补充2 固态相变前沿与实践
固态相变：固态相变动力学基础、前沿与实践
基本概念
• 形核：大于临界晶核半径的晶核的形成过程。 形核率：单位时间和单位体积内形成的晶核数目，取 决于临界晶核数目和原子在两相界面间的跃迁频率。 位置饱和形核、连续形核、Avrami形核、混合形核 稳态形核、瞬态形核
• 生长：新相与母相之间的相界面迁移过程。 扩散控制：存在原子长程扩散，扩散影响相变进程。 界面控制：存在原子界面附近短程扩散，相变速率取 决于原子在界面处的可动性。
• 谢谢
相变动力学解析模型分析确 定的第一和第二阶段的生长激 活能分别为:QI-C=140 kJ mol-1 QD-C=70 kJ mol-1
这表明在等温奥氏体－铁素 体相变过程的确存在由界面控 制生长向扩散控制生长的转 变！
主要内容
• 引言 • 固态相变理论基础 • 相变动力学模块化解析模型的建立 • 相变动力学研究范例
⎪⎭
( f = u Ve ) V
F. Liu, F. Sommer, C. Bos, et al, Inter. Mater. Rev. 52 (2007) 193.
经典等温JMAK 方程:
] f = 1− exp[−K n t n
其中
K = k exp⎜⎝⎛ − Q RT ⎟⎠⎞ n = d m +1
相变初期为扩散控制生长过程
模型计算界面移动速率与小 晶粒估算界面移动速率对比
采用前面的分析方法，通过配制不同成分的Fe-C合 金并测量其在不同冷却速率下的块状相变过程，由 此可确定出块状相变发生的临界温度（见下图）
Liu YC, et al. Inter J Mater Res 99(2008)925
快淬Cu-38.7Zn合金 中沿晶界形成的块 状αm相
扩散控制生长
Transition?
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。
固体材料的相变研究及其在能源存储中的应用
固体材料的相变研究及其在能源存储中的应用近年来，随着能源危机的日益加剧，人们对于寻找替代能源的需求不断增长。
同时，固体材料的相变研究成为了一个热门话题。
相变是材料的结构和性质发生变化的过程，在固体材料中，相变可以是首要的力学、电学和热学性质的来源。
因此，固体材料的相变研究不仅在物理学领域占有重要的位置，同时也在能源存储领域展现出无限的潜力。
本文将介绍固体材料相变的相关知识，以及其在能源存储中的应用。
一、固体材料相变的基本概念相变是一个基本的物理现象，在整个自然界中都普遍存在。
在固体材料中，相变可以分为两类，即一阶相变和二阶相变。
一阶相变是指物质在相变过程中需要吸收或者释放一定的热量。
例如冰的融化和冷凝水的汽化过程就是一阶相变。
在一阶相变过程中，材料的内部结构会发生相当大的变化，比如晶体的晶格结构和晶胞大小等都可能发生变化。
二阶相变是指物质在相变过程中不需要吸收或者释放热量，例如磁体在失去磁性时的相变。
相较于一阶相变，二阶相变时材料的内部结构变化相对较为微小。
二、固态材料相变在能源存储中的应用相变是材料性质发生变化的标志，如何利用相变来解决实际问题成为了当前研究的重点之一。
能源存储是一个热门研究领域，相变材料作为能量存储材料，在实际应用方面具有广泛的应用前景。
以下是固态材料相变在能源存储中的应用：1、相变储热材料相变材料也被称为储热材料，因为它们可以吸收和释放热量，这使得它们的应用在节能和环保方面有很好的应用前景。
例如，对于太阳能，我们无法在光照充足时将其收集起来存储下来，但使用相变储热材料，光照充足时太阳能可以转化为热能并暂时被储存在相变储热材料中，当需要使用能量时，储热材料将释放出它存储的热能。
2、相变储能材料相变储能材料是指在相变过程中能够吸收和释放电能的材料。
目前，相变储能材料主要应用在锂离子电池和超级电容器中。
相比较锂离子电池和超级电容器中常用的电极材料，相变材料具有体积重量比低、充放电速率快、循环寿命长等优点，因此被广泛应用在储能领域的研究中。
固态相变总论完整PPT
点阵畸变能。
界面能：共格界面<半共格界面<非共格界面！！！
（3）应变能 应变能包括共格应变能和体积应变能。
新相与母相点阵常数差异导致 新相与母相比容有所差异
TIP：单位体 积界面能分 布：球状<针 状<片状
当新相体积一定时，体积应变能的大小： 球状>针状>片状或盘状
思考题：是否 新相与母相的 比容差异越大， 体积应变能越 大呢？
固态相变表现为： 物质物理性能的突变。
因此，降低界面能和应变能以减小相变阻力是惯习现象出现的基本原因。
①非成扩n分 散不型从变相一协变同种型原长结子大（构；或离转子变）只为作有另规律一的种迁移结使点构阵。发生改组的相变。
②形核功取决于晶界的存在！
在界n棱或化界学隅处成形核分，的可以不进一连步续降低变形核化势。垒！
伸缩型半共格
切变型半共格
③ 非共格界面 由于δ（ δ﹥0.25）界面处两相原子无法配合。性质与大角度 晶界相似！
（2）界面能 ：由于新相与母相的点阵常数总会存在差异，在共格界面两侧必
然存在一定的弹性应力场。
①一部分同类键、异类键的结合强度和
固－固相界面能比液－固相界面高 数量变化引起的化学能；
②另一部分是由界面原子不匹配产生的
ห้องสมุดไป่ตู้
晶格畸变、自由能升高、促进形核及相变
界面形核时自由焓的变化：
通一过级②扩 相散变半偏：聚凡共进新格行旧的两界相相变的面，化相学δ变位大以相固等到溶，一体但中化定的学成位程分的度起一伏次时为偏开导，始不相，相通等界过的上相面坡变不扩。散能，使继浓续度差维越来持越完大。全共格学要一系列调
③配转变位温错度居来中时调，节扩散，速度0和.0驱5动≤力δ都≤较0大.，2此5；时转变速度最快——如T2.
《固态相变》前沿材料与科技教学案例探讨
《固态相变》前沿材料与科技教学案例探讨
袁媛;章立钢;吴量;王勇;王敬丰
【期刊名称】《当代化工研究》
【年(卷),期】2024()10
【摘要】《固态相变》是材料科学与工程学科本科教学和研究生教学的基础专业课程,是材料科学领域的经典基础理论之一。
但目前《固态相变》教程主要基于传统钢铁材料中的相变案例,难以激发学生对固态相变在新型材料与科技领域中的思考与应用。
本文结合目前材料与能源领域发展前沿方向,举例了固态相变在现代先进材料科技领域中的应用案例,特别的,结合了我国学者在固态相变方向的丰富研发成果,以激发学生对固态相变的兴趣、深入理解与思考,提升学生的应用实践能力,并提升学生的爱国热情、国家荣誉感与责任感。
【总页数】3页(P119-121)
【作者】袁媛;章立钢;吴量;王勇;王敬丰
【作者单位】重庆大学材料科学与工程学院;中南大学材料科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】G642
【相关文献】
1.固态相变课程的课堂互动与案例教学初探
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沈阳工业大学：固态相变及应用电子教案
沈阳工业大学：固态相变及应用电子教案一、课程简介1.1 课程背景固态相变是材料科学和工程领域中的一个重要研究方向，涉及到固体材料的结构、性能及应用。
本课程旨在帮助学生了解固态相变的基本理论、实验方法及其在工程应用中的重要性。
1.2 课程目标通过本课程的学习，学生将能够：（1）理解固态相变的基本概念及分类；（2）掌握固态相变的基本理论及实验方法；（3）了解固态相变材料在工程应用中的案例及前景。
二、教学内容2.1 固态相变的基本概念（1）相变及相变的类型；（2）固态相变的驱动力及影响因素。
2.2 固态相变的分类与特点（1）马氏体相变；（2）贝氏体相变；（3）奥氏体相变；（4）超导相变。
三、教学方法3.1 课堂讲解通过讲解固态相变的基本概念、分类及特点，使学生掌握固态相变的基本知识。
3.2 实验演示通过实验演示，使学生直观地了解固态相变的过程及特点。
3.3 案例分析分析固态相变材料在工程应用中的实际案例，帮助学生了解固态相变材料在工程领域的重要性。
四、教学评估4.1 课堂问答通过提问的方式检查学生对固态相变基本概念的理解程度。
4.2 实验报告评估学生在实验过程中的观察能力及分析问题的能力。
4.3 课程论文五、教学安排5.1 课时共计32课时，包括16次课堂讲解、8次实验演示及8次案例分析。
5.2 教学进度安排（1）第1-8次课堂讲解固态相变的基本概念及分类；（2）第9-16次实验演示，观察固态相变过程及特点；（3）第17-24次案例分析，研究固态相变材料在工程应用中的案例；（4）第25-28次课堂问答，检查学生对课程内容的掌握程度；六、实验与实践6.1 固态相变实验（1）奥氏体到铁素体的转变实验；（2）马氏体到奥氏体的逆转相变实验；（3）贝氏体相变实验；（4）超导相变实验。
6.2 实验技能培养（1）实验设备的操作与维护；（2）实验数据的采集与处理；七、固态相变在工程中的应用7.1 固态相变材料在结构件中的应用（1）模具材料；（2）高速切削工具材料；（3）汽车发动机部件材料。
第二章 固态相变基础理论
r
t
若以共格界面形式，只考虑共格应变能 △GE ＝V△Ge＝3/ 2 π(At)2t（Eδ2）＝C1t3
MSE___材料科学与工程学院
中南大学
金属材料热处理
化学项→ a ，比容项→c ，结构项→0，只需考察共格项→d
故，以共格界面形核长大，则能量呈t3变化。 若以非共格界面形式，只需比较界面能， △GS ＝ Sσ＝（2π(At)2+2π(At) t）σ＝C2t2 故，以非共格界面形核长大，则能量呈t2变化。 界面类型选择：
新相与母相之间存在一定的位向关系，且常在母相一定晶面上形成
相界能量最低，相变阻力最小。初生新相/母相共格⇒新相在母相一定晶面 上形核，并沿一定的取向生长
位向关系: 最(次)密排面; 最(次)密排方向 惯习（析）面: 最(次)密排面 (Generally)
MSE___材料科学与工程学院
中南大学
金属材料热处理
通常，影响相转变量的外因很多，这里只考察温度和时 间。
（1）恒温条件下相转变量随时间的变化关系
J-M方程—— 相变动力学的基本方程 假设： ①均匀形核； ②恒温下形核率
N /(V t ) const. N
R / t const G .
③ 恒温下生长速率 ④相变过程中母相浓度不变
母相
溶质原子扩 散
母相
新相
新相
MSE___材料科学与工程学院
中南大学
金属材料热处理
新相/母相界面共格程度、界面能和应变能三者与新相几何形状有关 通常，表面能大而应变能小⇒新相多呈球状 应变能大而表面能小⇒新相多呈碟片状 表面能和应变能相当⇒新相多呈针棒状
初生新相形状多呈碟片状或针棒状，但也有例外。Al-Cu, Al-Sc
材料科学基础-固态相变
固态相变
非均匀形核的形核率及受扩散控制的长 大速率随时间而变化，此类相变的动力 学用Avrami方程描述：f(τ)=1exp(-Bτn)固态相变
2. 等温转变动力学图
100%
T2
T3
转
变
体
积 50%
分
数
0
温 度
固态相变
T1>T2>T3 T1
时间 T1 T2 T3 时间
扩散型相变, 非扩散型相变 扩散型相变
脱溶沉淀、调幅分解、共析转变等
非扩散型相变
原子（或离子）仅作有规则的迁移使点阵 发生改组。 马氏体转变
固态相变不一定都属于单纯的扩散型
或非扩散型。 见表8－1
固态相变
3. 按相变方式分类 有核相变和无核相变 无核相变
通过扩散偏聚的方式进行的相变，为无核相变。 调幅分解
C曲线的鼻子温度
固态相变
r △G
△G在r＝r*时达到极大值，这里 r*＝－2γαβ/(△GV+△GE)
固态相变
形成临界晶核必须
△G
首先克服形核势垒
4πr2γαβ
△G*， △G*称为临
界晶核的形核功
△G*= 16
3
3
GV GE 2
γαβ、 △GE减小，均
可降低△G*，有利
于新相形核。
△G* 0
r*
4πr3(△GV+△GE)/3
T
2G Tp
2G Tp
固态相变
由于
2G T 2
p
S T
p
cp T
2G p 2
T
V
2G Tp
V
高等固体物理-第四章-固态相变
（1）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，只有当能变时，自由能会发生变
化，相的结构也相应发生变化(相变）。
外界条件（温度或是压强）做连续变化时， 相变 Phase transition 物质聚集状态的突变。 突变可以体现为： （1）从一种结构变化为另一种结构。狭义上来讲是指物态或 晶型的改变。如，气相凝结为液相或是固相，液相凝固为固 相等。广义上讲，结构变化还包括分子取向或是电子态的改 变。 （2）成分的连续或不连续变化，这种成分变化主要是指封闭 体系内部相间成分分布的变化。如，固溶体的脱溶分解或是 溶液的结晶析出。 （ 3）某种物理性质的跃变，如顺磁体 -铁磁体转变正常导体 超导体转变等，反应了某一种长程序的出现或是消失。
2 1 2 2 TP TP
0
2 V TP V
V V T P
0
Cp –等压比热（热容），β– 等温压缩系数，α– 等压膨胀系数
S T P
S 0
V 0
V P T
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固态相变都是一级相变
2、非扩散型相变
非扩散型相变时原子仅作有规则的迁移以使点阵发生改组。迁移时
，相邻原子相对移动距离不超过一个原子间距，相邻原子的相对位 臵保持不变，参与转变的所有原子的运动是协调一致的。实际上， 非扩散型相变是在足够快的冷却速度下(即淬火)由于原子没有时间 进行扩散型相变引起的。
固态相变.ppt
菲克第二定律 实际中大多数重要的扩散都是不稳定扩散，
即扩散物质浓度分布随时间而变化。为了研究 这类情况，根据扩散物质的质量平衡，在第一 定律的基础上导出菲克第二定律，用以分析不 稳定扩散。
在一维情况下，菲克第二定律表示为：
MMSCE2000057
当扩散系数D为常数（即与浓度无关），则 菲克第二定律可表示为： 在三维扩散的情况下，菲克第二定律的表达式为：
因此在相变过程中，新相总是倾向于形成具 有一定形状并具有一定界面结构的晶核，以尽量 降低界面能和应变能，从而使形核功降低。
MMSCE2000057
b.非均匀形核 由于绝大多数的固体都包含有各种缺陷，如
空位、杂质、位错、晶界等，因此，实际上很难 出现理想的均匀形核，而相反倒是在上述缺陷处 优先形核，即发生非均匀形核。由于上述缺陷处 具有较高的能，在这些部位形核可以降低形核功， 所以非均匀形核要比均匀形核容易得多。
结果：有相变潜热，并伴随有体积改变。
MMSCE2000057
*二级相变：相变时两相化学势相等，其一级偏 微熵也相等，而二级偏微熵不等。
在转变温度Tc下其吉布斯自由能可
连续变化，又叫连续相变。
即： 1＝2
S1＝S2
1 2(等压膨胀系数)
1 2(等温压缩系数)
C p1 C p2 (热容量)
V1＝V2
MMSCE2000057
1 2
1 2
T P T P
1 2
P T P T
21
T 2
P
22
T 2
P
2
T 2
P
（3） 相变过程的浓度条件 对于溶液中析出固体的相变而言，为使相变
固态相变
固态相变：金属和陶瓷等固态材料在温度和压力改变时，其内部或结构会发生变化，即发生从一种相状态到另一种相状态的的转变，这种转变成为固态相变。
热力学分类一级相变：想便是新旧两厢的化学势相等，但化学势的一级偏微商不等的相变二级相变：相变时新旧两相的化学势相等，且化学势的一级偏微商也相等，但化学势的二级偏微商不等的相变平衡状态分类平衡相变：在缓慢加热或冷却时所发生的能获得负荷平衡状态图的平衡组织的相变1同素异构转变和多形转变: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。
2平衡脱溶沉淀:在缓慢冷却条件下，由过饱和固溶体中析出过剩相的过程3共析相变：合金在冷却时由一个固相分解为两个不同固相的转变4调幅分解:某些合金在高温下具有均匀单项固溶体，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。
5有序化转变：固溶体中，各组元原子在晶体点阵中的相对位置由无序到有序的转变（长程有序）非平衡相变：托加热或冷却速度很快，平衡相变将被抑制，固态材料可能发生某些平衡状态图上不可能反映的转变并获得被称为不平衡或亚稳态的组织的转变1伪共析相变：Fe-C为例，转变过程和转变产物类似于共析相变，但转变产物中铁素体量与渗碳体量的比值不是定值，而是随奥氏体含量变化而变化2马氏体相变：Fe-C合金为例，进一步提高冷却速度，使伪共析相变也来不及进行而将奥氏体过冷到更低温度，则由于在低温下铁原子和碳原子都已不能或不易扩散，故奥氏体只能一步发生源自扩散，不引起成分改变的方式，通过切变由γ点阵改组为α点阵的转变3贝氏体相变：铁原子不能扩散，但碳原子尚具有一定的扩散能力，因此出现了一种独特的碳原子扩散而铁原子不扩散的非平衡相变4非平衡脱溶沉淀：在室温或低于固溶度曲线MN的某一温度下溶质原子尚具有一定的扩散能力，则在上述温度等温时，过饱和α固溶体仍可能发生分解，逐渐析出新相，但在析出的初期阶段，新相的成分和结构均与平衡脱溶沉淀相有所不同原子迁移分类扩散相变：相变时，相界面的移动是通过原子近程或远程扩散而进行的相变称为扩散型相变基本特点：1相变过程中由原子扩散，相变速率受原子扩散速度所控制2新相和母相的成分往往不同3只有因新相和母相比容不同而引起的提及变化，没有宏观形状改变非扩散型相变：想必那过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子的运动时协调一致的相变。
[固态相变]固态相变绪论-2019
![[固态相变]固态相变绪论-2019](https://img.taocdn.com/s3/m/20f57b8ca32d7375a517808a.png)
基本概念
什么是固态相变? Phase transformation in solid 徐祖耀：
相变——不同的相具有不同的原子（分子）集合态、不 同的结构形式（如晶体结构）、不同的化学成分或不同 的物理性质。一个相受环境（外界条件）的影响，如在 热场、应变能、表面能和外力以及磁场作用下，转变为
另一相。
13 13
固态相变主要研究内容
相变热力学：能量的驱动。 相变朝着能量降低的方向进行，依据外界条件不同，需要
选用不同的能量做判据。 相变动力学：相变遵循阻力最小的途径进行，可以尽快松
弛能量。 相变可以有不同的终态，获得不同的新相，只有最适合结
构环境的新相才易于生存下来。
14 14
固态相变主要特点
相变热力学：能量的驱动。 相变朝着能量降低的方向进行，依据外界条件不同，需要
11 11
固态相变相关概念
• 相的概念：合金微观结构中的一个组成部分，表现出均匀一致的成分 和性能（不发生突变），与系统的其它部分具有物理上（而非化学上） 的明显差别和界面。
• 相平衡（phase equilibrium）：是一相或多相的系统，在能量上达 到最低的状态，可以保持长期稳定的存在。Gibbs自由能，热焓和熵 决定。
17 17
相变的分类
按照热力学分类（Ehrenfest分类） 一级相变和高级相变（二级相变） 热力学参数改变的特征 在相变点上，两相的热力学势（自由能）应该相等，即系统 的热力学势仍然保持连续。但作为热力学势的各阶导数（熵、 体积、比热等）却可能发生不连续跃变，在哪一阶导数上首 先出现不连续跃变，进而确定相变的级。 n级相变：在相变点系统的自由能的第(n-1)阶导数保持连续， 而其n阶导数不连续。
固态相变的基本原理 教学PPT课件
孕育期
Incubation Period
转变开始线与纵坐标轴 之间的距离，表示在各 不同温度下过冷奥氏体 等温分解所需的准备时 间。
鼻 子 ----C 曲 线 上 转 变开始线的突出部，孕 育期最短的部位。
孕育 期
鼻 子
转变开始 转变终 了
39
C 曲线的测定方法
金相硬度法 奥氏体和转变产物的金相形态和硬度不同。 膨胀法 奥氏体和转变产物的比容不同。 磁性法及电阻法 奥氏体为顺磁性，转变产物为铁磁性。
向上 曲折
52
有部分贝氏体相变时， 贝氏体铁素体先析出，提高了A中 的碳含量，MS ↓，向下曲折。
向下曲折
53
③ CCT曲线位于C曲线的右下方 连续冷却转变时转变温度较低，孕育期较长。
54
温 细A 度
P
C曲线应用：不同冷却条件下的相变产物
均匀A
A1
等温退火
退火
ห้องสมุดไป่ตู้
？ 淬火 (油冷)
正火 (空冷)
(炉冷)
奥氏体化温度越高，保温时间越长，则形成的奥氏体晶粒越粗大， 相变阻力小。
奥氏体化温度越高，保温时间越长，有利于难溶碳化物的溶解，成分也 越均匀，相变阻力大。
综合：降低奥氏体分解时的形核率，增加奥氏体的稳定性，使C曲 线右移。
45
C曲线的典型类型
46
47
48
过冷奥氏体连续冷却转变图
Continuous Cooling Transformation CCT 曲线
7
形核时自由能变化 （单位长度）
A=Gb2/4πK
位错形核时形核自由能 ∆G与核半径的关系
讨论
8
位错类型对形核的影响：
沈阳工业大学：固态相变及应用 电子教案
沈阳工业大学：固态相变及应用电子教案一、课程简介章节一：课程简介【教学目标】1. 使学生了解固态相变及应用课程的基本概念、研究对象和内容。
2. 培养学生对固态相变及应用领域的兴趣和热情。
【教学内容】1. 固态相变及应用课程的定义和研究对象。
2. 固态相变及应用课程的主要内容和意义。
3. 固态相变及应用领域的发展概况和前景。
【教学方法】1. 采用讲授法，介绍课程的基本概念和研究对象。
2. 采用案例分析法，阐述固态相变及应用领域的重要成果。
3. 采用互动教学法，激发学生对课程的兴趣和热情。
二、固态相变基本概念章节二：固态相变基本概念【教学目标】1. 使学生掌握固态相变的基本概念和分类。
2. 培养学生对固态相变现象的认识和理解。
【教学内容】1. 固态相变的定义和特点。
2. 固态相变的分类和基本过程。
3. 固态相变的原因和条件。
【教学方法】1. 采用讲授法，介绍固态相变的基本概念和分类。
2. 采用示例分析法，讲解固态相变的基本过程和实例。
3. 采用小组讨论法，探讨固态相变的原因和条件。
三、固态相变的表征与测量章节三：固态相变的表征与测量【教学目标】1. 使学生了解固态相变表征与测量的基本方法。
2. 培养学生掌握固态相变实验技能。
【教学内容】1. 固态相变的表征方法：物理性质、化学性质和微观结构。
2. 固态相变的测量方法：实验装置和实验技术。
3. 固态相变实验数据的处理与分析。
【教学方法】1. 采用讲授法，介绍固态相变表征与测量的基本方法。
2. 采用实验演示法，展示固态相变实验装置和实验技术。
3. 采用实践操作法，训练学生进行固态相变实验并处理实验数据。
四、固态相变的应用章节四：固态相变的应用【教学目标】1. 使学生了解固态相变在材料科学中的应用。
2. 培养学生掌握固态相变应用领域的关键技术。
【教学内容】1. 固态相变在材料加工中的应用：如熔炼、锻造、热处理等。
2. 固态相变在材料性能调控中的应用：如强化、韧化、耐磨等。
固态相变知识点总结
固态相变知识点总结相变是物质在温度、压强或其他外部条件改变时，从一种物态转变为另一种物态的现象。
固态相变是指物质从固态状态转变到其他固态状态的过程，通常包括晶体-晶体相变和晶体-非晶相变，以及液晶-固体相变等。
固态相变是材料科学和固态物理领域的重要研究课题，掌握固态相变的基本原理和规律对于材料设计、制备和性能改进具有重要意义。
本文将从固态相变的基本概念、分类和特征等方面进行总结，并通过实例来说明固态相变的重要意义和应用。
一、固态相变的基本概念1. 固态相变是指物质在固态状态下由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。
固态相变是晶体学和固态物理学的重要研究课题，可以帮助我们深入了解物质的内部结构和性质。
2. 固态相变的基本特征包括晶格结构的改变、原子位置的重新排列、晶体的晶界和缺陷等。
固态相变通常伴随着能量的吸收或释放，使得固态物质的性能和特性发生变化。
3. 固态相变的驱动力包括温度、压强、外界场等，这些外部条件的改变可以引起晶体结构和性质的改变，从而产生相变现象。
4. 固态相变可以分为等温相变和非等温相变两种类型。
等温相变指的是在恒定温度下发生的相变过程，例如固态合金的热处理过程；非等温相变指的是在变化温度下发生的相变过程，例如冰的熔化过程。
二、固态相变的分类根据相变过程中晶体结构的改变和外部条件的影响，固态相变可以分为以下几种类型：1. 晶体-晶体相变：指的是物质在固态状态下由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。
晶体-晶体相变通常伴随着晶粒形状、大小和取向的变化，对材料的组织结构和性能产生重要影响。
2. 晶体-非晶相变：指的是物质在固态状态下由晶体结构转变为非晶结构的过程。
晶体-非晶相变可以发生在非晶态金属、非晶态合金和非晶态陶瓷等材料中，对于提高材料的强度、硬度和耐腐蚀性具有重要意义。
3. 液晶-固体相变：指的是液晶分子在固态基体中发生有序排列的过程。
液晶-固体相变广泛应用于液晶显示器、液晶材料和光学器件等领域。
金属材料的固态相变行为
金属材料的固态相变行为金属材料的固态相变行为是材料科学中的一个重要研究领域。
这些相变指的是材料在温度和压力变化下，从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的现象。
这些相变对于材料的性能和应用具有重要影响，并广泛应用于金属制造、能源储存等领域。
固态相变可分为两类：一类是在相变过程中晶格不发生破坏的可逆相变，另一类是相变过程中晶格结构发生破坏的不可逆相变。
其中，可逆相变具有较低的激活能，相变过程中不伴随能量的释放或吸收，而不可逆相变则需要较高的激活能，相变过程中伴随着明显的能量的释放或吸收。
这两类相变不仅在材料性能上有所差异，而且在相变动力学和相变机制方面也存在差异。
一种常见的固态相变是金属材料的热相变。
金属材料在升温过程中会经历几个阶段的相变，每个阶段对应着不同的临界温度和晶体结构。
例如，钢的固态相变主要包括奥氏体相变、铁素体与素铁相变等。
在不同的温度下，钢具有不同的晶体结构，从而导致不同的性能和应用。
通过调控钢的热相变行为，可以实现钢的强度、韧性等性能的优化。
除了热相变，金属材料还具有一些其他的固态相变行为，如应力诱导相变、压力诱导相变等。
在材料的加载过程中，由于外界应力的作用，材料内部的原子结构会发生调整，从而导致晶体结构的变化。
这种应力诱导相变在材料的强化和塑性变形中起到重要作用。
例如，马氏体相变是一种常见的应力诱导相变，通过在高温下快速冷却钢材，可以将钢的组织转变为马氏体组织，从而在一定程度上提高钢的硬度和强度。
此外，金属材料的固态相变行为还可以通过控制合金成分来实现。
合金是由两种或多种金属元素按一定比例混合而成的材料。
不同的合金成分可以调控金属材料的固态相变行为，从而实现材料性能的改善。
例如，通过在铝合金中添加适量的镁元素，可以使合金发生固溶相变，从而提高材料的强度和硬度。
金属材料的固态相变行为在材料科学中具有重要的意义。
深入研究金属材料的固态相变机制和动力学规律，可以为材料的设计和制备提供理论基础和技术指导。
第九章固态相变基础
节
马氏体转变中止、停顿后再继续冷却时出现转变滞后和残余奥氏体
钢
增多的现象。 热稳定化：由于缓慢冷却或等温停留引起的稳定化。
中
机械稳定化：由于塑性变形或压应力造成的稳定化。
相
变
第九章固态相变基础
31
第
九
章
第三节 钢中固态相变要点
固
态
相
二 钢的冷却转变
变
第
1 马氏体转变
四
（5）回火脆性
节
由回火导致的冲击韧度下降的现象。
24
第
九
章
第三节 钢中固态相变要点
固
态
相
变 一 奥氏体的形成
第
3 晶粒度
四
节
（1）起始晶粒度：刚刚完成奥氏体
钢
化时的晶粒大小。
中 相
（2）实际晶粒度：在具体的奥氏体 化工艺条件下获 得的晶粒大小。
变
（3）本质晶粒度：钢在930±10℃
加热，保温3-8h
冷却后的奥氏体晶粒大小。
第九章固态相变基础
25
形 核 长
新相生成时有成分变化 （2）扩散控制长大
大
u=dx/dt=( C/x)D/(C-C)
第九章固态相变基础
21
第
九
章 第二节 固态相变的形核与长大
固
态
相
三 晶核的长大
变
第
（3）相变动力学
二 节
f=1-exp(-btn)
形
b-取决于相变温度、母相成分
核
和晶粒大小等；
长
n-取决于相变类型和形核位置。
第九章 固态相变基础
第九章固态相变基础
1
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固态相变动力学基础、前沿与实践刘永长(E-mail:licmtju@)Fundamentals , Frontiers and Practices in Solid-statePhase TransformationKinetics主要内容•引言•固态相变动力学理论基础•相变动力学模块化解析模型的建立•相变动力学研究范例※形核和生长机制的影响※块状相变临界条件的确定•主要结论主要内容•引言•固态相变动力学理论基础•相变动力学模块化解析模型的建立•相变动力学研究范例※形核和生长机制的影响※块状相变临界条件的确定•主要结论相变定义及类型固态相变作为凝聚态物理、材料科学领域的重要科学问题，是指在外界条件改变时物相在某一特定条件下发生的突变，具体为：（1）结构变化；（2）化学成分不连续变化；（3）更深层次序结构的变化并引起物理性质的突变。
热力学：固态相变总是朝Gibbs能降低的方向进行。
动力学：固态相变动力学机制的不同导致相变产物的多样性，为实现材料组织控制提供了可能。
(a)一级和(b)二级相变的相图特征相变可分为一级相变和高级相变。
相变点两相的Gibbs能必须连续、相等，但其各阶导数却可能不连续。
相变点一级导数不相等的称为一级相变，即熵与体积呈不连续变化，即相变时会伴随潜热和体积的突变。
一级相变过程往往属于结构上的重构，在动力学上常常出现相变滞后的现象。
»合金固态相变课程仅涉及到一级相变，通过记录相变过程的热效应和体积效应随时间的变化关系为动力学机制研究提供了可能。
固态相变示例:非晶合金晶化过程非晶合金晶化过程非晶合金是一种从熔体冷却成固体时没有发生结晶过程的材料，因其独特的长程无序结构而具有优异的力学、物理和化学性能。
非晶合金晶化过程原位组织观察非晶Al85Ni8Y5Co2合金500 K保温晶核枝晶分子动力学模拟主要内容•引言•固态相变动力学理论基础•相变动力学模块化解析模型的建立•相变动力学研究范例※形核和生长机制的影响※块状相变临界条件的确定•主要结论基本概念•形核：大于临界晶核半径的晶核的形成过程。
形核率：单位时间和单位体积内形成的晶核数目，取决于临界晶核数目和原子在两相界面间的跃迁频率。
位置饱和形核、连续形核、Avrami形核、混合形核稳态形核、瞬态形核•生长：新相与母相之间的相界面迁移过程。
扩散控制：存在原子长程扩散，扩散影响相变进程。
界面控制：存在原子界面附近短程扩散，相变速率取决于原子在界面处的可动性。
形核模型位置饱和形核Avrami形核连续形核混合形核稳态形核瞬态形核生长模型界面控制生长扩散控制生长* 扩散控制生长速度要低于界面控制生长速度！碰撞修正模型硬膨胀——粒子相互间的重叠软膨胀——长大粒子周围可能的扩散域叠加晶核随机分布晶核非随机分布各向异性生长实际情况往往更接近于“中间分布状态”主要内容•引言•固态相变动力学理论基础•相变动力学模块化解析模型的建立•相变动力学研究范例※形核和生长机制的影响※块状相变临界条件的确定•主要结论∫−)()()exp(t T T GdT RTQ τKT 500)(=τ以往常用和新温度积分近似处理后计算得到的结果对比Q G =250kJmol -1,∫非晶Zr 60Al 15Ni 25合金在不同加热速率下等时晶化过程差热分析测量结果与不同温度积分近似处理的解析模型（连续形核和界面控制生长）计算结果对比(a )新方法，(b ) 以往常用方法»新温度积分近似处理使得模型拟合精度大大提高！该项工作由05届本科生王冬江完成，结果发表在Appl Phys A 92(2008)703和J Non-Cryst Solids 354(2008)3990上。
主要内容•引言•固态相变理论基础•相变动力学模块化解析模型的建立•相变动力学研究范例※形核和生长机制的影响※块状相变临界条件的确定•主要结论形核：非晶Mg80Cu10Y10合金等温晶化动力学淬火态0.000.000预退火(1h at 428 K)-0.005-0.01 -0.02 -0.03 -0.04 -0.05 -0.06 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 t (s)-0.030dΔH/dt (J s g )-1dΔH/dt (J s g )-1-1-1-0.010 -0.015 -0.020 -0.025440.7 K 438.2 K 435.7 K 433.2 K 431.7 K 430.2 K438.2 K 435.7 K 433.2 K 430.7 K 428.2 K 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 t (s)− n(t )Q (t ) ⎞ ⎞ ⎛ f = 1 − exp⎜ − K 0 (t )n (t ) t n (t ) exp⎛ ⎜ ⎟⎟ RT ⎝ ⎠⎠ ⎝相变动力学解析模型： Avrami形核+扩散控制生长+晶核随机分布QN: QG: n:形核激活能 生长激活能 生长指数不同预处理非晶Mg80Cu10Y10合金等温晶化后组织形态形核激 活能 kJ/mol 182 198 生长激 活能 kJ/mol 357 252 淬火、晶化后组织 预退火、晶化后组织(1h at 428 K)QNQGFe-C合金等温奥氏体-铁素体相变过程生长机制的转变1107.7 K保温Fe-0.04at.%C合金等温奥氏体－铁素体相变相变动力学模型：位置饱和+晶核随机分布+生长？相变分数随时间的变化关系 （注意时间轴为对数坐标）相变速率随时间的变化关系Liu YC, Wang DJ, et al. Acta mater 56 (2008) 3833.等温奥氏体→铁素体相变后试样织构分析⇒织构分析 结果表明相 变后组织中 在粗大的晶 粒中形成大 量小晶粒， 其可能原因 是生长过程 生长模式发 生转变。
相变模型 形核 (位置饱和) 生长 (第一阶段为界面控制生 长，第二阶段为扩散控制生长) 碰撞修正 (随机分布) 相变动力学解析模型分析确 定的第一和第二阶段的生长激 活能分别为:QI-C=140 kJ mol-1 QD-C=70 kJ mol-1 这表明在等温奥氏体－铁素 测量得到和相变动力学模型计算 确定的Fe-0.04at.%C 合金等温 体相变过程的确存在由界面控 奥氏体－铁素体相变速率对比图 制生长向扩散控制生长的转 变！主要内容• 引言 • 固态相变理论基础 • 相变动力学模块化解析模型的建立 • 相变动力学研究范例 ※形核和生长机制的影响 ※块状相变临界条件的确定 • 主要结论块状相变（Massive Transformation)背景：介于马氏体相变和长程扩散型相变间的一种短程扩散/ 界面控制生长的转变，长期以来对其相变临界条件的确定存 在较大分歧（临界温度位于两相Gibbs能相等的T0温度还是新 相固溶线温度？），美国材料研究学会曾于1980年和2000年 就该问题两次召开会议讨论，迄今未能达成统一的意见。
特点:无成分变化、母相通过相界面处原子的热激活跃迁而形 核并长大、界面移动速度比扩散控制型相变高。
快淬Cu-38.7Zn合金 中沿晶界形成的块 状αm相扩散控制生长Transition?界面控制生长相变驱动力的影响 范例：块状相变临 界温度的确定通过假设不同界面可动性大小采用相 场法模拟确定Fe-C合金块状相变临界 转变温度大小* Jerkont. Ann. 1957; 141: 757, Acta mater 1999; 47: 4481 & Acta Mater 2003; 51: 1327To=1181.4 KTα/γ =1166.0 K不同冷速下Fe-0.01at.%C合金 相变速率随温度的变化关系标有To温度的二元Fe-C合 金局部相图.主相变峰动力学机制分析：位置饱和+界面控制生长+晶核随机分布相变模型计算得到的相变速率与实验测量值的对比图&计算确定的界面移动速率基本保持不变，因此该相变过程可认为是界面控制生长过程（即块状相变）。
相变模型计算得到的界面移动速率大小.不同冷速下Fe-0.01at.%C晶粒大小分布图模型计算界面移动速率与小晶粒估算界面移动速率对比采用前面的分析方法，通过配制不同成分的Fe-C合金并测量其在不同冷却速率下的块状相变过程，由此可确定出块状相变发生的临界温度（见下图）Liu YC, et al. Inter J Mater Res99(2008)925主要内容•引言•固态相变理论基础•相变动力学模块化解析模型的建立•相变动力学研究范例※形核和生长机制的影响※块状相变临界条件的确定•主要结论¤固态相变机理可以很好的通过模块化相变动力学解析模型和相变分数变化过程来确定。
¤固态相变动力学分析主要取决于：§精确的测量信息；§模块化动力学解析模型。
¤合金固态相变前沿蕴含于：☆发展恰当的相变动力学解析模型；☆合理改变外部参量来考察相变过程；☆动力学过程应该着重考虑形核、生长和相变驱动力的变化规律。
课后思考题•相变动力学过程主要的实验研究手段有哪些？在获得相变过程准确动力学信息以后该如何进一步澄清其相变机制？•固态相变动力学解析模型的建立应包含哪几个环节？•谢谢。