第六章相平衡和相图解析
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第六章 相平衡和相图
第一节 相平衡及研究方法 第二节 单元系统
第三节 二元系统 第四节 三元系统
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材料科学基础
第六章 相平衡和相图
概 述
能否用一个较为直观的方式建立材料科 学四要素之间的联系 , 且能够用于指导 生产? 相平衡
Properties: Mechanical and Functional
F=0 无变量 系统
材料科学基础
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第六章 相平衡和相图
（5）相律（1876年，Gibbs）：多相平衡系统的普通规律 吉布斯相律：F = C - P + n
式中：F---自由度数。 系统中组分数C越多，则自由度数F越大；
C---独立组分数，即构成平衡系统所有各相组成所需 相数P越多，自由度数F越小；
材料科学基础
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第六章 相平衡和相图
（3）相（P）：系统中具有相同物理性质和化学性质的完 全均匀部分的总和 NOTES： （a）均匀是指微观尺度的均匀，并非要求每一相均为纯净物， 一相中可以含有多种物质，如乙醇和水溶液； （b）一种物质可以有几种相，与物质的数量多少无关，与物质 是否连续也无关，如水、冰，水蒸汽等； （c）所有气体视为一个相； （d）对于液体而言，纯液体视为一个相，如果是混合液体则视 其互溶程度而定； （e）对于固体来说较为复杂，可以分为以下几种情况。
各相的相对含量等
相图：用来描述温度、压力、组分浓度等因素 变化与系统平衡状态关系的几何图形。也称为平 衡状态图。相图是相平衡的直观表现，属于热力 方向？ 限度？ 学范畴
材料科学基础
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第六章 相平衡和相图
研究相图的意义：
（1）研究、开发新材料，确定材料成分如：确定配料范围，
缩小实验范围。
（2）利用相图可以制订材料的生产和处理工艺如：材料的 处理温度等工艺参数。 （3）可以分析平衡态的组织和推断不平衡态可能的组织变 化。 （4）利用相图与性能的关系预测材料性能。 （5）利用相图进行材料生产过程分析。
注意使用相律有一些限制：
（1）只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）。
（4）F 0
材料科学基础
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第六章 相平衡和相图
二、相平衡的研究方法
研究依据：相平衡变化
能量或物理化学性质变化
结构变化
研究凝聚系统相平衡的实质就是利用系统发生相平衡变化 时的能量或物理化学性质的变化，用各种实验方法准确地 测出相变时的温度 常用的有两种研究方法：静态法 (也称为淬冷法)和动态法
材料科学基础
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第六章 相平衡和相图
（1）、静态法 (淬冷法)：室温下研究高温相平衡状态
要的最少 的化学纯物质的数目； 自由度F等于零时，相数P最大；
P----相的数目； 相数P最小时，自由度F最大。
n----温度、压力等能影响系统平衡状态的外界因素
材料科学基础
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第六章 相平衡和相图
相律是检验、分析和使用相图的重要工具。利用它可分析和确
定系统中可能存在的相数，检验和研究相图。
和相图
Theory and Modeling
Processing, Synthesis, and Phase Transformation
Structure and Characterization
材料科学基础
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第六章 相平衡和相图
相平衡：研究多组分(或单组分)多相系统中相的 平衡问题,即多相系统的平衡状态如何随着影响平 衡的因素变化而改变的规律。 相个数，每相的组成，
就有热效应的产生，曲线就有突变或转折。但如果相变的
热效应很小，在曲线上就不易体现出来，为了测量出这种 相变过程的微小热效应，通常采用差热分析法。
材料科学基础
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Hale Waihona Puke Baidu
第六章 相平衡和相图
材料科学基础
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第六章 相平衡和相图
注意：热分析法(动态法)中， 只测得了相变所对应的温度以 及热效应，而没有测得系统相 变前后的相组成、数量和分布， 要想得到这些信息还需借助于 其它手段
用淬冷法研究相平衡的关键：淬冷过程中能否 很好地保存高温下状态
材料科学基础
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第六章 相平衡和相图
（2）、动态法 最普通的方法是热分析法，该方法主要是通过系统中的物
质在加热和冷却过程中所发生的热效应来实现的 加热或冷却曲线法：准确地测出系统在加热或冷却过程 的“温度-时间”曲线。如果系统在均匀加热或冷却过程 中无相变化，则温度变化是均匀的，曲线是圆滑的；反之，
材料科学基础
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第六章 相平衡和相图
系 统 中 可 能 存 在 的 情 况
机械混合物：有几种物质就有几个相。
生成化合物：形成新相，但不增加独立组分数。
形成固溶体：几种组分间形成的固溶体算一个相。 同质多晶现象：同一物质的不同晶型各自成相，有 几种变体，就有几个相。 硅酸盐高温熔体：表现为单相，但液相分两层时， 为两个相，依此类推。 介稳变体：一般在平衡相图中不出现，若出现时以 虚线表示。 8/156
材料科学基础
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第六章 相平衡和相图
第一节 相平衡及其研究方法 Research Methodology of Phase Equilibrium
材料科学基础
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第六章 相平衡和相图
一、相平衡的几个基本概念
（1）系统 系统：选择的研究对象。
凝聚系统：没有气相或气相可忽略不计的系统。
（2）组分、独立组分 独立的浓度 关系数(只考 组分：系统中每一个可以单独分离出来，并能独立存在 独立化学反 虑同一相中) 的化学纯物质（S ）。 应平衡关系 式数 独立组分：构成平衡系统各相组成所需的最少数目的化学 纯物质（C）。以此为标准可将系统化分为 单元、二元、n元系统 C＝S－R－R’
第六章 相平衡和相图
材料科学基础
（4）自由度（F） 在一定范围内可以任意改变而不会引起旧相消失或新相 产生的最大变量数，又称独立变量数
F=2 变量：浓度、温 双变量 度、压力等。 系统
对于给定的相平衡系统， 在保持系统中相的数目 F=1 单变量 和相的状态不发生变化 系统 的条件下，并不是所有 的变量都可以任意改变
第一节 相平衡及研究方法 第二节 单元系统
第三节 二元系统 第四节 三元系统
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第六章 相平衡和相图
概 述
能否用一个较为直观的方式建立材料科 学四要素之间的联系 , 且能够用于指导 生产? 相平衡
Properties: Mechanical and Functional
F=0 无变量 系统
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第六章 相平衡和相图
（5）相律（1876年，Gibbs）：多相平衡系统的普通规律 吉布斯相律：F = C - P + n
式中：F---自由度数。 系统中组分数C越多，则自由度数F越大；
C---独立组分数，即构成平衡系统所有各相组成所需 相数P越多，自由度数F越小；
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第六章 相平衡和相图
（3）相（P）：系统中具有相同物理性质和化学性质的完 全均匀部分的总和 NOTES： （a）均匀是指微观尺度的均匀，并非要求每一相均为纯净物， 一相中可以含有多种物质，如乙醇和水溶液； （b）一种物质可以有几种相，与物质的数量多少无关，与物质 是否连续也无关，如水、冰，水蒸汽等； （c）所有气体视为一个相； （d）对于液体而言，纯液体视为一个相，如果是混合液体则视 其互溶程度而定； （e）对于固体来说较为复杂，可以分为以下几种情况。
各相的相对含量等
相图：用来描述温度、压力、组分浓度等因素 变化与系统平衡状态关系的几何图形。也称为平 衡状态图。相图是相平衡的直观表现，属于热力 方向？ 限度？ 学范畴
材料科学基础
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第六章 相平衡和相图
研究相图的意义：
（1）研究、开发新材料，确定材料成分如：确定配料范围，
缩小实验范围。
（2）利用相图可以制订材料的生产和处理工艺如：材料的 处理温度等工艺参数。 （3）可以分析平衡态的组织和推断不平衡态可能的组织变 化。 （4）利用相图与性能的关系预测材料性能。 （5）利用相图进行材料生产过程分析。
注意使用相律有一些限制：
（1）只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）。
（4）F 0
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二、相平衡的研究方法
研究依据：相平衡变化
能量或物理化学性质变化
结构变化
研究凝聚系统相平衡的实质就是利用系统发生相平衡变化 时的能量或物理化学性质的变化，用各种实验方法准确地 测出相变时的温度 常用的有两种研究方法：静态法 (也称为淬冷法)和动态法
材料科学基础
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第六章 相平衡和相图
（1）、静态法 (淬冷法)：室温下研究高温相平衡状态
要的最少 的化学纯物质的数目； 自由度F等于零时，相数P最大；
P----相的数目； 相数P最小时，自由度F最大。
n----温度、压力等能影响系统平衡状态的外界因素
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第六章 相平衡和相图
相律是检验、分析和使用相图的重要工具。利用它可分析和确
定系统中可能存在的相数，检验和研究相图。
和相图
Theory and Modeling
Processing, Synthesis, and Phase Transformation
Structure and Characterization
材料科学基础
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第六章 相平衡和相图
相平衡：研究多组分(或单组分)多相系统中相的 平衡问题,即多相系统的平衡状态如何随着影响平 衡的因素变化而改变的规律。 相个数，每相的组成，
就有热效应的产生，曲线就有突变或转折。但如果相变的
热效应很小，在曲线上就不易体现出来，为了测量出这种 相变过程的微小热效应，通常采用差热分析法。
材料科学基础
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Hale Waihona Puke Baidu
第六章 相平衡和相图
材料科学基础
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第六章 相平衡和相图
注意：热分析法(动态法)中， 只测得了相变所对应的温度以 及热效应，而没有测得系统相 变前后的相组成、数量和分布， 要想得到这些信息还需借助于 其它手段
用淬冷法研究相平衡的关键：淬冷过程中能否 很好地保存高温下状态
材料科学基础
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第六章 相平衡和相图
（2）、动态法 最普通的方法是热分析法，该方法主要是通过系统中的物
质在加热和冷却过程中所发生的热效应来实现的 加热或冷却曲线法：准确地测出系统在加热或冷却过程 的“温度-时间”曲线。如果系统在均匀加热或冷却过程 中无相变化，则温度变化是均匀的，曲线是圆滑的；反之，
材料科学基础
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第六章 相平衡和相图
系 统 中 可 能 存 在 的 情 况
机械混合物：有几种物质就有几个相。
生成化合物：形成新相，但不增加独立组分数。
形成固溶体：几种组分间形成的固溶体算一个相。 同质多晶现象：同一物质的不同晶型各自成相，有 几种变体，就有几个相。 硅酸盐高温熔体：表现为单相，但液相分两层时， 为两个相，依此类推。 介稳变体：一般在平衡相图中不出现，若出现时以 虚线表示。 8/156
材料科学基础
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第六章 相平衡和相图
第一节 相平衡及其研究方法 Research Methodology of Phase Equilibrium
材料科学基础
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第六章 相平衡和相图
一、相平衡的几个基本概念
（1）系统 系统：选择的研究对象。
凝聚系统：没有气相或气相可忽略不计的系统。
（2）组分、独立组分 独立的浓度 关系数(只考 组分：系统中每一个可以单独分离出来，并能独立存在 独立化学反 虑同一相中) 的化学纯物质（S ）。 应平衡关系 式数 独立组分：构成平衡系统各相组成所需的最少数目的化学 纯物质（C）。以此为标准可将系统化分为 单元、二元、n元系统 C＝S－R－R’
第六章 相平衡和相图
材料科学基础
（4）自由度（F） 在一定范围内可以任意改变而不会引起旧相消失或新相 产生的最大变量数，又称独立变量数
F=2 变量：浓度、温 双变量 度、压力等。 系统
对于给定的相平衡系统， 在保持系统中相的数目 F=1 单变量 和相的状态不发生变化 系统 的条件下，并不是所有 的变量都可以任意改变