6相平衡和相图分析
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6 相平衡和相图
引言
材料的性质除了与化学成分有关还取决与 起显微结构
研究材料的显微结构，需要综合考虑热力 学和动力学两方面因素
相平衡为我们从热力学平衡角度判断系统 在一定热力学条件下所趋向的最终状态提 供依据
相平衡是研究一个或者多个组分，多相体 系的平衡状态如何随影响因素（温度、压 力、组分浓度）变化而改变的规律源自2．相图的应用及相图的重要性
冶金工业中控制金属的冶炼过程、对物质的
高度提纯、分析金属组成和性能的关系研究 试制具有优良性能的新合金以及探讨稀土元 素对改善钢的性能的影响等都与相图有密切 的关系。在硅酸盐工业中，确定某种材料的 配方，选择烧成制度、预测产品性能等也离 不开相图。在开发新材料过程中，往往要研 究用什么原料在什么条件下可以形成什么相， 预计可以获得什么性能。
6.1 相平衡及其研究方法
研究内容：在一定外界条件下（温度、压 力等）热力学平衡下，一个体系或系统所 处的状态。
研究对象称为系统 系统外的一切称为环境 外界条件不变时，如果系统的各种系统不
随时间变化，则系统处于平衡状态
6.1.1 相平衡的基本概念 6.1.1.1 系统
选择的研究对象称为系统。系统以外的一 切物质都称为环境。例如，在硅碳棒炉中炼 制压电陶瓷PZT，那么PZT就是研究对象， 即PZT为系统。炉壁、垫板和炉内的气氛均 为环境。如果研究PZT和气氛的关系，则 PZT和气氛为系统，其它为环境。所以系统 是人们根据实际情况而确定的。
其优点是不需要把体系中的化学物质或相 加以分离来分别单独研究，综合考虑系统 中组分间发生的各种物理、化学变化，因 而具有极大的普遍意义和使用价值
材料工作者能必须熟练判读相图
1 什么是相图
在一个多相体系中，随温度、压力和浓度
的变化，相的种类、数量及含量都要相应地发 生变化，对于变化情况可用几何图形来描绘， 这个图形就可以反映出该系统在一定组成、温 度和压力下，达到平衡时所处的状态，这个几 何图形称为相图，也叫平衡图、状态图。
当外界条件不变时，如果系统的各种性质不随 时间而改变，则这系统就处于平衡状态。没有 气相或虽有气相但其影响可忽略不计的系统称 为凝聚系统。一般地讲，合金和硅酸盐系统属 于凝聚系统。但必须指出，对于有些硅酸盐系 统，气相是不能忽略的，因此不能按一般凝聚 系统对待。
6.1.1.2 相Phase
系统中化学和物理性质完全均匀的部分总 称为相(phase)
是此系统就分成两个液相：一个是酚溶于水的 溶液（含酚9%）；另一个是水溶于酚的溶液 （含酚70%）。
系统中的固体的相情况
机械混合物：无论如何处理，都不能达到 完全均匀的程度，属于不同的相(水泥生料)
生成化合物：产生一种化合物，就生成一 个新相
固溶体：几种物质碱的固溶体是一个相
同质多晶现象：结构和物理性质不同，分 别各自成相
在特定条件下，独立组元和组元的含义才是相同的。 在系统中如果不发生化学反应，则：
独立组元数=组元数 例如砂糖和砂子混在一起，不发生反应则组元数
均匀的气体和溶液是一个相，不能混溶和 液体属于不同的相
总之： 气相只能一相，不论多少种气体混在一起都
一样形成一个气相。液体可以是一个相，也可 以是两个相（互溶程度有限时）。固体如果是 连续固溶体为一相；其它情况下，一种固体物 质是一个相。
一相系统中所含相的数目，叫做相数，以 符号P表示。按照相数的不同，系统可分为单 相系统（P=1），二相系统（P=2），三相系 统（P=3）等等国。含有两个相以上的系统， 统称为多相系统。
一个相必须在物理性质和化学性质上都是均 匀的，这里的“均匀”是指一种微观尺度的 均匀，但一个相不一定只含有一种物质例如， 乙醇和水混合形成的溶液，由于乙醇和水能 以分子形式按任意比例互溶，混合后成为各 部分物理性质、化学性质都相同，而且完全 均匀的系统，尽管它含有两种物质，但整个 系统只是一个液相。
同种物质可以有不同的相，例如气态、液 态、固态这3个不同的相
混合均匀的气体或者溶液也视为同一个相， 例如混合均匀熔体或者溶液或者空气
相与相之间有界面各相可以用机械方法加
以分离，越过界面时性质发生突变。例如， 水和水蒸气共存时，其组成虽同为H2O， 但因有完全不同的物理性质，所以是两个 不同的相。
足以表示形成平衡系统中各相组成所需要的最少
数目的物种（组元）称为独立组元，它的数目称为独 立组元数，以符号C表示。通常把具有n个独立组元 的系统称为n元系统。按照独立组分数目的不同，可 将系统分为单元系统（C=1）、二元系统（C=2）、 三元系统（C=3）等。
有些教科书中把独立组元称为组元，要注意只有
6.1.1.3 独立组分或组元Component
系统中能单独分离出来的并能独立存在的 化学物质称为组元。(H2O是；H+不是)
用来表示平衡系统中组成所需的最少的组 元，称为独立组元，
硅酸盐系统中经常用氧化物作为系统的组 成，例如SiO2一元系统，Al2O3-SiO2二元系 统，CaO-Al2O3-SiO2三元系统等
而油和水混合时，由于不互溶而出现分层，
两者之间存在着明显的界面，油和水各自保 持着本身的物理性质和化学性质，因此这是 一个二相系统。
一种物质可以有几个相。例如水可有固相 （冰）、气相（水汽）和液相（水）。相与 物质的数量多少无关，也与物质是否连续没 有关系。如水中的许多冰块，所有冰块的总 和为一相（固相）。
对于系统中的气体，因其能够以分子形式 按任何比例互相均匀混合，所以如果所指的 平衡不是在高压下的话，则不论有多少种气 体都只可能有相个气相。如空气，其中含有 多种气体：氧气、氮气、水汽、二氧化碳气 等，但只是一个相。
对于系统中的液体，纯液体是一个相。混合液
体则视其互溶程度而定，能完全互溶形成真溶
液的，即为一相；若了出现液相分层便不止一 相。如NaCl溶于水中成为NaCl水溶液虽然此溶 液中有NaCl和水两种物质，但仍然组成的一个 液相。而30℃时，酚一水系统中若含40%酚及 60%水（均为wt%），这个浓度超过了该温度 进酚在水中的溶解度及水在酚中的溶解度，于
引言
材料的性质除了与化学成分有关还取决与 起显微结构
研究材料的显微结构，需要综合考虑热力 学和动力学两方面因素
相平衡为我们从热力学平衡角度判断系统 在一定热力学条件下所趋向的最终状态提 供依据
相平衡是研究一个或者多个组分，多相体 系的平衡状态如何随影响因素（温度、压 力、组分浓度）变化而改变的规律源自2．相图的应用及相图的重要性
冶金工业中控制金属的冶炼过程、对物质的
高度提纯、分析金属组成和性能的关系研究 试制具有优良性能的新合金以及探讨稀土元 素对改善钢的性能的影响等都与相图有密切 的关系。在硅酸盐工业中，确定某种材料的 配方，选择烧成制度、预测产品性能等也离 不开相图。在开发新材料过程中，往往要研 究用什么原料在什么条件下可以形成什么相， 预计可以获得什么性能。
6.1 相平衡及其研究方法
研究内容：在一定外界条件下（温度、压 力等）热力学平衡下，一个体系或系统所 处的状态。
研究对象称为系统 系统外的一切称为环境 外界条件不变时，如果系统的各种系统不
随时间变化，则系统处于平衡状态
6.1.1 相平衡的基本概念 6.1.1.1 系统
选择的研究对象称为系统。系统以外的一 切物质都称为环境。例如，在硅碳棒炉中炼 制压电陶瓷PZT，那么PZT就是研究对象， 即PZT为系统。炉壁、垫板和炉内的气氛均 为环境。如果研究PZT和气氛的关系，则 PZT和气氛为系统，其它为环境。所以系统 是人们根据实际情况而确定的。
其优点是不需要把体系中的化学物质或相 加以分离来分别单独研究，综合考虑系统 中组分间发生的各种物理、化学变化，因 而具有极大的普遍意义和使用价值
材料工作者能必须熟练判读相图
1 什么是相图
在一个多相体系中，随温度、压力和浓度
的变化，相的种类、数量及含量都要相应地发 生变化，对于变化情况可用几何图形来描绘， 这个图形就可以反映出该系统在一定组成、温 度和压力下，达到平衡时所处的状态，这个几 何图形称为相图，也叫平衡图、状态图。
当外界条件不变时，如果系统的各种性质不随 时间而改变，则这系统就处于平衡状态。没有 气相或虽有气相但其影响可忽略不计的系统称 为凝聚系统。一般地讲，合金和硅酸盐系统属 于凝聚系统。但必须指出，对于有些硅酸盐系 统，气相是不能忽略的，因此不能按一般凝聚 系统对待。
6.1.1.2 相Phase
系统中化学和物理性质完全均匀的部分总 称为相(phase)
是此系统就分成两个液相：一个是酚溶于水的 溶液（含酚9%）；另一个是水溶于酚的溶液 （含酚70%）。
系统中的固体的相情况
机械混合物：无论如何处理，都不能达到 完全均匀的程度，属于不同的相(水泥生料)
生成化合物：产生一种化合物，就生成一 个新相
固溶体：几种物质碱的固溶体是一个相
同质多晶现象：结构和物理性质不同，分 别各自成相
在特定条件下，独立组元和组元的含义才是相同的。 在系统中如果不发生化学反应，则：
独立组元数=组元数 例如砂糖和砂子混在一起，不发生反应则组元数
均匀的气体和溶液是一个相，不能混溶和 液体属于不同的相
总之： 气相只能一相，不论多少种气体混在一起都
一样形成一个气相。液体可以是一个相，也可 以是两个相（互溶程度有限时）。固体如果是 连续固溶体为一相；其它情况下，一种固体物 质是一个相。
一相系统中所含相的数目，叫做相数，以 符号P表示。按照相数的不同，系统可分为单 相系统（P=1），二相系统（P=2），三相系 统（P=3）等等国。含有两个相以上的系统， 统称为多相系统。
一个相必须在物理性质和化学性质上都是均 匀的，这里的“均匀”是指一种微观尺度的 均匀，但一个相不一定只含有一种物质例如， 乙醇和水混合形成的溶液，由于乙醇和水能 以分子形式按任意比例互溶，混合后成为各 部分物理性质、化学性质都相同，而且完全 均匀的系统，尽管它含有两种物质，但整个 系统只是一个液相。
同种物质可以有不同的相，例如气态、液 态、固态这3个不同的相
混合均匀的气体或者溶液也视为同一个相， 例如混合均匀熔体或者溶液或者空气
相与相之间有界面各相可以用机械方法加
以分离，越过界面时性质发生突变。例如， 水和水蒸气共存时，其组成虽同为H2O， 但因有完全不同的物理性质，所以是两个 不同的相。
足以表示形成平衡系统中各相组成所需要的最少
数目的物种（组元）称为独立组元，它的数目称为独 立组元数，以符号C表示。通常把具有n个独立组元 的系统称为n元系统。按照独立组分数目的不同，可 将系统分为单元系统（C=1）、二元系统（C=2）、 三元系统（C=3）等。
有些教科书中把独立组元称为组元，要注意只有
6.1.1.3 独立组分或组元Component
系统中能单独分离出来的并能独立存在的 化学物质称为组元。(H2O是；H+不是)
用来表示平衡系统中组成所需的最少的组 元，称为独立组元，
硅酸盐系统中经常用氧化物作为系统的组 成，例如SiO2一元系统，Al2O3-SiO2二元系 统，CaO-Al2O3-SiO2三元系统等
而油和水混合时，由于不互溶而出现分层，
两者之间存在着明显的界面，油和水各自保 持着本身的物理性质和化学性质，因此这是 一个二相系统。
一种物质可以有几个相。例如水可有固相 （冰）、气相（水汽）和液相（水）。相与 物质的数量多少无关，也与物质是否连续没 有关系。如水中的许多冰块，所有冰块的总 和为一相（固相）。
对于系统中的气体，因其能够以分子形式 按任何比例互相均匀混合，所以如果所指的 平衡不是在高压下的话，则不论有多少种气 体都只可能有相个气相。如空气，其中含有 多种气体：氧气、氮气、水汽、二氧化碳气 等，但只是一个相。
对于系统中的液体，纯液体是一个相。混合液
体则视其互溶程度而定，能完全互溶形成真溶
液的，即为一相；若了出现液相分层便不止一 相。如NaCl溶于水中成为NaCl水溶液虽然此溶 液中有NaCl和水两种物质，但仍然组成的一个 液相。而30℃时，酚一水系统中若含40%酚及 60%水（均为wt%），这个浓度超过了该温度 进酚在水中的溶解度及水在酚中的溶解度，于