固态转变原理

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1、2009年11月固态转变学专题一材料科学和固态相变的基础知识走进材料科学固态相变理论在材料科学与工程中的作用走进材料科学材料—人类文明和进步的支柱石器时代—青铜时代—钢铁时代为什么要学习材料科学基础你想知道？为什么有些钢铁在空气中会生锈，而有些钢铁不生锈？为什么在制造工具和刀具时往往要把成品烧红了之后扔进水里？为什么钢可以进行大应变量轧制变形，而镁就不行？为什么金属可以导电，而陶瓷就不导电？为什么同是钢铁材料却有硬有软？材料都是怎样设计来满足使用性能要求的？…,…走进材料科学与工程材料科学与工程新材料的开发已有材料的性能改善科学工程怎么做ABCP/CA:材料的成分

2、（合金元素的作用等）CompositionB:材料的组织（材料的相组成，尺寸和其它的微观特征等）MicrostructureC:材料的制备工艺（连接，热处理，成型，铸造，冶炼等）ProcessingP/C:材料的使用和成本（力学性能，物理性能，对环境的作用，成本/能源）Performanceandcost构成材料科学与工程的四要素材料的成分材料的成分材料的制备材料的制备材料的组织和结构相、组织、结构材料的组织和结构材料的应用固态相变在材料科学工程中的作用材料的成分和工艺材料的使用性能固态转变第一专题的思考和讨论请根据大学结业的课题从材料科学与工程四要素阐述固态相变

3、学在材料科学中的应用和地位第一专题完专题二固态转变的基本热力学原理热力学基本知识热力学函数热力学热力学平衡状态固态转变的基本热力学原理Gibbs自由能和平衡相平衡关系的描述—相图相图是在给定条件下体系中各相之间建立平衡后的几何表达。严格来说，相图应称之为相平衡图，而相图是习惯的简称。采用的热力学变量不同，可以构成不同类型的相图，所以相图的类型可以有很多。对于材料科学工作者来说，最关心的是凝聚态。压力变化不大的情况下，压力对凝聚态相平衡的影响可以忽略。所以，除了特殊情况，通常使用以温度T和成分xi（第i组元的摩尔分数）或wi（第i组元的质量分数）为坐标的相图。由两个

4、组元构成的合金的相图，称之为二元相图。相律若选取温度T、压力P和组元成分xi（或wi）作为独立变量，体系中各相达到平衡时，相律的形式为式中，C是相所含的组元数，是平衡相的数目，F是自由度数。对于凝聚态系统中的相平衡，通常每改变105Pa压力，其平衡温度改变约10-2Κ的数量级。因此，在压力变化不大的情况下，压力的影响可以忽略，把系统看做是恒压的。这时相律的形式变为固溶体的Gibbs自由能相变的Gibbs自由能的变化从相转变成相转变的热力学驱动力二元合金中第二相析出的热力学驱动力公切线法则x0为什么两相平衡时，相和相的平衡成分是两条曲线公切线切点的成分？x

5、xPEP点和E点的含义是什么？相图的热力学来源固态转变的一些基本概念稳定的和不稳定的自由能曲线Spinodal分解两类Gibbs转变形核与长大（不连续转变）调幅分解（连续转变）相变的分级根据相变过程中Gibbs自由能随外界条件变化的几阶导数发生了不连续变化，则成为几级相变。例如如果在相变过程中随温度变化，相变前后由于结构改变导致系统的熵发生了改变则为一级相变。如果随压力变化相变发生了体积的变化则为一级相变。一般金属中发生的固态相变为一级相变。短程和长程扩散界面控制的过程—新相形成过程中随界面迁移，原子跃过界面的迁移过程当新相和母相成份不同时，除了原子越过界面的

6、迁移过程外，往往需要长距离（数倍的原子间距）的原子输送来满足新相的成分要求相变动力学—相变的速度讨论根据前面的分析系统的Gibbs自由能定义为：忽略压力的变化，则在一个封闭系统中，系统的熵永远为正。则表明随着温度的增加，系统的自由能减少。那么根据热力学判据，一个系统的温度似乎应该自动升高，这与实际不合，请分析上述分析错误的原因。为什么Fe-C平衡相图在Fe-Fe3C平衡相图的左上方？专题三固态转变动力学—形核和长大扩散型转变的相变形核理论扩散型转变—相变的发生是通过原子的热运动来完成的新相和母相往往具有不同的结构或/和成分讨论的重点形核过程中Gibbs自由能的变化

7、固态相变的经典形核理论固态相变新相核心形成过程的能量变化母相形成新相体积自由能GV的减少母相和新相之间的界面增加的界面能/母相和新相的比容不同受约束的体积膨胀/收缩造成的弹性应变能GE问题形核的过程是热力学自发的过程吗？具有临界核心半径的新相核心是如何形成的？那有没有直接形成半径大于r0的核心的可能？临界核心半径与过冷度的关系如何？形成一个具有临界半径的新相的核心需要外界做功多少？忽略弹性应变能的影响GE=0这种外界所需要做的功从何而来？从母相形成新相的核心时，两相的成分差异如何解决？新相核心形成的必要条件必须具有形核的驱动力—过冷度需要结构起伏提供具

8、有临界核心