无机材料科学基础-8-相变过程-烧结_ppt课件

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1、无机材料科学基础FundamentalofInorgaticMaterials田长安E-mail:tianchangan@tom.comDepartmentofChemistryandMaterialsEngineering,HefeiUniversity,Hefei230022LessonOne2009年9月1田长安合肥学院第八章相变过程相变过程是物质从一个相转变为另一个相的过程，是指在外界条件发生变化的过程中物相于某一特定的条件下(临界值)发生突变。表现为：①从一种结构转变为另一种结构。如气、

2、液、固相的相互转变。②化学成分的不连续变化。如均匀溶液的脱溶沉淀和固溶体的脱溶分解等。③更深层次结构的变化并引起物理性质的突变。如顺磁体-铁磁体转变、顺电-铁电转变、导体-超导体转变等。2009年9月2田长安合肥学院相变过程在工业中十分重要。例如陶瓷、耐火材料的烧成和重结晶，或引入矿化剂来控制其晶型转化；玻璃中防止失透或控制结晶来制造各种微晶玻璃；单晶、多晶和晶须中采用的液相或气相外延生长；瓷釉、搪瓷和各种复合材料的熔融和析晶；以及新型铁电材料中由自发极化产生的压电、热释电、电光效应等，都可归之为

3、相变过程。相变过程涉及的基本理论对获得特定性能的材料和制定合理的工艺过程极为重要，目前已成为研究无机材料的中心课题。2009年9月3田长安合肥学院8.1相变的类型8.1.1按状态分类气相液相气相晶相液相1液相2液相晶相晶相晶相2凝聚凝聚液相分相蒸发升华结晶熔融晶相转变2009年9月4田长安合肥学院分一级相变和二级相变。8.1.2按热力学分类一级相变的特点是新旧两相的化学势相等，但化学势的一级偏导不等。2009年9月5田长安合肥学院也可写成：Cp为热容，R为压缩系数为膨胀系数2009年9月8田长安

4、合肥学院可见，二级相变时两相化学势、熵、体积相等，但热容、热膨胀系数、压缩系数却不相等。即相变时无相变潜热、无体积变化。由于热容随温度的变化在相变温度T0趋于无穷大，Cp~T曲线具有的形状，因而二级相变又被称为相变，其相变点成为点或居里点。熔融态到玻璃的转变、一般合金的有序-无序转变、铁磁性-顺磁性转变、超导态转变均属于二级相变。注意：有的相变即具有一级相变特征，又具有二级相变的特征，属于混合型的相变。如BaTiO3的相变具有二级相变的特征，但又有相变潜热；KH2PO4的铁电体相变在理论上是

5、一级相变，但实际上却符合二级相变的特征。2009年9月9田长安合肥学院8.1.3按相变机理分类分成核-生长相变和斯宾纳多(Spinodal)分解。成核-生长相变是由程度大、范围小的浓度起伏开始发生相变并形成新相核心。斯宾纳多分解是由程度小、范围大的浓度起伏连续的长大形成新相。斯宾纳多分解，又称为旋节分解，在二元金属固溶体系统、氧化物系统、玻璃系统中常见，其特点是当一相转变为另一相时，组成连续的变化，直到达到平衡为止，两相界面起初很散乱，后来才明显，相的尺寸和分布具有规律性，第二相分离成高度连续性的

6、非球型颗粒，分相所需时间极短，动力学障碍小。2009年9月10田长安合肥学院8.1.4按质点迁移特征分类分为扩散型相变和无扩散型相变。扩散型相变是依靠原子或离子的扩散来进行的，如晶型转变、熔体中析晶、气-固、液-固相变和有序-无序转变。无扩散型相变是低温下进行的纯金属(锆、钛、钴等)同素异构转变以及一些合金(Fe-C、Fe-Ni、Cu-Al等)中的马氏体转变。相变的分类除上述四种外，还可按成核特点分为均质转变和非均质转变，也可按成分结构的变化情况分为重建式转变和位移式转变。2009年9月11田长安

7、合肥学院由于相变所涉及的新旧能量变化、原子迁移、成核方式、晶相结构等的复杂性，很难用一种分类法描述。下面是陶瓷材料相变的综合分类：2009年9月12田长安合肥学院8.2成核-生长相变大多数相变过程都具有成核-生长相变机理，如大量的晶型转变、一相分解为两相的转变、亚稳相到稳定相的不可逆转变、熔体的析晶等等。本节将结合熔体析晶过程，对成核-生长相变进行热力学和动力学上的分析和讨论。2009年9月13田长安合肥学院规定熔体和晶体自由焓相等的温度为Tm，Tm是热力学上真正的相转变温度。理论上，当温度高于T

8、m时，晶相将转变为液相，当温度低于Tm时，液相将转变为晶相，两相自由能的降低是相变的驱动力。2009年9月14田长安合肥学院但事实上，熔体冷却到Tm时，并不自发的相变，而是要冷却到更低的温度T时才相变。Tm-T=△T，称为过冷度，是熔体析晶的推动力。由于新核的颗粒很小，其饱和蒸汽压和溶解度远高于平面状态下的数值，因此在相平衡温度下这些微粒远未达到饱和而重新蒸发和溶解。2009年9月15田长安合肥学院从热力学也可得到解释：在Tm固液两相平衡时：2009年9月16田长安合肥学院相变进行