材料科学基础(相变)1
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材料科学基础__固态相变的基本原理
固态相变与液态相变相比的的特点 ?1.相变阻力大。 固态相变的驱动力也是新旧两相的自由能
差，这个差值越大，越有利于相变的进行 ?2.新相与母相界面上原子排列易保持一定的匹配。新相与
母相界面上原子排列易保持一定的匹配的根本原因就在于 它有利于相变阻力的降低 ?3.新相与母相之间存在一定的晶体学位向关系。
? ?P ?T
6
二级相变： 两平衡相的化学势相等，及一阶偏导
数相等，但是二阶偏导数不相等。
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应力作用，或由于晶体受到打击，切削，研磨等机械应力 作用，使晶体内部质点排列变形。
原子行列间相互滑移，而不再符合理想晶格的有序排 列形成现状的缺陷称为位错
35
（2）. 位错形核
? ①位错与溶质原子交互作用形成溶质原子气团，使溶 质原子偏聚在位错线附近，在成分上有利于形核。
? ②位错形核形成的新相如果能使原来的位错消失，可 降低成核功
8
2. 按动力学分类
? 1). 扩散型（非协同型）： ?新相的形成和长大都要依靠原子的长距离扩散，相界面进
行扩散移动， ?转变的速度由原子扩散迁移速度控制，相界面是非共格。 ?脱溶、共析、增幅分解属于这种类型。
9
2）. 非扩散型（位移型）： 在相变过程中没有原子的扩散运动，相变前后没有成分
的变化，原子以切变的方式，即相对周围原子发生有规律 的少量的偏移，基本维持原来的相邻关系，而发生晶体结 构的改变。
材料科学基础12章相变(推荐完整)
亚稳区是理论上应发生相变而实际未发生相变的区域。 a.它是旧相介稳定存在的区域； b.越过介稳区，才会出 现新相；c.若有杂质存在，亚稳区可能会产生新相。
（二）相变过程的推动力
相变过程的推动力是相变前后系统自由能变化为负值， 其负值↑，推动力↑。 1．相变过程的温度条件（P确定，其它条件都不变）。 1）在平衡条件下的相变：G=0 G=H–ToS=0，S=H/To, To 为相变的平衡温度， H 是相变热。 2）在非平衡条件下的相变： G≠0
/
T
P
(∂μ1/∂P)T≠(∂μ2/∂P)T，
由于(∂μ/∂T)P=-S，(∂μ/∂P)T=V，也即 一级相变时 S1≠S2， V1≠V2 。
因此在一级相变时熵（S）和体积
（V）有不连续变化。即相变时有相变
潜热，并伴随有体积改变。
晶体的熔化、升华；液体的凝固、气
化；气体的凝聚以及晶体中大多数晶型
一种是由程度大、但范围小的浓度起伏开始发生相变， 并形成新相核心称为成核–长大型相变；另一种却由程 度小、范围广的浓度起伏连续地长大形成新相，称为 连续型相变，如 Spinodal分解。 三、按质点迁移特征分类
根据相变过程中质点的迁移情况，可将相变分为： 扩散型和无扩散型两大类。
扩散型相变的特点是相变依靠原子（或离子）的 扩散来进行的。如晶型转变、熔体中析晶、气–固、液 –固相变和有序–无序转变。
CP1 CP2 热容量、热膨胀系数和压缩系数的不连相变温
度T0时趋于无穷大，因此可根据Cp–T曲线具有λ 形状而称二级相变为λ相变，其相变点可称λ点
或居里点。一般合金的有序–无序转变、铁磁性–
顺磁性转变、超导态转变等均属于二级相变。
二、按相变方式分类 Gibbs（吉布斯）将相变过程分为两种不同方式：
（二）相变过程的推动力
相变过程的推动力是相变前后系统自由能变化为负值， 其负值↑，推动力↑。 1．相变过程的温度条件（P确定，其它条件都不变）。 1）在平衡条件下的相变：G=0 G=H–ToS=0，S=H/To, To 为相变的平衡温度， H 是相变热。 2）在非平衡条件下的相变： G≠0
/
T
P
(∂μ1/∂P)T≠(∂μ2/∂P)T，
由于(∂μ/∂T)P=-S，(∂μ/∂P)T=V，也即 一级相变时 S1≠S2， V1≠V2 。
因此在一级相变时熵（S）和体积
（V）有不连续变化。即相变时有相变
潜热，并伴随有体积改变。
晶体的熔化、升华；液体的凝固、气
化；气体的凝聚以及晶体中大多数晶型
一种是由程度大、但范围小的浓度起伏开始发生相变， 并形成新相核心称为成核–长大型相变；另一种却由程 度小、范围广的浓度起伏连续地长大形成新相，称为 连续型相变，如 Spinodal分解。 三、按质点迁移特征分类
根据相变过程中质点的迁移情况，可将相变分为： 扩散型和无扩散型两大类。
扩散型相变的特点是相变依靠原子（或离子）的 扩散来进行的。如晶型转变、熔体中析晶、气–固、液 –固相变和有序–无序转变。
CP1 CP2 热容量、热膨胀系数和压缩系数的不连相变温
度T0时趋于无穷大，因此可根据Cp–T曲线具有λ 形状而称二级相变为λ相变，其相变点可称λ点
或居里点。一般合金的有序–无序转变、铁磁性–
顺磁性转变、超导态转变等均属于二级相变。
二、按相变方式分类 Gibbs（吉布斯）将相变过程分为两种不同方式：
(完整版)1《材料科学基础》第一章晶体学基础
一、晶向指数 二、晶面指数 三、六方晶系的晶向指数和晶面指数 四、晶带 五、晶面间距
晶向、晶
钯的PDF卡片-----Pd 89－4897
crystal system,space
图 2 CdS纳米棒的TEM照片（左）和 HRTEM照片（右）
图2 选区电子衍射图
图1. La(Sr)3SrMnO7的低 温电子衍射图
晶向、晶面、晶面间距
晶向：空间点阵中行列的方向代表晶体中原子排 列的方向，称为晶向。
晶面：通过空间点阵中任意一组结点的平面代表 晶体中的原子平面，称为晶面。
L M
P点坐标?
(2,2,2)或222
N
一、晶向指数
1、晶向指数：表示晶体中点阵方向的指数，由晶向上结点的 坐标值决定。
2、求法 1）建立坐标系。 以晶胞中待定晶向上的某一阵点O为原点，
联系：一般情况下，晶胞的几何形状、大小与对应的单胞是 一致的，可由同一组晶格常数来表示。
不区分 图示
晶 胞
空间点阵
单
胞
•NaCl晶体的晶胞，对应的是立方面心格子 •晶格常数a=b=c=0.5628nm，α=β=γ=90°
大晶胞
大晶胞：是相对 于单位晶胞而言 的
例：六方原始格子形式的晶胞就是常见的大晶胞
① 所选取的平行六面体应能反映整个空间点阵的对称性； ② 在上述前提下，平行六面体棱与棱之间的直角应最多； ③ 在遵循上两个条件的前提下，平行六面体的体积应最小。
具有L44P的平面点阵
单胞表
3、单胞的表征
原点：单胞角上的某一阵点 坐标轴：单胞上过原点的三个棱边 x，y，z 点阵参数：a，b，c，α，β，γ
准晶
是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶具有长程定向有 序，然而又不具有晶体所应有的平移对称性，因而可以具有 晶体所不允许的宏观对称性。
晶向、晶
钯的PDF卡片-----Pd 89－4897
crystal system,space
图 2 CdS纳米棒的TEM照片（左）和 HRTEM照片（右）
图2 选区电子衍射图
图1. La(Sr)3SrMnO7的低 温电子衍射图
晶向、晶面、晶面间距
晶向：空间点阵中行列的方向代表晶体中原子排 列的方向，称为晶向。
晶面：通过空间点阵中任意一组结点的平面代表 晶体中的原子平面，称为晶面。
L M
P点坐标?
(2,2,2)或222
N
一、晶向指数
1、晶向指数：表示晶体中点阵方向的指数，由晶向上结点的 坐标值决定。
2、求法 1）建立坐标系。 以晶胞中待定晶向上的某一阵点O为原点，
联系：一般情况下，晶胞的几何形状、大小与对应的单胞是 一致的，可由同一组晶格常数来表示。
不区分 图示
晶 胞
空间点阵
单
胞
•NaCl晶体的晶胞，对应的是立方面心格子 •晶格常数a=b=c=0.5628nm，α=β=γ=90°
大晶胞
大晶胞：是相对 于单位晶胞而言 的
例：六方原始格子形式的晶胞就是常见的大晶胞
① 所选取的平行六面体应能反映整个空间点阵的对称性； ② 在上述前提下，平行六面体棱与棱之间的直角应最多； ③ 在遵循上两个条件的前提下，平行六面体的体积应最小。
具有L44P的平面点阵
单胞表
3、单胞的表征
原点：单胞角上的某一阵点 坐标轴：单胞上过原点的三个棱边 x，y，z 点阵参数：a，b，c，α，β，γ
准晶
是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶具有长程定向有 序，然而又不具有晶体所应有的平移对称性，因而可以具有 晶体所不允许的宏观对称性。
大学材料科学基础 第五章材料的相结构和相图(1)
弗兰克尔空位
肖脱基空位
2) 为了保持电中性，离子间数量不等的置换会 在晶体内部形成点缺陷。 如：2Ca2+→Zr4+ ，形成氧离子空缺。 3) 陶瓷化合物中存在变价离子，当其电价改变 时，也会在晶体中产生空位。 如：方铁矿中，部分Fe2+被氧化为Fe3+时， 2FeO+O → Fe2O3中，产生阳离子空缺。 同理，TiO2中，部分Ti4+被还原为Ti3+时，产 生阴离子空缺。 这种由于维持电中性而出现的空位，可以 当作电子空穴。欠缺或多出的电子具有一定的 自由活动性，因而降低了化合物的电阻。这种 现象在材料的电性能方面有重要意义。
3．陶瓷材料中的固溶方式
陶瓷材料——一般不具备金属特性，属无机非金属。 无机非金属化合物可以置换或间隙固溶的方式溶入其 它元素而形成固溶体，甚至无限固溶体，但是一般形 成有限固溶体。 如：Mg[CO3] → (Mg,Fe)[CO3] →(Fe,Mg)[CO3] →Fe[CO3] 菱镁矿 含铁菱镁矿 含镁菱铁矿 菱铁矿 不改变原来的晶格类型，晶格常数略有改变。
(3) 多为金属间或金属与类金属间的化合物， 以金属键为主，具有金属性，所以也称金属 间化合物。 (4) 晶体结构复杂。 (5) 在材料中是少数相，分布在固溶体基体 上，起到改善材料性能、强化基体的作用。 中间相可分为以下几类： 正常价化合物；电子化合物；间隙相；间隙 化合物；拓扑密堆相。
1. 正常价化合物 • 通常是由金属元素与周期表中第Ⅳ、Ⅴ、 Ⅵ族元素形成，它们具有严格的化合比， 成分固定不变，符合化合价规律，常具有 AB、AB2、A2B3分子式。 • 它的结构与相应分子式的离子化合物晶体 结构相同，如分子式具有AB型的正常价化 合物其晶体结构为NaCl型。正常价化合物 常见于陶瓷材料，多为离子化合物。如 Mg2Si、Mg2Pb、MgS、AuAl2等。 • 在合金材料中，起弥散强化的作用。
材料科学基础第四张相平衡与相图(1)
化学位： 当温度、压力不变因组元增加一个摩尔， 引起吉布斯自由能的变化，就是组元的化 学位或偏摩尔自由能。它代表了系统内物 质传递的驱动力。
组元2在β相 中化学位等于其 在α相中的化学位 推演如下：
多元系统的吉布斯自由能是温度、压力及各组元摩尔 数n1、n2…….函数，即可写成 G＝f（T、P、n1、n2……….)
二元系中,三相平衡的热力学条件是每个组元在各相中的化学位相等,即 μα1＝μβ1＝μγ1 μα2＝μβ2＝μγ2 多元复相平衡的普遍条件是每个组元在各相中的化学势都必须彼此相等,即 μαi＝μβi＝μγ i ＝…＝μPi
其中,α、β、γ…P表示合金中存在的相,i代表合金中的第i个组元 。 μPi则表示P相中i组元的化学位，即上标表示平衡相，下标表示组元。
温度与压力都能变动的情况
二、 SiO2系统相图 •也有晶型变化：
（＜573℃）低温型α－SiO2 （α－石英） （573℃－870℃） 高温型β－SiO2 （β－石英） （870℃－1470℃） 磷石英β2－SiO2 （β2－磷石英） （1470℃－1713℃） 方石英β－方SiO2 这四种不同晶体结构的SiO2存在 的温度、压力范围不同
•确定两平衡相的相对量: •将成分坐标当作杠杆，以合金的成分点为 •支点，Wα和WL看成作用于a、b两点的力， •则与力学上的杠杆定律一样，即 • WL／Wα＝0b／a0 •上式表明合金在两相区内，两平衡相的相 •对量之比与合金成分点两边的线段长度呈 •反比关系。
•合金中两平衡相的含量也可用下式表达： Wα％＝（C－CL）／（Cα－CL） ＝a0 ／abχ100％ WL％＝（Cα－C）／（Cα－CL） ＝ 0b ／ab χ100％ 在两相区内，温度一定时，两相的质量比 是一定的。
第9章-相变(无机材料科学基础)
第二节 液－固相变
一、液－固相变过程热力学
（一）相变过程中的不平衡状态及亚稳区
➢ 但是实际上，要冷却到比相变温 度更低的某一温度例如C，(气液)和E(液-固)点时才能发生相变， 即凝结出液相或析出固相。
➢ 这种理论上应发生相变而实际上 不能发生相转变的区域(阴影区) 称亚稳区。亚稳区内，旧相能以 亚稳态存在，新相还不能生成。
相变成核位垒：临界半径 rK 时，系统中单位体积自由能变化为：
GK
32 3
n 3
GV2
16
n 3
GV2
1 3
16
n 3
GV2
1 3
AK
其中：AK
4rK2 n
16
n 3
GV2
GK — 成核位垒，相变发生时必须 克服的位垒。
系统内能形成 rK 大小的粒子数 nK ： nk exp Gk
GS LS ALS r 2 SM LM
➢新相晶核与成核基体的接触角为： cos LM MS
➢非均匀成核临界核胚半径： rk*
2 LS
GV
LS
➢非均匀成核时的临界成核位垒：
Gk*
16 3
LS
3G 2
[2 cos 1 cos 2 ]
4
V
Gk* GK f
f 2 cos 1 cos 2
二、液-固相变过程动力学
成核（核化）：晶核形成过程 析晶
长大（晶化）：晶核长大过程
1、均匀成核
成核速率：单位时间内单位体积的液相中生成的晶核数目
成核速率IV=单位体积中临界核胚数 NK×与临界尺寸的核相接触的原子数 Ni×单个原子与临界尺寸的核相撞而附 于其上的频率v
I ni nk
材料科学基础固态相变PPT课件
第四章
固态相变
《材料科学基础》第八章
固态相变 1
第四章第一节
固态相变总论
《材料科学基础》第八章 第一节
固态相变 2
固态相变的定义：
固体材料的组织、结构在温度、压力、成 分改变时所发生的转变统称为固态相变。
一、固态相变的特点
大多数固态相变是通过形核和长大完成的， 驱动力同样是新相和母相的自由焓之差。 阻力: 界面能和应变能
V
所以 Sα≠Sβ, Vα≠Vβ
一级相变有体积和熵的突变， △V≠0，△S≠0
固态相变
7
二级相变：
若相变时，Gα＝Gβ，μαi=μβi ，并且自由焓的 一阶偏导数也相等，但自由焓的二阶偏导数 不相等，称为二级相变。
G T
p
G T
p
G p
T
G p
T
固态相变
8
2TG2
p
2G T2
固态相变
19
3. 晶核长大控制因素
对于冷却过程中发生的相变，当相变 温度较高时原子扩散速率较快，但过 冷度和相变驱动力较小，晶核长大速 率的控制因素是相变驱动力；相变温 度较低时，过冷度和相变驱动力较大， 原子的扩散速率将成为晶核长大的控 制因素。
固态相变
20
<1>受界面过程控制的晶核长大 过冷度较小时，新相长大速率u与驱动力 △G成正比；过冷度较大时，长大速率随温 度下降而单调下降。
γαβ
θ β
rθ
△G=V△GV+Aαβγαβ +V△GE -Aααγαα
固态相变
界面形核示意图
16
推导出：
r* =-2γαβ/(△GV+△GE)
△G*非=△G*均 f( θ)
固态相变
《材料科学基础》第八章
固态相变 1
第四章第一节
固态相变总论
《材料科学基础》第八章 第一节
固态相变 2
固态相变的定义：
固体材料的组织、结构在温度、压力、成 分改变时所发生的转变统称为固态相变。
一、固态相变的特点
大多数固态相变是通过形核和长大完成的， 驱动力同样是新相和母相的自由焓之差。 阻力: 界面能和应变能
V
所以 Sα≠Sβ, Vα≠Vβ
一级相变有体积和熵的突变， △V≠0，△S≠0
固态相变
7
二级相变：
若相变时，Gα＝Gβ，μαi=μβi ，并且自由焓的 一阶偏导数也相等，但自由焓的二阶偏导数 不相等，称为二级相变。
G T
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G T
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G p
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G p
T
固态相变
8
2TG2
p
2G T2
固态相变
19
3. 晶核长大控制因素
对于冷却过程中发生的相变，当相变 温度较高时原子扩散速率较快，但过 冷度和相变驱动力较小，晶核长大速 率的控制因素是相变驱动力；相变温 度较低时，过冷度和相变驱动力较大， 原子的扩散速率将成为晶核长大的控 制因素。
固态相变
20
<1>受界面过程控制的晶核长大 过冷度较小时，新相长大速率u与驱动力 △G成正比；过冷度较大时，长大速率随温 度下降而单调下降。
γαβ
θ β
rθ
△G=V△GV+Aαβγαβ +V△GE -Aααγαα
固态相变
界面形核示意图
16
推导出：
r* =-2γαβ/(△GV+△GE)
△G*非=△G*均 f( θ)
潘金生《材料科学基础》(修订版)(名校考研真题 固态相变(Ⅰ)——扩散型相变)【圣才出品】
第11章 固态相变（Ⅰ）——扩散型相变一、判断题有序-无序转变是指晶体与非晶体之间的转变。
（）[南京工业大学2003研]【答案】×【解析】有序-无序转变狭义是指存在于某些晶体内部的两种结构状态。
无序是指在某一临界温度以上，晶体结构中的两种或多种不同质点（原子或离子以至空位）都随机地分布于一种或几种结构位置上相互间排布没有一定的规律性的结构状态；有序是指此改办温度以下，这些不同的质点可以各自有选择地分占这些结构位置中的不同位置，相互间作有规则的排列的结构状态，相应的晶体结构称为超结构或超点阵。
有序-无序转变从物质结构上可分为三种主要类型：①位置有序；②取向有序；③与电子自旋状态有关的有序。
二、名词解释1．铝合金的时效[西南交通大学2009研]答：铝合金的时效是指铝合金在经过高温固溶处理后，迅速冷却形成过饱和固溶体，并在随后的加热保温过程中析出亚稳相的过程。
2．一级相变[南京工业大学2008、西南交通大学2009、北京工业大学2009研]答：相变时两相的化学势相等，但化学势的一阶偏微商不相等，发生一级相变时有相变潜热和体积的变化。
3．调幅分解[北京工业大学2009研]答：调幅分解是指固溶体通过上坡扩散分解成结构均与母相相同、成分不同的两种固溶体的转变。
三、简答题1．已知727℃时，平衡态铁碳合金中铁素体的最大碳含量为W c ＝0.0218％，而奥氏体的碳含量为Wc ＝0.77％。
试问：（1）碳原子分别位于铁素体和奥氏体晶体中的什么位置？（2）解释为什么两者的碳含量差别如此之大。
[西安交通大学2006研]答：（1）碳原子位于铁素体晶体中的扁八面体间隙中心位置，位于奥氏体晶体中的正八面体间隙中心位置。
（2）因为铁素体晶体中的扁八面体间隙半径比奥氏体晶体中的正八面体间隙半径小得多。
2．根据如图11-1所示共析碳钢的过冷奥氏体转变C 曲线（TTT 曲线），请写出经过图中所示6种不同工艺处理后材料的组织名称以及硬度排列（从高到低）。
大学材料科学基础 第七章-相变
一、扩散控制长大
新相界面迁移速度快于溶质原子在母相中的扩散速度， 新相长大速度由扩散速度来决定。
设合金成分为Co，由母 相α中析出新相β，新相成分为 Cβ>Co，两相界面上的平衡浓 度为Ce<Co，如果在dt时间内 单位面积的新相向前生长了dx 距离，则新增体积1×dx中溶 质的增量为（Cβ－Ce）dx，这 些溶质需通过它们在母相中的 扩散来提供，
界面结构有三种：共格、半共格和非共格，对于非共格 界面，原子只要越过界面就能被新相所接受，成为新相的 一员，新相能够连续长大，因为两相间无确定的位向关系。 但对于共格和半共格界面，为保持新相和母相间的共格和 半共格关系，原子越过界面后不一定能够被新相所接受， 见图7－25。针对这一特点，提出台阶生长机制模型。 界面控制长大时新相生长速度： v ＝ k (Co－Ce) (1－y) / Cβ
金属钴Co中, α-Co (fcc) 向 β-Co (hcp) 转变， （111）α‖(0001) β , [101]α‖[1120] β 钢中淬火时，奥氏体转变成马氏体， The Nishiyama-Wasserman (N－W) relationship ： （111）fcc ‖(110) bcc , [101] fcc‖[001] bcc
The Kurdjumov-Sachs (K－S) relationship：
（111）fcc ‖(110) bcc ，[011] fcc‖[111] bcc
2．半共格界面 （ Semi-coherent interfaces ）
两个相的晶格常数不 可能完全相等，界面总 是存在一定的错配度， 随错配度的增大，界面 上的弹性应变能也随之 增大，当其超过新相的 弹性极限时，共格界面 就不能维持，代之以半 共格界面。在这种界面 上，大部分区域原子依 然保持共格，通过引入 刃型位错来调整晶格常 数不等所造成的界面原 子不匹配，这种位错称 为失配位错。
大学材料科学基础第七章-相变
原子或分子的扩散和迁移是固态 相变的主要机制之一。在固态相 变过程中，原子或分子的扩散和 迁移速度决定了相变的速率和方 向。
界面机制
在固态相变过程中，界面可以起 到重要的作用。界面可以促进原 子或分子的扩散和迁移，从而加 速相变的过程。
应力机制
在某些固态相变过程中，应力可 以起到驱动力的作用。当应力达 到一定的阈值时，固态相变就会 发生。源自THANKS感谢观看
功能材料制备
利用相变原理制备功能材 料，如形状记忆合金和磁 性材料。
能源存储与转换
利用相变原理进行热能存 储和转换，如潜热储能材 料。
02
固态相变
固态相变的分类
第一类固态相变
不涉及晶体结构的改变， 只涉及晶体中原子或分子 的重新排列。
第二类固态相变
涉及晶体结构的改变，如 从一种晶体结构转变为另 一种晶体结构。
在物质发生相变时，界面张力也会发生变化，影响相变过程。
04
气态相变
气态相变的分类
1 2
蒸发
物质从液态变为气态的过程，如水蒸发成水蒸气。
升华
物质从固态直接变为气态的过程，如冰升华成水 蒸气。
3
凝华
物质从气态直接变为固态的过程，如水蒸气凝华 成霜。
气态相变的驱动力
温度
温度的变化是气态相变的主要驱动力，温度升高会导致物质蒸发 或升华，温度降低会导致物质凝华。
热学性能
相变会改变材料的热膨胀系数、热导率和比 热容，影响其热稳定性。
磁学性能
某些材料在相变时会表现出明显的磁学性能 变化，如铁磁性或超导性。
材料性能的优化与相变
合金设计
通过调整合金成分，控制相变过程，优化材料的力学、热学和电 学性能。
界面机制
在固态相变过程中，界面可以起 到重要的作用。界面可以促进原 子或分子的扩散和迁移，从而加 速相变的过程。
应力机制
在某些固态相变过程中，应力可 以起到驱动力的作用。当应力达 到一定的阈值时，固态相变就会 发生。源自THANKS感谢观看
功能材料制备
利用相变原理制备功能材 料，如形状记忆合金和磁 性材料。
能源存储与转换
利用相变原理进行热能存 储和转换，如潜热储能材 料。
02
固态相变
固态相变的分类
第一类固态相变
不涉及晶体结构的改变， 只涉及晶体中原子或分子 的重新排列。
第二类固态相变
涉及晶体结构的改变，如 从一种晶体结构转变为另 一种晶体结构。
在物质发生相变时，界面张力也会发生变化，影响相变过程。
04
气态相变
气态相变的分类
1 2
蒸发
物质从液态变为气态的过程，如水蒸发成水蒸气。
升华
物质从固态直接变为气态的过程，如冰升华成水 蒸气。
3
凝华
物质从气态直接变为固态的过程，如水蒸气凝华 成霜。
气态相变的驱动力
温度
温度的变化是气态相变的主要驱动力，温度升高会导致物质蒸发 或升华，温度降低会导致物质凝华。
热学性能
相变会改变材料的热膨胀系数、热导率和比 热容，影响其热稳定性。
磁学性能
某些材料在相变时会表现出明显的磁学性能 变化，如铁磁性或超导性。
材料性能的优化与相变
合金设计
通过调整合金成分，控制相变过程，优化材料的力学、热学和电 学性能。
材料科学基础必考名词解释(一)
材料科学基础必考名词解释（一）过冷：结晶只有在T0 以下的实际结晶温度下才能进行，这种现象称为过冷。
过冷度：相变过程中冷却到相变点以下某个温度后发生转变，平衡相变温度与该实际转变温度之差称过冷度。
光滑界面：界面的平衡结构应是只有少数几个原子位置被占据，或者极大部分原子位置都被固相原子占据，即界面基本上为完整的平面，这时界面呈光滑界面。
共晶转变：合金系中某一定化学成分的合金在一定温度下，同时由液相中结晶出两种不同成分和不同晶体结构的固相的过程称为共晶转变。
共析转变：由一种固相分解得到其他两个不同固相的转变。
共析反应：是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。
共析转变也是固态相变共格相界：如果两相界面上的所有原子均成一一对应的完全匹配关系,即界面上的原子同时处于两相晶格的结点上,为相邻两晶体所共有,这种相界就称为共格相界。
滑移线：材料在屈服时，试样表面出现的线纹称为滑移线。
滑移带：滑移线的集合构成滑移带，滑移带是由更细的滑移线所组成滑移：在外加切应力的作用下，通过位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断地作少量的位移而逐步实现的。
位错滑移的特点：1) 刃型位错滑移的切应力方向与位错线垂直，而螺型位错滑移的切应力方向与位错线平行；2) 无论刃型位错还是螺型位错，位错的运动方向总是与位错线垂直的；（伯氏矢量方向代表晶体的滑移方向）3) 刃型位错引起的晶体的滑移方向与位错运动方向一致，而螺型位错引起的晶体的滑移方向与位错运动方向垂直；4) 位错滑移的切应力方向与柏氏矢量一致；位错滑移后，滑移面两侧晶体的相对位移与柏氏矢量一致。
5) 对螺型位错，如果在原滑移面上运动受阻时，有可能转移到与之相交的另一滑移面上继续滑移，这称为交滑移(双交滑移）滑移系：晶体中一个滑移面及该面上一个滑移方向的组合称一个滑移系。
回复:指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段。
潘金生《材料科学基础》(修订版)(章节题库 固态相变(Ⅰ)——扩散型相变)【圣才出品】
3．说明奥氏体的概念，简述奥氏体转变的形成过程及影响奥氏体晶粒长大的因素。 答：奥氏体是 C 溶解在 γ-Fe 中的固溶体。 形成过程：奥氏体生核，长大，残余渗碳体溶解，奥氏体均匀化。 影响晶粒长大的因素：加热温度、保温时间、加热速度、含碳量、合金元素、冶炼方 法、原始组织等。
4．根据共析碳钢的过冷奥氏体转变 c 曲线（TTT 曲线）（如图 11-1 所示），请写出经 过图中所示 6 种不同工艺处理后材料的组织名称以及硬度排列（从高到低）。
留下位错环。将增加位错线长度，并且第二相粒子及位错环加大对后续运动位错的阻力，
产生第二相强化。
（2）如果析出相粒子可发生变形，将产生新的相界面，使析出相与基体相之间共格
（或半共格）界面遭到破坏；滑移面产生错配，可能使有序排列遭到破坏。综上，宏观产
生强化。
2．实际应用过程中，为消除时效强化可采用什么处理方法？为什么？ 答：通过时效回归处理或重新固溶处理可以使时效强化现象消失。因为伴随着时效回 归处理或重新固溶处理沉淀脱溶产生的第二相重新溶入固溶体之中。当沉淀析出相已经为 稳定相时，只能采用固溶处理。
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图 11-5
（3）珠光体相对含量为： 6.67-1.1 X100% 94.4% 6.67-0.77
网状渗碳体相对含量为： 1.1-0.77 X100% 5.6% 6.67-0.77
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第 11 章 固态相变（Ⅰ）——扩散型相变
一、选择题 任一合金的有序结构形成温度（ ）无序结构形成温度。 A．低于 B．高于 C．可能低于或高于 【答案】A
二、判断题 奥氏体的溶碳能力之所以比铁素体高是因为奥氏体晶体间隙大。（ ） 【答案】√ 【解析】铁素体即为碳在 α-Fe 中的间隙固溶体，具有体心立方结构，奥氏体为耐心 立方点阵结构，是一种最密排的点阵结构，与铁素体相比晶体间隙小，溶碳能力小。
材料科学基础课件第八章 相变
3 3
球缺的表面积是： 与固体接触面的半径是：
ALX 2R (1 cos )
2
r R sin
将上式代入求d（ΔGk）/dR中，得出不均匀成核的临界半径
3 2 LX * R GV
同样将它处理后，得出
3 16 LX (2 cos )(1 cos ) 2 * Gk Gk f ( ) 2 3(GV ) 4
二、析晶相变过程的动力学 1、晶核形成过程动力学
晶核形成：均匀成核
非均匀成核：较常见。 (1). 均匀成核－－组成一定，熔 体均匀一相，在T0温度下析晶， 发生在整个熔体内部，析出物质 组成与熔体一致。 成核速率 IV ＝ .n i .nK
原子与晶核碰撞频率 临界晶核数 临界晶核
临界晶核周围原子数
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。 四、按成核特点分类 均质转变：发生在单一均质中。
界面层的厚度
线性生长速率
u Q n 0 exp(
q G )[1 exp( )] RT RT
G HT / T0
0 exp( q / RT ) B n
HT G )] B [1 exp( )] T0 RT RT
线性生长速率 u B .[1 exp(
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。
T0
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
球缺的表面积是： 与固体接触面的半径是：
ALX 2R (1 cos )
2
r R sin
将上式代入求d（ΔGk）/dR中，得出不均匀成核的临界半径
3 2 LX * R GV
同样将它处理后，得出
3 16 LX (2 cos )(1 cos ) 2 * Gk Gk f ( ) 2 3(GV ) 4
二、析晶相变过程的动力学 1、晶核形成过程动力学
晶核形成：均匀成核
非均匀成核：较常见。 (1). 均匀成核－－组成一定，熔 体均匀一相，在T0温度下析晶， 发生在整个熔体内部，析出物质 组成与熔体一致。 成核速率 IV ＝ .n i .nK
原子与晶核碰撞频率 临界晶核数 临界晶核
临界晶核周围原子数
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。 四、按成核特点分类 均质转变：发生在单一均质中。
界面层的厚度
线性生长速率
u Q n 0 exp(
q G )[1 exp( )] RT RT
G HT / T0
0 exp( q / RT ) B n
HT G )] B [1 exp( )] T0 RT RT
线性生长速率 u B .[1 exp(
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。
T0
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
哈工大《材料科学基础Ⅱ》(相变)1
七、过渡相的形成
固态相变过程初期，新相尺寸较小，界面能较大，往往先形成与母相共格、界面能 较低的过渡相。过渡相是亚稳相，自由能高于平衡相，所以转变后期会发展为平衡相。
第1章 金属固态相变特征
1.2 固态相变的形核
一、均匀形核 形核时体系自由能变化(△G )为： △G = V· v + Sζ + εV △g 其中：△G为体系自由能变化； V为新相体积； △gv为新相和母相 单位体积自由能差（为负值）； S为新相表面积；ζ 为单位面 积界面能； ε为单位体积应变能。 假设晶核为球形，半径为r，所以△G是r的函数。形核初期，随r 的增大， △G先增大，达到极大值后开始下降。只有依靠外界能量使 晶核长大到△G达到极大值时，晶核才能继续长大。这时的晶核半径 为临界核胚半径r*。 r* = (-2ζ) / (△gv +ε) 临界形核功(△G* )为： △G* = (16πζ 3) / 3(△gv + ε)2
第1章 金属固态相变特征
1.1 固态相变的特点
二、位向关系
HREM image of the SiC-Al interface in the SiCw/Al composite
Atom matching model of the SiCAl interface in the SiCw/Al composite
第1章 金属固态相变特征
1.3 固态相变的晶核长大
一、晶核长大机制 3 扩散型相变与非扩散型相变 扩散型相变与非扩散型相变的特点
扩散型相变 外形变化 成分变化 位向关系 长大速度 无外形变化 新相与母相成分不同，有成 分变化 新相与母相之间的晶体学位 向关系可有可无 长大速度取决于原子扩散速 度 非扩散型相变 外形有变化，产生表面浮凸 新相与母相成分相同，无成分 变化 新相与母相之间有一定的晶体 学位向关系
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。
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第1章 金属固态相变特征
1.1 固态相变的特点
五、晶体缺陷的影响
晶界、位错和空位等晶体缺陷对固态相变过程有促进作用。新相往往在晶体缺陷处 优先形核，并对晶核的长大和组元扩散等有很大影响。
六、原子扩散
对于有成分变化的扩散型固态相变，原子扩散是相变速度的主要控制因素。固态金 属中原子的扩散系数一般为10-11-10-12cm/s，而金属中原子的扩散系数可达10-7cm/s。
Cu-Ag界面两侧的晶 体具有相同的晶体结 构（面心立方）但不同 的成分和点阵常数 （Cu和Ag的点阵常 数相差12%），形成 了由{111}晶面构 成的半共格异相界面。
第1章 金属固态相变特征
1.1 固态相变的特点
一、相界面
铝锗合金中，铝是由金属 键组成的面心立方结构， 而锗是共价键结构，并且 两者的点阵常数相差 30%以上，因此铝-锗界 面为非共格界面，然而， 高分辨透射电镜观察发现， 铝-锗界面平行于铝和锗 的{111}晶面。
绪论
1.3 材料科学与工程的内涵
材料科学与工程就是研究有关材料的组成、结构、制备与加工工艺、材料 性能与使用效能以及他们之间的关系。
(a) 四要素图
(b) 五要素图
材料科学与工程要素图
绪论
1.3 材料科学与工程的内涵
材料科学的三个重要属性：
多学科交叉 它是物理学、化学、冶金学、金属学、陶瓷、高分子化学以及计算科学相 互融合和交叉的结果。 与实际使用结合非常紧密 发展材料科学的目的在于开发新材料，提高材料的性能和质量，合理使用 材料，同时降低材料成本和减少污染等。
绪论
1.2 材料的发展与人类的进步
钢、铝、钛、镁、铜世界年产量和我国年产量的变化图（20世纪初至今）
绪论
1.2 材料的发展与人类的进步
其它材料的近代发展历程：
二十世纪初，人工合成有机高分子材料相继问世：1909年的酚醛树脂（电 木）、1920年的聚苯乙烯、1931年的聚氯乙烯和1941年的尼龙。
一、相界面 1 共格界面：界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，界面上的原子 为两相所共有。
2 半共格界面：界面上的两相原子部分共格，通过界面位错保持匹配。
3 非共格界面：界面上的原子位于一相晶格的节点上，不受另一相影响。 界面两相原子错配度：δ＝△a/a a：沿平行于界面晶向上一相的原子间距。 △a：两相在此方向上的原子间距之差。 共格界面： δ<0.05 半共格界面：0.05 <δ<0.25 非共格界面： δ>0.25
第1章 金属固态相变特征
1.3 固态相变的晶核长大
一、晶核长大机制 1 半共格界面的长大机制 半共格界面能较低，界面保持平面。晶核长大时，界面作法向迁移， 界面位错随之移动。
第1章 金属固态相变特征
1.3 固态相变的晶核长大
一、晶核长大机制 2 非共格界面的长大机制
非共格界面处原子 排列紊乱，可在任何 位置接受或输出原子， 通过界面原子扩散， 界面作法向迁移，新 相连续长大。
第1章 金属固态相变特征
1.1 固态相变的特点
三、惯习面 惯习面： 固态相变时，新相往往在母相的一定晶面上开始形成，这个晶面就称为 新相形成的惯习面。 惯习面以母相的晶面指数表示。 在亚共析钢中，先共析铁素体沿奥氏体的｛111｝晶面析出，所以先共 析铁素体的惯习面为｛111｝晶面。
第1章 金属固态相变特征
材料科学基础
（材料相变原理） 耿 林
哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院
绪论
1.1 材料的定义及分类
材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其它产品的那些物质。材 料是物质，但不是所有的物质都可以称为材料。材料是人类赖以生存和发展的 物质基础。 按物理化学属性，材料可以分为：金属材料，无机非金属材料，有机高分 子材料，以及不同类型材料组成的复合材料。 按应用领域，材料可以分为：电子材料，航空航天材料，核材料，建筑材 料，能源材料，生物材料等。 按使用用途，材料可以分为：结构材料和功能材料。 按先进性，材料可以分为：传统材料和新材料（先进材料）。
第1章 金属固态相变特征
1.2 固态相变的形核
二、非均匀形核 晶核在晶体缺陷处形成时，缺陷储存的能量可使形核功降低，这时 形核的体系自由能变化(△G )为： △G = V·△gv + Sζ + εV + △gd
其中：△gd为非均匀形核时由于晶体缺陷消失或被破坏所降低的能量（为负值）。
晶体缺陷对形核的作用： 1 空位：通过影响扩散或利用本身能量提供形核驱动力而促进形核。 2 位错：(1) 位错线形核，位错消失，释放能量，促进形核。 (2) 位错组成半共格界面，补偿错配，降低界面能，促进形核。 (3) 溶质原子在位错线偏聚，成分起伏，促进形核。 3 晶界：大角晶界能量高，晶核在晶界形成，晶界消失，释放能量， 促进形核。
绪论
1.2 材料的发展与人类的进步
材料的发展是人类进步程度的重要标志，是人类社会发展的里程碑。 一百万年以前，人类开始进入旧石器时代，可以用石头作工具。 一万年以前，人类开始进入新石器时代，将石头加工成器皿和工具，在8000 年前，开始人工烧成陶器，用于器皿和装饰品。 五千年以前，人类开始进入青铜器时代，青铜浇铸成型，人类开始大量使用 金属，河南安阳的鼎，湖北隋县的编钟，西安的青铜车马等。
锗析出相与铝基体界面的高分辨透射电镜照片
第1章 金属固态相变特征
1.1 固态相变的特点
二、位向关系
位向关系： 当两相界面为完全共格或半共格界面时，两相之间应该具有一定的晶体学位向关系。
在界面两侧的晶体中取相互平行的两个晶面 (h1k1l1)和(h2k2l2)，使(h1k1l1)平行于(h2k2l2)； 再在(h1k1l1)晶面上取<u1v1w1>晶向，在(h2k2l2)晶面上取<u2v2w2>晶向，使<u1v1w1>平行于 <u2v2w2>。 则：该界面两相的晶体学位相关系可以表示为： (h1k1l1)∥ (h2k2l2)， <u1v1w1>∥<u2v2w2>
正在发展中的科学 不像物理学和化学已经有一个很成熟的体系，材料科学将随各有关学科的 发展而得到充实和完善。
绪论
备新技术的开发；新材料的设计与制备； 改进现有材料 传统材料的改性；先进复合材料的研制。 材料的应用 材料的应用要考虑的主要因素有：材料的使用性能；材料的使用寿命及可 靠性；材料制备、加工与使用期间与环境的适应性；价格。 科学仪器与检测装置
三千年以前，人类开始进入铁器时代，生铁冶炼及处理技术推动了农业、水 利和军事的发展和人类社会进步，直至18世纪进入近代工业快速发展时代。
绪论
1.2 材料的发展与人类的进步
金属材料的近代发展历程： 十八世纪发明了蒸汽机，十九世纪发明了电动机，对金属材料要求提高。 1854年发明了转炉炼钢，1864年发明了平炉炼钢，1890年年产2800万吨钢。 十九世纪末开始电炉炼钢，各种特殊钢相继问世：1987年的高锰钢、1890年 的高速钢（W18Cr4V）、1903年的硅钢、1910年的奥氏体不锈钢（Cr18Ni8)。 二十世纪初铜和铝开始大量应用，二十世纪中叶镁和钛开始工业应用。 金属材料在整个二十世纪占据了结构材料的主体地位。
第1章 金属固态相变特征
1.3 固态相变的晶核长大
二、新相长大速度 1 无成分变化的新相长大速度 相界面的移动实质是相界面近旁的原子短程扩散，长大速度受界面原 子扩散控制。β相为母相，α相为新相。 △g为β相的一个原子跨越 界面跳到α相所需的激活能。若原子的振动频率为γ0，则β相原子跳 到α相上的频率γβ→α为： γβ→α = γ0 exp(-△g /kT)
第1章 金属固态相变特征
1.1 固态相变的特点
一、相界面
相界面结构示意图
第1章 金属固态相变特征
1.1 固态相变的特点
一、相界面
在Al-Ag合金 中析出的富Ag G.P.区与基体 Al具有相同的 晶体结构和不 同的成分，它 们组成了{111} 完全共格界面
Al-Ag合金中析出的富Ag G.P.区的高分辨透射电镜照片
1.1 固态相变的特点
四、界面能
•界面能 两相表面能产生界面能。对于确定两相界面组成的界面，总界面能的大小主要取决 于界面面积。因此相界面应该为球状时界面能最低。 •界面应变能 两相共格界面处，由于界面原子同时受到两相的制约，原子所处的位置要偏离其平 衡位置，产生额外应变能。非共格界面没有这样的应变能。 固态相变时，因新相和母相的比容不同，新相形成时的体积变化将受到周围母相的 约束而产生应变能。 当只考虑界面应变能时，新相为盘状界面能量最低，球状界面能量最高。 母相中形成新相时，新相的形状取决于界面能和界面应变能的对比。
第1章 金属固态相变特征
1.3 固态相变的晶核长大
一、晶核长大机制 3 扩散型相变与非扩散型相变 扩散型相变与非扩散型相变的特点
扩散型相变 外形变化 成分变化 位向关系 长大速度 无外形变化 新相与母相成分不同，有成 分变化 新相与母相之间的晶体学位 向关系可有可无 相界面移动速度极快，接近 声速 非扩散型相变 外形有变化，产生表面浮凸 新相与母相成分相同，无成分 变化 新相与母相之间有一定的晶体 学位向关系 长大速度取决于原子扩散速度
二十世纪中叶，通合成及其它方法，制备出各种类型的先进陶瓷材料，如： Si3N4, SiC, ZrO2等。 二十世纪中叶开始出现先进复合材料：树脂基已经得到广泛应用，金属基复 合材料在汽车和航天航空领域开始应用，陶瓷基复合材料在1000－2000℃高 温环境得到应用，C/C和C/SiC复合材料在2000℃以上超高温环境得到应用。 功能材料近50年发展速度很快：磁性材料、半导体材料、光纤材料和硅材料 －－以硅片为代表的电子材料时代。
七、过渡相的形成