相变原理复习提纲

相变原理复习提纲

第一章固态相变概论

相变：指在外界条件（如温度、压力等）发生变化时，体系发生的从一相到另一相的变化过程。

固态相变

金属或陶瓷等固态材料在温度和/或压力改变时，其内部组织或结构会发生变化，即发生从一种相状态到另一种相状态的改变。

物相的突变体现在那些方面？

（1）从一种结构变化为另一种结构:结构变化

（2）化学成分的不连续变化

（3）某种物理性质的跃变

以上三种情况可以单独出现，也可以同时出现。

试总结固态相变的特征

1、相界面特殊（不同类型，具有不同界面能和应变能）

2、新旧相之间存在一定位向关系与惯习面

3、相变阻力大（弹性应变能作用）

4、易产生过渡相（降低形核功）

5、晶体缺陷的影响（提供驱动力）

共格界面：

若两相晶体结构相同、点阵常数相等、或者两相晶体结构和点阵常数虽有差异，单存在一组特定的晶体学平面使两相原子之间产生完全匹配。此时，界面上原子所占位置恰好是两相点阵的共有位置，界面上原子为两相所共有，这种界面称为共格界面。当两相之间的共格关系依靠正应变来维持时，称为第一类共格；而以切应变来维持时，成为第二类共格。

半共格界面：半共格界面的特点：在界面上除了位错核心部分以外，其他地方几乎完全匹配。在位错核心部分的结构是严重扭曲的，并且点阵面是不连续的。

非共格界面：当两相界面处的原子排列差异很大，即错配度δ很大时，两相原子之间的匹配关系便不在维持，这种界面称为非共格界面；一般认为，错配度小于0.05时两相可以构成完全的共格界面；错配度大于0.25时易形成非共格界面；错配度介于0.05～0.25之间，则易形成半共格界面。

一级相变

相变前后若两相的自由能相等，但自由能的一级偏微商（一阶导数）不等的相变。特征：相变时：体积V，熵S，热焓H发生突变，即为不连续变化。

晶体的熔化、升华，液体的凝固、气化，气体的凝聚，晶体中大多数晶型转变等。

二级相变

相变时两相的自由能及一级偏微商相等，二级偏微商不等。特征：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β、等压热膨胀系数α突变。例如：合金的有序-无序转变、铁磁性-顺磁性转变、超导态转变等。

均匀相变

没有明显的相界面，相变是在整体中均匀进行的，相变过程中的涨落程度很小而空间范围很大。特点：

A: 无需形核；

B: 无明确相界面；

非均匀相变

是通过新相的成核生长来实现的，相变过程中母相与新相共存，涨落的程度很大而空间范围很小。特点：

A：即为形核-长大型相变；

B: 新旧相差别较大（结构或成分）；

C: 相变过程中母相与新相共存

扩散型相变

如温度足够高，原子活动能力足够强，新相的形核和长大主要依靠原子进行长距离的扩散，即相变是依靠相界面的扩散移动而进行的。因而扩散便成了这类相变中起控制作用的因素之一。

特点：

A: 相变过程有原子扩散，相变速率受原子扩散速度控制；

B: 新、旧相成分不同；

C:新、旧相比容不同引起体积变化，但宏观形状不变。

D:相界面是非共格的。

非扩散型相变

相变过程中原子不发生扩散，低温下发生。参与转变的所有原子运动是协调一致的，原子只作有规则的迁移以使晶体点阵重组，原子迁移范围有限不超过一个原子间距。

特点：

存在均匀切变引起宏观变形；

相变无扩散，新、旧相化学成分相同；

新、旧相之间存在一定晶体学取向关系；

相界面是共格的；

相变速度快；

相变过程的推动力有哪些？

相变过程的推动力应为过冷度、过饱和浓度、过饱和蒸汽压。

固态相变的阻力有哪些？

金属固态相变时的相变阻力应包括界面能和弹性应变能两项。当界面共格时，可以降低界面能，但使弹性应变能增大。当界面不共格时，盘(片)状新相的弹性应变能最低，但界面能较高；而球状新相的界面能最低，但弹性应变能却最大。

形核功

晶核长大到r* 所需克服的能垒，或所做的功

为什么固态相变中出现过渡相?

晶体缺陷对固态相变形核有什么影响？1.当稳定的新相与母相的晶体结构差异较大时，母相往往不直接转变为自由能最低的稳定新相，而是先形成晶体结构或成分与母相比较接近，自由能比母相稍低些的亚稳定的过渡相。此时，过渡相往往具有界面能较低的共格界面或半共格界面，以降低形核功，使形核容易进行。2.晶体缺陷是能量起伏、结构起伏和成分起伏最大的区域，在这些区域形核时，原子扩散激活能低，扩散速度快，相变应力容易被松弛。在固态相变中，从能量的观点来看，均匀形核的形核功最大，空位形核次之，位错形核更次之，晶界非均匀形核的形核功最小。

试对固态相变的相变阻力进行分析

固态相变阻力包括界面能和应变能，这是由于发生相变时形成新界面，比容不同都需要消耗能量。

（1）界面能：是指形成单位面积的界面时，系统吉布斯自由能的变化值。其大小和化学键的数目、强度有关。共格界面的化学键数目、强度没有发生大的变化，最小；半共格界面产生错配位错，化学键发生变化，次之；非共格界面化学键破坏最厉害，最大。

（2）应变能

①错配度引起的应变能（共格应变能）：共格界面由错配度引起的应变能最大，半共格界面次之，非共格界面最小。

②比容差引起的应变能（体积应变能）：和新相的形状有关，球状由于比容差引起的应变能最大，针状次之，片状最小。

分析晶体缺陷对固态相变中新相形核的作用。

固相中存在各种晶体缺陷，如空位、位错、层错、晶界等，如果在晶体缺陷处形核，随着核的形成，缺陷将消失，缺陷的能量将给出一供形核需要，使临界形核功下降，故缺陷促进形核。

（1）空位：过饱和空位聚集，崩塌形成位错，能量释放而促进形核，空位有利于扩散，有利于形核。

（2）位错：

①形成新相，位错线消失，会释放能量，促进形核

②位错线不消失，依附在界面上，变成半共格界面，减少应变能。

③位错线附近溶质原子易偏聚，形成浓度起伏，利于形核。

④位错是快速扩散的通道。

⑤位错分解为不全位错和层错，有利于形核。

晶核长大的两个伴随过程：

界面过程（满足结构）；传质过程（满足成分）

液固界面类型：

从原子尺度看液固界面的微观结构可分为两大类：

（1）粗糙界面：界面固相一侧的点阵位置只有约50%被固相原子所占据，形成坑坑洼洼、