第1节 相与相平衡
1. 相 (Phase)
在一个系统中,成分、结构相同,性能一致的均匀的组成部分叫做相,这里所谓均匀,意指在这个部分里温度、压力、化学成分以及结构都相同,不同相之间有明显的界面分开。
一个相必须在物理性质和化学性质上都是均匀的,并且理论上可以机械分离的。相可以是固态、液态或气态。由于气态是互溶的,平衡系统中气相数只能为1。但液相和固相则可能有两种或两种以上。不同的相之间必然有界面将其分开,但是由界面分开的并不一定就是两个不同的相。在界面两侧性质发生突变的是两个不同的相,它们之间的界面称为相界面。界面两侧性质不发生突变的则属于同一种相,同一种晶体相之间的界面称为晶界。在显微组织(此为金属学常用名称,陶瓷则常称为显微结构)中如果是由成分、结构互不相同的几种晶粒组成,该组织(或称结构)就有几种不同相。但是如果是由成分、结构完全相同的晶粒组成,尽管晶粒之间有晶界分开,但是它们都属于同一种相。
2. 组元 (Component)
组元通常是指系统中每一个可以单独分离出来,并能独立存在的化学纯物质,在一个给定的系统中,组元就是构成系统的各种化学元素或化合物。按照组元数目的不同,可将系统分为一元系、二元系、三元系和多元系统。在许多合金系统中,组元数往往就等于构成这个系统的化学元素的数目。为了便于分析和研究相图,将既不分解也不发生化学反应的稳定化合物也视为一种组元。在陶瓷材料体系中,常以氧化物作为组元,各组元之间可能存在化学反应,独立组元数目未必等于所有氧化物种类数。
3. 相平衡和相律
在某一温度下,系统中各个相经过很长时间也不互相转变,处于平衡状态,这种平衡称为相平衡。相平衡的热力学条件要求各个组元在各相中的化学位必须相同。因此,相平衡时系统内部不存在原子的迁移。但是,相平衡是一种热力学动态平衡,即在相界两侧附近原子仍在不停地转移,只不过在同一时间内相之间原子转移速度相等而已。吉布斯相律(Gibbs Phase Rule)是处于热力学平衡状态的系统中自由度与组元数和相数之间的关系定律,通常简称为相律。相律是分析和使用相图的重要依据。在一般情况下,只考虑温度和压力对系统平衡状态的影响,相律的表达式为
F=C-P+2 (8-1)
没有气相的系统称为凝聚系统。通常范围内的压力对凝聚系统相的平衡影响很小,一般忽略不计,所以在恒压条件下,相律可写成
F=C-P+1 (8-2)
式中: F是自由度数; C是组成材料系统的独立组元数; P是平衡相的数目。自由度是指平衡系统中保持平衡相数不变的条件下独立可变的因素(如温度、浓度等)的数目。
相律是相图的基本规律之一,任何相图都必须遵从相律。相律可以用来确定系统处于平衡时可能存在的最多平衡相的数目,也可以用来判断测绘的相图是否正确。
(本节完)
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