第8章 固态相变

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1、8固态相变1重点内容:①相变的分类;②固态相变的特点,固态相变的形核与晶核长大。③液-固相变过程的热力学和动力学分析,晶体生长过程动力学;8固态相变2一基本概念相变:指当外界条件如温度、压力等发生变化时,物相在某一特定条件下发生的突变。相变表现为:1)从一种结构转变为另一种结构。2)化学成分的不连续变化。3)物质物理性能的突变。8固态相变3应用:相变可以控制材料的结构和性质。相变开裂:石英质陶瓷相变增韧:1)氧化锆陶瓷2)地砖:玻璃态“微裂纹扩展”玻璃态+晶体态晶体含量,强度狭义相变:过程前后相的化学

2、组成不变,即不发生化学反应。如:单元系统中。晶体I晶体II广义相变:包括过程前后相组成的变化。8固态相变48.1概述二固态相变的分类1按物质状态变化分:液相(liquid)→固相(solid)→气相(gas)58.1概述2按热力学函数变化分类(1)一级相变:相变时两相的化学位相等,而化学位对温度及压力的一阶偏微分(-S,V)不等的相变。伴随潜热的释放和体积的改变。如蒸发、升华、熔化以及大多数固态晶型转变属于此类。(2)二级相变:相变时两相的化学位相等,化学位的一阶偏微分也相等,但二阶偏微分不相等的相变。

3、没有相变潜热和体积改变,有比容、压缩系数、膨胀系数变化,如磁性转变、有序-无序转变、超导转变等属于此类。61)一级相变:在临界温度、压力时,化学位的一阶偏导数不相等的相变。两相能够共存的条件是化学位相等。相变时:体积V,熵S,热焓H发生突变8.1概述72)二级相变:在临界温度、临界压力时,化学位的一阶偏导数相等,而二阶偏导数不相等的相变。因为:恒压热容材料压缩系数材料体膨胀系数8所以二级相变时,系统的化学势、体积、熵无突变,但所以热容、热膨胀系数、压缩系数均不连续变化,即发生实变。8.1概述98.1概述二

4、固态相变的分类3按相变过程中原子迁移情况1)扩散型:依靠原子的长距离扩散;相界面非共格。(如珠光体、奥氏体转变,Fe,C都可扩散。)(2)非扩散型:旧相原子有规则地、协调一致地通过切变转移到新相中;相界面共格、原子间的相邻关系不变;化学成分不变。(如马氏体转变,Fe,C都不扩散。)(3)半扩散型:既有切变,又有扩散。(如贝氏体转变,Fe切变,C扩散。)104、按相变发生的机理分类1)成核-生长机理(nucleation-growthtransition)2)斯宾那多分解(spinodaldecomposi

5、tion)3)马氏体相变(martensitephasetransformation)4)有序-无序转变(disorder-ordertransition)8.1概述111)nucleation-growthtransition成核-生长机理是最重要最普遍的机理,许多相变是通过成核与生长过程进行的。这两个过程都需活化能。如,单晶硅的形成、溶液中析晶等。8.1概述122)Spinodal分解又称为不稳定分解,拐点分解或旋节分解,是由于组成起伏引起的热力学上的不稳定性而产生的。8.1概述13图1浓度剖面示意图

6、8.1概述14表1两种相变机理的主要差别8.1概述153)马氏体相变:马氏体相变最早在中,高碳钢冷淬火后被发现,将钢加热到一定温度(形成奥氏体)后经迅速冷却(淬火)即会使钢变硬,增强。这种淬火组织具有一定特征,称其为马氏体。最早把钢中的奥氏体转变为马氏体的相变称为马氏体相变。后来发现纯金属和合金也具有马氏体相变。8.1概述16马氏体相变的特点:马氏体相变在动力学和热力学上都有自己的特征,但最主要的特征是在结晶学上,这种转变发生时,新旧成分不变,原子只做有规则的重排而不进行扩散。(1)母相和马氏体之间不改变

7、结晶学方位的关系,新相总是沿着一定的晶体学面形成,新相与母相之间有严格的取向关系,靠切变维持共格关系。(2)相变时不发生扩散,是一种无扩散转变。马氏体相变为一级相变。8.1概述17(3)马氏体转变速度很快,有时速度高达声速。(4)马氏体相变过程也包括成核和长大。由于相变时长大的速率一般很大,因此整个动力学决定于成核过程,成核功也就成为相变所必需的驱动力。也就是说,冷却时需过冷至一定温度使具有足够的成核驱动力时,才开始相变。8.1概述184)有序—无序相变:旧相和新相结构只是对称性的改变,相变过程以有序参量

8、表征的相变。有序-无序的转变是固体相变中的另一种机理,属扩散性相变。8.1概述195.按结构变化分类重构型:化学键被破坏,新相和母相在晶体学上没有明确的位向关系。位移型:不涉及化学键的破坏,新相和母相之间存在明显的晶体学位向关系。有序-无序型:涉及到多组元固溶体中两种或多种原子在晶格点阵上排列的有序化。8.1概述206.按动力学机制分类均匀相变:没有明显的相界面,相变是在整体中均匀进行的,相变过程中的涨落程度很小而空间范围很大

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