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时间:2020-09-13
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1、第七章相变第一节相变概述第二节相变分类第三节成核-生长相变第一节相变概述一、相(phase)什么是相?物理性质和化学性质完全相同且均匀的部分。相与相之间有分界面,可用机械的方法将它们分开。系统中存在的相可以是稳定的、亚稳的或不稳定的。系统在某一热力学条件下,只有当能量具有最小值的相才是最稳定的。系统的热力学条件改变时,自由能会发生变化,相的结构也相应发生变化。二、相变(phasetransformation)1.相变随自由能变化而发生的相的结构的变化称为相变。2.相变过程相变过程:物质从一个相转变到另一个相的过程。a)狭义的相变过程相变前后化学组成不发生变化的过程,相变过程是个物理过程
2、而不涉及化学反应,如液体蒸发、α-石英与α-磷石英间的转变。b)广义的相变过程包括过程前后相的组成发生变化的情况,相变过程可能有反应发生第二节相变的分类分类方法有很多,目前有以几种:一、按物质状态划分二、从热力学角度划分三、按相变发生的机理来划分一、按物质状态划分:液相(liquid)→固相(solid)→气相(gas)二、从热力学角度划分:根据相变前后热力学函数的变化,可将相变分为一级相变、二级相变和高级相变1.一级相变: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2.二级相变:在临界温度、临界压力时,
3、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。3.高级相变:在临界温度,临界压力时,一阶,二阶偏导数相等,而三阶偏导数不相等的相变成为三级相变。实例:量子统计爱因斯坦玻色凝结现象为三级相变。依次类推,自由焓的n-1阶偏导连续,n阶偏导不连续时称为高级相变。二级以上的相变称为高级相变,一般高级相变很少,大多数相变为低级相变。三、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(s
4、pinodaldecomposition)3、马氏体相变(martensitephasetransformation)4、有序-无序转变(disorder-ordertransition)1.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。2、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。图1浓度剖面示意图表1两种相变机理的主要差别3、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
5、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。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。3)马氏体转变速度很快,有时速度高达声速。4)马氏体相
6、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。4、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。如尖晶石结构的磁性体Fe3O4,室温下Fe3+Fe2+无序排列,但在120K以下,Fe3+Fe2+占具各自的位置呈有序排列,有序-无序转变的温度称居里点。大多数相变过程都具有成核-生长相变机理。大量的晶型转变包括简单地分解为二相区域的转变,都可以用成核-生长过程来描
7、述。在这种过程中,新相的核以一种特有的速率先形成,接着这个新相再以较快的速度生长。亚稳相到稳定相的不可逆转变。通常是以成核-生长的方式进行。第二节成核-生长相变一、相变过程的不平衡状态及亚稳区从热力学平衡的观点看,将物体冷却(或者加热)到相转变温度,则会发生相转变而形成新相,从图2的单元系统T-P相图中可以看到,OX线为气-液相平衡线(界线);OY线为液-固相平衡线;OZ线为气—固相平衡线。当处于A状态的气相在恒压P’冷却到B点时,达到气-液平
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