材料学热力学篇第六章单组元相图及纯晶体凝固
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• 从宏观上看，如果系统中同时共存的各相在长时间内不 互相转化，可视之为处于“相平衡”状态。实际上这种平衡 属于动态平衡。
• 从微观上看，即使在平衡状态，组元仍会不停地通过各 相界面进行转移，只不过同一时间内相互迁移的速度相等 而已。
2020/11/19
材料学热力学篇第六章单组元相图
及纯晶体的凝固
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组元在相间转移要引起体系自由能的变化：△G
相间成分的改变引起体系自由能的变化等于组元的转 移量和它们在各相中化学位乘积的叠加，即
式中 是i组元的化学位， 为i组元在相间的转移量。 如果 的i组元从α相中转移到β相中，则体系的自由能 变化
因为 所以
表示α相中i组元的化学势
在202平0/11/衡19 条件下dG=0材，料学故热力学篇第六章单组元相图
2020/11/19
材料学热力学篇第六章单组元相图
及纯晶体的凝固
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前言
日常生活中的实例：刀的淬火处理
• 材料是由相组成的，相之间有界面存在。 • 多相材料的整体性能取决于：
相的数目 它们的相对量 各相的成分与结构 相的尺寸和空间分布
2020/11/19
材料学热力学篇第六章单组元相图
及纯晶体的凝固
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6.1 相图基础知识
一、基本概念 1、系统
选择的研究对象。系统以外的一切物质都称为环境。 2、相 系统中具有物理与化学性质的完全均匀部分的总和称为相。 相与相之间有界面。相数即一个系统中所含相的数目，用P表示
一种物质可以有几个相。
气体 液体
固体 2020/11/19
一个相 一个或两个相
材料学一热力个学（篇第固六章溶单组体元）相图或多个相
相律的数学表达式：F＝C－P＋n。
若只考虑温度和压力对系统的平衡状态的影响，即n＝2，相 律的数学表达式：F＝C－P＋2
2020/11/19
材料学热力学篇第六章单组元相图
及纯晶体的凝固
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• 在研究不包括气相反应在内的合金相变时，压力的影响不 大，可以忽略。相律的表达式为： • f=C-P+1
• 应用举例：纯金属最多只有两相平衡；二元系则存在三 相平衡，此时自由度等于零。
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多相平衡状态1
当温度、压力、组分 的浓度改变时
相的个数 相的组成 相的相对含量
2020/11/19
Baidu Nhomakorabea
多相平衡状态2
材料学热力学篇第六章单组元相图
及纯晶体的凝固
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• 材料的显微组织取决于成分、温度、压力等变量。 • 描述材料的组织与温度、压力、成分之间关系的工具：相图 • 相图是反映物质状态（固态、液态或气态）随温度、压力变
• 相律是分析、检验相图的理论基础，可以用于指导生产 实践，具有普遍指导意义。
2020/11/19
材料学热力学篇第六章单组元相图
及纯晶体的凝固
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2020/11/19
材料学热力学篇第六章单组元相图
及纯晶体的凝固
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6.2 单元系相变的热力学及相平衡
一、相率 • 单组分体系的相律为:
•
f = C-P+ 2 =1- P + 2 =3- P
及纯晶体的凝固
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α、β两相平衡的条件是两相中一组元的化学位相等，即
假定一个平衡系统中有C个组元，P个相，则它们的 平衡条件为：
2020/11/19
材料学热力学篇第六章单组元相图
及纯晶体的凝固
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三、相律
Gibbs相律（吉布斯相律）： 多相平衡系统中，系统的自由度（F）、独立组元数（C）、
相数（P）和对系统的平衡状态能够发生影响的外界影响因素数 （n）之间的关系，即为相律。
及纯晶体的凝固
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• 相图是材料科学的基础内容。在材料工程中有重要意义， 可举出以下应用的有关方面：
研制、开发新材料，确定材料成分 制订材料生产和处理工艺 分析平衡态的组织和可能的非平衡态组织变化 预测材料的性能 进行材料故障分析
2020/11/19
材料学热力学篇第六章单组元相图
及纯晶体的凝固
及纯晶体的凝固
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2020/11/19
纯材料铁学的热力相学篇图第六章单组元相图
及纯晶体的凝固
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二元系物质相图的表示方法
2020/11/19
二元Pb-Sb合金相图
材料学热力学篇第六章单组元相图
及纯晶体的凝固
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三元系物质相图的表示方法
2020/11/19
材三料学元热匀力学晶篇第相六图章单组元相图
• 单组分平衡体系最多能3相共存。
•
一个纯物质可以有许多不同的相态。例如炭：气相、
液相、固相 (无定形碳、石墨、金刚石、富勒烯族(C60)。
• 但碳的相图中最多只能三相共存,不可能四相共存.
2020/11/19
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及纯晶体的凝固
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单元系相图
（1）冷却曲线 （2）相图
纯铁的相图
及纯晶体的凝固
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3、独立组元 系统中每一个能单独分离出来并能独立存在的化学纯物质。
4、自由度 在一定范围内，可以任意改变而不引起旧相消失或新相产生
的独立变量称为自由度。
2020/11/19
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及纯晶体的凝固
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二、相图热力学基础
1、相平衡的热力学条件
• 在平衡条件下，系统中各相的成分都保持着相对的稳定 性。
化的关系图，也称状态图、平衡图、平衡状态图。在接近平 衡状态下测定得到的，是在一定温度、成分条件下热力学最 稳定、自由焓最低的状态。
2020/11/19
材料学热力学篇第六章单组元相图
及纯晶体的凝固
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相图是相平衡的直观表现，是属于热力学范畴。 单元系物质相图的表示方法
2020/11/19
水材料的学相热力图学篇第六章单组元相图
2020/11/纯19 铁的冷却曲线材料与学相热力图学篇（第压六章力单组不元相变图）
及纯晶体的凝固
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2020/11/19
材料学热力学篇第六章单组元相图
及纯晶体的凝固
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6.3 结晶的三个基本条件
金属结晶的基本过程
• 金属材料均需经历L→S的过程； 如：冶炼、铸造、焊接
• 对后续加工的工艺性能的影响； 如：轧制、锻压、热处理
• 对材料的组织与性能有决定性的作用；
• 目的：控制材料的结晶过程与组织。
热力学篇
材料学热力学篇 第六章 单组元相图及纯晶体的凝固
L→S的过程 金属：结晶
2020/11/19
材料学热力学篇第六章单组元相图
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章 目 录：
6.1 相图基础知识 6.2 单组元相变的热力学及相平衡 6.3 结晶的三个基本条件 6.4 形核 6.5 长大 6.6 凝固动力学及晶粒大小的控制
• 从微观上看，即使在平衡状态，组元仍会不停地通过各 相界面进行转移，只不过同一时间内相互迁移的速度相等 而已。
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组元在相间转移要引起体系自由能的变化：△G
相间成分的改变引起体系自由能的变化等于组元的转 移量和它们在各相中化学位乘积的叠加，即
式中 是i组元的化学位， 为i组元在相间的转移量。 如果 的i组元从α相中转移到β相中，则体系的自由能 变化
因为 所以
表示α相中i组元的化学势
在202平0/11/衡19 条件下dG=0材，料学故热力学篇第六章单组元相图
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前言
日常生活中的实例：刀的淬火处理
• 材料是由相组成的，相之间有界面存在。 • 多相材料的整体性能取决于：
相的数目 它们的相对量 各相的成分与结构 相的尺寸和空间分布
2020/11/19
材料学热力学篇第六章单组元相图
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6.1 相图基础知识
一、基本概念 1、系统
选择的研究对象。系统以外的一切物质都称为环境。 2、相 系统中具有物理与化学性质的完全均匀部分的总和称为相。 相与相之间有界面。相数即一个系统中所含相的数目，用P表示
一种物质可以有几个相。
气体 液体
固体 2020/11/19
一个相 一个或两个相
材料学一热力个学（篇第固六章溶单组体元）相图或多个相
相律的数学表达式：F＝C－P＋n。
若只考虑温度和压力对系统的平衡状态的影响，即n＝2，相 律的数学表达式：F＝C－P＋2
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• 在研究不包括气相反应在内的合金相变时，压力的影响不 大，可以忽略。相律的表达式为： • f=C-P+1
• 应用举例：纯金属最多只有两相平衡；二元系则存在三 相平衡，此时自由度等于零。
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多相平衡状态1
当温度、压力、组分 的浓度改变时
相的个数 相的组成 相的相对含量
2020/11/19
Baidu Nhomakorabea
多相平衡状态2
材料学热力学篇第六章单组元相图
及纯晶体的凝固
返回
• 材料的显微组织取决于成分、温度、压力等变量。 • 描述材料的组织与温度、压力、成分之间关系的工具：相图 • 相图是反映物质状态（固态、液态或气态）随温度、压力变
• 相律是分析、检验相图的理论基础，可以用于指导生产 实践，具有普遍指导意义。
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6.2 单元系相变的热力学及相平衡
一、相率 • 单组分体系的相律为:
•
f = C-P+ 2 =1- P + 2 =3- P
及纯晶体的凝固
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α、β两相平衡的条件是两相中一组元的化学位相等，即
假定一个平衡系统中有C个组元，P个相，则它们的 平衡条件为：
2020/11/19
材料学热力学篇第六章单组元相图
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三、相律
Gibbs相律（吉布斯相律）： 多相平衡系统中，系统的自由度（F）、独立组元数（C）、
相数（P）和对系统的平衡状态能够发生影响的外界影响因素数 （n）之间的关系，即为相律。
及纯晶体的凝固
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• 相图是材料科学的基础内容。在材料工程中有重要意义， 可举出以下应用的有关方面：
研制、开发新材料，确定材料成分 制订材料生产和处理工艺 分析平衡态的组织和可能的非平衡态组织变化 预测材料的性能 进行材料故障分析
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及纯晶体的凝固
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材三料学元热匀力学晶篇第相六图章单组元相图
• 单组分平衡体系最多能3相共存。
•
一个纯物质可以有许多不同的相态。例如炭：气相、
液相、固相 (无定形碳、石墨、金刚石、富勒烯族(C60)。
• 但碳的相图中最多只能三相共存,不可能四相共存.
2020/11/19
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单元系相图
（1）冷却曲线 （2）相图
纯铁的相图
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3、独立组元 系统中每一个能单独分离出来并能独立存在的化学纯物质。
4、自由度 在一定范围内，可以任意改变而不引起旧相消失或新相产生
的独立变量称为自由度。
2020/11/19
材料学热力学篇第六章单组元相图
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二、相图热力学基础
1、相平衡的热力学条件
• 在平衡条件下，系统中各相的成分都保持着相对的稳定 性。
化的关系图，也称状态图、平衡图、平衡状态图。在接近平 衡状态下测定得到的，是在一定温度、成分条件下热力学最 稳定、自由焓最低的状态。
2020/11/19
材料学热力学篇第六章单组元相图
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相图是相平衡的直观表现，是属于热力学范畴。 单元系物质相图的表示方法
2020/11/19
水材料的学相热力图学篇第六章单组元相图
2020/11/纯19 铁的冷却曲线材料与学相热力图学篇（第压六章力单组不元相变图）
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6.3 结晶的三个基本条件
金属结晶的基本过程
• 金属材料均需经历L→S的过程； 如：冶炼、铸造、焊接
• 对后续加工的工艺性能的影响； 如：轧制、锻压、热处理
• 对材料的组织与性能有决定性的作用；
• 目的：控制材料的结晶过程与组织。
热力学篇
材料学热力学篇 第六章 单组元相图及纯晶体的凝固
L→S的过程 金属：结晶
2020/11/19
材料学热力学篇第六章单组元相图
及纯晶体的凝固
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章 目 录：
6.1 相图基础知识 6.2 单组元相变的热力学及相平衡 6.3 结晶的三个基本条件 6.4 形核 6.5 长大 6.6 凝固动力学及晶粒大小的控制