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固体物理第三章 相图 PPT

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人教版八年级物理上册教学课件：第三章 第2节 熔化和凝固 (共11张PPT)

人教版八年级物理上册教学课件：第三章 第2节 熔化和凝固 (共11张PPT)

实验装置图
熔化过程记录表
时间/ 1 11 0 1 23456789 012 分 温度/ ℃ 温度/℃
熔 55 化 图 50 像
45
40
时间/分 0 2 4 6 8 1012 14
• 晶体熔化的特点： • 1、温度不变 • 2、不断吸热 • 熔点：晶体熔化时的温度。
二、晶体与非晶体
熔点 （物质的特性）
0 1064 金 冰 962 固态水银 -39 银 660 固态酒精 -117 铝 327 固态氮 -210 铅 232 固态氢 -259 锡 海波 48 固态氦 -272
从表格中你可以获得哪些信息？
晶体凝固规律 温度 D 5 / ℃ 5 5 0 45 1、晶体在凝固过程中 温度不变，这个温度 叫做凝固点； 2、凝固过程中处于固 液共存状态； 3、晶体只有达到一定温 度时才开始凝固； 4、凝固过程放热。
1、晶体： 熔化时具有一定的熔化温度 （熔化时固液共存，温度不变）
2、非晶体：熔化时没有一定的熔化温度
（熔化时先软后稀，温度升高） 三、凝固 （熔化的逆过程）
几种常见晶体
几种常见非晶体
几种晶体的熔点/ ℃
物质 熔点 物质 熔点 物质 熔点
金刚石 钨 纯铁 各种钢 各种铸铁 铜 3550 3410 1535 1300-1400 1200左右 1083
Байду номын сангаас
无熔点
吸收热量
C
B
A 时间/分 4 0 2 4 6 8 1012 14 0 海波(硫代硫酸钠)凝固的图象
1、 固态
熔化 凝固
液态
2、晶体与非晶体的比较
熔化规律 晶体 非晶体 不 有熔点 同 熔化时固
液共存

第三章凝固与相图

第三章凝固与相图

ΔT
2、结构条件

T1 T0
液态 → 固态
无序 → 短程有序原子集团 → 长程有序
概念
*一次结晶：液态 → 固态 *二次结晶：一种固态态 → 另一种固态
三、结晶的一般过程
1、结晶的基本过程

液体和晶体自由能随温度变化
结晶由晶核的形成和晶核 的长大两个基本过程组成. 液态金属中存在着原子排 列规则的小原子团，它们

雾 凇

液态金属在理论结晶温
度以下开始结晶的现象
称过冷。

理论结晶温度与实际结 晶温度的差T称过冷度 T= T0 –T1

过冷度大小与冷却速度 有关，冷速越大，过冷 度越大。
二、结晶的条件
1、能量条件

液体和晶体自由能随温度变化
最小自由能原理
物质总是由高自由能状态向低自由能状态转变。

过冷是金属结晶的必要条件。
一、合金的相结构及性能

合金晶粒中含有多种元素，晶粒的化学 成分和晶格类型可以是均匀一致的，也 可以不一致。
相： 指物质中凡成分均匀、结构相同、原子 聚集状态相同并与其它部分有界面分开 的均匀组成部分。


显微组织：实质上是指在显微 镜下观察到的金属中各相或各 晶粒的形态、数量、大小和分 布的组合。微观形貌。
构转变。同素异构转变属于
相变之一—固态相变。


纯铁的同素异构转变
1、铁的同素异构转变
铁在固态冷却过程中有两次
晶体结构变化，其变化为： -Fe ⇄ -Fe ⇄ -Fe
1394℃ 912℃

-Fe、 -Fe为体心立方结构(BCC)，-Fe为面心立方
结构(FCC)。都是铁的同素异构体。

《固体物理基础教学课件》第3章

《固体物理基础教学课件》第3章
原子n离开平衡位置位移μn 原子n和原子n+1间相对位移
n1 n
平衡位置 非平衡位置
a 3
3-1 原子作用力的处理：简谐近似
忽略高阶项，简谐近似考虑原子 V 振动，相邻原子间相互作用势能
v(a)12(ddr2v2)a2
相邻原子间作用力
O
a
r
f ddv, (d dr2v2)a
只考虑相邻原子的作用，第n个原
第2n+1个M原子的方程 M d2 dt2 2n1(22n12n22n)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 第2n个m原子的方程 mdd 2t22n(22n2n12n1)
解也具有平面波 的形式
两种原子振动的 振幅（m取A， M取B）一般来说 是不同的
a 13
3-2 声学波与光学波
色散关系有不同的两种
2(m m M M ) 11(m 4 m M M )2sin2aq12
a 2
3-1 一维单原子链模型
一维单原子链：最简单的晶格模型
晶格具有周期性，晶格的振动具有波的形式 —— 格波
格波的研究方法：
计算原子之间的相互作用力 根据牛顿定律写出原子运动方程，并求解方程
一维单原子链模型：
平衡时相邻原子间距为a （即原胞体积为a）
原子质量为m 原子限制在沿链方向运动
声子
0.1
1 100 10000
a 11
3-2 一维双原子链模型
一维双原子链模型 声学波与光学波 声学波与光学波的长波极限 长光学波的特性
a 12
3-2 一维双原子链模型
两种原子m和M (M > m) 构成一维复式格子 M原子位于2n-1, 2n+1, 2n+3 … m原子位于2n, 2n+2, 2n+4… 晶格常数、同种原子间的距离：2a

第03章 相结构与相图热力学

第03章 相结构与相图热力学

第一节
材料的相结构
七、金属化合物的性能特点
大多数化合物，特别是正常价化合物，熔点都较高(结合 键强的表现之一)，力学性能表现为硬而脆。
单一由化合物在金属材料中比较少见，而陶瓷材料则是 以化合物为主体。少量硬度高的质点加入到塑性材料中，将明 显提高材料的强度，即第二相强化机制 。 另一方面，化合物往往由特殊的物理、化学(电、磁、光、 声等)性能，从而在功能材料中的应用得到迅速发展。
第一节
材料的相结构
二、固溶体的分类
2.按溶质原子在溶剂晶格中的分布特点
1)无序固溶体 溶质原子在溶剂晶格中分布是任意的， 没有任何规律性，仅统计角度上是均匀分布的。 2)有序固溶体 溶质原子以一定的比例，按一定方向 和顺序有规律地分布在溶剂的晶格间隙中或结点上。
在有些材料中，固溶体还存在有序化转变，即在一定的 条件(如温度、压力)下，无序固溶体和有序固溶体之间会发生 相互转变。
计算法预测相图：由材料的成分判断可能组成的相结构，计
算在某一温度下的自由能，找出合适组成相或他们之间的组合， 达到能量最低的状态(平衡态)，从而确定相图的结构。随着热 力学数据的积累，计算机能力提高和普及，这种设想现在逐步 可以实现。
2-1
固溶体自由能的计算
• 纯组元自由能与温度的关系
• 两相混合自由能的计算
第一节
材料的相结构
5.溶剂为化合物的固溶体
2)正常价化合物为溶剂：
等价代换 为了保持电中性，溶质原子的价电子应和溶剂相同， 这种置换称为等价代换。例如K+与Na+离子的互相代换。 异价代换 如果溶质原子的化学价与溶剂不同，在置换原子时 就会造成电性能的变化，为了保持电中性，表现形式有，①两 对异价互补，同时按比例溶入一高一低的两种溶质；②离子变 价，对某些可变化学价的元素采取变价来维持化学价和电中性； ③形成点缺陷(晶格空位)，一种元素被异价的溶质置换，引起 化合物对应的另一元素数量的变化，当晶格维持不变，在晶格 中将产生空位(间隙原子)，例如在ZrO2中溶入少量的Y2O3，就 会形成氧离子空位。

第三章5 共晶相图

第三章5 共晶相图

wSn=10%合金的显微组织
H
6
合金Ⅰ的平衡结晶过程示意图
H
7
成分位于F和M之间的合金, 平衡结晶过程均与以上相似, 显微组织为α+ Ⅱ,只是两相相对含量不同.
α、β两相的含量可用杠杆定 律求出,如合金Ⅰ的α、Ⅱ相 的含量分别为：
F4 w FG 100 %
w
4G FG
100 %
H
Pb-Sn合金相图
wM E2E 10% 0661.1.99159010% 027.8% wLM M2E 10% 0651.90119910% 072.2%
H
16
亚共晶合金的显微组织
图中,暗黑色树枝状晶部分 是先共晶α相,其中的白色颗 粒是βⅡ,黑白相间分布的是 共晶组织.
其中, 先共晶相的形态:
如果是固溶体,一般呈树枝状; 如果是亚金属和非金属或化 合物,则一般具有规则外形.
H
12
共晶组织的形态
按两相的分布形态，可分为：层片状、棒状（条 状或纤维状）、球状（短棒状）、针片状、螺旋 状等。
原因:共晶组织中两个组成相的本质决定了其形态.
H
13
H
14
3 合金Ⅲ的结晶过程(亚共晶合金 19<wSn<61.9% ）
1-2点,匀晶转变,结晶出α固溶体；
温度降到2点,α相和剩余液相成分 分别达到M点和E点,在共晶温度tE发 生共晶转变:
W M 2P E 1E % 0 6 6 0 ..9 9 1 1 1 3 1 9 0% 0 7 0 .4 % 4
W ( ) P 2M M 1 E % 0 6 3 0 .9 1 1 0 1 9 1 9% 0 2 0 .6 % 5
H
23
相组成物α和β相的含 量分别为：

固体物理第三章 相图

固体物理第三章 相图

相图分析（相图三要素） （1）点：纯组元熔点；共晶点等。 （2）线：结晶开始、结束线；溶解度曲线；共晶线等。 （3）区：3个单相区；3个两相区；1个三相区。
（1）Sn<2％的合金 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
相的成分是确定的。
T,C L 1500 1 1400 a1 b1 1300 L+ 1200 1100 a 2 1000 1083 Cu 20
QL/Q=b1c1/a1b1
1455 c
c1
杠杆定律推论：在两 相区内，对应温度T1 时两相在合金b中的相 T1 对质量各为 T2 Q /Q =b c /a c


三、固溶体
合金中有两类基本相 —— 固溶体 和 化合物 固溶体概念 合金组元通过溶解形成成分和性能均匀的、 结构上与组元之一相同的固相。
或含有外来杂质原子的单一、均匀的晶态固体。
例，MgO晶体中含有FeO杂质，
→ Mg1-xFexO固溶体。
固溶体
固溶体的分类
按杂质原子的位置分： 置换型固溶体—杂质原子进入晶格中正常结点位置而取代基质 中的原子。例MgO-CoO形成Mg1-xCoxO固溶体。
合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例）
合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例）
（2）2％<Sn<19％的合金 ① 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。 ② 二次相（次生相）的生成：脱溶转变（二次析出或二次再结 晶）。 ③ 室温组织（α＋βⅡ）及其相对量计算。

(完整版)固体物理课件ppt完全版

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布拉伐格子 + 基元 = 晶体结构
③ 格矢量：若在布拉伐格子中取格点为原点，它至其

他格点的矢量 Rl 称为格矢量。可表示为
Rl

l1a1

l2a2

l3a3
，
a1,
a2 ,
a3为
一组基矢
注意事项：
1）一个布拉伐格子基矢的取法不是唯一的
2
4x
·
1
3
二维布拉伐格子几种可能的基矢和原胞取法 2）不同的基矢一般形成不同的布拉伐格子
2·堆积方式：AB AB AB……，上、下两个底面为A
层，中间的三个原子为 B 层
3·原胞：
a, 1
a 2
在密排面内，互成1200角，a3
沿垂直
密排面的方向构成的菱形柱体 → 原胞
B A
六角密排晶格的堆积方式
A
a
B c
六角密排晶格结构的典型单元
a3
a1
a2
六角密排晶格结构的原胞
4·注意: A 层中的原子≠ B 层中的原子 → 复式晶格
bγ a
b a
b a
b a
简六体心底正简单三面心正单方底心单心交 立斜交斜 方 简单立方体心正交面立方简四体心四方简单正交简单菱方简单单斜单方
二 、原胞
所有晶格的共同特点 — 具有周期性（平移对称性）
描
用原胞和基矢来描述
述
方
位置坐标描述
式
1、 定义：
原胞：一个晶格最小的周期性单元，也称为固体物理 学原胞
a1, a2 , a3 为晶格基矢
复式晶格：
l1, l2 , l3 为一组整数
每个原子的位置坐标：r l1a1 l2a2 l3a3

课件：固—液、固—气相变,相图

课件：固—液、固—气相变,相图
• (其中下标s、l、g 分别表示固、液、气、下标 m
表示为单位摩尔)。 • 相变时熵与体积的突变来源于相变前后物质微观结
构的不同。 • 发生固—液、固—气相变时其摩尔熵与摩尔体积要发
生突变，它们都须通过两相共存阶段来完成物质结 构的改变，这就是一级相变。
在一级相变中可出现过冷、过热现象。 例如，若要在液体中产生结晶，就应先存在结晶核， 然后以结晶核为中心，沿着与结晶核相同的晶面方向生 长晶体。 其结晶核可由液体中的原子自发聚集而成，也可在杂质 基础上形成，还可人为地加入小块晶体作为结晶核。
§6.5 固-液、固-气相变相图 §6.5.1固-液及固-气相变
(一)固-液及固-气相变
• 物质三相之间的变化，除了气液相变之外，还有固液 相变(即熔解或凝固)及固气相变(即升华或凝华)。
• 它们与气液相变一样都是在两相共存状态下进行的， 它们都伴随有潜热的吸放或体积的突变。
通常在相变时有如下关系:
结晶是晶核产生和晶体生长同时并进的过程。
过冷液体
•
与汽化热Lv,m (或称凝结热)相类似，熔解热 Lm,m
(或称凝固热)及升华热Ls,m (或称凝华热)可分别表示
为：
(二)二元系的凝固点与沸点
(三)能统一Leabharlann 述气、液、固相的p-V图§6.5.2 相图

新人教版八年级物理上册第三章第2节《熔化和凝固》PPT课件

新人教版八年级物理上册第三章第2节《熔化和凝固》PPT课件
时 间 t/m in 0
时 间 t/m in 时 间 t/m in
选择
• 下列物质中全部属于晶体的一组是
( D )： A.铁、食盐、松香 B.铝、石蜡、玻璃 C.冰、沥青、松香 D.萘、水晶、食盐
选择
C • 下列说法中不正确的是(
)：
A.任何固态物质熔化时，都要吸热
B.晶体在熔化时，温度不变
C.任何固态物质都有一定的熔化温度，这个 温度叫做该物质的熔点
D. 晶体在熔化过程中，温度虽不变，但仍然 要吸收热
选择
C • 物体在吸收热后，它的温度将(
)：
A.一定上升
B.一定不变
C.有可能上升，也有可能不变
D.以上说法都不对
填空
如图是晶体的凝固图象，图象中EF、
FG、GH各段分别表示温度怎样变化？
物质处于什么状态？
温 度 t/℃
E
F
G H
EF段：_下__降__、__液__态___ FG段：_不__变__、固__液__共__存_ GH段：_下__降__、__固__态___
3、晶体只有达到一定 温度时才开始凝固；
4、凝固过程放热。
温
度
℃ 硫代硫酸钠的熔化图像
硫代硫酸钠的凝固图像
62
62
60
D
D
60
56
56
52
48
B
C
44
52
48
B
C
44
40
40
36 A
A
36
0 2 4 6 8 10 12 14 0 2 4 6 8 10 12 14
时间/分
比较两幅图像，你们能发现些什么？
(1)熔化过程中温度不变。

固体物理第三章 相图PPT课件

固体物理第三章 相图PPT课件

• 当冷却至T5时，液相减至零，全部 凝结为固体，其成分则变为原始合
金成分。
可编辑课件
• 这种凝固过程要求温度 变化很慢，以便使不同 温度下析出的成分不同 的固相能经过扩散而成 为均匀一致。
17
• 在一般的冷却条件下， 所得固体的成分是不均 匀的
• 先凝固出的含B较少， 后凝固出的含B较多，如 虚线所示。
% 4 g 1 0 0 % ;% f4 1 0 0 % (或 % 1 % )
fg
fg
可编辑课件
28
合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例）
（3）共晶合金：Sn＝61.9% ① 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。 ② 共晶线上两相的相对量计算。 ③ 室温组织（α＋β）及其相对量计算。
可编辑课件
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
29 (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc.
T,C
L
1500
1400 1300
a1 b1L+ c1
1200
1100a 1000
1083
1455 c 1280 C
解：作成分线和 温度线如图。
根据杠杆定律推 论， Q / QH = a1b1 /a1c1 =12/48=1/4
Cu
18 20
30 40
66 60 80
Ni%
Ni 答：所求合金在
100 1280 时相的
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思考题：间隙型固溶体能否形成连续固溶？为什么？
固溶体
置 换 固 溶 体
Z
固溶体类型
Z 置换原子
间 隙 固 溶 体
间隙原子
Y Y
X X
固溶体
固溶体的性质
1 活化晶格，促进烧结 例Al2O3熔点高：加入1~2%TiO2 → 缺位型固溶体， 1600℃烧结致密
2 稳定晶型 ZrO2加入Y2O3：形成稳定的立方氧化锆固溶体
结构类型 相同，并且晶胞较大。 离子电价 等价置换 电 负 性 相近—易固溶；
差别大—易形成化合物。 间隙型固溶体—杂质原子进入晶格中的间隙位置。
形成条件：结构间隙要大；杂质原子要小。
固溶体
按杂质原子的固溶度x分：
无限（连续）固溶体—溶质和溶剂任意比例固溶 (x=0~1)。例MgO-NiO
有限（不连续）固溶体—杂质原子的固溶度x有限。 例MgO-CaO
Ni 80 100
铜-镍合金匀晶相图
液相线
T,C
1500 1400 1300 1200 1100 纯铜 1000 1083 熔点
液相区 L
1455
L+
纯镍 熔点
固相线
Cu
固相区
20
液固两相区
40 60 Ni%
Ni 80 100
匀晶合金的结晶过程
L
T,C
T,C
L
1500
1455
L
1400 1300
● 相、相平衡与相律和固溶体 ● 二元相图 ● 固溶体的混合熵和自由能 ● ● 相图的应用
第一节 相、相平衡与相律和固溶体
一、相 系统中每一宏观的均匀部分，或体系内物理性 质和化学性质完全相同的部分称为“相”。
二、相ห้องสมุดไป่ตู้衡
相变：相与相之间的转变称为相变。
组元：为确定平衡体系中各组成所需要的最少数 目的独立物质，称为“独立组元”，简称“组 元”。
• 在一般的冷却条件下， 所得固体的成分是不均 匀的
• 先凝固出的含B较少， 后凝固出的含B较多，如 虚线所示。
在生长晶体时，若有温度 波动，而固相内扩散速度 又很慢时，就会引起晶体 的成分不均匀生长层
消除办法：把晶体放在低于该成分的固相点约50－1000C的温 度下进行长时间加热（均匀化退火）。如：红宝石晶体
c
a
L+
匀晶转变 L
1200d
1100 1000 1083
b
L
Cu 20
40 60 Ni%
80
Ni 100
冷却曲线 t
匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点， 而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。
杠杆定律
T,C
L
1500
1400 1300
1
a1 b1L+ c1
1200
1100 1000
T2 QL/QH=b1c1/a1 c1
Cu
20 b 40 60
NiQ/QH=a1b1/a1
80 100
c1
Ni%
=1- QL/QH
杠杆定则：溶质偏聚效应
Q点： T相的成x分 '降由 到 x
成分不均匀
n
n
合金成分X
• T1：析出成分为1的固相。 1偏 离合金的原始成分；
• 由于析出了1固相，使液相中含B 量增高，于是液相成分随温度降低 而向富B的方向改变；
a1083
2
杠杆12.定.在随律两：着相在温两区度相内的区，降内对低，应对， 应每两每一相一确的确定成定的分的温分度温T别度1，沿，两液两相相
质量Q相的线L的/比Q和成值固分=是相b是确1线定确c的1变定/。a化的1即。b。1
1455c
杠杆定律推论：在两 相区内，对应温度T1
时两相在合金b中的相 T1 对质量各为
退火：成分均匀、消除内应力
快速凝固中的溶质分凝
快速冷却：当代材料制备和处理技术中的重要手段 金属玻璃
聚焦激光束或电子束照射引起的熔化和重结晶
快速冷却 可以避免溶质分凝 固液界面前将不出 现溶质富集的边界层 无组分过冷区 界面形态失 稳（组分过冷）的判据对快速凝固失效
可以预期
当固液界面以甚高的速率运动 时，界面形态将保持稳定
• 在每一个温度时，固液两相的相对 量都可利用杠杆定理来确定；
• 随温度降低，液相量逐渐减少，固 相量逐渐增加，而其成分则越来越 接近于合金的原始成分；
• 当冷却至T5时，液相减至零，全部 凝结为固体，其成分则变为原始合 金成分。
• 这种凝固过程要求温度 变化很慢，以便使不同 温度下析出的成分不同 的固相能经过扩散而成 为均匀一致。
3 催化剂 锶、镧、锰、钴、铁的氧化物间形成的固溶体， 催化消除汽车尾气的有害成分。
4 电性能（超导材料，压电陶瓷等） 5 光学性能（透明陶瓷，人造宝石等）
固溶强化
形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象
正常晶格
晶格畸变
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
10
晶格畸变
小原子置换引起的 晶格畸变
66 60 80
Ni%
Ni 答：所求合金在
100 1280 时相的
间隙原子引起的 晶格畸变
第二节 二元相图
1．匀晶相图 2．共晶相图 3．包晶相图 4．共析相图
1．匀晶相图
相图（平衡图、状态图）
平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。
T,C
1500 1400 1300 1200 1100 1000 1083
L
L+
1455
Cu 20
40 60 Ni%
？？
例：求30%Ni合金在1280C时相的相对 量
T,C
L
1500
1455 c 解：作成分线和
1400 1300
a1
1200
1100a 1000
1083
b1L+ c1
1280 C
温度线如图。
根据杠杆定律推 论， Q / QH = a1b1 /a1c1 =12/48=1/4
Cu
18 20
30 40
自由度：在不引起旧相消失和新相形成的前提下， 体系中可自由变动的独立强度性质的数目，称 为体系在指定条件下的“自由度”。
相律：对一个达成相平衡的体系来说，若影响 平衡的外界因素仅为温度和压力，则相数 p， 组元数 k 及自由度 f 三者之间存在以下制约关 系：
f＝k－p＋2
三、固溶体
合金中有两类基本相 —— 固溶体 和 化合物
固溶体概念 合金组元通过溶解形成成分和性能均匀的、
结构上与组元之一相同的固相。
或含有外来杂质原子的单一、均匀的晶态固体。
例，MgO晶体中含有FeO杂质，
→ Mg1-xFexO固溶体。
固溶体
固溶体的分类
按杂质原子的位置分： 置换型固溶体—杂质原子进入晶格中正常结点位置而取代基质
中的原子。例MgO-CoO形成Mg1-xCoxO固溶体。 影响x因素：离子半径 r1-r2/r1∠15%，完全互溶x=0-1；