材料物理学第5.4相变动力学
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2018/10/24 材料物理学第5章讲稿-5 17
5.4.5 非均匀相变与均匀相变的比较
相同之处：驱动力都是减少系统的自由能；相变时 发生了结构或性能的突变。 不同之处：非均匀相变可以两相共存（过冷或过 热）；均匀相变两相不可共存； 非均匀相变是一 种程度甚大在而空间范围甚小的Gibbs第一类涨落， 均匀相变是一种程度甚小而空间范围甚大的Gibbs 第二类涨落。 非均匀相变有成核、生长、粗化等过程，从小到大 逐步变化；而均匀相变是瞬时发生的整体变化。
2018/10/24 材料物理学第5章讲稿-5 6
5.4.3均匀相变 1. 均匀相变的特征
发生均匀相变时，相变在整个系统中同时 发生，是一种整体动作，具体表现为对称破缺， 以“无”或“有”的突变形式发生。 目前对均匀相变的理论研究处于初级阶段， 对它的认识没有非均匀相变那样深入。较好的一 种理论是软模理论。
3.均匀相变的物理图像
均匀相变是属于Gibbs指出的程度甚 小而空间范围甚大的涨落。这种相变是 整体进行的，所以空间自由度（范围） 甚大，而激发的这些自由度只需很小的 能量。
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随着温度接近Tc，关联长度越来越 大花斑也就越来越大，到Tc时，就出现 宏观对称破缺，转变成另外一个相了。
铁电相变的产生是由于模光学波某种模式随温度 降低而软化，以致过渡到新的有序态。原子格波 的光频支振动对应于晶胞内原子的相对运动。其 中的一些振动比较容易被激发或消失（湮灭）， 它们称为软模。
2018/10/24 材料物理学第5章讲稿-5 14
3.非简谐力
在离子晶体中对于简谐恢复力存在两种相反的 贡献
均匀成核：各处发生晶核概率相同。
非均匀成核：在杂质、界面、位错或籽晶上形成新相， 因为在这些位置上所需能量小。(人工降雨)
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成核自由能曲线
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2. 长大
有两种类型：界面扩散和原子长程扩散。 界面扩散：粗糙界面，界面上每个空间的原子都可 以扩散上去长大。光滑界面原子扩散到界面某些缺 陷处，特别是台阶上的长大，螺旋位错发挥很大的 作用。这是一种二维生长。 原子长程扩散：如果新旧相成分不同的，新相的产 生会在晶核附近使原子的浓度会下降，这时需从原 子浓度较大的营养液中，通过扩散到晶核处，保证 生长。
光频支与声频支的性质 晶格振动与结构的关系
弹簧作用下小球在平衡位置运动。 晶格振动是对平衡点而言的，某一频率的格波可 用一列轻弹簧来描写。 如果弹簧变软，直到零，小球就不会回原先的平 衡位置。
其中的一些振动比较容易被激发或消失（湮灭），它们 称为软模。
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4.马氏体相变与声学软模
马氏体相变是通过晶格切应变而发生的一种无扩散 相变。 相变过程中成分不变，进行速度很快。 这种位移型相变与声学软模机制有关。 声学波特别是长声学波与弹性波有关系所以马氏体 相变与声学波软模有关。
大部分马氏体相变是一级相变，少数是弱一级，相 变通过成核-生长过程，而且以声速进行。
2.位移相变
从格点角度来看是达到了新的平衡位置。
这就是一种位移相变。
通常发生相变的软模是光学横波，它们位于布 里渊区的中心，波矢小，波长长。
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原子偏离了平衡位置就变成了静态位移，称振动 模式被冻结。 在临界温度时某一软模的频突然消失或出现，就 发生了相变。 长光学横波表示在较长的距离离子作相对运动， 产生极化场。
一类是短程力（离子间的引力或斥力）促使 位移了的原子回复到原来位置；
长程的库仑力（电矩间的作用力）则趋于增 大离子的位移。
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在一定条件一这两种趋势相互抵消，恢复力为 零, TO 0。
在顺电相时，由于温度高，晶格振动的幅度大， 还存在着非简谐力的作用，使晶格保持稳定。 当温度降低，非简谐力减小，至T=TC时，内场 力抵消了恢复力，晶格由顺电相过渡到铁电相 即出现了自发极化。
3. 从动力学角度看相变
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5.4.2 非均匀相变
新相在局部地区，然后逐步长大。 动力学过程： 成核； 长大； 粗化。
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1.成核
因为形成新相会生成界面，需相应的界面能，成核 需要能量。开始的新相称晶核。 在长大过程中因为新 相的体自由能比旧相低，会放出能量，晶核会继续长大。 只有一定尺寸的晶核（临界晶核）才对晶体生长作出贡 献。 成核的能量靠热涨落。因此材料结晶都需要孕育 期，让一些能量比周围高的原子或分子能wenku.baidu.com集在一起。
均匀相变在临界点附近，从微观上 看在小区域内有关联作用，在小范围内 有一定的有序（花斑）。
它是变动的和随机的，所以在整体 （宏观）上看是无序的。
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5.4.4 软模与位移 相变
1.晶格振动与软模
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2. 对称性的破缺和恢复
均匀相变是一种整体的动作，具体表 现为对称性的破缺，即以有无的方式在居 里点突然出现。一般是高温相对称性高， 低温相对称性低。 对称破缺有连续破缺和不连续破缺。 从时间上看出现周期性和混沌都是时间的 破缺。
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§5.4 相变动力学
5.4.1相变动力学的研究内容
1. 主要研究内容
描述相变的微观机理，转变途径，转变速率及一 些物理参数对相变的影响。相变实际上是在不平衡状 态下进行的。 2. 相变的驱动力
新相的自由能低于旧相，相变会使系统处理更稳定 的状态。 非均匀（非连续）相变与均匀（连续）相变。
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3.粗化
小晶粒界面占很大的比例，使系统处于自由能较高。 如果晶粒变大，可使总的界面能减少，这就是粗化。 粗化过程通常发生大晶粒并吞小晶粒的现象。 粗化过程也需要激活能的。可通过延长结晶时间（陈 化）、增加温度、光照和微波辐照等方法来加速粗化 过程。 在晶体生长过程中，实际上成核、长大和粗化是同时 发生的。
5.4.5 非均匀相变与均匀相变的比较
相同之处：驱动力都是减少系统的自由能；相变时 发生了结构或性能的突变。 不同之处：非均匀相变可以两相共存（过冷或过 热）；均匀相变两相不可共存； 非均匀相变是一 种程度甚大在而空间范围甚小的Gibbs第一类涨落， 均匀相变是一种程度甚小而空间范围甚大的Gibbs 第二类涨落。 非均匀相变有成核、生长、粗化等过程，从小到大 逐步变化；而均匀相变是瞬时发生的整体变化。
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5.4.3均匀相变 1. 均匀相变的特征
发生均匀相变时，相变在整个系统中同时 发生，是一种整体动作，具体表现为对称破缺， 以“无”或“有”的突变形式发生。 目前对均匀相变的理论研究处于初级阶段， 对它的认识没有非均匀相变那样深入。较好的一 种理论是软模理论。
3.均匀相变的物理图像
均匀相变是属于Gibbs指出的程度甚 小而空间范围甚大的涨落。这种相变是 整体进行的，所以空间自由度（范围） 甚大，而激发的这些自由度只需很小的 能量。
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随着温度接近Tc，关联长度越来越 大花斑也就越来越大，到Tc时，就出现 宏观对称破缺，转变成另外一个相了。
铁电相变的产生是由于模光学波某种模式随温度 降低而软化，以致过渡到新的有序态。原子格波 的光频支振动对应于晶胞内原子的相对运动。其 中的一些振动比较容易被激发或消失（湮灭）， 它们称为软模。
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3.非简谐力
在离子晶体中对于简谐恢复力存在两种相反的 贡献
均匀成核：各处发生晶核概率相同。
非均匀成核：在杂质、界面、位错或籽晶上形成新相， 因为在这些位置上所需能量小。(人工降雨)
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成核自由能曲线
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2. 长大
有两种类型：界面扩散和原子长程扩散。 界面扩散：粗糙界面，界面上每个空间的原子都可 以扩散上去长大。光滑界面原子扩散到界面某些缺 陷处，特别是台阶上的长大，螺旋位错发挥很大的 作用。这是一种二维生长。 原子长程扩散：如果新旧相成分不同的，新相的产 生会在晶核附近使原子的浓度会下降，这时需从原 子浓度较大的营养液中，通过扩散到晶核处，保证 生长。
光频支与声频支的性质 晶格振动与结构的关系
弹簧作用下小球在平衡位置运动。 晶格振动是对平衡点而言的，某一频率的格波可 用一列轻弹簧来描写。 如果弹簧变软，直到零，小球就不会回原先的平 衡位置。
其中的一些振动比较容易被激发或消失（湮灭），它们 称为软模。
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4.马氏体相变与声学软模
马氏体相变是通过晶格切应变而发生的一种无扩散 相变。 相变过程中成分不变，进行速度很快。 这种位移型相变与声学软模机制有关。 声学波特别是长声学波与弹性波有关系所以马氏体 相变与声学波软模有关。
大部分马氏体相变是一级相变，少数是弱一级，相 变通过成核-生长过程，而且以声速进行。
2.位移相变
从格点角度来看是达到了新的平衡位置。
这就是一种位移相变。
通常发生相变的软模是光学横波，它们位于布 里渊区的中心，波矢小，波长长。
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材料物理学第5章讲稿-5
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原子偏离了平衡位置就变成了静态位移，称振动 模式被冻结。 在临界温度时某一软模的频突然消失或出现，就 发生了相变。 长光学横波表示在较长的距离离子作相对运动， 产生极化场。
一类是短程力（离子间的引力或斥力）促使 位移了的原子回复到原来位置；
长程的库仑力（电矩间的作用力）则趋于增 大离子的位移。
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材料物理学第5章讲稿-5
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在一定条件一这两种趋势相互抵消，恢复力为 零, TO 0。
在顺电相时，由于温度高，晶格振动的幅度大， 还存在着非简谐力的作用，使晶格保持稳定。 当温度降低，非简谐力减小，至T=TC时，内场 力抵消了恢复力，晶格由顺电相过渡到铁电相 即出现了自发极化。
3. 从动力学角度看相变
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5.4.2 非均匀相变
新相在局部地区，然后逐步长大。 动力学过程： 成核； 长大； 粗化。
2018/10/24 材料物理学第5章讲稿-5 2
1.成核
因为形成新相会生成界面，需相应的界面能，成核 需要能量。开始的新相称晶核。 在长大过程中因为新 相的体自由能比旧相低，会放出能量，晶核会继续长大。 只有一定尺寸的晶核（临界晶核）才对晶体生长作出贡 献。 成核的能量靠热涨落。因此材料结晶都需要孕育 期，让一些能量比周围高的原子或分子能wenku.baidu.com集在一起。
均匀相变在临界点附近，从微观上 看在小区域内有关联作用，在小范围内 有一定的有序（花斑）。
它是变动的和随机的，所以在整体 （宏观）上看是无序的。
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5.4.4 软模与位移 相变
1.晶格振动与软模
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2. 对称性的破缺和恢复
均匀相变是一种整体的动作，具体表 现为对称性的破缺，即以有无的方式在居 里点突然出现。一般是高温相对称性高， 低温相对称性低。 对称破缺有连续破缺和不连续破缺。 从时间上看出现周期性和混沌都是时间的 破缺。
2018/10/24 材料物理学第5章讲稿-5 8
§5.4 相变动力学
5.4.1相变动力学的研究内容
1. 主要研究内容
描述相变的微观机理，转变途径，转变速率及一 些物理参数对相变的影响。相变实际上是在不平衡状 态下进行的。 2. 相变的驱动力
新相的自由能低于旧相，相变会使系统处理更稳定 的状态。 非均匀（非连续）相变与均匀（连续）相变。
材料物理学第5章讲稿-5 1
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3.粗化
小晶粒界面占很大的比例，使系统处于自由能较高。 如果晶粒变大，可使总的界面能减少，这就是粗化。 粗化过程通常发生大晶粒并吞小晶粒的现象。 粗化过程也需要激活能的。可通过延长结晶时间（陈 化）、增加温度、光照和微波辐照等方法来加速粗化 过程。 在晶体生长过程中，实际上成核、长大和粗化是同时 发生的。