相圖在冶金中的應用(1-2)

1、冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy相圖在冶金中的應用閆柏軍閆柏軍1391018175113910181751，6233273262332732（O O）冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy參考書n張圣弼，李道子編，相圖原理、計算及在冶金中的應用，冶金工業(yè)出版社，1986年，第1版n張家蕓主編，冶金物理化學冶金工業(yè)出版社，2009年冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Met

2、allurgy第一講：緒論n什么是相圖什么是相圖冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第一講：緒論n相圖相圖n以幾何圖形反映出物質(zhì)的平衡規(guī)律，表示出物質(zhì)體系的狀態(tài)與溫度、壓力及組成的關(guān)系。n研究體系的平衡性質(zhì)與溫度、壓力及組成之間的聯(lián)系，并用圖形表達出來。n用點、線、面、體將不同溫度及壓力條件下平衡體系的各個相、相組成及各相相互轉(zhuǎn)變關(guān)系反映出來。冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第一講：緒論n從相圖定義中提取的關(guān)鍵詞從相圖定義中提取的關(guān)鍵詞n平衡 （熱力學平衡）n體系 （什么樣的體系？敞開、

3、封閉 or 孤立）n溫度、壓力 （壓力 注意凝聚相與氣相的區(qū)別）n相、組成 n點、線、面、體冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第一講：緒論n相相n一個相，就是體系中具有相同物理化學性質(zhì)物理化學性質(zhì)的均勻均勻部分。n相與相之間有界面隔開，并且可以用機械方法把它們分離n相與相之間存在界面，但反過來并不正確。冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第一講：緒論n相與物質(zhì)的區(qū)別相與物質(zhì)的區(qū)別n相同的物質(zhì)不一定就是一個相n含有多種物質(zhì)，但不一定是多個相冶 金 物 理 化 學 Physical Chemi

4、stry of Metallurgy第一講：緒論n相與物質(zhì)的區(qū)別相與物質(zhì)的區(qū)別n相同的物質(zhì)不一定就是一個相n液體水和水蒸氣雖然同屬一種物質(zhì)，但物理性質(zhì)不同，是兩個相nFe和Fe不屬于同一個相n石墨和金剛石冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第一講：緒論n相與物質(zhì)的區(qū)別相與物質(zhì)的區(qū)別n含有多種物質(zhì)，但不一定是多個相n乙醇加水的均勻溶液，其中含有兩種物質(zhì)，確是一個相n食鹽水溶液是一個相，若在飽和溶液中析出食鹽晶體則成為兩個相n空氣雖然是許多種氣體的混合物，但是一個相。冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metall

5、urgy第一講：緒論n相與態(tài)的區(qū)別相與態(tài)的區(qū)別n一般來說，氣體總是一個相。n兩種液體不是能以任何比例相互溶解時，則可形成兩個液相。n通常，一種固體自成一個相。但晶體構(gòu)型不相同的同一種固體（Fe和Fe）仍然不屬于同一相。n兩種或幾種固體也可以完全互相溶解形成一個均勻的固態(tài)溶液，叫固溶體。冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第一講：緒論n相律相律n自由度組元數(shù)-相數(shù)+2nf=c-p+2冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第一講：緒論nGibbs于1876年首先從熱力學定律出發(fā)導出多相平衡的基本定

6、律相律。但是，由于其高度概括性和過于抽象，使得它的重大意義長期未被認識。n1887年，荷蘭化學家羅策布（Roozeboom）在研究多相平衡及分類是，用相律說明了不少實際問題，又以不少實際例子闡明了相律的深刻含義，并用化學家的語言來解釋相律；此后，相律才被人們重視。冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第一講：緒論n組元（指獨立組元）組元（指獨立組元）n組元是構(gòu)成平衡體系中各相所需要的最少的獨立成分。n組元數(shù)不一定等于構(gòu)成該體系的物種數(shù)。n組元數(shù)與物種數(shù)的區(qū)別和聯(lián)系！n組元數(shù)物種數(shù)-獨立化學反應數(shù)-濃度限制條件冶 金 物 理 化 學 Physic

7、al Chemistry of Metallurgy第一講：緒論n組元（指獨立組元）組元（指獨立組元）n體系的組元數(shù)為1，單元系n組元數(shù)為2、二元系n其余類推冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第一講：緒論n組元（指獨立組元）組元（指獨立組元）n室溫下，氣相中含有H2、O2和H2O，獨立組元數(shù)？nCO、CO2、H2、H2O、O2五種物質(zhì)組成的體系，獨立組元數(shù)？nCaCO3分解，組元數(shù)？nCaO-SiO2體系的獨立組元數(shù)？nFeOSi體系的獨立組元數(shù)？冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy組元（

8、指獨立組元）組元（指獨立組元）n OHOHppppK2222/1冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy組元（指獨立組元）組元（指獨立組元）n 由此可以看出，一個體系的組元數(shù)，由此可以看出，一個體系的組元數(shù)，可因?qū)嶒灄l件而異?？梢?qū)嶒灄l件而異。冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy組元（指獨立組元）組元（指獨立組元）n室溫下，氣相中含有H2、O2和H2O的體系低溫時，低溫時， H2、O2和和H2O既然達不到平衡，既然達不到平衡，對其應用相律計算組元數(shù)目是沒有多大意對其應用相律計算組元數(shù)目是沒有多大

9、意義的，在此僅作為說明組元數(shù)的一個例子義的，在此僅作為說明組元數(shù)的一個例子。冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy組元（指獨立組元）組元（指獨立組元）nCO、CO2、H2、H2O、O2五種物質(zhì)組成的體系n該體系中可能發(fā)生的反應為：n則獨立組元數(shù)5（物種數(shù)）獨立反應數(shù)（?）222HCOOHCO222/1COOCOOHOH2222/1冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy組元（指獨立組元）組元（指獨立組元）nCaCO3分解，組元數(shù)?n物種數(shù)=？n限制條件：n每個相中，O原子數(shù)Ca原子數(shù)+2（C原子數(shù)

10、）n存在平衡反應：23COCaOCaCO計算組元數(shù)時，對不同的出發(fā)點，應按不計算組元數(shù)時，對不同的出發(fā)點，應按不同的方式來考慮限制條件，但最終結(jié)果是同的方式來考慮限制條件，但最終結(jié)果是一樣的。一樣的。冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy組元（指獨立組元）組元（指獨立組元）nCaO-SiO2體系的獨立組元數(shù)n物種數(shù)=？n限制條件：n每個相中，O原子數(shù)Ca原子數(shù)+2（Si原子數(shù)）冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy組元（指獨立組元）組元（指獨立組元）nFeOSi體系的獨立組元數(shù)n物種數(shù)=？n限制

11、條件：n每個相中，O原子數(shù)Fe原子數(shù)+2（Si原子數(shù)）3冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第一講：緒論n自由度自由度n一定條件下，一個處于平衡的體系所具有獨立變量的數(shù)目。n一個體系的變量包括：體系的溫度、壓力及構(gòu)成該體系各相的組成冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第一講：緒論n相律的推導相律的推導nf+p=c+2，相數(shù)與自由度的總和，比組元數(shù)多2n實際上，推導相律就是在含有c個組元及p個相的平衡體系中，決定獨立變數(shù)的問題。也是代數(shù)定理在物理化學中的具體應用。n眾所周知，有多少個變數(shù)就必須

12、有多少個方程式才能把這些變數(shù)確定下來。冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第一講：緒論n相律的推導相律的推導n眾所周知，有多少個變數(shù)就必須有多少個方程式才能把這些變數(shù)確定下來。n若方程式數(shù)少于變量的數(shù)目。那么，其中就有些變?nèi)舴匠淌綌?shù)少于變量的數(shù)目。那么，其中就有些變量可以自由選定，稱為自由變數(shù)或獨立變數(shù)，在熱量可以自由選定，稱為自由變數(shù)或獨立變數(shù)，在熱力學中稱為自由度。力學中稱為自由度。n所以，要尋找一個體系的自由度：所以，要尋找一個體系的自由度：1）先列出總變）先列出總變數(shù)：數(shù)：2）列出它們之間的方程式數(shù)；）列出它們之間的方程式數(shù)；3）二者

13、之差。）二者之差。冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第一講：緒論n 冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第一講：緒論n 冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第一講：緒論n 冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第一講：緒論n相律應用舉例相律應用舉例n單元系n f=c-p+2冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第一講：緒論n相律應用舉例相律

14、應用舉例n單元二相體系，根據(jù)相律： f=c-p+21-2+21n所以，在一定壓力下，純物質(zhì)的熔點是固定的。若實驗發(fā)現(xiàn)某物質(zhì)的熔點不明顯或沒有固定的值，那就是說，這種物質(zhì)中必存在雜質(zhì)。冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第二講：二元系n相律（二元系）相律（二元系）nf=c-p+2；f=c(2)-p+2nf最大為3；因此，要完整地描述一個二元系，需要（?）個坐標。分別是哪些？np最大為4冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第二講：二元系n二元系的幾大類型二元系的幾大類型n簡單共熔（共晶）型n完全

15、互溶（同晶）型n共熔（共晶）型及轉(zhuǎn)熔（包晶）型n生成化合物型n偏熔（偏晶）型冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第二講：二元系n簡單共熔（共晶）型二元系簡單共熔（共晶）型二元系n兩個組元在液態(tài)時能完全互相溶解，而固態(tài)時則完全不溶解nBi-Cd是這類體系的一個典型例子。冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第二講：二元系nBi-Cd系系nBi-Cd熔體的最低凝固溫度：低共熔溫度 （共晶溫度）n共晶點（低共熔點）n共晶體（低共熔混合物）冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry

16、of Metallurgy第二講：二元系nBi-Cd系液相線的計算系液相線的計算n凝固點下降公式：)11(ln*,iiifiTTRHx冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第二講：二元系n簡單共熔（共晶）型二元系相圖計算的原理簡單共熔（共晶）型二元系相圖計算的原理nC點處，溶液析出純固態(tài)組元A。說明溫度為TB時，成分為xA的溶液中組元A的化學勢與純固態(tài)A的化學勢相等。)()(SAlA)()()*()(lnlTAlAlABaRT)*()(SASA冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第二講：二元系

17、n簡單共熔（共晶）型二元系相圖計算的原理簡單共熔（共晶）型二元系相圖計算的原理nA的熔點的熔點 處處)()()*()*(lnlTAlASABaRT)()()*()*(lnlTASAlABaRT)()()(lnlTATAfusBBaRTG*,AfTAfusAfAfusAfusSTHG*,0冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第二講：二元系n簡單共熔（共晶）型二元系相圖計算的原理簡單共熔（共晶）型二元系相圖計算的原理nA的熔點 處n設 隨溫度 變化不大，則 溫度時:*,AfT*,AfAfusAfusTHSBTAfusAfusHS和*,*,*,)(

18、)(AfBAfAfusAfAfusBAfusTAfusTTTHTHTHGB冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第二講：二元系n簡單共熔（共晶）型二元系相圖計算的原理簡單共熔（共晶）型二元系相圖計算的原理*,*,*,)()(AfBAfAfusAfAfusBAfusTAfusTTTHTHTHGB)()()(lnlTATAfusBBaRTG*,*,)()()(lnAfBAfAfuslTATTTHaRTB*,*,)()()(lnAfBAfAfuslTATTTHxRTB冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallur

19、gy第二講：二元系n完全互溶（同晶）型二元系完全互溶（同晶）型二元系n不形成最高點或最低點的互熔型二元系n有最高點或最低點的互熔型二元系冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第二講：二元系n完全互溶（同晶）型二元系完全互溶（同晶）型二元系n不形成最高點或最低點的互熔型二元系冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第二講：二元系n完全互溶（同晶）型二元系完全互溶（同晶）型二元系n有最高點或最低點的互熔型二元系冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of MetallurgyCr

20、-Mo系n自由度ndT/dx=0,最低點是極值點冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy作業(yè)一n證明：n最高點或最低點的互熔型二元系中，過最高點最高點或最低點的互熔型二元系中，過最高點或最低點的切線斜率為零，即或最低點的切線斜率為零，即dT/dx=0。冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第二講：二元系n共熔型（共晶）型及轉(zhuǎn)熔（包晶）型二元系共熔型（共晶）型及轉(zhuǎn)熔（包晶）型二元系n共熔（共晶）型n轉(zhuǎn)熔（包晶）型冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy

21、第二講：二元系n共熔型（共晶）型及轉(zhuǎn)熔（包晶）型二元系共熔型（共晶）型及轉(zhuǎn)熔（包晶）型二元系n共熔（共晶）型冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第二講：二元系n共熔型（共晶）型及轉(zhuǎn)熔（包晶）型二元系共熔型（共晶）型及轉(zhuǎn)熔（包晶）型二元系n轉(zhuǎn)熔（包晶）型冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第二講：二元系n共熔型（共晶）型與轉(zhuǎn)熔（包晶）型二元系共熔型（共晶）型與轉(zhuǎn)熔（包晶）型二元系的不同點：的不同點：n共熔型：兩個固溶體的凝固溫度都隨著溶質(zhì)濃度的增加而下降，故有一最低的共熔點。n轉(zhuǎn)熔型：有一個固

22、溶體的凝固溫度都隨著溶質(zhì)濃度的增加而升高，所以沒有低共熔點。冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第二講：二元系n生成化合物型生成化合物型n同份熔化化合物n是一種穩(wěn)定的化合物，這種化合物象純物質(zhì)那樣，有一個固定的熔點（凝固點）。熔化（凝固）時，液相與固相出組成相同。n異份熔化化合物n又叫不穩(wěn)定化合物。熔化后成分與固態(tài)化合物不相同。冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第二講：二元系n生成化合物型生成化合物型n同份熔化化合物冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Met

23、allurgy第二講：二元系n生成化合物型生成化合物型n異份熔化化合物冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy第二講：二元系n偏熔（偏晶）型偏熔（偏晶）型n當兩個液態(tài)組元相混時：完全互熔、部分互熔、完全不互熔n在部分互熔的情況：液態(tài)分為兩層，一層是組元B在組元A中的飽和溶液，另一層為組元A在組元B中的飽和溶液冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurgy偏熔（偏晶）型偏熔（偏晶）型二元系nZn-Pbn偏晶反應nLdLc+Zn冶 金 物 理 化 學 Physical Chemistry of Metallurg