《材料科学基础》课程教学资源（PPT课件讲稿）第六章 单组元相图及纯晶体的凝固

材料的性能种类组织结构数量相尺寸形状分布

材料的性能 组织结构 相 种类 数量 尺寸 形状 分布

第6章单组元相图及纯晶体的凝固6.1单元系相变的热力学及相平衡6.2纯晶体的凝固6.3气固相变与薄膜生长

第6章 单组元相图及纯晶体的凝固 6.1 单元系相变的热力学及相平衡 6.2 纯晶体的凝固 6.3 气固相变与薄膜生长

6.1单元系相变的热力学及相平衡组元：组成体系的最基本、独立的物质。是单一元素或稳定化合物相：体系中具有相同物理与化学性质，且与其他部分以界面分开的均匀部分。相变：从一种相转变为另一种相的过程。若转变前后均为固相，则成为固态相变单元系：独立组元数为一的体系。n个组元都是独立的体系为n元系。纯晶体（单组元晶体）凝固：由液相至固相的转变。结晶：凝固后的固体是晶体

相：体系中具有相同物理与化学性质，且与其他 部分以界面分开的均匀部分。 相变：从一种相转变为另一种相的过程。若转变 前后均为固相，则成为固态相变。 单元系：独立组元数为一的体系。n个组元都是 独立的体系为n元系。纯晶体（单组元晶体） 组元：组成体系的最基本、独立的物质。是单一 元素或稳定化合物。 6.1 单元系相变的热力学及相平衡 凝固：由液相至固相的转变。 结晶：凝固后的固体是晶体

6.1.1相平衡条件和相律1.相平衡的条件相平衡：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。系统相平衡条件dG-0：处于平衡状态下的多相体系中，每个组元在各项中的化学势都彼此相等

6.1.1 相平衡条件和相律 系统相平衡条件dG=0：处于平衡状态下的 多相体系中，每个组元在各项中的化学势都 彼此相等。 1. 相平衡的条件 相平衡：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

相平衡：各组元在各相中的化学势相同相平衡是一种热力学动态平衡B

相平衡：各组元在各相中的化学势相同 A B 相平衡是一种热力学动态平衡

2.相律相平衡条件下，系统的自由度数、组元数和相数之间的关系表达式。只考虑温度和压力对平衡的影响相律表达式f=c-p+2式中p一平衡相数C一体系的组元数f一体系自由度数2一温度和压力凝聚体系，在恒压下：相律表达式：f=c一p十1

2.相律 相平衡条件下，系统的自由度数、组元数和相数之间的关 系表达式。 只考虑温度和压力对平衡的影响: 相律表达式 f=c-p+2 式中 p—平衡相数 c—体系的组元数 f—体系自由度数 2－温度和压力 凝聚体系，在恒压下： 相律表达式：f=c－p＋1

3.相律的应用①确定系统中可能存在的最多平衡相数单元系，因f≥0，故P≤1-0+2=3，平衡相最大为3个②解释纯金属与二元合金结晶时的差别。纯金属结晶，液固共存，F0，结晶为恒温。二元系金属结晶两相平衡，f2一2+1=1，说明有一个可变因素（T），表明它在一定（T）范围内结晶。二元系三相平衡，f2一3+1=0，温度恒定，成分不变

3. 相律的应用 ① 确定系统中可能存在的最多平衡相数 单元系，因f≥0，故P≤1-0+2=3，平衡相最大为3个。 ② 解释纯金属与二元合金结晶时的差别。 纯金属结晶，液固共存，f=0，结晶为恒温。 二元系金属结晶两相平衡，f=2－2+1=1，说明有一个可 变因素（T），表明它在一定（T）范围内结晶。 二元系三相平衡，f=2－3+1=0，温度恒定，成分不变

使用相律的限制：（1）适用于热力学平衡状态，各相温度相等（热量平衡）、各相压力相等（机械平衡）、各相化学势相等（化学平衡）。（2）只表示体系中组元和相的数目，不能指明组元和相的类型和含量。（3）不能预告反应动力学（即反应速度问题）

使用相律的限制： （1）适用于热力学平衡状态，各相温度相等（热量平衡） 、各相压力相等（机械平衡）、各相化学势相等（化学平 衡）。 （2）只表示体系中组元和相的数目，不能指明组元和相的 类型和含量。 （3）不能预告反应动力学（即反应速度问题）

6.1.2单元系相图组元数 C=1根据相律：f-1-P+2=3-P: f≥0,::.P≤3若，P=1，则f=2可用温度和压力坐标平面图（p-T图）来表示系统的相图。f=0，则P=3，最多有三相平衡

6.1.2 单元系相图 若，P=1，则f=2 可用温度和压力坐标平面图(p-T图) 来表示系 统的相图。 组元数 C=1 根据相律：f=1-P+2=3-P ∵f≥0, ∴P≤3 f=0，则P=3，最多有三相平衡

在常压下加热水STATE 1带有活塞的汽缸保持恒压液体水P=1atmT=20°CHeat

在常压下加热水 带有活塞的汽缸保 持恒压 液体水