文档介绍：第十章材料热力学 与固态相变基础
合金自由能的计算
自由能随成分变化规律
相平衡原理
相图与吉布斯自由能曲线
固态相变概论
总结与回顾--材料的成分、加工工艺对组织、性能的影响
引言
平衡状态:系统吉布斯自由能处于最低所对应的状态。
相图:表述物质的成分、环境条件与平衡状态下存在相之间关系的图形。
相图的测定方法:一般用物理方法来进行,利用不同组成相所具有的不同物理性能特征参数或性能变化时的表现出物理两地变化特征来进行测定工作。例如常用的热分析法、热膨胀系数/比容变化、磁性法等等。
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。
第一节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
固溶体的自由能与成分温度的关系
混合过程中S的变化
混合过程中H的变化
纯组元自由能与温度的关系
其中H0和S0为标准状态下(25℃,一个大气压)的值,可以查相关的热力学资料得到。
两相混合自由能的计算
设同样有A、B两组元组成的两相α和β,α的成分(原子百分比)为x1,β的成分(原子百分比)为x2,α和β两相所占地比例分别为N1和N2(原子百分比),显然N1+N2=1。
在G-X的图形中,G1、G、G2三点在一直线上,并服从杠杆定律。
固溶体自由能与成分温度的关系
在温度T下,寻找G-x之间的关系。设NA和NB为固溶体中A、B的原子数,XA和XB为两组元的摩尔浓度,即
在温度T下, G0为混合前的自由能,ΔGm为混合过程中自由能变化。
G0A的值由纯组元公式计算出。
先计算混合过程中H、S的变化量,可以计算ΔGm变化。
混合过程中S的变化
熵表征为系统的混乱程度,固态下系统的熵构成:主要是混合熵(配置熵),决定于原子可能排列的方式;其次还有振动熵,决定于温度和缺陷。
每摩尔物质有原子,在二元系统中,A、B各自的原子数为NA、NB,即NA+NB=N,材料的成分和浓度为:XA=NA/N、XB=NB/N (XA+N=1)。
混合时熵的变化:
配置熵定义:
K-波耳兹曼常数 W-可能构成的排列方式
混合过程中S的变化
混合过程中H的变化
利用溶液的准化学模型:①设A、B组元尺寸相接近,排列无序;②混合过程中体积基本不变,即ΔV=0;③原子只与最近邻的原子之间存在相互作用,即只计算最近邻原子之间的结合能。
设两最近邻原子之间的结合能分别为uAA、uBB、uAB,固溶体和组元的配位数均为Z。由于H=u+PV,
混合过程中H的变化