用能还需要估算IMgAlL的数值 固液 L两相平衡时 A Al B Mg 在固相成分可以认为远小于1时 可