固态相变原理与应用
固态相变热力学原理pptx
弹性模型描述了固态相变过程中的弹性变化。在固态相变过程中，材料的弹性性质会发生变化，这个过程可以用弹性模型来描述。
弹性模型
化学势模型描述了固态相变过程中的化学势变化。在固态相变过程中，材料的化学势会发生改变，这个过程可以用化学势模型来描述。
化学势模型
固态相变的动力学模型
04
固态相变的影响因素
xx年xx月xx日
固态相变热力学原理
contents
目录
引言固态相变理论基础固态相变动力学模型固态相变的影响因素固态相变的应用研究展望与挑战
01
引言
研究固态相变现象
固态相变是一种材料在高温高压等条件下从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。了解固态相变现象的原理和规律，有助于材料科学、物理学、工程应用等领域的研究和发展。
能源开发和利用：固态相变原理可以应用于能源开发和利用领域，如能源材料的开发和优化，能源转换和储存等。
工程应用和拓展：固态相变原理可以应用于工程应用和拓展领域，如高温高压环境下的材料性能测试、材料损伤和失效分析、材料修复和维护等。
研究现状和发展趋势
02
固态相变理论基础
VS
固态相变是指在没有液态情况下，一种固态物质通过结构变化转变为另一种固态物质的过程。
能量平衡和热力学稳定性的维持
03
固态相变过程中需要维持能量平衡和热力学稳定性。在一定的温度和压力条件下，不同的原子排列结构对应着不同的能量状态，最终会达到一个稳定的原子排列结构。
扩散模型是描述固态相变过程的一个常用模型。在这个模型中，原子通过扩散作用从一个位置移动到另一个位置，最终导致固态相变的发生。
固态相变分类
根据相变过程中是否有化学反应的发生，固态相变可分为非化学反应的相变和化学反应的相变。
材料热处理原理第一章金属固态相变基础
1#楼203 周二 5-6节 周四 1-2节
热处理
热处理原理与工艺
• 热处理：将金属或工件放在一定的介质中，通 过加热、保温和冷却的方法，使金属或合金的 内部组织结构发生变化，从而获得所需性能的 技术。
• 金属材料生产和机械制造过程的重要组成部分 之一。
• 热处理的特点：
– 一般不改变材料或工件的形状和整体的化学成分 – 改变材料或工件的微观组织和结构，或表面的化学成
特点：
（1）存在由于均匀切变引起的宏观形状改变，可在预先制备的抛光试样 表面上出现浮突现象。
（2）相变不需要通过扩散，新相和母相的化学成分相同。 （3）新相和母相之间存在一定的晶体学位向关系。 （4）某些材料发生非扩散相变时，相界面移动速度极快，可接近声速。
4. 按相变方式分类
➢ 有核相变：通过形核-长大方式进行的。
• 其两个生成相的结构和 成分均与母相不同
• 加热时也可发生 α+→转变，称为逆 共析相变
平衡相变
④调幅分解
• 某些合金在高温下具有均匀单相固溶体，但冷却到 某一温度范围时可分解成为与原固溶体结构相同但 成分不同的两个微区，这种转变称为调幅分解。
特点：转变初期不存在明显的相界面和成分突变； 通过上坡扩散实现成分变化； 一个自发分解过程； 不经历形核阶段； 分解速度快
3. 按原子迁移特征分类
扩散型相变
相变时原子迁移特征
非扩散型相变
3. 按原子迁移特征分类
（1）扩散型相变
相变时，相界面的移动是通过原子近程或远程扩散而进行的相变。
如：脱溶型相变、共析型相变(珠光体型转变）、调幅分解和有序化 转变等。
特点：
（1）有原子扩散运动，相变速率受原子扩散速度所控制； （2）新相和母相的成分往往不同； （3）只有因新相和母相比容不同而引起的体积变化，没有宏观形状
《固态相变原理及应用》第二章 固态相变热力学原理
临界晶核的形核功W
形成临界晶核的形核功W为
由上式可知，表面能σ和弹性应变能ε增加时， 则临界晶核半径rห้องสมุดไป่ตู้增加， 形核功W增加。临界晶核半径和形核功都是自由能差的函数，也随过 冷度（过热度）而变化。过冷度（过热度）增大，临界晶核半径和形 核功都减小，新相形核几率增大，新相晶核数量也增多，即相变容易 发生。因此，只有在一定的温度滞后条件下系统才可能发生相变。与 克服相变势垒所需的附加能量一样，形核功所需的能量也来自两个方 面：一是依靠母相内存在的能量起伏来提供；二是依靠变形等因素引 起的内应力来提供。
T 固态相变热力学原理 hermodynamics in Phase Transformation
自由能G
在热力学当中，自由能指的是在某一个热力学过程中，系统 减少的内能中可以转化为对外作功的部分，它衡量的是：在 一个特定的热力学过程中，系统可对外输出的“有用能量”。
G是系统的一个特征函数，设H为焓、S为熵、T为绝对温度，
界面能之间存在下列关系
晶界形核系统自由能变化
若晶核为双球冠形，R为曲率半径，则有
当：
W＝0
满足这一条件时 该二次方程式的解为χ＝2、χ＝－4。 由此可知，界面形核时，只要
，形核便不再需要额外的能量。
界隅形核
界面、界棱和界隅都不是几何意义上的面、线和点，它们都占有 一定的体积。
(a)界面形核 (b)界棱形核 (c)界隅形核 界面、界棱和界隅都可以提供其所储存的畸变能来促进形核。在界面 形核时，只有一个界面可供晶核吞食；在界棱形核时，可有三个界面供晶 核吞食；在界隅形核时，被晶核吞食的界面有六个。所以，从能量角度来 看，界隅提供的能量最大，界棱次之，界面最小。然而，从三种形核位置 所占的体积分数来看，界面反而居首位，而界隅最小。
材料科学基础_第6章_固态相变的基本原理
第6章 固态相变的基本原理
1
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。 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。
4
6.1 固态相变的分类与特征 6.1.1 固态相变的分类
1.按热力学分类 按照自由能对温度和压力的偏导函数在相
变点的数学特征——连续或非连续，将相变分 为一级相变和高级相变（二级或二级以上的相 变）。
n级相变：在相变点系统的化学势的第（n1）阶导数保持连续，而其n阶导数不连续。
5
一级相变的特点是，相变发生时，两平衡相的 化学势相等，但化学势的一阶偏导数不相等。
的中间转变称为过渡型。 a. 块状转变，更接近于扩散型相变，相界面是非共格的，
相界面移动通过原子扩散进行，相变时成分不变。 b.贝氏体相变，扩散性长大和非扩散性长大相互制约。
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3. 按长大方式分类 形核长大型相变 连续型相变
4.按相变过程分类 近平衡相变 远平衡相变
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6.1.2 固态相变的特征
1）原子的扩散速度 ➢ 由于新旧两相的化学成分不同，相变时必须有原子的扩散 ➢ 原子扩散速度成为相变的控制因素。 ➢ 当相变温度较高时，即扩散不是决定性因素的温度范围内
，随着温度的降低，即过冷度的增大，相变驱动力增大， 相变速度加快；但是当过冷度增大到一定程度，扩散称为 决定性因素，进一步增大过冷度，反而使得相变速度减小 。
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材料物理化学-第九章 固态相变
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四、按动力学分类 若按动力学特征进行分类，固态相变中的扩散型相变可分为： (1)脱溶转变，这是由亚稳定的过饱和固溶体转变为一个稳定的或亚稳定的 脱溶物和一个更稳定的固溶体，可以表示为： 。 (2)共析转变，共析转变是指一个亚稳相由其它两个更稳定相的混合物所代 替，其反应可以表示为：
2
1 / T2ຫໍສະໝຸດ P 2 / T
2
P
； ；
2
1 / T P 2 / T P
2
（9－2）
上面一组式子也可以写成：
材料物理化学
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1 2 ； S 1 S 2 ；V 1 V 2 ； C P 1 C P 2 ； 1 2 ； 1
间的界面能。通常是以低指数的、原子密度大的匹配较好的晶面彼此平行，构成 确定位向关系的界面。通常，当相界面为共格或半共格时，新相与母相必定有位 向关系；如果没有确定的位向关系，则两相的界面肯定是非共格的。 (8)为了维持共格;新相往往在母相的一定晶面上开始形成。这也是降低界面 能的又一结果。 应特别指出，温度越低时，固态相变的上述特点越显著。 二、马氏体转变 马氏体(Martensite)是在钢淬火时得到的一种高硬度产物的名称， 马氏体转变 是固态相变的基本形式之一。在许多金属、固溶体和化合物中可观察到马氏体转 变。 一个晶体在外加应力的作用下通过晶体的一个分立体积的剪切作用以极迅速 的速率而进行的相变称为马氏体转变。这种转变在热力学和动力学上都有其特
材料物理化学
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1 2
1 / T P 1
2 / T
P
（9－1）
(完整word版)金属固态相变原理
第2篇热处理原理及工艺第7章钢的热处理教学目标：搞清奥氏体、珠光体、贝氏体、马氏体等基本概念；掌握共析分解、马氏体相变、贝氏体相变基本知识;掌握相变产物的形貌和物理本质。
第8章金属固态相变原理§8 钢的热处理一、热处理的作用机床、汽车、摩托车、火车、矿山、石油、化工、航空、航天等各行各业用的大量零部件需要通过热处理工艺改善其性能。
拒初步统计，在机床制造中，约60%70%的零件要经过热处理;在汽车、拖拉机制造中,需要热处理的零件多达70％80%，而工模具及滚动轴承，则要100％进行热处理。
总之，凡重要的零件都必须进行适当的热处理才能投入使用。
热处理的定义：将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需组织和性能的工艺过程.热处理三大要素：加热、保温和冷却通过以上三个环节,材料的内部组织发生了变化，因而性能也发生变化。
例如:碳素工具钢T8在市场购回的是球化退火的材料其硬度仅为20HRC，作为工具需经淬火并低温回火使硬度提高到60～63HRC,这是因为内部组织由淬火之前的粒状珠光体转变为淬火+低温回火的回火马氏体。
同一种材料，热处理工艺不一样其性能差别很大，导致性能差别如此大的原因是不同的热处理后内部组织截然不同.表 8—1 45号钢经不同热处理后的性能(试样直径15mm)热处理工艺的选择要根据材料的成分来确定.材料内部组织的变化依赖于材料热处理和其他热加工工艺，材料性能的变化又取决于材料的内部组织变化。
所以，材料成分－加工工艺－组织结构－材料性能这四者相互依成的关系贯穿在材料制备的全过程之中。
我们的任务就是要了解和掌握其中的规律性。
二、热处理的基本要素如上所述，热处理工艺中有三大基本要素：加热、保温、冷却。
这三大基本要素决定了材料热处理后的组织和性能。
1、加热按加热温度的高低,加热分为两种：一种是在临界点A1以下加热,此时一般不发生相变;另一种是在A1以上加热,目的是为了获得均匀的奥氏体组织，这一过程称为奥氏体化。
1-固态相变的基本原理(研究生)
dVex IVd
∴不同时间内形核的β相在时间t的转变总体积：
Vex
t 0
dVex
40
V e x4 3Iu3 V0 tt d 3IV u3 t4
V
ex
为扩张体积，重复计算
①已转变的体积不能再成核 ②新相长大到相互接触时，不能继续长大
为 了 校 正 V e x与 V 的 偏 差
Vex V
（真正的转变体积）
要随界面移动，位错要攀移 台阶侧向移动，位错可滑移
台阶长大机制
34
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（2）非共格界面的迁移
36
（3）协同型长大机制
无扩散型相变，原子通过切变方式协同运动，相邻 原子的相对位置不变 如马氏体相变，会发生外形变化，出现表面浮凸 新相和母相间有一定的位向关系
马氏体相变表面浮凸
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§4 固态相变动力学
研究内容：新相形成量(体积分数)与时间、温度关系 相关因素：形核速率、长大速率、新相形状 动力学方程
（1）Johnson-Mehl方程 （2）Avrami方程
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（1）Johnson-Mehl方程（推导自学）
当形核率和长大速度恒定时，恒温转变 动力学
f 1 exp V 3N 4
3
f 新相形成的体积分数
{110}α// {111}γ <111>α// <110>γ
7
8
4、晶体缺陷的影响
大多数固态相变的形核功较大，极易在晶体缺陷处优先不均 匀形核，提高形核率，对固态相变起明显的促进作用。
5、过渡相（亚稳相）的形成
为了减少界面能，固态相变中往往先形成具有共格相界面的 过渡相（亚稳相）。 亚稳相有向平衡相转变的倾向，但在室温下转变速度很慢。
固态相变知识点总结
固态相变知识点总结相变是物质在温度、压强或其他外部条件改变时，从一种物态转变为另一种物态的现象。
固态相变是指物质从固态状态转变到其他固态状态的过程，通常包括晶体-晶体相变和晶体-非晶相变，以及液晶-固体相变等。
固态相变是材料科学和固态物理领域的重要研究课题，掌握固态相变的基本原理和规律对于材料设计、制备和性能改进具有重要意义。
本文将从固态相变的基本概念、分类和特征等方面进行总结，并通过实例来说明固态相变的重要意义和应用。
一、固态相变的基本概念1. 固态相变是指物质在固态状态下由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。
固态相变是晶体学和固态物理学的重要研究课题，可以帮助我们深入了解物质的内部结构和性质。
2. 固态相变的基本特征包括晶格结构的改变、原子位置的重新排列、晶体的晶界和缺陷等。
固态相变通常伴随着能量的吸收或释放，使得固态物质的性能和特性发生变化。
3. 固态相变的驱动力包括温度、压强、外界场等，这些外部条件的改变可以引起晶体结构和性质的改变，从而产生相变现象。
4. 固态相变可以分为等温相变和非等温相变两种类型。
等温相变指的是在恒定温度下发生的相变过程，例如固态合金的热处理过程；非等温相变指的是在变化温度下发生的相变过程，例如冰的熔化过程。
二、固态相变的分类根据相变过程中晶体结构的改变和外部条件的影响，固态相变可以分为以下几种类型：1. 晶体-晶体相变：指的是物质在固态状态下由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。
晶体-晶体相变通常伴随着晶粒形状、大小和取向的变化，对材料的组织结构和性能产生重要影响。
2. 晶体-非晶相变：指的是物质在固态状态下由晶体结构转变为非晶结构的过程。
晶体-非晶相变可以发生在非晶态金属、非晶态合金和非晶态陶瓷等材料中，对于提高材料的强度、硬度和耐腐蚀性具有重要意义。
3. 液晶-固体相变：指的是液晶分子在固态基体中发生有序排列的过程。
液晶-固体相变广泛应用于液晶显示器、液晶材料和光学器件等领域。
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课后作业
查阅资料，了解一类有趣的相变。获得关于 其材料体系、相变特点和应用的基本信息， 上课时和大家交流。
固态相变原理与应用
绪论
1.相变——你知道的和你不知道的
水的三态改变 纯金属的多晶型转变 钢的热处理 可逆马氏体相变 相变储能
相变原理及应用实例一——钢的热处理
45钢的强化
退火
淬火
附：
激光相变硬化的应用
相变原理及应用实例二——记忆合金
相变原理及应用实例三——相变增韧
ZrO2从高温液相冷却到室温的过程中将发生如下 相变：液相（L）→立方相（c）→正方相（t）→ 单斜相（m）。其中t→m（属于马氏体相变）转 变时将产生约5%的体积膨胀。将ZrO2 t→m相变 Ms 点稳定到比室温稍低，而Md 点比室温高，使 其在承载时由应力诱发产生t→m相变，由于相变 产生的体积效应和形状效应而吸收大量的能量，从 而表现出异常高的韧性，这就是二氧化锆ZrO2相 变增韧
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2.课程学习内容
钢的相变原理 合金的脱溶与时效 钢的热处理工艺
3.课程衔接关系
材料科学基础（金属学） —— 固态相变原理与应用（原理及工艺） ——材料概论(金属、陶瓷、复合) ——纳米、复合、先进材料
4.课程性质与地位
必修
研究金属材料通过调控组织来获得理想 性能的规律，材料科学研究的基础平台。
6.陆兴 主编 《热处理工程基础》，机械工业出版社， 2006
7.夏立芳 主编 《金属热处理工艺学》，哈尔滨工业大学 出版社， 1996
8.胡光立,谢希文编著 《钢的热处理:原理和工艺 》，西工 大，1993
9.安运铮 主编 《热处理工艺学》，机械工业出版社， 1986
考核方法
闭卷考试+平时成绩平 主编 《金属固态相变及应用》， 化学工业出版 社， 2007
2.刘宗昌 主编 《材料组织结构转变原理》，冶金工业出版 社，2006
3.刘宗昌 主编 《金属固态相变教程》，冶金工业出版社， 2003
4.胡德林 主编 《金属学及热处理》，西北工业大学出版社， 1995
5.崔忠圻 主编 《金属学与热处理》，机械工业出版社， 1995