冶金與材料熱力學（簡體書）

《普通高等教育"十二五"規劃教材:冶金與材料熱力學》可作為材料類專業的研究生教材，也可供化學化工等相關專業研究生教學和材料工程領域的科技工作者參考。

緒論
1反應焓的計算方法及應用
1.1焓變計算方法
1.1.1物理熱的計算
1.1.2化學反應焓的計算
1.2其他方法計算化合物的標準生成焓
1.2.1利用溶解焓計算化合物的標準生成焓
1.2.2利用電池電動勢計算化合物的標準生成焓
1.2.3利用離子標準生成焓計算化合物的標準生成焓
1.2.4利用平衡常數與溫度的關系計算反應生成物的標準生成焓
1.3熱容和標準生成焓的近似計算
1.3.1熱容Cp和CV的近似計算
1.3.2無機化合物標準生成焓的近似計算
1.4熱化學在冶金和材料制備過程中的應用實例
1.4.1理論熱平衡計算最高反應溫度（理論溫度）
1.4.2煉鋼過程中元素氧化發熱能力計算
1.4.3熱化學計算用于提取冶金工藝的建立與選擇
1.4.4Al—TiO2—C—ZrO2（nm）體系燃燒合成刀具材料的絕熱溫度計算
本章例題
習題
2標準吉布斯自由能計算及其在冶金和材料制備過程中的應用
2.1標準吉布斯自由能變化的計算
2.1.1定積分法計算標準吉布斯自由能△G——焦姆金—施瓦爾茲曼方程
2.1.2不定積分法計算標準吉布斯自由能△G——吉布斯—亥姆霍茲方程
2.2標準吉布斯自由能變化與溫度的關系式
2.2.1△G與溫度T關系的多項式
2.2.2△G與溫度T關系的近似式
2.3標準吉布斯自由能的估算方法
2.3.1固態物質標準熵的估算方法
2.3.2液態物質標準熵的估算方法
2.3.3氣態物質標準熵的近似計算方法
2.4運用△rG時應注意的幾個問題
2.4.1用△rG判斷化學反應方向的數值界限
2.4.2△rG與平衡問題
2.4.3△rG與逐級還原（或逐級氧化）規則
2.4.4△rG判斷化學反應方向的局限性
2.5△rG和△rG在冶金和材料制備過程中的應用
2.5.1高爐冶煉中元素還原的熱力學分析
2.5.2共生礦綜合利用的熱力學分析
2.5.3坩堝反應與坩堝選擇的熱力學分析
2.5.4氮化硅陶瓷材料的熱力學穩定性分析
2.5.5鋯剛玉莫來石氮化硼復合材料制備的熱力學分析
本章例題
習題
3熱力學參數狀態圖及其應用
3.1熱力學參數狀態圖的種類
3.1.1化合物（或化學反應）標準吉布斯自由能與溫度的關系圖
3.1.2化學反應吉布斯自由能對溫度圖（又稱波貝克斯—埃林漢圖）
3.1.3化學反應吉布斯自由能□圖（又稱極圖）
3.1.4化學反應的平衡常數一溫度□圖
3.1.5化學反應的□圖
3.1.6硫化物焙燒反應的優勢區圖
3.1.7氧勢—硫勢圖
3.1.8電化學反應的電勢E—pH圖
3.2熱力學參數狀態圖的繪制
3.2.1繪制熱力學參數狀態圖的原理
3.2.2熱力學參數狀態圖繪制的方法
3.3熱力學參數狀態圖應用實例
3.3.1直接利用熱力學參數狀態圖分析汝窯天青釉呈色機理
3.3.2利用熱力學參數狀態圖結合相圖選擇SO2傳感器的固體電解質和參比電極材料
3.3.3利用熱力學參數狀態圖的疊加分析復雜銅礦選擇性氧化焙燒使銅、鐵分離的熱力學條件
3.3.4利用熱力學參數狀態圖對制備si3N4超細粉的熱力學進行分析
3.3.5利用多元熱力學參數狀態圖對合成新型復合材料剛玉莫來石ZrB2的可行性分析
本章例題
習題
4溶液（固溶體）熱力學
4.1理想溶液
4.1.1冶金和材料制備過程中遇到的理想溶液
4.1.2理想溶液的依數性及其在冶金和材料中的應用
4.2冶金和材料制備過程中常見的真實溶液
4.2.1活度的熱力學定義和標準態
4.2.2活度的測量方法
4.2.3活度的相互作用系數
4.3金屬溶液（含固溶體）模型及其應用
4.3.1理想溶液模型
4.3.2正規溶液模型
4.3.3溶液的準化學模型
4.4熔渣（適用于熔融玻璃）模型及活度計算
4.4.1焦姆金完全離子溶液理論
4.4.2熔渣的馬森模型
4.5活度計算與應用實例——稀土處理鋼液的熱力學計算與分析
本章例題
習題
5相圖分析與計算
5.1二元相圖概述
5.1.1簡單低共熔（共晶）型二元系
5.1.2含有中間化合物型二元系
5.1.3含固溶體型二元系
5.1.4液態部分互溶——形成偏晶（又稱偏熔）型二元系
5.2三元相圖的基本類型
5.2.1共熔（共晶）型三元系
5.2.2生成化合物的三元系
5.2.3完全互溶型三元系
5.2.4有液相分層的三元系
5.3三元相圖分析方法及基本規則的運用
5.3.1三元系內任意一點成分的確定方法
5.3.2確定三元系混合物的組成方法
5.3.3確定相界線上溫度變化的方向
5.3.4判斷相界線的性質
5.3.5劃分二次體系規則
5.3.6零變點的判定
5.4相圖的構筑與判定
5.4.1相圖構筑的基本原則
5.4.2相圖正誤判定
5.5相圖計算原理與方法
5.5.1二元相圖計算
5.5.2三元相圖計算簡介
5.6相圖應用實例
5.6.1利用二元相圖分析釔鐵石榴石（Y3Fe5O12）單晶制備
5.6.2依據相圖選擇高爐渣利用的科研技術路線
5.6.3利用相圖分析高溫陶瓷賽隆的合成條件
5.6.4利用相圖選擇氧氣頂吹轉爐造渣路線
5.7活度計算及由相圖提取熱力學參數
5.7.1由二元相圖提取活度
5.7.2三元系各組元活度的計算
本章例題
習題
6相變熱力學
6.1一級和二級相變
6.1.1一級相變
6.1.2二級相變
6.2穩定相與亞穩相
6.2.1新相生成熱力學
6.2.2亞穩相生成熱力學
6.2.3亞穩相的溶解度定律
6.3凝固熱力學
6.3.1固相表面曲率對熔點的影響
6.3.2壓力對凝固過程的影響
6.4失穩（Spinodal）分解（調幅分解）熱力學
6.4.1二元系失穩分解（調幅分解）熱力學條件
6.4.2三元系失穩分解（調幅分解）熱力學條件
6.5馬氏體相變熱力學
6.5.1馬氏體相變熱力學概述
6.5.2金屬和陶瓷材料的馬氏體相變
6.6有序—無序轉變熱力學
6.6.1有序—無序相變概述
6.6.2有序—無序相變驅動力計算
本章例題
習題
7無機熱化學數據庫及其應用
7.1無機熱化學數據庫簡介
7.1.1數據庫
7.1.2應用程序庫
7.1.3計算機操作系統
7.2無機熱化學數據庫的應用
7.2.1國內外主要無機熱化學數據庫
7.2.2無機熱化學數據庫在冶金和材料制備領域的運用實例
本章例題
習題
8冶金和材料熱力學分析實例
8.1熱力學在冶金過程中應用實例
8.1.1選擇性氧化（還原）理論在冶金過程中的應用
8.1.2選擇性還原——從紅土鎳礦中提取鈷和鎳
8.1.3煉鋼過程脫硫脫磷的熱力學分析
8.1.4銅锍吹煉熱力學
8.1.5氯化冶金原理
8.1.6金屬中夾雜物形成的熱力學分析
8.2熱力學在材料制備過程中應用實例
8.2.1資源高效利用熱力學分析
8.2.2陶瓷刀具和磨具材料Al2O3—TiC—zrO2（nm）制備的熱力學分析
8.2.3Ti—ZrO2梯度功能材料制備熱力學分析
8.2.4汽車尾氣傳感材料制備的熱力學
8.2.5聯氨還原化學鍍鎳熱力學分析
本章例題
思考題
附錄
附錄1單位轉化表
附錄2常用常數表
附錄3鍵焓
附錄4離子半徑
附錄5一些物質的熔點、熔化焓、沸點、蒸發焓、轉變點、轉變焓
附錄6某些物質的基本熱力學數據
附錄7氧化物的標準吉布斯自由能
附錄81500K以上氧化物的標準生成吉布斯自由能
附錄9某些化合物的標準吉布斯自由能變化
附錄10不同元素溶于鐵液生成w[i]=1％溶液的標準溶解吉布斯自由能
附錄11溶于鐵液中1873K（1600"（2）時各元素的e：
附錄12不同元素溶于銅液生成w[i]=1％溶液的標準溶解吉布斯自由能
附錄13Cu—i—j系活度相互作用系數
附錄14本書英文目錄
附錄15本書俄文目錄
參考文獻

圖5—8所示的Pb—Zn二元系是典型的液態分層實例。由圖可以看出，在773K（500℃）時，向液態鉛中加入鋅，開始只是鋅溶于鉛液中，溶液仍保持單相。直到鉛液中鋅的濃度達到a點（w（Zn）=3.5％），鉛液中開始出現第二個液相即富鋅相，成分與6點（W（Zn）=98％）對應。如果保持溫度不變，繼續向體系加入鋅，體系總成分x0由a向b移動，而兩個液相的成分并不改變（仍保持a點和b點的成分），只是富鋅液相的量不斷增加，而富鉛液相的量相對減少。兩液相的量可用杠桿規則計算，直到總成分xo到達b點。此后若再加入鋅，富鉛液相消失，體系又成為單一液相。隨著溫度的升高，鉛在鋅液中的溶解度（即沿dG線，稱為分溶線）和鋅在鉛液中的溶解度（即沿cG線，稱分溶線）均增加，兩條線匯合于臨界點G（也是最高點，臨界溫度1071 K，W（Pb）=55％）。在某一溫度下的等溫線與兩條分溶線的交點，是兩個平衡液相的成分代表點，這兩個點的連線稱結線（由于在這條線上發生偏晶反應，故又是偏晶反應線），兩個平衡的液相稱為共軛溶液。
下面用圖5—8中M點合金液（w（Pb）=25％）的結晶過程，來認識這一類型相圖的特點。當M點合金液冷卻到1028K時，熔體開始分層，將其中一層稱為鋅液（w（Pb）=25％），另一層稱為鉛液（w（Pb）=82％）。熔體繼續冷卻到773K時，鋅液成分變成w（Pb）=2％，鉛液成分變成w（Pb）=96.5％，它們的質量可用杠桿規則計算。當冷卻到690.8K時，發生偏晶反應，成分為w（Pb）=0.9％的Ld鋅液分解成純固態鋅和成分為w（Pb）=98％的Lc鉛液。這個反應在恒溫、恒組成下進行直到組成為Ld的鋅液完全耗盡，此時體系由固態鋅和組成為Lc的鉛液兩相組成。若繼續冷卻，鉛液成分沿ce線向e點靠近。當冷卻到591.2K時，發生共晶反應，由鉛液析出純鋅和純鉛，直到鉛液全部消耗。之后的冷卻，就是兩個固相混合物的繼續冷卻。
圖5—8右上角為兩組元液態部分互溶、固態完全不互溶（可看做是分溶線與簡單共熔相圖的組合）類型的示意圖。圖中分溶線與組元A的液相線交于c及d，在fdc線溫度下，體系出現偏晶反應Ld=LcL+A，此時體系處于三相平衡，自由度為零，表明反應是在恒溫、定組成條件下進行直到有一相完全消失為止。
另一類液態有分層的二元相圖，可以把它們看做是分溶線與共熔（共晶）型或包晶型相圖組合。這種類型相圖的特點是：液態兩組元部分互溶，固態兩組元也部分互溶。若分溶線與a固溶體的液相線相交，偏晶反應Ld=Lc+ay，分溶線也可出現在β固溶體的液相線上。這時偏晶反應的產物是β固溶體。第三類液態有分層的二元相圖，可以把它們看做是分溶線與含化合物型相圖組合。這種類型相圖的特點是：液態部分互溶，固態生成化合物。
此外，還有冶金體系中極少見到的分溶線與完全互溶型相圖組合。它們的分析方法與第一類相同，不再贅述。