材料热力学--第五章二组元材料热力学.ppt

1、材料热力学,刘世凯 2010.09,2020/7/29,2/65,第五章 二组元材料热力学,二组元材料的热力学理论是材料热力学最基本的内容。 Goal: 以二元系相平衡(Phase equilibrium）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。,2020/7/29,3/65,第五章 二组元材料热力学,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,2020/7/29,4/65,5.1 两相平衡,For two phases to be in thermodynamic equi

2、librium, they must be in: 1. Thermal equilibrium (Temps are equal). 2. Mechanical equilibrium (Pressures are equal). 3. Chemical equilibrium (equilibrium with respect to transfer of components).,2020/7/29,5/65,5.1 两相平衡,两相平衡的基本判据即平衡态判据(Equilibrium state criterion)：体系的Gibbs自由能为极小值(min)，即: G = min, 或 d

3、G = 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,或dG+ = 0, dG+ = dG+dG=0,2020/7/29,6/65,5.1 两相平衡,两相平衡的热力学条件：每个组元在各相中的化学位相等.,2020/7/29,7/65,5.1 两相平衡,Condition for phases at equilibrium 两相平衡的热力学条件：每个组元在各相中的化学位相等. How about the condition for phases at equilibrium in single component materials? 单组

4、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：,2020/7/29,8/65,相平衡的公切线法则,两相平衡的化学势相等条件公切线法则(Common tangent law)。 对两相的自由能曲线作公切线，可求出：(1)两相平衡的成分范围;(2)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,2020/7/29,9/65,相平衡的公切线法则,公切线法则(Common tangent law): 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。 Why? 成分位于公切点之外，自由能？相？,2020/7/

5、29,10/65,相平衡的公切线法则,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,2020/7/29,11/65,相平衡的公切线法则,-L及-L的两相平衡,二元合金系中的三相平衡,2020/7/29,12/65,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,2020/7/29,13/65,Graphic construction of P. 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。 材料中相状态与成分、温度的关系图,Phase diagram,2020/7/29,14/65,Graphic c

6、onstruction of P. D.,2020/7/29,15/65,Graphic construction of P. D.,吉布斯自由能曲线建立匀晶相图,2020/7/29,16/65,Graphic construction of P. D.,2020/7/29,17/65,Graphic construction of P. D.,2020/7/29,18/65,Graphic construction of P. D.,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.H Ctroll. Theoretical Structural Metallurgy. Edw

7、ard Arnold, London,1955 ),2020/7/29,19/65,Graphic construction of P. D.,2020/7/29,20/65,Graphic construction of P. D.,2020/7/29,21/65,5.2 固-液两相平衡,2020/7/29,22/65,5.2 固-液两相平衡,2020/7/29,23/65,5.2 固-液两相平衡,2020/7/29,24/65,5.2 固-液两相平衡,2020/7/29,25/65,理想溶体二元匀晶相图的计算,2020/7/29,26/65,5.2 固-液两相平衡,2020/7/29,27

8、/65,5.2 固-液两相平衡,2020/7/29,28/65,5.2 固-液两相平衡,2020/7/29,29/65,5.2 固-液两相平衡,2020/7/29,30/65,Magnesium Alloys- Metal of the 21st Century,2020/7/29,31/65,5.2 固-液两相平衡,2020/7/29,32/65,5.2 固-液两相平衡,2020/7/29,33/65,5.2 固-液两相平衡,2020/7/29,34/65,5.3 溶解度曲线,2020/7/29,35/65,5.3 溶解度曲线,严格地说，溶解度应该是个相在另个相的溶解度，而不是一个组元在另一

9、个组元中的溶解度，也不是一个组元在一个相中的溶解度。 (1)渗碳体在奥氏体中的溶解度。 (2)石墨在铁素体中的溶解度。 (3)碳在奥氏体中的溶解度。 (4)碳在铁中的溶解度。 相图中溶解度的热力学含义：与某一相平衡时另相的浓度。 如：上述(1)是指与渗碳体平衡时，奥氏体中的碳的含量；上述(2)是指与石墨平衡时，铁素体中的碳的含量。,2020/7/29,36/65,5.3 溶解度曲线,固溶体在与第二相平衡时的浓度也称为固溶度。 第二相有两种情况：(1)纯组元(Pure component),包括端际固溶体(End-on solution);(2)中间相(Middle phase),主要是中间化合

10、物(Middle compound),5.3.1 第二相为纯组元时的溶解度 5.3.2 第二相为化合物时的溶解度,2020/7/29,37/65,5.3.1 第二相为纯组元时的溶解度,典型材料：,2020/7/29,38/65,5.3.1 第二相为纯组元时的溶解度,2020/7/29,39/65,5.3.1 第二相为纯组元时的溶解度,2020/7/29,40/65,5.3.1 第二相为纯组元时的溶解度,2020/7/29,41/65,5.3.1 第二相为纯组元时的溶解度,2020/7/29,42/65,5.3.2 第二相为化合物时的溶解度,2020/7/29,43/65,5.3.2 第二相为化

11、合物时的溶解度,2020/7/29,44/65,5.3.2 第二相为化合物时的溶解度,2020/7/29,45/65,5.3.2 第二相为化合物时的溶解度,2020/7/29,46/65,5.3.2 第二相为化合物时的溶解度,2020/7/29,47/65,5.4 固溶体间的两相平衡,两相均为固溶体，而且相互间处于平衡状态,2020/7/29,48/65,5.4 固溶体间的两相平衡,2020/7/29,49/65,5.4 固溶体间的两相平衡,2020/7/29,50/65,5.4 固溶体间的两相平衡,2020/7/29,51/65,5.4 固溶体间的两相平衡,2020/7/29,52/65,5.4 固溶体间的两相平衡,2020/7/29,53/65,5.4 固溶体间的两相平衡,2020/7/29,54/65,5.4 固溶体间的两相平衡,2020/7/29,55/65,5.5 相稳定化参数,溶质热力学性质： 溶质分配比 相稳定化参数 铁基合金(Fe-M)为例，说明相稳定化参数的意义和应用。,2020/7/29,56/65,5.5 相稳定化参数,2020/7/29,57/65,5.5 相稳定化参数,2020/7/29,58/65,5.5 相稳定化参数,2020/7/29,59/65,5.5 相稳定化参数,2020/7/29,60/65,5.5 相稳定化参数,