材料科学基础课件第八章_相变

例如：压电陶瓷BaTiO3 有居里点，理论上是二级相 变，但是也有较小的相变潜 热。
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。
D
过冷。
E Z
s
说明：阴影区为亚稳区P/
c当加入杂质，可在亚稳区 V 形成新相，此时亚稳区
缩小。 P
原因：当发生相变时，是以微小液滴或晶粒出现，由于颗粒很小， 因此其饱和蒸汽压和溶解度>>平面态蒸汽压和溶解度，在相平衡温 度下，这些微粒还未达到饱和而重新蒸发和溶解。
2、相变过程推动力 (1) 温度条件
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。
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。
四、按成核特点分类 均质转变：发生在单一均质中。 非均质转变：有相界面存在。 五、按成分、结构的变化分
重构式转变 位移式转变
玻璃相变
析晶
分相
体积析晶
表面析晶
不均匀成核
均匀成核
亚稳分相
§7－2 液-固相变
一、析晶相变过程的热力学
1、相变过程的不平衡状态及亚稳区
Tg
A BX
C O
结论 a 亚稳区具有不平衡状态。 L b在亚稳区要产生新相必须
GT，P 0
在等T，P下， G＝ H－T S
G=0
G0
H－T S＝0
G＝H－TS 0
H， S不随T变化
S＝ H/T0
G＝H－T. H＝H(T0 T )
T0
T0
讨论：
H. T T0
a. 若过程放热， H<0,则 T>0，即T <T0，必须过冷。 b.若过程吸热， H>0,则 T<0，即T > T0，必须过热。 结论：相变推动力可表示为过冷度(T)。
(2) 相变过程的压力和浓度条件
G RT ln P0 P
P0：饱和蒸汽压 P:过饱和蒸汽压
G RT ln C0 C
RT. C
C
C0：饱和溶液浓度 C：过饱和溶液浓度
总结： 相变过程的推动力应为 过冷度、过饱和浓度、过饱和蒸汽压。
3、晶核形成条件 (1) 成核： 长大
消失
由晶核半径 r 与 rK 比较可知
3
T0
对于析晶 <0
Leabharlann Baidu
>0 －
rK
r
结论：晶核较小时第二相占优势，晶核较大时第一相占优势.
求曲线的极值来确定 rK。即
(G) 0 r
4n. H .T .r 2 8n .r 0
T0
rK
2T0
H .T
2
GV
+ G
0
-
G2
rK -G1
T3 结论： 1、rK是临界晶胚半径。 rK愈小 ，愈易形成新相。
g L (凝聚、蒸发) g S (凝聚、升华) L S (结晶、熔融、溶解) S1 S2 (晶型转变、有序-无序转变) L1 L2 (液体) A＋BC 亚稳分相 (Spinodal分相)
§7－1 相变的分类
一、按热力学分类 (P，T) 一级相变和二级相变
一级相变：
1＝ 2
1 2 (V1 V2 )
第 八 章
相 变
Chapter 8 phase transformation
基本概念
相变：指在一定外界条件下，体系中发生的从一相到另一 相的变化过程。
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
狭义相变：过程前后相的化学组成不变，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。
1 2(等温压缩系数)
C p1 C p2 (热容量)
V1＝V2 C
T0 T 结论：无相变潜热，无体积的不连续性，只有Cp、、的不连续。
有居里点或点 (二级相变的特征点)
普遍类型：一般合金有序－无序转变、铁磁性－顺磁性转变、超
导态转变等。
二级相变实例
特例
混合型相变：
特点： 同时具有一级相变
和二级相变的特征
*二、按相变方式分类 成核－长大型相变：由程度大，但范围小的浓度起伏开始发生相变 ，并形成新相核心。如结晶釉。 连续型相变(不稳分相)：由程度小，范围广的浓度起伏连续长 大形成新相。 如微晶玻璃。
三、按质点迁移特征分类 扩散型：有质点迁移。 无扩散型：在低温下进行，如：同素异构转变、马氏体转变
马氏体转变：
T2 rK
T1 r
2、 rK与温度关系。要发生相变 必须 过冷。TT0时， T愈小， rK愈大，越不易形成新相。 (熔体析晶，一般rK ＝10～100nm) 3、 影响rK的因素分析。
临界晶胚半径：新相可以长大而不消失的最小晶胚半径
(2)推导 rK 假定在T0时， 相 相
表面积 界面能
系统自由焓的变化 假定晶核为球形
G＝ G1＋ G2 ＝V. GV＋A. ＝4/3.r3n. GV＋4 r2.n.
GV
H. T T0
＋ G
G G1 G2
0
4 r 3 .n. H .T 4r 2 .n.
P T P T
1
T
P
2
T
P
(-S1 S2 )
一般类型：晶体的熔化、升华；
液体的凝固、气化；
气体的凝聚以及晶体中的多数晶型转变等。
特 点：有相变潜热，并伴随有体积改变。
二级相变：特点： 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。
即： 1＝2
S1＝S2
1 2(等压膨胀系数)
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。