固态相变理论基础

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固态相变热力学原理pptx

固态相变热效应的定义
根据热效应的性质，固态相变热效应可分为可逆热效应和不可逆热效应。
固态相变热效应的分类
固态相变过程的熵变
固态相变过程中，系统的熵会发生改变。根据热力学第二定律，固态相变过程的熵变大于零。
固态相变过程的自由能变化
在固态相变过程中，系统的自由能也会发生改变。自由能的变化可以用来判断固态相变的方向和程度。
基于动力学参数的速率表达式
相变速率与界面能和体积能成反比，与扩散系数成正比。
固态相变速率的表达式
动力学模型的实验验证和应用
通过实验测量固态相变速率，验证动力学模型的准确性。
利用动力学模型预测不同条件下的固态相变行为，如材料热处理和合金时效过程中相变序列和相组成的变化。
通过调整材料成分和制备工艺，控制固态相变过程，实现材料性能的优化。
03
热力学第一定律
在固态相变过程中，若系统外界的热量流入和内部热量耗散达到平衡，则系统内各相的热力学性质（如内能、焓等）将保持不变。
热力学第二定律
在固态相变过程中，系统熵的增加是大于零的，即固态相变过程总是朝着熵增加的方向进行。
固态相变热力学平衡判据
固态相变过程的热效应
固态相变过程中，系统吸收或释放的热量。
研究现状
随着科学技术的发展，固态相变的研究也呈现了新的发展趋势。一方面，研究者们不断开发新的实验方法和测试技术，以便更好地研究固态相变过程中的物理和化学现象。另一方面，计算机模拟技术的进步也为固态相变的研究提供了更为有效的手段，使得研究者们可以通过对微观结构和性能的预测和模拟，更好地理解固态相变的原理和机制。
计算材料热力学性质的模型和算法
05
03
平衡态模拟
通过模拟粒子的长时间运动，可以达到平衡态，进而计算材料的热力学性质。

金属固态相变原理

金属固态相变原理
金属固态相变原理是指金属在一定条件下从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的现象。

金属固态相变是金属材料性质变化的根本原因，对于金属材料的微结构和力学性能具有重要影响。

金属固态相变通常发生在固态下的高温和高压条件下。

当金属的温度或压力发生变化，原子间的相互作用力也会发生变化，从而引起晶体结构的转变。

金属固态相变的过程中，原子重新排列形成新的晶体结构，相应地，金属材料的物理性质和力学性能也会发生改变。

金属固态相变的原理是基于金属的晶体结构和原子间的排列方式。

金属材料的晶体结构可以分为多种不同的形态，包括体心立方结构、面心立方结构、六方最密堆积结构等。

不同的晶体结构具有不同的密堆积方式和原子排列方式，决定了金属材料的力学性能和物理性质。

金属固态相变的原理还涉及到金属的晶格畸变和原子扩散。

晶格畸变是指金属晶体结构在相变过程中的形变和畸变现象，它可以影响金属材料的晶体结构稳定性和力学性能。

原子扩散是指金属内部原子的迁移和重新排列的过程，是金属固态相变发生的基础。

总之，金属固态相变原理是基于金属材料的晶体结构和原子间的相互作用力，通过改变材料的温度、压力和其他外界条件，使金属发生晶体结构的转变，进而影响金属材料的物理性质和
力学性能。

这一原理对于金属材料的研究和应用具有重要的意义。

相变与相图的基础知识

相变与相图的基础知识相变和相图是物质在不同条件下发生的重要现象和描述方法。

相变是指物质在一定条件下由一种相态转变为另一种相态的过程，而相图则是用图形的方式展示了物质在不同温度、压力等条件下的相变规律。

一、相变的基本概念与分类相变是物质的一种内部状态的改变，主要包括固态、液态和气态之间的转变。

在不同的温度和压力下，物质的分子或原子之间的排列和运动方式发生改变，从而导致相态的转变。

1. 固态到液态的相变称为熔化，液态到固态的相变称为凝固。

在熔化过程中，物质的分子或原子获得足够的能量，使得原本紧密排列的结构变得松散，从而形成液体。

而在凝固过程中，物质的分子或原子失去能量，重新排列成为有序的结晶体。

2. 液态到气态的相变称为汽化，气态到液态的相变称为液化。

在汽化过程中，物质的分子或原子获得足够的能量，使得它们的运动速度增加，克服了相互之间的吸引力，从而形成气体。

而在液化过程中，物质的分子或原子失去能量，运动速度减慢，重新聚集在一起形成液体。

3. 固态到气态的相变称为升华，气态到固态的相变称为凝华。

在升华过程中，物质的分子或原子直接从固态跳过液态，获得足够的能量，形成气体。

而在凝华过程中，气体分子或原子失去能量，直接从气态跳过液态，重新排列成为固体。

二、相图的基本概念与构成相图是用图形的方式描述物质在不同温度、压力等条件下的相变规律。

相图通常由坐标轴和相区组成。

1. 坐标轴：相图的横轴和纵轴通常分别表示温度和压力。

通过改变温度和压力的数值，可以观察到物质的相变行为。

2. 相区：相区是相图中不同相态所占据的区域。

常见的相区有固相区、液相区和气相区。

在相图中，不同相区之间存在相变的边界线，称为相界。

3. 相界：相界是相图中不同相区之间的分界线。

相界可以分为平衡相界和不平衡相界。

平衡相界表示相变过程达到平衡状态，而不平衡相界则表示相变过程不完全达到平衡状态。

三、相图的应用与意义相图是研究物质相变规律的重要工具，具有广泛的应用价值。

热力学系统的相变与相变平衡

热力学系统的相变与相变平衡热力学是研究能量转化和能量传递的学科，而相变则是热力学中非常重要的概念之一。

相变是物质从一种相态转变为另一种相态的过程，例如从固态到液态的熔化，从液态到气态的汽化等。

相变过程中的能量转化和物质的性质变化对于我们理解和应用热力学非常重要。

本文将介绍热力学系统的相变及其相变平衡的基本概念和相关理论。

1. 相变的基本概念相变是物质由一个相态变为另一个相态的过程，可以是固态到液态、液态到气态、固态到气态等。

相变发生时物质的性质会发生明显的变化，例如物质密度、体积、热容等。

相变可以通过调节温度和压力等外部参数来实现，一定条件下的相变称为相变平衡。

在相变过程中，物质的温度和压力保持不变，而物质内部结构的排列方式发生变化。

2. 相变的分类根据物质相变时的温度和压力变化趋势，相变可以分为一级相变和二级相变。

一级相变也称为一级相变点，一般发生在固液或液气相变时，相变过程中物质的温度保持不变，需要吸收或释放大量的潜热。

例如水的熔化和汽化过程就是一级相变。

而二级相变则是温度和压力随着相变过程的进行而逐渐变化，例如铁的铁磁相变。

3. 相变平衡的条件相变平衡的关键是物质处于两个相态之间的平衡状态，该状态下物质的温度和压力不变。

相变平衡的条件有两个：一是两相共存的压强相等，即两相的化学势相等；二是两相的温度相等，即两相之间没有温度梯度。

只有满足这两个条件，才能称为相变平衡。

4. 相变平衡的相图表示相图是描述物质在不同温度和压力下，各相相对稳定的图形表示。

相图的横轴为温度，纵轴为压力，不同相态的相界以曲线或直线表示。

在相图中，相变平衡的状态对应于相界上的点。

相界也可以通过实验测定得到，例如根据液体和气体相变的压力和温度关系可以得到液气相界。

5. 相变平衡的热力学描述根据热力学第一定律和第二定律，相变平衡过程有以下几个特点：一是相变过程中的能量转化为潜热，即相变过程中单位质量的物质吸收或释放的能量；二是相变平衡过程中物质的温度和压力不变，即可通过相变平衡曲线上的点来确定相变过程中系统的状态；三是相变过程中熵的变化，熵在相变时会发生跳跃，即熵的不连续性。

第二章相固态相变概论

2.3.6过渡相
为了减少界面能，固态相变中往往先形成具有共格相界面的过渡相（亚稳相/态）。（亚稳态是指在一定温度和压力下，物质的某个相尽管在热力学上不如另一个不稳定，但是在某种特定的条件下，这个相可以稳定存在。）亚稳相有向平衡相转变的倾向，但在室温下转变速度很慢。
2.4 相变的分类
① 按热力学分类
P2 T 2 P2 T VK
1 V V T P
K 1 V V P T

P T P T V
T P T P S
(2)二级相变
2.2.3 热力学第二定律
热力学第二定律是对热力学第一定律的补充，可以给出一定条件下，不可逆的，自发进行过程的方向和限度。
热力学第二定律一般有两种表达方式：（1）热不能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体（不可能把热量从低温物体传向高温物体，而不引起其它变化，这是按照热传导的方向来表达的。）（2）不可能从单一热源取热，使之完全变为功而不引起其它变化。(这是从能量消耗的角度说的，它说明第二类永动机是不可能实现的）。第二定律指出，在自然界中，任何过程都不可能自动地复原，要使系统从终态回到初态必须借助外界的作用
半共格界面示意图
3.非共格界面
当两相在相界面处的原子排列相差很大时，两相在界面处完全失配，只能形成非共格界面。非共格界面上存在刃型位错、螺型位错和混合位错，呈复杂的缺陷分布，相当于大角度晶界。
相界面处结构排列的不规则以及成分的差异会使系统能量增加，称为界面能。
非共格界面示意图
界面能包括两部分
玻色-爱因斯坦凝聚态
爱因斯坦将玻色的理论用于原子气体中

固态相变复习考点

固态相变复习考点第一章（1）一、固态相变：（包括纯金属及合金）在温度和压力改变时，组织和结构会发生变化的统称，是以材料热处理的基础二、热处理定义：将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的方式冷却到室温的一种热加工工艺。

三、按平衡状态图金属固态相变的类型分为平衡转变和不平衡转变其变化在于三个方面：结构、成分、有序化程度（发生固态相变时，其中至少伴随这三种变化之一）：⑴ 晶休结构的变化。

如纯金属的同素异构转变、固溶体的多形性转变、马氏体转变、块状转变等；⑵ 化学成分的变化。

如单相固溶体的调幅分解；⑶有序程度的变化。

如合金的共析转变、包析转变、贝氏体转变、脱溶沉淀、有序化转变、磁性转变、超导转变等。

四、按动力学分类(原子迁移情况、形核和长大特点1.扩散型相变 2 非扩散型相变 3半扩散型相变（2）一、 1、固态相变的阻力大 2、新相一般有特定的形状 3、新相与母相之间往往存在特定的位向关系和惯习面 4 原子迁移率低，多数相变受扩散控制 5 相变时容易产生亚稳相 6 普遍存在新相的非均与形核二、固态相变与凝固时的液一固相变一样，服从总的相变规律，即以新相和母相之间的自由能差作为相变的驱动力。

大多数固态相变也符合相变的一般规律，包含形核和长大两个过程，而且驱动力也是靠过冷度来获得，过冷度对形核、生长机制及速率都会发生重要影响。

但固态相变的新相、母相均是固体，因此又有一系列不同于凝固（结晶）的特点。

? ? ? ? ? ?一. 新相和母相间存在不同的界面（相界面特殊）二.新相晶核与母相间的晶体学关系三.相变阻力大（应变能的产生）四.母相晶体缺陷的促进作用五.易出现过渡相（过渡相或中间亚稳相的形成）六. 原子迁移率低（3）固态相变驱动力来源于新相与母相的体积自由能的差ΔGV。

它随相变温度和相成分的改变而改变，一般相变驱动力随过冷度的增大而增大固态相变阻力来自新相与母相基体间形成界面所增加的界面能，以及两相体积差别所导致的弹性应变能，即弹性应变能和界面能之和构成了相变阻力。

第一章合金固态相变基础_合金固态相变

如果相平衡时，两相自由能对温度和压强的一阶偏导数相等，但二阶偏导数不相等，称为二级相变。
⎛ ∂G ⎞ ⎛ ∂G1 ⎞ ⎜ ⎟ =⎜ 2 ⎟ ⎝ ∂T ⎠ P ⎝ ∂T ⎠ P
⎛ ∂G1 ⎞ ⎛ ∂G 2 ⎞ = ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ∂ ∂ P P ⎠T ⎝ ⎠T ⎝
⎞ ⎟ ⎟ ⎠T
⎛ ∂ 2 G2 ⎛ ∂ 2 G1 ⎞ ⎜ 2 ⎜ ⎟ ≠⎜ ⎜ ∂T 2 ⎟ ⎠ P ⎝ ∂T ⎝
性能
工艺
结构
相变
成分
掌握固态相变规律，采取措施，控制固态相变过程以获得预期的组织和结构，从而获得预期的性能，最大限度地发挥现有金属材料的潜力，并可以根据性能要求开发新型材料。
常用措施
热处理－加热：温度、速度，保温时间－冷却：速度固态相变亦称热处理原理（工艺）原理：解决有哪些相变，相变条件，机理及特征工艺：解决如何实现这些相变从而达到预期的性能
1.2.1 相变驱动力
固态相变的驱动力来源于新相与母相的体积自由能的差ΔGV，如图所示。在高温下母相能量低，新相能量高，母相为稳定相。随温度的降低，母相自由能升高的速度比新相快。达到某一个临界温度Tc，母相与新相之间自由能相等，称为相平衡温度。低于Tc温度，母相与新相自由能之间的关系发生了变化，母相能量高，新相能量低，新相为稳定相，所以要发生母相到新相的转变。
位向关系：
新旧相某些低指数晶面（晶向)相互平行。 K-S关系：如钢中发生奥氏体（γ）向马氏体（α）的转变时，奥氏体的密排面｛111｝γ 与马氏体的密排面｛110｝α 平行，马氏体的密排向﹤111﹥α 与奥氏体的密排方向﹤110﹥ γ平行。记为：｛110｝α ||｛111｝γ，﹤111﹥ α ||﹤110﹥ γ

第一章__金属固态相变基础

T A + B
一、相变分类
3. 按原子迁移情况分类（1）扩散型相变温度足够高、原子活动能力足够强、时间足够长情况下发生的相变。特点：相变过程有原子扩散，相变速率受原子扩散速度控制；

新、旧相成分不同；新、旧相比容不同引起体积变化，但宏观形状不变。如：同素异构转变、脱溶转变、共析转变、调幅分解、有序化转变、珠光体转变等
化学势一级偏微商相等
化学势二级偏微商不等
因此：无相变潜热和体积变化，而比热、压缩系数、膨胀系数是变化的。如材料有序化转变、磁性转变、超导转变等。
一、相变分类
2.按平衡状态图分类
(1)平衡相变

同素异构转变和多形性转变纯金属固溶体
纯金属在温度和压力改变时，由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程称为同素异构转变。在固溶体中发生的同素异构转变称为多形性转变。
冷却时：γ→α+Fe3C 共析相变加热时：α+Fe3C→γ 逆共析型相变

调幅分解

某些合金在高温下具有均匀单相固溶体，但冷却到某一温度范围时可分解成为与原固溶体结构相同但成分不同的两个微区，如α→α1+α2，这种转变称为调幅分解。
调幅分解的特点
在转变初期形成的两个微区之间并无明显界面和成分突变，但是通过上坡扩散，最终使原来的均匀固溶体变成不均匀固溶体。
1.1 金属固态相变概述
一、相变分类
1.按热力学分类 (1)一级相变对新、旧相α和β，有： μα=μβ Sα≠ Sβ Vα≠Vβ 说明一级相变有相变潜热和体积变化。材料凝固、熔化、升华、同素异构转变均为一级相变。固态相变大部分为一级相变。
1.1 金属固态相变概述

相变知识点总结

相变知识点总结一、相变的基本概念相变是指物质在一定条件下由一种物态转变为另一种物态的过程。

在常见的物质中，我们可以观察到凝固、熔化、汽化和凝结等相变现象。

从微观的角度来看，相变是由于物质微观结构发生改变所引起的。

在相变过程中，物质的分子和原子之间发生重新排列，从而导致了物质性质的改变。

1. 凝固：当物质从液态转变为固态时，称为凝固。

在凝固的过程中，物质的分子或原子重新排列成规则的晶体结构，形成了固体的状态。

例如，水在温度低于0℃时会凝固成冰。

2. 熔化：当物质从固态转变为液态时，称为熔化。

在熔化的过程中，物质的分子或原子逐渐失去有序排列，形成了液体的状态。

例如，冰在温度高于0℃时会熔化成水。

3. 蒸发：当物质从液态转变为气态时，称为蒸发。

在蒸发的过程中，液体表面的分子会获得足够的能量，从而克服表面吸附力，逸出液体表面成为气体。

例如，水在加热的过程中会发生蒸发。

4. 凝结：当物质从气态转变为液态时，称为凝结。

在凝结的过程中，气体中的分子会失去足够的能量，从而聚集在一起形成液滴。

例如，水蒸气在冷却的过程中会凝结成水滴。

二、相变的特点相变具有以下几个特点：1. 温度不变：在相变的过程中，物质的温度不发生变化。

这是因为相变过程中，吸收的热量用于克服分子间的相互作用力，而不是用于提高温度。

因此，相变过程中的温度保持不变。

2. 热量变化：相变过程中，物质吸收或释放的热量称为相变潜热。

相变潜热是使单位质量物质发生相变所需要的热量。

凝固和凝结过程中，物质释放热量；熔化和蒸发过程中，物质吸收热量。

3. 对外界压力的依赖性：相变的过程受外界压力的影响。

一般来说，增加外界压力会使物质的凝固点和熔化点升高，蒸发点和凝结点降低。

这是因为在高压下，分子活动受到限制，所以相变需要更高的温度或更低的温度才能发生。

三、相变的图像表示相变的过程可以用相变图来表示，相变图是表示物质在不同温度和压力条件下的各种物态之间的转变关系的图表。

成核与晶体生长动力学理论推导

成核与晶体生长动力学理论推导成核与晶体生长是固态相变中的基本过程，涉及到物质的从液相到晶体相的转变。

成核是指由溶液中的原子或分子聚集形成小晶核的过程，而晶体生长是指晶核沉淀后，沿着特定晶格方向逐渐增长形成大晶体的过程。

对于成核与晶体生长动力学的研究，可以帮助我们理解和控制晶体的形态与尺寸，在材料科学、地质学、生物学和化学等领域都具有重要的应用价值。

成核理论是研究成核过程的理论模型，其中最经典的理论是由沃尔福（Volmer）和韦伯（Weber）于1926年提出的沃尔福韦伯（Volmer-Weber）成核理论。

该理论认为，成核过程是一个两步反应，首先是原子或分子在溶液中聚集形成临界尺寸的核，然后通过核的扩张与生长而形成大晶体。

成核的速率决定于原子或分子在溶液中跨过能垒形成核的速率，即形成临界尺寸核的速率。

而晶体生长速率与成核速率成反比，因为生长速率取决于晶体表面的扩散过程。

在沃尔福韦伯成核理论的基础上，进一步发展了凯尔策（Kashchiev）成核理论。

凯尔策成核理论考虑了聚集形成临界尺寸核的自由能变化，通过计算原子或分子在溶液中的自由能变化，可以得到形成核的稳定性和临界尺寸。

该理论引入了过饱和度的概念，过饱和度是溶液中溶质浓度与平衡浓度之比，它反映了溶液中存在多余的溶质。

过饱和度越高，成核速率越快，晶体生长越快。

另一个重要的理论是傅立叶（Fick）理论和奥斯特瓦尔德（Ostwald）熔体理论。

傅立叶理论基于质量守恒和扩散的出发点，通过考虑溶质浓度梯度驱动晶体生长。

奥斯特瓦尔德熔体理论则认为熔体中先形成少数的最稳定晶相，随着时间的推移会发生相变形成最稳定的晶相。

这两个理论共同揭示了晶体生长的动力学过程。

可以通过碳酸钙晶体的生长过程来进一步了解成核与晶体生长的动力学过程。

例如，在洞穴中形成钟乳石，需要溶解的碳酸钙在溶液中被饱和，并通过成核与晶体生长形成钟乳石。

实验证明，成核速率与温度、溶液组分、溶液饱和度等因素有关。

固态相变1-2

1869年，安德鲁斯发现（气-液相变）临界点和临界现象 1873年，范德瓦尔斯(Van der Waals )提出了范德瓦尔斯(非理想气体)方程 a ( p 2 )( v b ) R T v 1876和1878年，Gibbs分两部分发表了“论复相物质的平衡” Gibbs主要贡献：引入Gibbs函数和化学势
上述三种变化可以单独出现，也可以两种或三种变化兼而有之。
§2.1 相及相变
图2.1 水的P‐T图
图2.2 铁的P‐T图
§2.1 相及相变
相变的分析表征技术
§1.3 相变研究发展简况
1900年，荷兰Roozeboom根据相率修订了Austen1899年发表的Fe-C相图。
图1.8a Roozeboom 修订的Fe‐C相图，1900年
图1.8b 目前接受的Fe‐C相图
为纪念Austen在固溶体和Fe‐C相图的贡献，1900年命名固溶体为奥氏体。
7大晶系和14个布拉维点阵
图1.1 相变及能量变化
图1.2 7大晶系和14个布拉维点阵
第一章绪论 §1.1 相变研究的意义
固态相变是金属材料热处理的基础。利用相变可改善材料的显微组织，提高材料的性能，充分发挥材料的潜力。
图1.1 材料研究的四要素
第一章绪论 §1.1 相变研究的意义
第四章 § 4.1 § 4.2 第五章第六章第七章第八章
珠光体共析转变珠光体共析转变相间沉淀马氏体相变贝氏体相变其它相变近代相变理论简介(自学)
第三章脱溶沉淀和Spinodal分解
脱溶沉淀时效硬化合金中的脱溶沉淀胞状脱溶 Spinodal分解
主要内容
材料相变过程涉及热力学、动力学和晶体学

固态相变原理

焓H、赫姆赫兹自由能F、吉布斯自由能G；
内能U：描述系统内部能量的总和；焓H： H＝U＋pV；系统内能与外界对系统所作的功之和；熵S：dS dQ可逆系统在可逆过程中所吸收的热量与系统温度之比；
dT
赫姆赫兹自由能F ：F＝U－TS；吉布斯自由能G： G = H − TS ；讨论相变问题时，G起着热力
0；
(1) 若相变过程放热（如凝聚、结晶），则H 0，要使G 0，
必须T 0，即T0 T，发生相变的条件是过冷；
(2) 若相变过程吸热（如蒸发、熔融），则H 0，要使G 0，
必须T 0，即T0 T，发生相变的条件是过热；
2、均匀成核过程： A、成核-生长相变理论： ①首先系统通过能量或浓度的局域大幅度涨落形成新相的胚芽； ②然后源于母相的组成原子不断扩散至新相表面而使新相的胚
2
T Tc ，所以S
2B
S0
2
2B
T
Tc ；
当T Tc时，S S0，满足熵在相变点Tc连续的条件；
(2) 比热容在的Tc处的变化：
c p
T
S
T
S0
2Tc
2B
具有有限跃迁值；
§3 固态相变动力学 §3.1 新相胚核形成过程
1、相变热力学驱动力：
A、“过冷”、“过热”的亚稳状态： ①从平衡态热力学观点看，当外界条件的变化使系统达到相变
③无公度相存在于TI和TL的温度之间：无公度相在温度降至某一温度TI时出现，随温度继续降低并达到锁定温度TL时，材料的晶格平移性又重新出现而进入另一公度相，新相晶胞尺寸时高温相晶胞边长的整数倍；
B、液晶相变：
①液晶的结构具有介于液体与固体之间的中间相特征；其力学性质于普通液体类似，具有流动性；其光学性质与晶体类似，呈各向异性；

第6章固态相变基本原理材料科学基础理论

材料科学基础理论
第6章固态相变的基本原理
第6章固态相变的基本原理材料科学基础理论
1
概述
固态相变：固态物质内部的组织结构的变化称为固态相变。
相是成分相同、结构相同、有界面同其他部分分隔的物质均匀
组成部分，相变是从已存的相中生成新的相。
新相，生成部分与原有部分存在着或成分不同、或相结构不同、
或有序度不同、或兼而有之，并且和原来部分有界面分隔。
原来的部分称为母相或反应相，在转变过程中数量减少，生成
部分称为新相或生成相，在转变过程中数量增加。稳定相: 对于一定的热力学条件，只有当某相的自由能最低时，
该相才是稳定的且处于平衡态。亚稳相: 若某相的自由能虽然并不处于最低，然而与最低自由
能态具有能垒相分隔，则该相为亚稳相。非稳定相：若不存在这种能垒，则体系处于非稳定态，这种状
态结晶要困难，所要求的过冷度也要大。
• 此外，固态相变时原子的扩散更困难，这是固态相变阻力大的又一个原因。
➢ 总之，固态相变比液态结晶的阻力大，其主要原因有二。
多出一项应变能扩散较困难
• 不同的固态相变之间的差别有的很大，影响因素有⊿GV 、应变能的大小（与比容有关）、扩散系数。
第6章固态相变的基本原理材料科学基础理论
B压缩系数
CPa CP,Ba B,Aa A A膨胀系数
说明：二级相变时，两相的体积和熵发生连续变化，只有热容、膨胀系数和压缩系数发生不连续变化。
8
6.1 固态相变的分类与特征 6.1.1 固态相变的分类
1.按热力学分类
按照自由能对温度和压力的偏导函数在相变点的数学特征——连续或非连续，将相变分为一级相变和高级相变（二级或二级以上的相变）。

金属固态相变原理(徐洲,赵连城主编)PPT模板

第四章马氏体相变
4.4马氏体相变动力学
a
4.4.1降温瞬时形核、瞬时长大
b
4.4.2等温形核、瞬
时长大
c
4.4.3自触发形核、瞬时长大
d
4.4.4表面马氏体相
变
第四章马氏体相变
4.5钢中马氏体的晶体结构
a
4.5.1马氏体点阵常数和碳含量的关系
4.5.2马氏体的点阵结构及其畸变
5.1贝氏体相变的基本特征和组织形态
1
5.1.1贝氏体相变的基本特征
2
5.1.2钢中贝氏体的组织形态
第五章贝氏体相变
5.2贝氏体相变机制
01
5.2.1恩金贝氏体相变
假说
02
5.2.2柯俊贝氏体相变
假说
03
5.2.3贝氏体的形成过
程
第五章贝氏体相变
5.3贝氏体相变动力学及其影响因素
0 1 5.3.1贝氏体等温相变动力学 0 2 5.3.2贝氏体相变时碳的扩散 0 3 5.3.3影响贝氏体相变动力学的因素
1.3.1金属固态相变的速率 1.3.2钢中过冷奥氏体转变动力学
one
02
第二章钢中奥氏体的形成
第二章钢中奥氏体的形成
2.1奥氏体的组织特征 2.2奥氏体的形成机制 2.3奥氏体形成动力学 2.4奥氏体晶粒长大及其控制
第二章钢中奥氏体的形成
2.1奥氏体的组织特征
2.1.1奥氏体形成的温度范围
2.1.2奥氏体的组织和结构
2.1.3奥氏体的性能
第二章钢中奥氏体的形成
2.2奥氏体的形成机制
2.2.1奥氏体形核
1
2.2.2奥氏体晶核长大

固态相变原理

固态相变原理1、相变的基础理论涉及三个方面的共性问题：1）相变能否进行，相变的方向2）相变进行的途径及速度3）相变的结果，即相变时结构转变的特征。

分别对应相变热力学、相变动力学和相变晶体学。

相变是朝着能量降低的方向进行；相变是选择阻力最小、速度最快的途径进行；相变可以有不同的终态，但只有最适合结构环境的新相才易于生存下来。

2、固态相变的特殊性（相界面、弹性应变能、位向关系与惯习面、亚稳过渡相、原子迁移率、晶体缺陷）。

固态相变除满足热力学条件外，还须获得额外能量来克服晶格改组时原子间的引力，即存在相变势垒。

相变势垒由激活能决定，也与是否有外加机械应力有关。

3、相变驱动力和相变阻力驱动力：体积自由能，来自晶体缺陷（点，线，面缺陷）的储存能。

储存能由大到小的排序：界面能，线缺陷，点缺陷。

界面能中界隅提供的能量最大，但体积分数小，界棱次之，界面最小，但体积分数最大。

相变阻力是界面能和弹性应变能。

弹性应变能与新旧相的比容差和弹性模量，及新相的几何外形有关。

从能量的角度来看：共格界面的弹性应变能最大，非共格界面的界面能最大。

球形新相界面能最小，但应变能最大，圆盘状新相相反，针状新相居中。

4、长大方式新相晶核的长大分为协同（共格或半共格，切变）和非协同（非共格或扩散）两种，前者速度快，后者速度慢。

原子只能短程扩散时，长大速度与过冷度（温度）存在极大值；长程扩散时，长大速度与扩散系数和母相的浓度梯度成正比，与相界面处两相的浓度差呈反比。

5、相变速率相变速率满足Johnson-Mehl方程或Avrami经验方程。

相变之初和相变结束其，相变速率最小，转变量约50%时，相变速度最大。

扩散型相变的动力学曲线呈“C”形。

是由驱动力和扩散两个矛盾因素共同决定的。

6、C曲线“C”曲线建立的原理：一定外界条件下，只要发生了相变，宏观上就能检测出某种变化（组织，结构，性能等），确定该条件下这种变化与新相转变量的关系。

相变进行的难以程度决定“C”曲线的位置。

第02章-金属材料的凝固与固态相变

2.2 合金的凝固
杠杆定律 • 在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。例：求30%Ni合金在1280时相的相对量 T,C L 1455 c 1500 1400 a1 b1 c1 1280 C 1300 L+ 1200 1100 a 1083 1000 Cu
金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，称为二次结晶或重结晶。同素异构转变属于相变之一—固态相变。 1、铁的同素异构转变铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，变化为：
2.1 纯金属的结晶
同素异构转变
纯铁的同素异构转变
质量一定的纯铁，发生α-Fe→γ-Fe时，其体积如何变化？体积缩小。因为质量一定，原子个数一定，而γ -Fe的排列比α -Fe 紧密，占空间小，所以体积减小。
0.53 0.45 Q 100% 61.5% 0.58 0.45 0.58 0.53 QL 100% 38.5% 0.58 0.45
2.2 合金的凝固
二元匀晶相图 • 两组元在液态和固态均能无限互溶所构成的相图称之为二元匀晶相图。 • 合金系有Cu-Ni，Cu-Au，Au-Ag，Fe-Ni，W-Mo等
细化铸态金属晶粒的措施晶粒越小, 则金属的强度、塑性和韧性越好。工程上使晶粒细化, 是提高金属机械性能的重要途径之一。这种方法称为细晶强化。 ⑴ 增大过冷度：随过冷度增加，N/G值增加，晶粒
变细。
⑵ 变质处理：又称孕育处理。即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。所加入的非
固溶体的成分又变回到合金成分3上来。

液固相线不仅是
相区分界线, 也是结

固态相变基础-1

每个临界晶核的成核速率f
f=ωexp ( -Gm /kT )
温度对形核率的影响
随着温度的下降，代表晶核潜在密度的 exp(-G*/kT)升高很快；而原子迁移激活能Gm几乎不随温度变化，所以exp(Gm/kT)随温度降低而减小。N均匀随温度下降先增加后降低，在某一温度呈现极大值。
晶界形核如果基体和晶核相互适应以形成低能量界面，那么形核功可以进一步减少。如图1-9所示，晶核与其中的一个晶粒有某种位向关系，形成共格或半共格晶界，这在固态相变中是极常见的现象。其它面缺陷，如夹杂—基体界面、堆
T P T
P
P T P
T
所以S≠S，V≠V。因此，在一级相变时，熵S和体积V将发生不连续变化，即一级相变有相变潜热和体积改变。材料的凝固、熔化、升华以及同素异构转变等均属于一级相变。几乎所有伴随晶体结构变化的金属固态相变都是一级相变。
二、非均匀形核：固相中的形核几乎总是非均匀的
各种缺陷如空位、位错、晶界、层错、夹杂物和自由表面等都能提高材料的自由能，如果晶核的形成能使缺陷消失，就会释放出一定的自由能(Gd)，与GV一样，成为转变的驱动力，各种缺陷成为合适的形核位置。形核方程为：G = -V GV + S + V Gs - Gd
ΔG -VΔGV∝r3
-V(ΔGV-ΔGS)∝r3
2 r* Gv Gs
16 3 G* 3(GV G s )2
固态相变增加弹性应变能，相变阻力增加，临界晶核直径和形核功增大，固态相变中形核比液→ 固相变困难。临界晶核半径和形核功都是自由能差GV的函数，也将随过冷度（过热度）而变化。随过冷度（过热度）增大，临界晶核半径和形核功都减小，即相变容易发生。由于固态相变中存在弹性应变能Gs，因此只有当 GV>Gs时相变才能发生，亦即过冷度（过热度）必须大于一定值，固态相变才能发生，这是与液→固相变的一个根本区别。此外，当界面能和弹性应变能Gs增大时，临界晶核半径r*增大，形核功G*增高，形核困难。

金属固态相变原理

金属固态相变原理金属固态相变是指金属在温度、压力等条件下发生晶体结构和性质的变化。

金属固态相变原理是金属材料学中的重要内容，对于理解金属材料的性能和应用具有重要意义。

首先，我们来看一下金属固态相变的分类。

金属固态相变可以分为两类，一类是在固态下发生的晶体结构的变化，另一类是在固态下发生的晶体结构和相的变化。

晶体结构的变化包括晶格参数、晶胞体积和晶体形态的变化，而晶体结构和相的变化则包括晶体结构和晶体相的变化。

其次，金属固态相变的原理在于金属原子在不同温度、压力等条件下的排列方式发生变化。

金属原子在晶体中的排列方式决定了金属的性能和行为。

当金属原子的排列方式发生变化时，金属的性能和行为也会发生相应的变化。

因此，了解金属固态相变的原理对于控制金属材料的性能具有重要意义。

金属固态相变的原理还涉及到热力学和动力学的知识。

热力学是研究热平衡状态和热平衡过程的科学，而动力学是研究物体运动规律的科学。

金属固态相变的原理可以通过热力学和动力学的知识来解释和理解。

热力学可以揭示金属固态相变的原因和条件，而动力学可以揭示金属固态相变的过程和速率。

金属固态相变的原理对于金属材料的加工、热处理和应用具有重要意义。

通过控制金属固态相变的条件和过程，可以改变金属材料的结构和性能，从而实现对金属材料的调控和优化。

金属固态相变的原理也为金属材料的设计和制备提供了重要的理论基础。

总之，金属固态相变原理是金属材料学中的重要内容，对于理解金属材料的性能和应用具有重要意义。

通过深入研究金属固态相变的原理，可以更好地掌握金属材料的性能调控和应用技术，从而推动金属材料领域的发展和进步。

固态相变非均匀形核

固态相变非均匀形核固态相变是物质在温度或压力变化下从一种固态结构转变为另一种固态结构的现象。

在一些特定的条件下，固态物质的结构会发生改变，从而带来性质的巨大变化。

相变过程中的非均匀形核是一个非常重要的研究课题。

非均匀形核是指相变过程中，新相的形成不均匀的现象。

通常情况下，相变过程中的结晶核是均匀分布的，但是在某些情况下，由于各种因素的影响，结晶核的形成会出现非均匀的现象。

非均匀形核的原因可以是多方面的。

一方面，固态物质的结构在不同位置可能存在着微小的差异，导致在相变过程中某些区域的结晶核形成更容易，而其他区域则相对困难。

另一方面，固态物质的热传导性质也可能导致非均匀形核的发生。

热传导性差的区域在相变过程中会较快地形成结晶核，而热传导性好的区域则相对滞后。

非均匀形核在相变过程中可能带来一些特殊的现象。

首先，由于结晶核的形成不均匀，新相的生长速率也会不均匀。

这可能导致相变过程中出现局部的晶粒长大明显快于其他区域的情况。

其次，非均匀形核也可能会导致相变过程的控制机制发生改变。

在均匀形核的情况下，相变过程主要由新相的生长控制，而在非均匀形核的情况下，相变过程除了新相的生长，还可能受到结晶核形成的位置和分布的影响。

非均匀形核的研究对于理解相变过程的机制以及控制相变过程具有重要意义。

通过深入分析非均匀形核的原因和影响因素，可以为材料的相变控制提供理论指导。

同时，非均匀形核也在一定程度上反映了固态物质的微观结构和宏观性质之间的关系，对于理解材料的性能也具有一定的启示作用。

总之，固态相变过程中的非均匀形核是一个重要的研究领域。

通过深入研究非均匀形核的原因和影响，可以揭示相变过程的机制，为相变过程的控制提供理论基础。

非均匀形核的研究也对于理解材料的微观结构与宏观性质之间的关系具有意义，为材料的设计和应用提供了一定的指导。

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