无机材料科学基础第六章-相平衡(1-1)复习过程

无机材料科学与基础1.名词解释二八面体：在层状硅酸盐矿物中，若有三分之二的八面体空隙被阳离子所填充称为二八面体结构。

三八面体：在层状硅酸盐矿物中，若全部的八面体空隙被阳离子所填充称为三八面体结构。

稳态扩散：扩散质点浓度不随时间变化。

不稳态扩散：扩散质点浓度随时间变化，扩散通量与位置有关。

互扩散：有浓度差的空间扩散。

自扩散：没有浓度差的扩散。

顺扩散：由高浓度区向低浓度区的扩散叫顺扩散，又称下坡扩散。

逆扩散：由低浓度区向高浓度区的扩散叫逆扩散，又称上坡扩散。

本征扩散：不含有不含有任何杂质的物质中由于热起伏引起的扩散。

非本征扩散：非热能引起，如由杂质引起的扩散。

刃型位错：滑移方向与位错线垂直的位错称为刃型位错。

螺型位错：位错线与滑移方向相互平行的位错称为螺型位错热缺陷：在没有外来原子时，当晶体的热力学温度高于0K时，由于晶格原子热振动，使一部分能量较大的原子离开正常的平衡位置，造成缺陷，这种由于原子热振动而产生的缺陷称为热缺陷。

杂质缺陷：由于杂质进入晶体而产生的缺陷。

点缺陷：在三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶粒的线度）的缺陷。

线缺陷：是指晶体部结构中沿着某条线（行列）方向上的周围局部围所产生的晶格缺陷。

它的表现形式主要是位错。

弗兰克尔缺陷：在晶格原子振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置后，进入晶格点的间隙位置，变成间隙原子，而在原来的位置上形成一个空位，这样的缺陷称为弗兰克尔缺陷。

肖特基缺陷：如果正常格点上的原子，热起伏过程中获得能量离开平衡位置，跳跃到晶体的表面，在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。

类质同晶：物质结晶时，其晶体结构中部分原有的离子或原子位置被性质相似的其他离子或原子所占有，共同组成均匀的、呈单一相的晶体，不引起键性和晶体结构变化的现象。

同质多晶：同一化学组成在不同热力学条件下形成结构不同的晶体的现象。

一致熔融化合物：是一种稳定的化合物，它与正常的纯物质一样具有固定的熔点，熔化时所产生的液相与化合物组成一致，故称一致熔融化合物。

第六章相平衡和相图6-1名词解释相组元数独立组元数自由度相图相平衡凝聚系统介稳平衡无变量点可逆多晶转变不可逆多晶转变一级变体间转变二级变体间转变一致熔融化合物不一致熔融化合物共熔界线转熔界线连线规则切线规则低共熔点（三升点）单转熔点（双升点）双转熔点（双降点）液相独立析晶6-2什么是吉布斯相律它有什么实际意义6-3固体硫有两种晶型，即单斜硫、斜方硫，因此，硫系统可能有四个相，如果某人实验得到这四个相平衡共存，试判断这个实验有无问题图6-1 图6-26-4如图6-1是钙长石（CaAl2Si2O）的单元系统相图，请根据相图回答：（1）六方、正交和三斜钙长石的熔点各是多少（2）三斜和六方晶型的转变是可逆的还是不可逆的你是如何判断出来的（3）正交晶型是热力学稳定态还是介稳态6-5图6-2是具有多晶转变的某物质的相图，其中DEF线是熔体的蒸发曲线。

KE是晶型I的升华曲线；GF是晶型II的升华曲线；JG是晶型III的升华曲线，回答下列问题：（1）在图中标明各相的相区，并写出图中各无变量点的相平衡关系；（2）系统中哪种晶型为稳定相哪种晶型为介稳相（3）各晶型之间的转变是可逆转变还是不可逆转变6-6在SiO2系统相图中，找出两个可逆多晶转变和两个不可逆多晶转变的例子。

6 -7 C2S有哪几种晶型在加热和冷却过程中它们如何转变β-C2S为什么能自发地转变成γ-C2S在生产中如何防止β-C2S 转变为γ-C2S6-8今通过实验测得如图6-3所示的各相图，试判断这些相图的正确性。

如果有错，请指出错在何处并说明理由。

图6-36-9根据图6-4所示的二元系统相图回答：（1）注明各相区；（2）写出无变量点的性质及其相平衡关系；（3）写出M1和M2熔体的平衡冷却析晶过程；（4）计算从熔体刚冷至T P温度及离开T P温度时系统中存在各相的百分含量。

6-10图6-5为具有一个不一致熔融化合物的二元系统，在低共熔点E发生如下析晶的过程：L A＋A m B n。

实验一淬冷法研究相平衡一．实验目的1.从热力学角度建立系统状态（物系中相的数目，相的组成及相的含量）和热力学条件（温度，压力，时间等）以及动力学条件（冷却速率等）之间的关系。

2.掌握静态法研究相平衡的实验方法之一──淬冷法研究相平衡的实验方法及其优缺点。

3.掌握浸油试片的制作方法及显微镜的使用，验证Na2O —SiO2系统相图。

二．基本原理从热力学角度来看，任何物系都有其稳定存在的热力学条件，当外界条件发生变化时，物系的状态也随之发生变化。

这种变化能否发生以及能否达到对应条件下的平衡结构状态，取决于物系的结构调整速率和加热或冷却速率以及保温时间的长短。

淬冷法的主要原理是将选定的不同组成的试样长时间地在一系列预定的温度下加热保温，使它们达到对应温度下的平衡结构状态，然后迅速冷却试样，由于相变来不及进行，冷却后的试样保持了高温下的平衡结构状态。

用显微镜或X-射线物相分析，就可以确定物系相的数目、组成及含量随淬冷温度而改变的关系。

将测试结果记入相图中相应点的位置，就可绘制出相图。

淬冷法是用同一组成的试样在不同温度下进行试验。

将试样装入铂金坩埚中，在淬火炉内保持恒定的温度，当达到平衡后把试样以尽可能快的速度投入低温液体中（水浴，油浴或汞浴），以保持高温时的平衡结构状态，再在室温下用显微镜进行观察。

这是可能出现三种情况：（1）若淬冷样品中全为各向同性的玻璃相，则可以断定物系原来所处的温度（T1）在液相线以上。

（2）若在温度（T2）时，淬冷样品中既有玻璃相又有晶相，则液相线温度就处于T1和T2之间。

（3）若淬冷样品全为晶相，则物系原来所处的温度（T3）在固相线以下。

由于绝大多数硅酸盐熔融物粘度高，结晶慢，系统很难达到平衡。

采用动态方法误差较大，因此，常采用淬冷法来研究高粘度系统的相平衡。

本实验用淬冷法验证Na2O-SiO2系统相图，实验中样品的均匀性对试验结果的准确性影响较大，因此，常常将原料制成玻璃以得到组成均匀的样品。

第六章第六章 相平衡状态图相平衡状态图相平衡状态图第一节第一节 基本概念基本概念一、相：体系中具有相同物理与化学性质的均匀部分的总和体系中具有相同物理与化学性质的均匀部分的总和体系中具有相同物理与化学性质的均匀部分的总和，，如纯液体或真溶液均为单相真溶液均为单相。

固溶体也为单相固溶体也为单相。

一个相中可包含几种物质一个相中可包含几种物质，，如：空气为一个相空气为一个相，，但含O 2、N 2等。

固体机械混合物中有几种物质就有几个相固体机械混合物中有几种物质就有几个相固体机械混合物中有几种物质就有几个相。

一个相可以连续成一个整体一个相可以连续成一个整体，，也可以不连续也可以不连续。

二、相平衡相平衡相与相之间的平衡相与相之间的平衡相与相之间的平衡，，是动态平衡是动态平衡。

相平衡在一定条件下建立相平衡在一定条件下建立，，当条件被破坏时当条件被破坏时，，平衡也被破坏平衡也被破坏，，并在新的条件下建立新的平衡的条件下建立新的平衡。

三、相律相律 F+P=C+n F+P=C+n其中其中：：P ————相数相数相数 C ————独立组元数独立组元数独立组元数组分组分：：系统中能被单独分离可独立存在的化学均匀物质统中能被单独分离可独立存在的化学均匀物质。

独立组元数独立组元数：：构成一个平衡系统中所有各相所需的最少组元数构成一个平衡系统中所有各相所需的最少组元数 独立组元数独立组元数==组元数组元数－－化学反应数化学反应数 如：CaCO 3加热分解加热分解，，CaCO 3 = CaO + CO 2 组元数组元数=3=3=3，，独立组分数独立组分数=2=2=2。

F F——————自由度自由度自由度：：在一定范围内可任意独立改变而不至于引起旧相消失或新相出现的变数相消失或新相出现的变数。

如：水相图水相图：： 各相区各相区各相区：：F=2F=2，， 各界线各界线各界线：：F=1F=1，， 无变点无变点无变点：：F=0F=0。

第6、7章总结、思考题与作业题一、本章总结1、凝固与结晶、相变、固态相变、组元、系、相图、单元相图、相平衡、相律（及表达式）及应用2、纯金属凝固的过程和现象；过冷度对结晶过程和结晶组织的影响；3、结晶的热力学条件、动力学条件、能量条件和结构条件；包括：一些更要的公式，以其应用4、过冷现象、过冷度、理论凝固温度、实际凝固温度、临界过冷度、有效过冷度、动态过冷度；5、均匀形核与非均匀形核，二者有何异同点。

结构起伏（相起伏）、能量起伏、浓度起伏、晶胚、晶核、临界晶核、临界晶核半径、临界形核功，临界晶核半径、临界形核功的计算。

形核率及影响因素、变质处理。

非均匀形核时影响接触角θ的因素有哪些?选择什么样的异相质点可以大大促进结晶过程。

6、光滑界面、粗糙界面；正温度梯度、负温度梯度；平面长大、树枝长大。

晶体长大的条件和长大的机制。

界面的生长形态与L/S前沿的温度梯度有何关系？7、能用结晶理论说明实际生产问题。

如：变质处理和其它细化晶粒的工艺；单晶的制取和定向凝固技术。

(1).凝固理论的主要应用；(2).控制结晶组织的措施。

二、本章重要知识点1. 金属结晶的过程；结晶的热力学条件、动力学条件、能量条件和结构条件；2. 界面的生长形态与L/S前沿的温度梯度的关系。

三、思考题1. 简述金属结晶过程的热力学条件、动力学条件、能量条件和结构条件。

为什么需要这些条件？冷却速度与过冷度的关系是什么？能否说过冷度越大，形核率越高，为什么？2. 何谓正温度梯度和负温度梯度。

何谓粗糙界面和光滑界面。

分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。

（简述纯金属枝晶的形成条件和长大过程。

）3. 在同样的负温度梯度下，为什么Pb结晶出树状晶，而Si结晶平面却是平整的？4. 何谓均匀形核？何谓非均匀形核（异质形核）？试比较二者有何异同？叙述异质形核的必要条件。

选择什么样的异相质点可以大大促进结晶过程？5. 指出形核过程的驱动力和阻力分别是什么？比较均匀形核和非均匀形核的临界形核功大小和形核率的大小，说明造成两者差异的原因。