第三章--相结构与相图热力学.ppt

1、第三章相结构和相图热力学、固溶体化合物概述、第一节材料的相结构、合金：至少由两个元素组成，其中至少有一个是金属，具有金属性能的材料称为合金。群组元素：通常构成材料的最简单、最基本、可独立存在的材料称为群组元素。群组元素大部分是元素。在研究范围内分解或没有化学反应的稳定化合物也可以成为配角。相：成分相同，结构相同，界面与其他部分分离的物质的统一成分称为相。在固体物质中，根据晶格结构的基本特性，可以分为固溶体和化合物。组织：通过放大镜、光学显微镜、电子显微镜等工具观察到的材料的形式。这取决于构成奖的类型、形状、大小、数量、分布等。组织组件：组织的相同组件。第一，固溶体：当物质被确定为液体时，组成元

2、素像溶液一样相互溶解，在特定元素的晶格结构中形成包含其他元素的原子的新相(称为固溶体)。与固溶体网格相同的组件称为溶剂，在固溶体中通常占较大的含量。其他成分称为溶质，其含量比溶剂少。固溶体(即某些元素)在不改变其决定结构的情况下进入元素集合的网格，并在一定阶段形成。溶质原子溶于固溶体的量称为固溶体的浓度。在一定条件下，固溶体中溶质元素的极限浓度称为溶质元素在固溶体中的溶解度。浓度或溶解度通常以溶质元素所占重量的百分比(%wt)表示；溶质元素占原子数量的百分比，也称为摩尔浓度(%Wa)。第一种物质的相结构，第二种，固溶体的分类，第一种物质的相结构，1。在固溶体(溶剂)晶格中，溶质原子的位置可以不

3、同地划分：1)替代固溶体溶质原子取代部分溶剂晶格中某些节点的溶剂原子而形成的固溶体。2)间隙固溶体溶质原子嵌入溶剂晶格的缝隙，不占晶格节点位置。第二，固溶体的分类，2 .溶度不同，溶质原子溶于固溶体的量称为固溶体的浓度，一般以重量的百分比表示。也就是说，1)无限溶解的固溶体溶质可以任意比例溶解在溶剂晶格中。构成无限就业体。这是含量高的组元素称为溶剂，含量低的组元素称为溶质。(2)固溶体溶质原子的有限溶解浓度不超过其他相(其他固溶体或化合物)的形成。间隙固溶体是有限溶解固溶体。在金属材料中，过渡族金属元素通常是溶剂，较小尺寸的c、n、h、o、b等元素是溶质。第一节物质的相结构，第二，固溶体的分类

4、，第二。溶质原子对溶剂晶格的分布特性，1)无序固溶体溶质原子在溶剂晶格中随机分布，没有任何规律性，仅在统计角度中均匀分布。2)有序固溶体溶质原子按一定比例在溶剂的晶格间距或节点上按一定方向和顺序分布。在某些材料中，固溶体在特定条件(例如温度、压力)下未对齐的固溶体和有序固溶体之间发生相互变异。第一节物质的相结构，第三，影响固溶体溶解度的因素，在特定条件下溶质元素的极限浓度称为溶质在固溶体中的溶解度。影响溶解度的因素很多，目前研究中发现：1大小因素，溶质原子在替代固溶体中大小和溶剂相似，溶解度大，r小于15%有利于形成取代固溶体，要实现无限互溶，r的值小。间隙固溶体形成的基本条件D质量/D第0.

5、59。在间隙固溶体中，d /D越小，即溶质原子越小，溶解度越大。间隙固溶体只能有限溶解。第一节材料的相结构，3，影响固溶体溶解度的因素，2晶体结构因素，如果组分间的晶体结构相同，溶解度一般可以形成较大、无限的固溶体。如果组元素之间的晶体结构不同，则只能生成有限固溶体。3电负性差，电负性是这些元素的原子从其他原子中抓住电子而变成负离子的能力。反映两种元素的化学性能差异。两种元素之间的电负性越小，固溶体越容易形成，固溶体的溶解度越大。两种元素之间的电负性越大，溶解度越小，其差异越大，通常形成比较稳定的化合物。第一节材料的相结构，第三，影响固溶体溶解度的因素，第四电子浓度，金属材料(合金)中原子价电

6、子数(e)与原子数(a)的比率称为电子浓度。溶质和溶剂中的价电子数可能不同，因此电子浓度e/a=VA(1-x) VBx。其中x是溶质的原子百分比浓度(摩尔分数)，VA、VB分别是溶剂和溶质的原子价电子数。溶质和溶剂中的价电子数差异很大，电负性差很大，溶解度差。另一方面，当e/a为特定值时，会形成新的晶体结构，因此溶解度也相应受到限制。第一节物质的相结构，第四节，固溶体的特性，固溶体的晶体结构与溶剂相同，因此固溶体的性能基本上与第一溶剂的性能相似。也就是说，固溶体的性能主要取决于溶剂的特性或溶剂的性能。随着固溶体性能和初级溶剂特性的差异或溶质浓度(含量)的增加，其大小增加。以金属元素为溶剂的固溶

7、体随着溶质的溶解强度提高，称为溶液强化，溶质的溶解会引起晶格畸变，材料对塑性变形的阻力增大，塑性减少了一些，但不明显。是有效提高材料中金属材料力学性能的方法之一。第一节物质的相结构，5，化合物(中间相)的概念，溶质含量超过其溶解度时，材料出现新的相。如果新拓扑是另一组元素的晶体结构，则为另一个固溶体。如果晶体结构与元素不同，就表示制造了新的物质。因此，化合物是产生与任何组元素不同的新物质的组件相互作用。化合物的结构基本上具有固定的原子数比，可以用化学分子式表示，第二个特点是晶体结构与任何成分都不同。在下一个要学习的图中，它们的位置都在拓扑图的中间，因此也称为中间拓扑。在金属物质中，原子间的结合

8、除了离子结合和共价键外，还涉及到一定程度的金属结合，如果生成的化合物也有金属性，就称为金属化合物。第一节物质的相结构，6，金属化合物类型，1。正常价化合物的两组遵循正常化学中已知的化合物，按照原子价定律生成。由金属元素和非金属元素组成，组元间电负性主要有效，两组电负性较大，一般化合物的原子符合规律。MnS、Al2O3、TiN、ZrO2等结合键是离子结合。SiC还有共享连接，如。还有金属接合，例如Mg2Pb。2 .在电子化合物、电子浓度金属材料(合金)中，价电子数(e)和原子数(a)的比率称为电子浓度。溶质和溶剂中的价电子数可能不同，因此电子浓度e/a=VA(1-x) VBx。其中x是溶质的原子

9、百分比浓度(摩尔分数)，VA、VB分别是溶剂和溶质的原子价电子数。第一节材料的相结构，2 .电子化合物，电子化合物大部分与第一族或过渡金属元素和第一族金属元素结合。它们也可以用次术语表达，但大部分不符合正常的化学价格规律。E/a为特定值时形成新的晶体结构，电子浓度不同时，其晶体结构的类型不同。典型的电子浓度值为21/14、21/13、21/12。这种中间相与电子浓度有关，因此被称为电子化合物，主要出现在金属材料上，其键是金属键。一些常见的电子化合物可参考教材。例如，Cu31Sn8，电子浓度21/13具有复杂的立方晶格。第一节物质的相结构，3 .间隙化合物、大小因素化合物(间隙相和间隙化合物)，

10、主要由组元素的原子大小因素控制，通常由过渡金属原子和原子半径小于0.1nm的非金属元素碳、氮、氢、氧和硼组成。非金属元素(x)和金属元素(m)原子半径比不同，因此结构也不同。在RX/rM0.59中，形成的化合物的晶体结构通常称为间隙化合物，其子类型更复杂，例如钢中常见的Fe3C、Cr7C3、Cr23C6等。第一节材料的相结构，3 .间隙化合物，一般更复杂的晶体结构，第一节材料的相结构，第一节材料的相结构，4。拓扑贴近(TCP上)，堆叠在同类等直径球上，配位最大12，最大近似密度0.74。如果都是金属原子(性质接近)，大小虽然有一定的差异，但大小原子的比例是一致的(固定的原子比)，形成新的匹配位

11、数大于12或密度大于0.74的东西。这统称为拓扑密度堆结构相。-W结构、活动相、相位结构等。结构的细节有点。第一节物质的相结构，5 .溶剂是化合物的固溶体，1)金属化合物是溶剂：溶质是原子比在一定范围内可以变化，晶格不变的化合物的元素集。溶质在化合物中可能是成分以外的原子。溶质原子的相互取代在Fe3C中溶解特定的Mn，形成合金渗碳体(Fe，Mn)3C。溶质是在化合物中重新溶解特定量的群原子的化合物，例如在化合物的组成原子中电子化合物中常见的化合物。溶质是化合物的特定元素集合，例如原子比在特定范围内可以变化，晶格不变，因此晶格中的小组原子取代了其他组原子位置。第一节物质的相结构，5 .溶剂是化合

12、物的固溶体，2)正常价化合物是溶剂：等效替代必须与溶质原子的价电子相同，以保持电中性，这种替代称为等效替代。例如k和Na离子的相互交换。溶质原子的化学价格与溶剂不同时，置换原子时电性能发生变化，为了保持电中性，有表达形式，两对相互补充，成比例地溶解在1 1两个溶质中。使用离子价格、特定可变化学价格因素的价格变化，保持化学价格和电气中立；形成点状缺陷(晶格空位)，一种元素被另一种价格的溶质取代，对化合物中对应的其他元素的数量发生变化，晶格保持不变，在ZrO2中溶解少量Y2O3，形成氧离子空位等空位(间隙原子)在晶格中生成。7，金属化合物的特性，大部分化合物，特别是熔点高的(键结合的强性能之一)，

13、机械性能结实，易碎。另一方面，化合物往往由特殊物理、化学(电、磁、光、声等)在功能材料中的应用迅猛发展。单个化合物在金属材料中比较少见，但陶瓷材料由化合物托管。少量高硬度粒子添加到塑料材料中后，材料的强度，即第二相强化机制将大大提高。第一节材料的相结构，第二节相图热力学，根据成分变化计算合金自由能的平衡原理相图和吉布斯自由能曲线，第二节图热力学，平衡状态：系统吉布斯自由能处于最低对应状态。相图：表示物质组成、环境条件和平衡状态存在关系的图形。相位图确定方法：通常使用物理方法，通过不同组件具有的不同物理性能特性参数或在性能更改时出现的物理2位置更改特性来执行测量操作。常用的热分析、热膨胀系数/非

14、体积变化、磁方法等。计算预测相图：根据材料的成分确定可能的相结构，计算特定温度下的自由能，找到适当的构成或它们之间的组合，达到能量的最低状态(平衡状态)，确定相图的结构。随着热力学数据的积累，计算机能力的提高和普及，这种设想现在可以逐步实现。引言，2-1固溶体自由能计算，纯组元素自由能与温度的关系两相混合自由能计算固溶体自由能与组成温度的关系混合过程中s的变化混合过程中h的变化，纯组元素自由能与温度的关系，其中H0和S0是标准状态(25，大气压力)的值，可以确认相关热力学数据。两相混合自由能计算，建立两个相同元素集合a、b的成分(原子百分比)为x1、成分(原子百分比)为x2、两个安装比率为N1

15、和N2(原子百分比)的明确N1N21。在GX图形中，G1、g和G2的三个点始终位于直线上，并遵循杠杆法则。寻找固溶体自由能和成分温度的关系，寻找温度t到Gx的关系。NA和NB是固溶体中a，b的原子数，XA和XB是两组摩尔浓度，即温度t中的G0是混合前自由能，Gm是混合过程中的自由能变化。G0A的值由纯组元素公式计算。在混合过程中，先计算h，s的变化量，就可以计算Gm变化。混合过程中s的变化，熵是系统的混沌程度，固态系统的熵组成：主要是混合熵(构成熵)，由原子可以排列的方式决定；第二，有根据温度和缺陷确定的振动熵。每种摩尔物质都有原子，在二元体系中，a，b各有原子数为NA，NB，即NANBN，材

16、料的成分和浓度为XANA/N，xnb/n (xan1)。混合时熵的变化：配置熵定义：k-boltz man可由常数w组成的数组，混合时s的变化，混合时h的变化，使用解决方案的准化学模型：集a，b组元素大小接近且不对齐；在混合过程中，体积基本不变。即v 0；原子只与最近的相邻原子相互作用。也就是说，仅计算最近的相邻原子之间的结合能量。两个最近的相邻原子之间的连接分别设置为uAA、uBB、uAB、固溶体和组元素的位数为z。H=u PV，由于混合过程中h的变化，由于固溶体自由能和组成温度的关系，此表达式推导的假设，即使用条件是最简单的情况，在其他情况下，必须根据使用环境进行修改。结论：2-2自由能随

17、分量而变化，数学表达式关系为HM=0时的状态，数学表达式关系分析，自由能随分量而变化，HM=0时：理想的解模型，即G(x)分析挠度线，即曲线的凹面向上，自由能随成分变化，HM0点：此时异类原子的结合力大于同类原子的结合力。表明溶解时释放热量。G(x)是挠度线，曲线的凹面方向是向上的。由于HM和TSM的同时作用，曲线挠度更大。由于HM0和TSM的反作用，曲线的形状与大小相关，因此自由能在随着组件的变化溶解时吸收热量。混合增加的内部能量都由热温度熵补充。Gm0，G(x)仍然是下垂曲线，下垂程度很小。下面，HM0自由能随组件而变化。构造的曲线具有三个极值点和两个拐点，接近坐标轴(x接近0或1)的上凹曲线，具有两个最小值，中间面向下的上凸曲线具有很大的值。在这种情况下，存在两种不可避免的规律。一个是某个组分，少量溶解其他组分会导致吉布斯自由能下降，绝对不溶解其他元