固态相变第三章
第1章 固态相变基本规律1
{111}γ//{110}α´ ，<110>γ// <111>α´。
3. 相变阻力大
弹性应变能和界面能共同构成金属固态相变的阻力
弹性应变能是相界面上原子强制匹配引起的
共格>半共格>非共格
C 0 t
2) Ｆick第一定律在固态相变中的应用
对扩散形相变中某些动力学问题，可以在近 似稳态扩散条件下应用Fick第一定律做定 量及半定量的解析，主要包括两类问题：
三、相变解决什么问题？
（1）相变为何会发生？ （热力学、动力学问题） （2）相变是如何进行的？ （相变机理——与扩散、 位错等相关的理论）
四、相变科学研究的发展
关于相变科学研究开始于十九世 纪的后半期。 1、金属学家利用金相显微术对 钢铁材料热处理中相变前后的各 种显微组织（奥氏体、马氏体、 珠光体）进行组织鉴定，初步掌 握了钢铁中相变的一些经验规律。
4、上个世纪初，塔曼（G.Tammann)及其合作者进 行了相变的实验研究，在凝固过程中观察到成 核的现象。 5、二、三十年代，福尔默（M.Volmer）等建立完 备的成核的经典理论 6、四十年代末，夫兰克（F.C.Frank）提出界面 微观形貌控制长大的理论，其中螺型位错露头 处的台阶扮演重要角色。 7、三，四十年代中期，迈尔（R.F.Mehl）等建立 了扩散控制的新相长大和等温转变曲线理论
弹性应变能 共格应变能 比体积差应变能
弹性应变能
共格应变能 体积应变能
共格界面新旧两相 点阵常数差异 引起的应变能
新相与母相的比容不同， 固态相变时新相的生成 必然受到周围母相的约束 而产生弹性应变而增加 的应变能
固态相变习题
固态相变习题第一章自测题试卷1、固态相变是固态金属（包括金属与合金）在（）和（）改变时，（）的变化。
2、相的定义为（）。
3、新相与母相界面原子排列方式有三种类型，分别为（）、（）、（），其中（）界面能最低，（）应变能最低。
4、固态相变的阻力为（）及（）。
5、平衡相变分为（）、（）、（）、（）、（）。
6、非平衡相变分为（）、（）、（）、（）、（）。
7、固态相变的分类，按热力学分类：（）、（）；按原子迁动方式不同分类：（）、（）；按生长方式分类（）、（）。
8、在体积相同时，新相呈（）体积应变能最小。
A．碟状（盘片状） B.针状 C.球状9、简述固态相变的非均匀形核。
10、简述固态相变的基本特点。
第二章自测题试卷1、分析物相类型的手段有（）、（）、（）。
2、组织观测手段有（）、（）、（）。
3、相变过程的研究方法包括（）、（）、（）。
4、阿贝成像原理为（）。
5、物相分析的共同原理为（）。
6、扫描电镜的工作原理简单概括为：（）。
7、透射电子显微镜的衬度像分为（）、（）、（）。
第三章自测题试卷1. 根据扩散观点，奥氏体晶核的形成必须依靠系统内的（）：A.能量起伏、浓度起伏、结构起伏B. 相起伏、浓度起伏、结构起伏C.能量起伏、价键起伏、相起伏D. 浓度起伏、价键起伏、结构起伏2. 奥氏体所具有的性能包括：（）A.高强度、顺磁性、密度高、导热性差；B.高塑性、顺磁性、密度高、导热性差；C.较好热强性、高塑性、顺磁性、线膨胀系数大；D.较好热强性、高塑性、铁磁性、线膨胀系数大。
3. 影响奥氏体转变的影响因素包括（）、（）、（）、（）。
4．控制奥氏体晶粒大小的措施有：（），（），（），（）。
5．奥氏体是Fe-C合金中的一种重要的相，一般是指（），碳原子位于（）。
6. 绘图说明共析钢奥氏体的形成过程。
7. 奥氏体易于在铁素体和渗碳体的相界面处成核的原因是什么？8. 简述连续加热时奥氏体转变的特点。
9. 说明组织遗传的定义和控制方法。
材料化学第三章
1）为二级相变； 2）相变前后：宏观均匀，不会出现两相共存（玻璃
分相中的不稳分解）
二、相变动力学（以结晶为例）
结晶过程：成核+生长
1 晶核形成
自由能变化：△G总= -△GV V + σS + εV, （三部分组成: 体积自由能 + 界面能 + 应变能）
临界晶核半径r临: 能自发长大的而不消失的最小半径 r=2σ/△GV-ε
结构→键的性质、缺陷（反应速率）。 例，多晶转变过程引起的晶格效应：
用轻烧Al2O3作原料，因为轻烧Al2O3中有γ-Al2O3 →α-Al2O3转 变，提高反应活性。
2、反应物颗粒尺寸
R0愈小：比表面↑，反应能力增强； 反应截面↑，反应愈剧烈。
3、反应温度和压力的影响
1、 T的影响
K＝Aexp(- GR ) RT
固相反应动力学的一般方程： dG＝KF(1－G)n dt
对于球形颗粒、一级反应，
积分得 F1 (G) (1 G)－32－1＝K1t
2、扩散动力学方程 (VR >> VD)
（1）杨德尔方程 模型：球体模型（通常以粉状物料为原料） 假设 1）反应物是半径为R0的等径球粒； 2) 反应物A是扩散相，反应自表面向中心 进行； 3）扩散截面一定。
狭义相变— 仅限于同组成间的结构变化。 （例 水→冰；石英变体）
广义相变— 相变前后不但有结构变化，还有组成 变化、有序变化等。（例 玻璃分相）
应用：相变可以控制材料的结构和性质。 例，相变开裂→石英质陶瓷（？） 相变增韧→ 氧化锆陶瓷
一、相变类型
1、 按热力学分类
一级相变： 相变时两相化学位相等，但对T、P的一级偏导不等。
第三章固液相变原理和应用
2、确定制冷主机和蓄冰装置的容量
对于采用盐水不冻液盘管制冰的蓄冰空调系统：
制冷机容量 制冷机台数 蓄冰池蓄冷量 蓄冰池容积
对于冰球蓄冰系统：
动态制冰方式
特点：有冰晶、冰浆生成，且冰晶、冰浆处于运动 状态。
缺点：易管道堵塞、磨损现象。
静态冰蓄冷系统
利用制冷剂直接蒸发制冰系统——冰桶式储冰：
利用制冷剂直接蒸发制冰系统—— 冰桶式储冰：
使用的制冷设备为一般的压缩式冷水机组； 储冰时，-4－-5℃的低温溶液通过盘管循环； 低温溶液使清水在管外结冰； 供冷时，较高温度的溶液通过盘管循环与盘管
特点：转移制冷设备运行时间
优点：一方面可以利用夜间的廉价电；另一方 面减少了白天的峰值电负荷，达到电力移峰填 谷的目的。
3.4.1 集中空调的相变蓄冷系统的 分类
静态制冰方式
特点：在冷却管外或盛冰容器内结冰，冰本身处于 相对静止状态。
缺点：冰层的厚度使热阻增大，导致冷冻机的COP 值下降；一些系统中冰块的相互粘连，导致水路堵 塞。
理论模型
边界条件：Tf（x=0，t）=Tin（t）。 初始条件：δp,s（x,t=0）=δi2, Tf（x，t=0）=Ti=Tm，其中Ti为初始温度（℃）。
3.4 固液相变应用举例
蓄冷式空调系统：指在电价低、空调负荷低的 时间内贮冷，在电价高、空调负荷高时释冷， 籍以从时间上全部或局部转移制冷负荷的空调 系统。
板式LHTES装置
工作模式：充热（冷）、释热（冷）和隔离。 工作原理：
固态相变1-2
1869年，安德鲁斯发现（气-液相变）临界点和临界现象 1873年，范德瓦尔斯(Van der Waals )提出了范德瓦尔斯(非理 想气体)方程 a ( p 2 )( v b ) R T v 1876和1878年，Gibbs分两部分发表了“论复相物质的平衡” Gibbs主要贡献： 引入Gibbs函数和化学势
上述三种变化可以单独出现，也可以两种或三种变化兼而有之。
§2.1 相及相变
图2.1 水的P‐T图
图2.2 铁的P‐T图
§2.1 相及相变
相变的 分析表征技术
§1.3 相变研究发展简况
1900年，荷兰Roozeboom根据相率修订了Austen1899年发 表的Fe-C相图。
图1.8a Roozeboom 修订的Fe‐C相图，1900年
图1.8b 目前接受的Fe‐C相图
为纪念Austen在固溶体和Fe‐C相图的贡献，1900年命名固溶体为奥氏体。
7大晶系和14个布拉维点阵
图1.1 相变及能量变化
图1.2 7大晶系和14个布拉维点阵
第一章 绪论 §1.1 相变研究的意义
固态相变是金属材料热处理的基础。利用相变可改善材料 的显微组织，提高材料的性能，充分发挥材料的潜力。
图1.1 材料研究的四要素
第一章 绪论 §1.1 相变研究的意义
第四章 § 4.1 § 4.2 第五章 第六章 第七章 第八章
珠光体共析转变 珠光体共析转变 相间沉淀 马氏体相变 贝氏体相变 其它相变 近代相变理论简介(自学)
第三章 脱溶沉淀和Spinodal分解
脱溶沉淀 时效硬化合金中的脱溶沉淀 胞状脱溶 Spinodal分解
主要内容
材料相变过程涉及热力学、动力学和晶体学
固态相变基础
·268·第三篇 材料固态相变原理第八章 固态相变基础从广义上讲，构成物质的原子（或分子）的聚合状态（相状态）发生变化的过程均称为相变，如从液相到固相的凝固过程、从液相到气相的蒸发过程。
金属和陶瓷等固态材料在温度和压力改变时，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转变，这种转变称为固态相变。
相变前的相状态称为旧相或母相，相变后的相状态称为新相。
相变发生后，新相与母相之间必然存在某些差别。
这些差别或者表现在晶体结构上（如同素异构转变），或者表现在化学成分上（如调幅分解），或者表现在表面能上（如粉末烧结），或者表现在应变能上（如形变再结晶），或者表现在界面能上（如晶粒长大），或者几种差别兼而有之（如过饱和固溶体脱溶沉淀）。
固态相变的种类很多，许多材料在不同条件下会发生几种不同类型的相变。
掌握材料固态相变的规律，就可以采取措施（如特定的加热和冷却工艺）控制相变过程以获得所预期的组织和结构，从而使之具有所预期的性能，最大限度地发挥现有材料的潜力，并可以根据性能要求开发出新型材料。
8.1 固态相变概论8.1.1 固态相变的主要分类目前，常见的固态相变主要分类方法有以下几种。
1．按热力学分类根据相变前后热力学函数的变化，可将固态相变分为一级相变和二级相变[80-83]。
1）一级相变相变时新旧两相的化学势相等，但化学势的一级偏微商不等的相变称为一级相变。
设α代表旧相，β代表新相，μ为化学势、T 为温度、P 为压力，则有βαµµ＝P P TT ∂∂≠ ∂∂βαµµ；T T P P ∂∂≠ ∂∂βαµµ 已知 S T P ＝－ ∂∂µ；V P T＝ ∂∂µ·269·所以 βαS S ≠ ；βαV V ≠因此，在一级相变时，熵S 和体积V 将发生不连续变化，即一级相变有相变潜热和体积改变。
固态相变.ppt
菲克第二定律 实际中大多数重要的扩散都是不稳定扩散，
即扩散物质浓度分布随时间而变化。为了研究 这类情况，根据扩散物质的质量平衡，在第一 定律的基础上导出菲克第二定律，用以分析不 稳定扩散。
在一维情况下，菲克第二定律表示为：
MMSCE2000057
当扩散系数D为常数（即与浓度无关），则 菲克第二定律可表示为： 在三维扩散的情况下，菲克第二定律的表达式为：
因此在相变过程中，新相总是倾向于形成具 有一定形状并具有一定界面结构的晶核，以尽量 降低界面能和应变能，从而使形核功降低。
MMSCE2000057
b.非均匀形核 由于绝大多数的固体都包含有各种缺陷，如
空位、杂质、位错、晶界等，因此，实际上很难 出现理想的均匀形核，而相反倒是在上述缺陷处 优先形核，即发生非均匀形核。由于上述缺陷处 具有较高的能，在这些部位形核可以降低形核功， 所以非均匀形核要比均匀形核容易得多。
结果：有相变潜热，并伴随有体积改变。
MMSCE2000057
*二级相变：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。
在转变温度Tc下其吉布斯自由能可
连续变化，又叫连续相变。
即： 1＝2
S1＝S2
1 2(等压膨胀系数)
1 2(等温压缩系数)
C p1 C p2 (热容量)
V1＝V2
MMSCE2000057
1 2
1 2
T P T P
1 2
P T P T
21
T 2
P
22
T 2
P
2
T 2
P
（3） 相变过程的浓度条件 对于溶液中析出固体的相变而言，为使相变
初中物理第三章物态变化知识点
初中物理第三章物态变化知识点物态变化是物质发生物理变化的过程，主要包括固态、液态、气态三种物态。
本文将介绍物态变化的基本概念以及固态、液态、气态的特点和转化规律。
一、物态变化的基本概念物态变化是指物质在不同温度、压力等条件下发生相变的过程。
在不同的物态下，物质的分子之间的排列和运动方式不同，从而导致了物质性质的变化。
1.固态：分子排列紧密，存在着较强的分子间相互作用力。
物质呈现固定的形状和体积，不易流动。
2.液态：分子间相互作用力弱于固态，但仍存在着较强的分子间吸引力。
物质呈现不固定的形状，但体积不变，易流动。
3.气态：分子间的相互作用力非常弱，分子的平均间距较大。
物质呈现不固定的形状和体积，可以自由流动。
二、固态的特点和转化规律1.特点：固态的物质在常温常压下呈现固定的形状和体积，分子间距较小，相互之间存在着较强的吸引力。
固体的分子只能进行微小的振动运动，无法改变位置。
2.固态与液态的相变规律：固态与液态之间的相变叫做熔化，也叫熔化或融解。
当物质吸收热量，温度上升至物质的熔点时，固态物质开始融化成为液态。
熔化过程中，物质吸收的热量全部用于分子间相互作用力的克服，不会改变物质的温度。
3.固态与气态的相变规律：固态与气态之间的相变叫做升华。
当物质吸收热量，温度上升至物质的升华点时，固态物质直接升华为气态，跳过液态。
升华过程中，物质吸收的热量用于克服分子间的作用力和克服表面张力，不会改变物质的温度。
三、液态的特点和转化规律1.特点：液态的物质在常温常压下呈现不固定的形状，但体积不变，分子间距略大于固态。
液体的分子可以进行大范围的运动，可以流动。
2.液态与固态的相变规律：液态与固态之间的相变叫做凝固。
当物质释放热量，温度降至物质的凝固点时，液态物质开始凝固成为固态。
凝固过程中，物质释放的热量用于克服分子间的相互作用力，不会改变物质的温度。
3.液态与气态的相变规律：液态与气态之间的相变叫做蒸发。
当物质吸收热量，温度上升至物质的沸点时，液态物质开始蒸发成为气态。