相图和相图化学课件.ppt

1、MSEMSE20052005MC20072.6 相图和相图化学相图和相图化学重点内容：重点内容：1)1)相与相平衡的基本概念，相律；相与相平衡的基本概念，相律；2)2)固溶体和中间相相图分析；固溶体和中间相相图分析；3)3)二元相图的阅读分析；二元相图的阅读分析；4)4)三元相图的阅读分析。三元相图的阅读分析。MSEMSE200520051.1.基本概念基本概念 （1 1）相）相 (Phase)(Phase)在一个系统中，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；叫做相；不同相之间有明显的不同相之间有明显的界面分开分开,该界面称为该界面称为相界面；在一定的外界条件下（如温度

2、、压力等），在一定的外界条件下（如温度、压力等），物质的某种状态能量最低则为则为热力学平衡相。类型：气相，液相，固相，类型：气相，液相，固相，等离子相，液晶相等离子相，液晶相 注意：相在物理性能和化学性能上是均匀的。注意：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。相界面和晶界的区别。MC2007MSEMSE20052005（2）相图）相图 表示物质的状态与温度、压力、表示物质的状态与温度、压力、组成之间的关系的简明图解。组成之间的关系的简明图解。表示物质在热力学平衡条件下表示物质在热力学平衡条件下的情况，又称为的情况，又称为平衡相图平衡相图。（3）组元）组元(Component)通

3、常是指系统中每一个可以单通常是指系统中每一个可以单独分离出来，并能独立存在的化学独分离出来，并能独立存在的化学纯物质，在一个给定的系统中，组纯物质，在一个给定的系统中，组元就是构成系统的各种元就是构成系统的各种化学元素化学元素或或化合物化合物。MC2007MSEMSE20052005（4）相平衡）相平衡 在某一温度下，系统中各个相经过很长时间也不互在某一温度下，系统中各个相经过很长时间也不互相转变，处于平衡状态，这种平衡称为相转变，处于平衡状态，这种平衡称为相平衡相平衡。各组元在各相中的化学势相同。各组元在各相中的化学势相同。AB热力学动态平衡热力学动态平衡MC2007MSEMSE200520

4、05MCMC20072007 处于热力学平衡状态的系统中自由度与组元数和处于热力学平衡状态的系统中自由度与组元数和相数之间的关系定律，通常简称为相数之间的关系定律，通常简称为相律。只考虑只考虑温度和和压力对系统平衡状态影响的相律方对系统平衡状态影响的相律方程式程式:F=C-P+2凝聚系统凝聚系统:F=C-P+1 式中：式中：F是自由度数；是自由度数；P是平衡相的数目；是平衡相的数目；C是组成材料系统的独立组元数。是组成材料系统的独立组元数。使用范围：平衡状态使用范围：平衡状态2.相律（相律（Gibbs Phase Rule）MSEMSE20052005MCMC200720073.固溶体固溶体合

5、金：金属合金：金属-金属，金属金属，金属-非金属之间通过熔炼或非金属之间通过熔炼或 其他手段使其化合的一类固体材料。其他手段使其化合的一类固体材料。合金元素（组元）：合金中人为掺入的有益元素。合金元素（组元）：合金中人为掺入的有益元素。合金相：合金中化学成分和晶体结构完全相同，合金相：合金中化学成分和晶体结构完全相同，且其界面相互分开又彼此独立存在的均且其界面相互分开又彼此独立存在的均 匀组成的部分。匀组成的部分。包括固溶相和中间相两种类型。包括固溶相和中间相两种类型。MSEMSE20052005（1 1）固溶体）固溶体混晶混晶特点：特点：*存在广泛的固溶区范围存在广泛的固溶区范围 *不符合化

6、合物的定组分定律不符合化合物的定组分定律类型：类型：*置换式置换式固溶体中溶质原子在晶体点固溶体中溶质原子在晶体点 阵中统计地替换其溶剂原子。阵中统计地替换其溶剂原子。凡与溶剂具有相同的结构、相近原子凡与溶剂具有相同的结构、相近原子 半径和化学性质的溶质，都容易形成置换半径和化学性质的溶质，都容易形成置换 式固溶体。式固溶体。MC2007MSEMSE20052005*间隙式间隙式固溶体中溶质原子不置换溶剂原子，而是分固溶体中溶质原子不置换溶剂原子，而是分 布在溶剂原子所形成的晶体点阵的空隙中。布在溶剂原子所形成的晶体点阵的空隙中。原子半径较小的元素容易成为间隙原子（如原子半径较小的元素容易成为

7、间隙原子（如 H、N、C、B）。）。*缺位式缺位式固溶体在化合物的基础上形成的。在晶格中，固溶体在化合物的基础上形成的。在晶格中，第一个组元的原子仍占据着正常位置，而第第一个组元的原子仍占据着正常位置，而第 二个组元的原子有某些位置空着。二个组元的原子有某些位置空着。在合金和氧化物（尤其是在合金和氧化物（尤其是d d区元素形成的氧化区元素形成的氧化 物）的体系中常见。物）的体系中常见。固溶体共性：固溶体中的第二组分（溶质）的原子在第固溶体共性：固溶体中的第二组分（溶质）的原子在第 一组分的晶体中的分布是完全无秩序的。一组分的晶体中的分布是完全无秩序的。MC2007MSEMSE20052005考

8、虑两种组分互溶的程度，有两种情况：考虑两种组分互溶的程度，有两种情况：（a a）连续固溶体：两种组分可以以任意比例互溶）连续固溶体：两种组分可以以任意比例互溶 状态图有状态图有3 3种种 *没有极点的连续固溶体型状态图没有极点的连续固溶体型状态图TABliquidsolidl+sMC2007MSEMSE20052005*具有最高点的连续固具有最高点的连续固 溶体型状态图（溶体型状态图（a a图）图）MC2007*具有最低点的连续固具有最低点的连续固 溶体型状态图（溶体型状态图（b b图图）MSEMSE20052005（b b）有限固溶体：两种组分的互溶是有限度的。）有限固溶体：两种组分的互溶是

9、有限度的。在在A的晶格中只能容纳有限数目的的晶格中只能容纳有限数目的B原子；原子；在在B的晶格中亦只能容纳有限数目的的晶格中亦只能容纳有限数目的A原子。原子。有限固溶体在结构上，和相应的纯组分有限固溶体在结构上，和相应的纯组分 的晶格相同，只是晶格参数略有不同；的晶格相同，只是晶格参数略有不同；在组成上，直接和纯组分毗邻。在组成上，直接和纯组分毗邻。状态图有状态图有2种种 MC2007MSEMSE20052005*生成低共熔型有限固生成低共熔型有限固 溶体状态图（溶体状态图（a a图）图）固固溶溶体体固固溶溶体体熔液熔液 l+l+l+ABDEFAgPbl固溶体固溶体a a固固溶溶体体b ba+

10、a+la+a+b bb+b+l三相线：三相线：a ab bl,f=0*生成转熔型有限固溶生成转熔型有限固溶 体状态图（体状态图（b b图）图）MC2007MSEMSE20052005MC2007Tkks1s2s1s2连续固溶体和有限固溶体均出现的情况连续固溶体和有限固溶体均出现的情况MSEMSE20052005(2)中间相中间相 金属互化物金属互化物特点：特点：*一般在平衡相图的中间成分区域内形成一般在平衡相图的中间成分区域内形成 *晶体结构和任何组元或终端固溶体都不晶体结构和任何组元或终端固溶体都不 相同相同讨论：液相直接转变为固相，液相线的形状有讨论：液相直接转变为固相，液相线的形状有 一

11、个最高点一个最高点相变：相变：*同成分相变同成分相变从一种相直接变化到另从一种相直接变化到另 一种相，而在其相变过程中一种相，而在其相变过程中 没有发生成分的变迁。没有发生成分的变迁。*不同成分的变迁不同成分的变迁MC2007MSEMSE20052005MC2007MSEMSE20052005MC2007中间相中间相 类型：类型：*电化学化合物电化学化合物由有强烈的正电性的元素和由有强烈的正电性的元素和 有强烈的负电性的元素所组有强烈的负电性的元素所组 成的化合物。成的化合物。特点：特点：a.成分服从于原子价定律成分服从于原子价定律 b.固溶度范围小固溶度范围小 c.从离子键化合物过渡到金属键

12、化合物从离子键化合物过渡到金属键化合物 d.电化学性质呈现出从离子导体、半导电化学性质呈现出从离子导体、半导 体直至金属导体的一系列变化规律体直至金属导体的一系列变化规律MSEMSE20052005MC2007*尺寸因素化合物尺寸因素化合物其组成的主要指导原则是其组成的主要指导原则是 两种原子的尺寸大小的比两种原子的尺寸大小的比 例的化合物。例的化合物。特点：由金属键构成特点：由金属键构成 类型：类型：a.间隙型间隙型 b.置换型置换型*电子化合物电子化合物合金组元价电子数之和与组元合金组元价电子数之和与组元 总的原子个数的比值相等的化总的原子个数的比值相等的化 合物。合物。MSEMSE200

13、52005MC20074.二元系相图总论二元系相图总论(1)二元系二元系 二元系统有两个组元，二元系统有两个组元，C=2 根据相律：根据相律：F=C-P+1，二元系统最大的自由度数目二元系统最大的自由度数目F=2，这两，这两 个自由度就是温度和成分。个自由度就是温度和成分。故二元凝聚系统的相图，仍然可以采用故二元凝聚系统的相图，仍然可以采用 二维的平面图形来描述。即以温度和任一组二维的平面图形来描述。即以温度和任一组 元浓度为坐标轴的温度元浓度为坐标轴的温度-成分图表示。成分图表示。MSEMSE20052005MC2007（2）二元相图中的几何规律二元相图中的几何规律 相邻相区的相数差相邻相区

14、的相数差1（点接触除外（点接触除外)；三相区的形状是一条水平线，其上三点是平衡三相区的形状是一条水平线，其上三点是平衡 相的成分点；相的成分点；若两个三相区中有若两个三相区中有2个相同的相，则两水平线个相同的相，则两水平线 之间必是由这两相组成的两相区；之间必是由这两相组成的两相区；单相区边界线的延长线应进入相邻的两相区。单相区边界线的延长线应进入相邻的两相区。MSEMSE20052005MC2007（3）二元相图的基本类型二元相图的基本类型 *匀晶相图匀晶相图(Isomorphous system)当两个组元化学性质相近，晶体结构相当两个组元化学性质相近，晶体结构相 同，晶格常数相差不大时，

15、它们不仅可以在同，晶格常数相差不大时，它们不仅可以在 液态或熔融态完全互溶，而且在固态也完全液态或熔融态完全互溶，而且在固态也完全互溶，形成成分连续可变的固溶体，称为无互溶，形成成分连续可变的固溶体，称为无 限固溶体或连续固溶体，它们形成的相图即限固溶体或连续固溶体，它们形成的相图即 为为匀晶相图匀晶相图。MSEMSE20052005MC2007液相线液相线固相线固相线液相区液相区两相共存区两相共存区ABTATBLL+MSEMSE20052005MC2007*共晶型共晶型 MSEMSE20052005MC2007*包晶型包晶型 MSEMSE20052005MC20075.三元系相图总论三元系相

16、图总论(1)三元系三元系 三元系统有三个组元，三元系统有三个组元，C=3 根据相律：根据相律：F=C-P+1=4-P 三元系统最大的自由度数目三元系统最大的自由度数目F=3，这三，这三 个自由度就是温度和两个成分。个自由度就是温度和两个成分。通常用平面三角形表示三组分的浓度，通常用平面三角形表示三组分的浓度，用垂直于正三角形的轴长表示温度，因此三用垂直于正三角形的轴长表示温度，因此三 元相图是一种立体图形，比二元相图要复杂元相图是一种立体图形，比二元相图要复杂 得多。得多。MSEMSE20052005MC2007（2）三元相图的基本类型三元相图的基本类型 *三元匀晶相图三元匀晶相图 三个组元中

17、，每两个组元三个组元中，每两个组元都可以形成一个二元匀晶相图。都可以形成一个二元匀晶相图。这类三元系的液相面由各二元这类三元系的液相面由各二元系的液相线在空间伸展组成，系的液相线在空间伸展组成，固相面由各二元系的固相线伸固相面由各二元系的固相线伸展至空间组成。展至空间组成。MSEMSE20052005MC2007*三元共晶相图三元共晶相图 当三元系的三组两两之间均当三元系的三组两两之间均为二元共晶类相图，那么三元相为二元共晶类相图，那么三元相图依然是共晶相图。图依然是共晶相图。共晶三元系有两种情况：共晶三元系有两种情况：a.简单的共晶三元系，组元在固简单的共晶三元系，组元在固 态下完全不互溶态下完全不互溶b.组元在固态下可以部分互溶组元在固态下可以部分互溶MSEMSE20052005MC2007(3)三元相图实例三元相图实例 a.单相平衡单相平衡 b.两相平衡两相平衡 c.三相平衡三相平衡 d.四相平衡转变四相平衡转变 二元系中的各种转变在三元相图中都可能出二元系中的各种转变在三元相图中都可能出现，而三元系中四相平衡反应在二元相图中是不现，而三元系中四相平衡反应在二元相图中是不存在的。四相平衡转变的基本存在的。四相平衡转变的基本类型主要有：类型主要有：MSEMSE20052005MC2007MSEMSE20052005MC2007