材料科学基础 第10章+相变
无机材料科学基础试卷(6-10章)讲课稿
无机材料科学基础试卷(6-10章)无机材料科学基础试卷一、名词解释液相独立析晶：是在转熔过程中发生的，由于冷却速度较快，被回收的晶相有可能会被新析出的固相包裹起来，使转熔过程不能继续进行，从而使液相进行另一个单独的析晶过程，就是液相独立析晶。
二次再结晶：少数巨大晶粒在细晶消耗时成核长大过程。
晶粒生长：平衡晶粒尺寸在不改变其分布的情况下，连续增大的过程。
本征扩散：是指空位来源于晶体结构中本征热缺陷而引起质点的迁移。
非本征扩散：受固溶引入的杂质离子的电价和浓度等外界因素所控制的扩散。
或由不等价杂质离子取代造成晶格空位，由此而引起的质点迁移。
一级相变：体系由一相变为另一相时，如两相的化学势相等但化学势的一级偏微商(一级导数)不相等的称为一级相变二级相变：相变时两相化学势相等，其一级偏微商也相等，但二级偏微商不等的称为二级相变。
液相烧结：凡有液相参加的烧结过程称为液相烧结。
固相烧结：固态粉末在适当的温度、压力、气氛和时间条件下，通过物质与气孔之间的传质，变为坚硬、致密烧结体的过程。
均匀成核：晶核从均匀的单相熔体中产生的过程。
非均匀成核：是指借助于表面、界面、微粒裂纹器壁以及各种催化位置等而形成晶核的过程稳定扩散：若扩散物质在扩散层dx内各处的浓度不随时间而变化，即dc/dt=0。
这种扩散称稳定扩散。
不稳定扩散：扩散物质在扩散层dx内的浓度随时间而变化，即dc/dt≠0。
这种扩散称为不稳定扩散。
三角形规则：原始熔体组成点所在副三角形的三个顶点表示的物质即为其结晶产物；与这三个物质相应的初初晶区所包围的三元无变量点是其结晶结束点。
连线规则：将一界线（或其延长线）与相应的连线（或其延长线）相交，其交点是该界线上的温度最高点。
一致熔融化合物：是一种稳定的化合物。
它与正常的纯物质一样具有固定的熔点，熔化时，所产生的液相与化合物组成相同，故称一致熔融化合物。
不一致熔化合物：是一种不稳定的化合物，加热到一定温度会发生分解，分解产物是一种液相和一种固相，液相和固相的组成与化合物组成都不相同。
潘金生《材料科学基础》(修订版)(章节题库 回复与再结晶)【圣才出品】
第10章 回复与再结晶一、选择题1．形变后的材料再升温时发生回复和再结晶现象，则点缺陷浓度下降明显发生在（）。
A．回复阶段B．再结晶阶段C．晶粒长大阶段【答案】A2．晶体长大时如生长速率与动态过冷度成正比，则（）。
A．该晶体与液相的界面为粗糙界面B．该晶体与液相的界面为光滑界面C．该晶体藉螺型位错长大【答案】A3．下面关于对再结晶温度影响的说法中，错误的为（）。
A．冷形变程度越小则再结晶温度越高B．在同样的冷变形程度下，原始晶粒尺寸越小则再结晶温度越低C．第二相粒子分布越弥散则再结晶温度越低【答案】C4．下面关于回复与再结晶机制的差别中，正确的为（）。
A．回复不需要孕育期，而再结晶需要孕育期B．回复不需要激活能，而再结晶需要激活能C．回复不能降低形变态的应变能，而再结晶将降低形变态的应变能【答案】A5．形变后的材料在低温回复阶段时其内部组织发生显著变化的是（）。
A．点缺陷的明显下降B．形成亚晶界C．位错重新运动和分布【答案】A6．再结晶结束后发生晶粒长大时的驱动力主要来自（）。
A．高的外加温度B．高的材料内部应变能C．高的总晶界能【答案】C二、填空题1．结晶过程中晶体界面向液相推移的方式被称为______，与液固界面的微观结构有关。
2．再结晶完成后，晶粒长大可分为______晶粒长大和______晶粒长大。
【答案】正常；异常三、名词解释1．回复答：回复是指经冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生改变前（即在再结晶晶粒形成前）所产生的某些结构和性能的变化过程。
2．动态再结晶答：动态再结晶是指再结晶温度以上变形和再结晶同时进行的现象。
3．二次再结晶答：二次再结晶是再结晶结束后正常长大被抑制而发生的少数晶粒异常长大的现象。
四、简答题1．说明冷变形金属加热时回复、再结晶及晶粒长大的过程和特点。
答：（1）回复过程①组织不发生变化，仍保持变形伸长的晶粒形态。
③一般力学性能变化不大，硬度、强度仅稍有降低，塑性稍有提高；某些物理性能有较大变化，电阻率显著降低，密度增大。
无机材料科学基础答案第十章
10-1 名词解释：烧结烧结温度泰曼温度液相烧结固相烧结初次再结晶晶粒长大二次再结晶（1）烧结：粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度下的热处理，目的在于通过颗粒间的冶金结合以提高其强度。
（2）烧结温度：坯体在高温作用下，发生一系列物理化学反应，最后显气孔率接近于零，达到致密程度最大值时，工艺上称此种状态为"烧结"，达到烧结时相应的温度，称为"烧结温度"。
（3）泰曼温度：固体晶格开始明显流动的温度，一般在固体熔点（绝对温度）的2/3处的温度。
在煅烧时，固体粒子在塔曼温度之前主要是离子或分子沿晶体表面迁移，在晶格内部空间扩散（容积扩散）和再结晶。
而在塔曼温度以上，主要为烧结，结晶黏结长大。
（4）液相烧结：烧结温度高于被烧结体中熔点低的组分从而有液相出现的烧结。
（5）固相烧结：在固态状态下进行的烧结。
（6）初次再结晶：初次再结晶是在已发生塑性变形的基质中出现新生的无应变晶粒的成核和长大过程。
（7）晶粒长大：是指多晶体材料在高温保温过程中系统平均晶粒尺寸逐步上升的现象.（8）二次再结晶：再结晶结束后正常长大被抑制而发生的少数晶粒异常长大的现象。
10-2 烧结推动力是什么？它可凭哪些方式推动物质的迁移，各适用于何种烧结机理?解：推动力有：（1）粉状物料的表面能与多晶烧结体的晶界能的差值，烧结推动力与相变和化学反应的能量相比很小，因而不能自发进行，必须加热!!（2）颗粒堆积后，有很多细小气孔弯曲表面由于表面张力而产生压力差，（3）表面能与颗粒之间形成的毛细管力。
传质方式：（1）扩散（表面扩散、界面扩散、体积扩散）；（2）蒸发与凝聚；（3）溶解与沉淀；（4）黏滞流动和塑性流动等，一般烧结过程中各不同阶段有不同的传质机理，即烧结过程中往往有几种传质机理在起作用。
10-3 下列过程中，哪一个能使烧结体强度增大，而不产生坯体宏观上的收缩? 试说明理由。
（1）蒸发－冷凝；（2）体积扩散；（3）粘性流动；（4）晶界扩散；（5）表面扩散；（6）溶解－沉淀解：蒸发－凝聚机理（凝聚速率＝颈部体积增加）烧结时颈部扩大，气孔形状改变，但双球之间中心距不变，因此坯体不发生收缩，密度不变。
《材料科学基础》课后答案(1-7章)
第一章8．计算下列晶体的离于键与共价键的相对比例(1)NaF (2)CaO (3)ZnS解：1、查表得：X Na =0.93,X F =3.98根据鲍林公式可得NaF 中离子键比例为：21(0.93 3.98)4[1]100%90.2%e ---⨯=共价键比例为：1-90.2%=9.8% 2、同理，CaO 中离子键比例为：21(1.00 3.44)4[1]100%77.4%e---⨯=共价键比例为：1-77.4%=22.6%3、ZnS 中离子键比例为：21/4(2.581.65)[1]100%19.44%ZnS e --=-⨯=中离子键含量共价键比例为：1-19.44%=80.56%10说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义．说明稳态结构与亚稳态结构之间的关系。
答：结构转变的热力学条件决定转变是否可行，是结构转变的推动力，是转变的必要条件；动力学条件决定转变速度的大小，反映转变过程中阻力的大小。
稳态结构与亚稳态结构之间的关系：两种状态都是物质存在的状态，材料得到的结构是稳态或亚稳态，取决于转交过程的推动力和阻力(即热力学条件和动力学条件)，阻力小时得到稳态结构，阻力很大时则得到亚稳态结构。
稳态结构能量最低，热力学上最稳定，亚稳态结构能量高，热力学上不稳定，但向稳定结构转变速度慢，能保持相对稳定甚至长期存在。
但在一定条件下，亚稳态结构向稳态结构转变。
第二章1．回答下列问题：(1)在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向：(001）与[210]，(111）与[112]，(110)与 [111],(132)与[123],(322)与[236］(2)在立方晶系的一个晶胞中画出（111)和 （112)晶面，并写出两晶面交线的晶向指数。
(3)在立方晶系的一个晶胞中画出同时位于（101). (011)和（112)晶面上的[111]晶向。
解：1、2．有一正交点阵的 a=b, c=a/2。
某晶面在三个晶轴上的截距分别为 6个、2个和4个原子间距，求该晶面的密勒指数。
上海交大材料科学基础知识点总结
第一章材料中的原子排列第一节原子的结合方式1 原子结构2 原子结合键（1）离子键与离子晶体原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。
如氧化物陶瓷。
（2）共价键与原子晶体原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。
如高分子材料。
（3）金属键与金属晶体原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性；金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。
如金属。
金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。
（3）分子键与分子晶体原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。
分子晶体：熔点低，硬度低。
如高分子材料。
氢键：（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性，如O-H—O（4）混合键。
如复合材料。
3 结合键分类（1）一次键（化学键）：金属键、共价键、离子键。
（2）二次键（物理键）：分子键和氢键。
4 原子的排列方式（1）晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。
长程有序，各向异性。
（2）非晶体：――――――――――不规则排列。
长程无序，各向同性。
第二节原子的规则排列一晶体学基础1 空间点阵与晶体结构（1）空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。
图1-5特征：a 原子的理想排列；b 有14种。
其中：空间点阵中的点－阵点。
它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。
描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。
空间点阵中最小的几何单元称之为晶胞。
（2）晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。
特征：a 可能存在局部缺陷；b 可有无限多种。
2 晶胞图1－6（1）――－：构成空间点阵的最基本单元。
（2）选取原则：a 能够充分反映空间点阵的对称性；b 相等的棱和角的数目最多；c 具有尽可能多的直角；d 体积最小。
（3）形状和大小有三个棱边的长度a,b,c及其夹角α,β,γ表示。
材料科学基础智慧树知到答案2024年西南科技大学
材料科学基础西南科技大学智慧树知到答案2024年第一章测试1.选用材料应该遵循（）原则。
A:工艺性能 B:使用性能 C:环境协调性 D:经济性答案:ABCD2.耐火材料是指耐火度不低于（）℃的无机非金属材料。
A:1300 B:1000 C:1800 D:1580答案:D3.材料按其化学作用（或基本组成）分为：A:无机非金属材料 B:复合材料 C:金属材料 D:高分子材料（聚合物）答案:ABCD4.传统的无机非金属材料主要是指由ＳｉＯ２及其硅酸盐化合物为主要成分制成的材料，包括：A:陶瓷 B:耐火材料 C:水泥 D:玻璃答案:ABCD第二章测试1.如果等大球体在空间形成密排六方结构，则按如下方式（）的层序堆积。
A:ABBABB•••••• B:AABAAB•••••• C:ABCABC•••••• D:ABAB••••••答案:D2.在一个面心立方晶胞中，共存在（）。
A:4个四面体空隙，8个八面体空隙 B:8个四面体空隙，4个八面体空隙C:8个四面体空隙，8个八面体空隙 D:4个四面体空隙，4个八面体空隙答案:B3.在一个密排六方晶胞中，晶胞的质点数为（）。
A:2 B:8 C:6 D:4答案:C4.当6个等大的球体作面心立方堆积时，每个球周围形成的四面体空隙个数为( )。
A:12 B:6 C:2 D:18答案:C5.离子晶体的配位数决定主要取决于正、负离子半径比，当配位多面体为八面体时，正负离子的半径比（）。
A:正负离子半径比应处于0.155~0.225范围 B:正负离子半径比应处于0.732~1.0范围 C:正负离子半径比应处于0.225~0.414范围 D:正负离子半径比应处于0.414~0.732范围答案:D6.在某MX离子晶体中，若其中的阴离子易被极化，则下列说法正确的是：（）。
A:阴阳离子间距增大、配位数增加。
B:阴阳离子间距增大、配位数降低。
C:阴阳离子间距降低、配位数降低。
D:阴阳离子间距降低、配位数增加。
材料科学基础第10章相变
成分在虚线范围内时，由于自由能曲线为上凸(凹向朝下)， 任何细小的成分的偏离都会使自由能下降，偏离加大自由能降 低愈多，可见这时成分的偏离是自发的，不需要外界提供或自 身的聚集。
增幅分解(Spinodel)
增幅区内的分解
成分在虚线范围内时，由于自由能曲线为上凸(凹向朝下)， 任何细小的成分的偏离都会使自由能下降，偏离加大自由能降 低愈多，可见这时成分的偏离是自发的，不需要外界提供或自 身的聚集，自发地加大偏离的幅度，所以把这种分解称为增幅 分解。分解的过程和所得组织如图所示，增幅分解的组织呈布
混合时熵的变化：
配置熵定义： K－波耳兹曼常数 W－可能构成的排列方式
混合过程中S的变化
混合过程中H的变化
利用溶液的准化学模型：①设A、B组元尺寸相接 近，排列无序；②混合过程中体积基本不变，即Δ V＝ 0；③原子只与最近邻的原子之间存在相互作用，即只 计算最近邻原子之间的结合能。
设两最近邻原子之间的结合能分别为uAA、uBB、uAB， 固溶体和组元的配位数均为Z。由于H=u+PV，
所以一级相变过程会伴随 潜热的释放(或吸收)和体积改 变的发生。过去相图中介绍的 合金凝固过程是一级相变，热 处理中发生的固态相变也主要 是一级相变。
按热力学分类
二级相变： 在临界点处，
按热力学分类
二级相变：在临界点处，这时两相的化学位、熵S和体积V相 同，但等压热容量CP、等温压缩系数k、等压热膨胀系数α 可 能不相同。
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。之所以为新相，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。
材料科学基础相变
材料科学基础相变相变是材料科学基础中重要的概念之一、相变指的是物质在一定的温度和压力下由一种物态转变为另一种物态的过程。
在相变过程中，物质的分子结构和物性发生了根本性的改变。
相变不仅在常见的物质如水和冰中发生，也在各种材料中都是普遍存在的。
相变的分类主要有几种，包括：一级相变和二级相变、固相变、液相变和气相变、晶体相变和非晶态相变等。
一级相变和二级相变是相变的基本分类之一、一级相变是指物质在相变过程中，在一定温度下会出现物质的两种形态共存的情况，例如水在0°C时同时存在液态水和固态冰。
在一级相变过程中，物质的温度保持不变，而吸收或释放的热量用于改变物质的物态。
二级相变则是指物质在相变过程中，直接从一种物态转变为另一种物态，没有物质两种形态共存的情况。
例如，水从液态直接转变为气态的过程。
固相变包括固固相变和固液相变。
固固相变指的是物质在固态下由一种结构转变为另一种结构。
这种相变在金属材料中尤为常见，例如铁的铁素体和奥氏体的相互转变。
固液相变是指物质在固态和液态之间的相变过程，例如冰的熔化就是固液相变的例子。
液相变通常指的是液体变为气体的相变过程，也就是蒸发过程。
在蒸发过程中，液体吸收外界的热量，分子动能增加，逐渐脱离液体表面，形成气体。
相反地，气体变为液体的过程称为凝结。
晶体相变是指物质晶体结构发生变化的相变过程。
晶体相变可以是由于温度的改变而引起，也可以是由于压力的改变而引起。
晶体相变的一个重要特点是在相变过程中结构的对称性发生了改变。
晶体相变的代表性例子之一是冰的六方晶相变为立方晶。
非晶态相变是指物质的非晶态结构发生变化的相变过程。
非晶态相变通常与玻璃态的形成有关，例如液态金属迅速冷却后变为非晶态。
非晶态相变在材料科学中的研究具有重要的理论和应用价值。
相变现象是材料科学基础中非常常见的现象。
通过对相变的深入研究，我们可以更好地理解材料的结构和性质变化规律，为材料设计和制备提供理论基础。
《材料科学基础》练习题集02
厦门理工学院《材料科学基础》练习题集 02第9章材料的凝固一、名词解释：1、均匀形核：在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心。
2、非均匀形核：是液态金属依附在一些未溶颗粒表面或固液界面所形成的晶核。
3、变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非均匀形核晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒，这种处理方法即为变质处理。
4、变质剂：在浇注前所加入的难熔杂质称为变质剂。
5、枝晶偏析：实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分，使得先结晶出来的固溶体合金含高熔点组元较多，后结晶含低熔点组元较多，这种在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析。
6、比重偏析：比重偏析是由组成相与溶液之间的密度差别所引起的。
如果先共晶相与溶液之间的密度差别较大，则在缓慢冷却条件下凝固时，先共晶相便会在液体中上浮或下沉，从而导致结晶后铸件上下部分的化学成分不一致，产生比重偏析。
7、溶质再分配8、成分过冷二、判断题：1、液态金属的结构特点是近程有序，长程无序。
（）2、晶粒尺寸和形核率N、线长大速度Vg之间的关系是N/Vg越大，晶粒尺寸越大。
（）3、区域提纯技术的理论基础是凝固过程中的溶质再分配。
（）4、液－固粗糙界面可描述为微观粗糙、宏观平整。
（）5、在结晶过程中，晶核越多，生长速率越慢，则凝固后的晶粒越细小。
（）6、在单相固溶体铸锭结晶时，成分过冷越大，越易形成枝晶。
（）7、由凝固理论可知，细化晶粒的途径是提高形核率，降低长大速率。
（）8、金属－非金属型共晶具有粗糙－光滑型界面，所以它多为树枝状，针状或螺旋状。
（）三、选择题：1、纯金属结晶均匀形核，当过冷度 T很小时，形核率低，是因为。
A、原子可动性低，相变驱动力低；B、原子可动性高，相变驱动力低；C、原子可动性低，相变驱动力高；D、原子可动性高，相变驱动力高；2、合金凝固时，出现成分过冷的原因是。
无机材料科学基础课件 第十章 相图
12
P A 水 C
T
10.3.2具有同质多晶转变的单元系统相图
P
G F 晶1 H B 晶2 O C 气 E 液 D
A
T
具有同质多晶转变的单元系统相图
其中：BF—晶型转变线，反映P对多晶转变的影 响，该直线斜率不会太大。 CE—晶2的熔融曲线 BF—晶1、晶2的转变曲线 AB—气相与晶1的两相平衡线（晶1的升华曲线） BC—气相与晶2的两相平衡线（晶2的升华曲线） CD—液相与气相的两相平衡线（液相的蒸发曲线） OG—过热晶型1与过冷液体的平衡曲线 BH—过冷晶型2的升华曲线 BO—过热晶型1的升华曲线 OC—过冷液相的蒸发曲线 FBOG区—过热晶1的相区 OBC—过冷蒸汽介稳区 GOCE区—过冷液相区
t=TC, C点
液相同时对晶 体A和B饱和 当最后一滴低共 p=3, f=0 熔组成的液相析 出A晶体和B晶体 24 后，液相消失
t=TE, E点
从液相中不断 析出A晶体
3个概念：系统组成点、固相点、液相点
简称：系统点 取决于系统的总组成，由原始配料组 成决定 对于M配料，系统点在MM’线上 系统中的液相组成和固相组成随温度不断变化， 液相点和固相点的位置也随温度不断变化
L A+B P=3,F=0
液相：M L G
' L P=1,F=2 ' L1 +L2 P=2,F=1
LC LD +A P=3,F=0
D E(LE A+B,F=0) 固相：H I J
A A+B
第十章
相 平 衡
1
10.1相平衡的基本概念、相律
10.1.1相：物理化学性质相同、完全均匀、可含多种物质
材料科学基础试题及答案
第一章 原子排列与晶体结构1. fcc 结构的密排方向是 ，密排面是 ，密排面的堆垛顺序是 ，致密度为 ，配位数是 ,晶胞中原子数为 ，把原子视为刚性球时，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 ；bcc 结构的密排方向是 ，密排面是 ,致密度为 ,配位数是 ,晶胞中原子数为 ，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 ；hcp 结构的密排方向是 ，密排面是 ，密排面的堆垛顺序是 ，致密度为 ，配位数是 ,，晶胞中原子数为 ，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 。
2. Al 的点阵常数为0.4049nm ，其结构原子体积是 ，每个晶胞中八面体间隙数为 ，四面体间隙数为 。
3. 纯铁冷却时在912ε 发生同素异晶转变是从 结构转变为 结构，配位数 ，致密度降低 ，晶体体积 ，原子半径发生 。
4. 在面心立方晶胞中画出）（211晶面和]211[晶向，指出﹤110﹥中位于（111）平面上的方向。
在hcp 晶胞的（0001）面上标出）（0121晶面和]0121[晶向。
5. 求]111[和]120[两晶向所决定的晶面。
6 在铅的（100）平面上，1mm 2有多少原子？已知铅为fcc 面心立方结构，其原子半径R=0.175×10-6mm 。
第二章 合金相结构一、 填空1） 随着溶质浓度的增大，单相固溶体合金的强度 ，塑性 ，导电性 ，形成间隙固溶体时，固溶体的点阵常数 。
2） 影响置换固溶体溶解度大小的主要因素是（1） ；（2） ；（3） ；（4） 和环境因素。
3） 置换式固溶体的不均匀性主要表现为 和 。
4） 按照溶质原子进入溶剂点阵的位置区分，固溶体可分为 和 。
5） 无序固溶体转变为有序固溶体时，合金性能变化的一般规律是强度和硬度 ，塑性 ，导电性 。
6）间隙固溶体是 ，间隙化合物是 。
二、 问答1、 分析氢，氮，碳，硼在α-Fe 和γ-Fe 中形成固溶体的类型，进入点阵中的位置和固溶度大小。
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第二节
自由能随成分变化规律
4.Δ HM>0时自由能随成分变化规律
溶解时会吸收热量，由于Δ HM和TΔ SM表现为相反的 作用，曲线的形状与二者的大小相关。
若T＝0时，两组元的混合全部表现为提高自由能， 由于绝对0度是不可能的，所以这种情况不可能出现。
第三节
• • • • •
相平衡原理
相平衡原理 化学位的图解求法 单相平衡 两相平衡－公切线法则 三相平衡
第三节
相平衡原理
1.相平衡原理
1) 体系的自由能最低；
2) 每一组元在平衡各相中的化学位相等。
第三节
相平衡原理
2.化学位的图解法
在某固定的温度下，由AB两组元构成的某一相α ， 其自由能与成分之间的关系如图所示，当其成分为XB 时，求这时A、B组元在该相中的化学位？
若已知G(x)与成分xB的关 系如图所示。 由成分xB在G(x)曲线上的位为这时A、B组元的化学
第十章 材料热力学 与固态相变基础
合金自由能的计算 自由能随成分变化规律 相平衡原理 相图与吉布斯自由能曲线 固态相变概论 总结与回顾－－材料的成分、加 工工艺对组织、性能的影响
引言
平衡状态：系统吉布斯自由能处于最低所对应的状态。
相图：表述物质的成分、环境条件与平衡状态下存在相之间关
系的图形。
第四节
固态相变概论
1.按热力学分类
由热力学知，系统总是相着吉布斯自由能降低的 方向自发转变。两个存在的相处于互相平衡状态，不 发生转变，二者的吉布斯自由能相等。这时构成材料 的组元在两个相中的化学位相等,即μ 1＝μ 2，否则组 元会从一个相中向另一相转移，即有相变发生。 临界点：在一定的温度和压力下，两相处于平衡， 这个平衡时对应的温度和压力称为他们的临界点，固 态转变中，压力影响较小，一般临界点大多指在一个 大气压下平衡是对应的温度。 两相处于临界点时:
第四节
固态相变概论
1.按热力学分类
一级相变：在临界点处，如果：
当T或P发生变化 (偏离临 界点),平衡就被破坏，体系的 熵S和体积V会改变，向吉布斯 自由能低的方向发展，就有一 相减少而另一相增加，这时发 生的相变称为一级相变。
所以一级相变过程会伴随 潜热的释放(或吸收)和体积改 变的发生。过去相图中介绍的 合金凝固过程是一级相变，热 处理中发生的固态相变也主要 是一级相变。
固溶体自由能的计算
3.固溶体自由能与成分温度的关系
在温度T下，寻找G－x之间的关系。设NA和NB为固溶体 中A、B的原子数 ，XA和XB为两组元的摩尔浓度，即
在温度T下， G0为混合前的自 由能，Δ Gm为混合过程中自由 能变化。 G0A的值由纯组元公式计算出。 先计算混合过程中H、S的变化 量，可以计算Δ Gm变化。
第二节
自由能随成分变化规律
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4.Δ HM>0时自由能随成分变化规律
溶解时会吸收热量，由于Δ HM和TΔ SM表现为相反的 作用，曲线的形状与二者的大小相关。
混合所提高的内能全部由热温熵来补充， Δ Gm≤0，G(x)依然为下垂曲线，仅仅下垂的程度小一
第二节
自由能随成分变化规律
4.Δ HM>0时自由能随成分变化规律
配置熵定义： K－波耳兹曼常数 W－可能构成的排列方式
第一节
3.固溶体自由能与成分温度的关系
固溶体自由能的计算
混合过程中S的变化
第一节
固溶体自由能的计算
3.固溶体自由能与成分温度的关系
混合过程中H的变化
利用溶液的准化学模型：①设A、B组元尺寸相接 近，排列无序；②混合过程中体积基本不变，即Δ V＝ 0；③原子只与最近邻的原子之间存在相互作用，即只 计算最近邻原子之间的结合能。 设两最近邻原子之间的结合能分别为uAA、uBB、uAB， 固溶体和组元的配位数均为Z。由于H=u+PV，
第四节 相图与吉布 斯自由能曲线
3.
二 元 包 晶 相 图
第四节
相图与吉布斯自由能曲线
3.二元包晶相图
第四节
相图与吉布斯自由能曲线
4.增幅分解(Spinodel)
增幅分解是单相固溶体分解为两相混合物的一种特殊方式， 其特殊之点是在这一分解过程中不需要信相的形核。
在无限溶解固溶体中，如果溶解时为吸热过程，当温度较 低时，自由能曲线中部有上凸(凹向朝下)部分出现，这时单一 的固溶体的自由能不是最低，可以分解为结构相同而成分不同 两个相混合物。相图如图所示，其中实线为不同温度下公切线 的切点轨迹，而虚线是曲线上拐点变化的轨迹。
第三节
相平衡原理
2.两相平衡－公切线法则
注意平衡相是以共切点的成分 来分配，如果连接两曲线的最低 点，以这样的成分的两相混合， 尽管每一相的自由能比切点低， 但数量按杠杆定律分配后的混合 自由能在 3点，依然高于 M点，所 以平衡相是以公切线对应的切点 作为确定点。 在PQ之间，所有成分的合金都 由P点的α 相和Q点的β 相混合而 成，近两相的数量因合金的成分不同而异。 对应在PQ之外，无法由P点的α 相和Q点的β 相混合而成， 以自由能较低的单相存在，P点的左边为合金成分的单一α 相， Q点的右边为合金成分的单一β 相。
第三节
相平衡原理
2.化学位的图解法
第三节
相平衡原理
3.单相平衡
稳定的单相为在某一温度 下，该相的自由能最低，并且 在该成分点出的G(x)~x曲线为 “上凹”。
1) 在温度T下，AB组元可能形成α 、 β 两种相，为了降低系统的自由能， 显然将以单一的α 存在比β 相或α ＋β 两相混合时的自由能低一些。
第三节
相平衡原理
2.两相平衡－公切线法则
在二元的情况，温度T一定 时 , 若 AB 组元可能形成 α 、 β 两种相，其自由能与成分 的关系曲线如图所示 , 合金 成分为X时:
以单一的α 相存在,自由能在1点； 以单一的β 相存在,自由能在2点； 作Gα 、Gβ 的公切线，切点分别 为P、Q，延长交坐标轴为a、b。 a点为组元A在α 和β 的化学位，b点为组元B在α 和β 的化学位, 显然二者相等，所以P点的α 相成分为x1；Q点的β 相成分为x2； 它们是平衡相。两相的数量满足杠杆定律，以这两相混合的自 由能在M点。这时的自由能最低，它们才是这个温度下的平衡相。
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。之所以为新相，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。 在热处理过程中，材料处于固态下，但内部都有 不同的固态相变发生，先分析固态相变基本规律。
增幅分解组织
分解过程自发地加大成分偏离的幅度，所以称为增幅分解。 这种分解的过程和所得组织如图所示，增幅分解的组织呈布纹 状，非常细小，只能的高倍的电子显微镜下才能观察得到。
第五节
固态相变概论
• 概述 • 按热力学分类 • 按原子运动的方式分类 • 新相形成时的能量变化 • 新相形成过程 • 固态相变的特点
第四节 相图与吉布斯 自由能曲线
• • • • 二元匀晶相图 二元共晶相图 二元包晶相图 增幅分解
第四节 相图与吉布 斯自由能曲线
1.
二 元 匀 晶 相 图
第四节
相图与吉布斯自由能曲线
1.二元匀晶相图
第四节 相图与吉布 斯自由能曲线
2.
二 元 共 晶 相 图
第四节
相图与吉布斯自由能曲线
2.二元共晶相图
第一节
固溶体自由能的计算
3.固溶体自由能与成分温度的关系
混合过程中H的变化
第一节
固溶体自由能的计算
3.固溶体自由能与成分温度的关系
结论：
注意这个表达式的推导用的假设，即使用条件，这 是一最简单的情况，其它情况下应根据使用环境来加 以修正。
第二节
自由能随成分变化规律
数学表达关系分析
当Δ HM=0时的状态 当Δ HM<0时的状态 当Δ HM>0时的状态
固溶体自由能的计算
2.两相混合自由能的计算
设同样有A、B两组元组成的两相α 和β ， α 的成分(原子百分比)为x1，β 的成分 (原子百分比)为x2，α 和β 两相所占的比 例分别为N1和N2(原子百分比),显然N1＋N2 ＝1 。
在G－X的图形中，G1、G、G2三点在一直线上，并服从杠杆定律。
第一节
相图的测定方法：一般用物理方法来进行，利用不同组成相
所具有的不同物理性能特征参数或性能变化时的表现出物理量 的变化特征来进行测定工作。例如常用的热分析法、热膨胀系 数/比容变化、磁性法等等。
计算法预测相图：由材料的成分判断可能组成的相结构，计
算在某一温度下的自由能，找出合适组成相或他们之间的组合， 达到能量最低的状态(平衡态)，从而确定相图的结构。随着热 力学数据的积累，计算机能力提高和普及，这种设想现在逐步 可以实现。
第四节
相图与吉布斯自由能曲线
4.增幅分解(Spinodel)
增幅区内的分解
成分在虚线范围内时，由于自由能曲线为上凸(凹向朝下)， 任何细小的成分的偏离都会使自由能下降，偏离加大自由能降 低愈多，可见这时成分的偏离是自发的，不需要外界提供或自 身的聚集。
第四节
相图与吉布斯自由能曲线
4.增幅分解(Spinodel)
第一节
固溶体自由能的计算
• 纯组元自由能与温度的关系
• 两相混合自由能的计算
• 固溶体的自由能与成分温度的关系
• 混合过程中S的变化 • 混合过程中H的变化
第一节
固溶体自由能的计算