固态相变理论基础
固态相变热力学原理pptx
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
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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
西安交通大学
《材料热处理及应用》
第2章 固态相变理论基础
例子：共析转变
γ 0.77 ← → (α 0.0218 + Fe3C)
727 C
Fe
珠光体 ( P )
Fe3C + α
(ferrite)
(BCC)
γ
(Austenite)
FCC
Eutectoid transformation (cementite)
AuCu3晶体
(高温下) 无序态
2017 by JpWang
(缓冷至390℃) 有序态
11
西安交通大学
《材料热处理及应用》
第2章 固态相变理论基础
6. 调幅 (spinodal) 分解
一种固溶体分解为结构相同，而成分明显不同的微区
α→α1+α2
特点：转变初期，无明显界面和成分突变，随后通过上坡扩散、溶 质再分配，富溶质原子 α1 与贫溶质原子α2 如Al-Zn、Fe-Cr、高碳M在80°C回火时也发生调幅分解
固态金属---缓慢加热或冷却---获得符合相图的平衡组织
The Limitation of Equilibrium Phase Diagrams
Unable to indicate the time period required for the attainment of equilibrium Equilibrium conditions are maintained only if heating or cooling is carried out at extremely slow and unpractical rates
另一种晶体结构的过程 F→A A→ F
9
2017 by JpWang
西安交通大学
《材料热处理及应用》
第2章 固态相变理论基础
3. 平衡脱溶转变 高温过饱和固溶体缓慢冷却过程中析出第二相的过程 特点： (a) 新相的成分和结构 与母相 不同 (b) 母相不会消失
可发生脱溶转变的合金
2017 by JpWang
2017 by JpWang
西安交通大学
《材料热处理及应用》
第2章 固态相变理论基础
为什么相变会发生？
自由能 G
外因变化：温度、压力 电场、 磁场 体系自由能 缓慢 连续 变化
ΔG 两相自由能之差
举例 体系存在A、B两种相
T0 时 A/B自由能相等 A B 几率相等 Tn 时 A（新相）的自由能低，趋于 (相对)稳定相 B A 液态金属结晶 相变驱动力 金属固态相变
同一种材料，在不同条件下可发 生不同的相变
α phase
获得不同的组织不同的性能
例子： β phase 共析碳钢 平衡转变: 珠光体组织，硬度 HRC23 快速冷却:马氏体组织，硬度 HRC60
A1-4%Cu合金
平衡组织: 抗拉强度 150MPa 不平衡脱溶沉淀: 抗拉强度 350MPa
6
非稳定相：体系处于不稳定状态，没有能垒限制，在短 时间内一定会转变为平衡态或亚稳态
2017 by JpWang
4
西安交通大学
《材料热处理及应用》
第2章 固态相变理论基础
亚稳相
非稳定相 稳定相
亚稳相 亚稳相
2017 by JpWang
稳定相
5
西安交通大学
《材料热处理及应用》
第2章 固态相变理论基础
A和B界面存在一种 “憋屈”能量
8
西安交通大学
《材料热处理及应用》
第2章 固态相变理论基础
2.2 金属固态相变的主要类型
1. 同素异构 (allotropic) 转变
纯金属：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 2. 多形性转变 Fe、Ti、Co、Sn
固溶体中一种晶体结构转变为
2017 by JpWang Tn T0 温度 T/K
B
A
源自 新相和母相之间的 自由能差
7
西安交通大学
《材料热处理及应用》
第2章 固态相变理论基础
固态相变有没有阻力？
阻力1：新旧两相之间的界面能 阻力2： 应变能 A、B两相都是固相 比容不一样 晶体结构不一样
2017 by JpWang
固体相变、结晶过程都有
平衡相变
10
西安交通大学
《材料热处理及应用》
第2章 固态相变理论基础
4. 共析 (eutectoid) 转变
一个固相分解为两个不同的固相
γ→α+β
特点：生成的两个相的成分和结构与原母相不同
γ 0.77 ← → (α 0.0218 + Fe3C)
727 C
珠光体 ( P )
5. 有序化转变
固溶体中，各组元的相对位置从无序→(长程)有序转变过程 如Cu-Zn，Cu-Au，Mn-Ni，Ti-Ni等合金
2017 by JpWang
12
西安交通大学
《材料热处理及应用》
第2章 固态相变理论基础
7. 包析转变
两个固相合并转变为一个固相的转变过程
α+β→γ 如Fe-B，Mg-Zn，Cu-Sn系合金
γ+ε→ζ
2017 by JpWang
13
西安交通大学
《材料热处理及应用》
第2章 固态相变理论基础
上述7种 平衡相变 (equilibrium transformation)
2017 by JpWang
14
C
*示意图 成分不准确
母相 (固态) 均匀一相 新相 (固态) 两相
2017 by JpWang
奥氏体 铁素体
渗碳体
3
西安交通大学
《材料热处理及应用》
第2章 固态相变理论基础
相变 是不是随时都能发生的 稳定？平衡？ 稳定相: 一定的热力学条件，某相的自由能最低，该相 是稳定相，处于平衡态
亚稳相: 某相的自由能虽不处于最低，但与最低自由能 态具有能垒相分隔，则该相为亚稳相
西安交通大学
《材料热处理及应用》
第2章 固态相变理论基础
第2章 固态相变理论基础
2.1 相变和固态相变简介 我们知道了 铁碳相图中存在
相
会
变
外因温度、成分、加热、冷却速度
1
2017 by JpWang
西安交通大学
《材料热处理及应用》
第2章 固态相变理论基础
怎么界定相变？ 在均匀一相或几个混合相内，出现具有不同成分或不同结
构 （包括原子、离子或电子的位置或位向）或不同 组织形 态或不同性质的相，称为相变
热处理过程主要涉及固态相变 金属 (合金)或陶瓷等固态材料在温度和压力 (电场、磁场 ) 改变时，其内部组织或结构会发生变化，即发生从一种 相状态到另一种相状态的改变
相变前的相状态：旧相或母相 相变后的相状态：新相
2017 by JpWang