固态相变-第三章 固态相变动力学原理
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。
固态相变动力学原理pptx
xx年xx月xx日
固态相变动力学原理
contents
目录
引言固态相变基础知识固态相变动力学模型固态相变的应用实验方法和数据分析结论和未来工作
01
引言
物质在一定条件下，从一种物态转变为另一种物态的过程。
相变
在一定温度和压力下，固体的结构发生变化，从而导致其物理和化学性质的变化。
固态相变
相变和固态相变
针对不同固态相变类型，已经总结出相应的动力学模型和公式，为实际应用提供了指导。
研究结果对材料性能的优化和新型材料设计具有重要参考价值。
固态相变动力学模型仍需进一步完善和拓展，以适应更广泛的应用场景。
在实际应用方面，需要结合具体材料和工程背景，开展针对性研究和应用探索。
固态相变动力学与其他领域的交叉研究值得进一步关注，如与能源、环境、生物医学等领域交叉融合，有望开拓新的应用前景。
1
固态相变的重要性
2
3
固态相变可以改变材料的性能，如硬度、韧性、耐腐蚀性等，从而实现对材料性能的调控。
调节材料性能
固态相变过程中通常会产生晶体结构或化学成分的变化，从而制备出具有特定性能的新型材料。
新型材料制备
在工程应用中，固态相变可以用于制造高温超导材料、新型能源材料等。
工程应用
VS
本报告将介绍固态相变动力学的基本原理、研究方法和应用领域，并列举一些最新的研究成果和发展趋势。
本报告将分为以下几个部分：固态相变动力学的基本原理、研究方法、应用领域、最新研究成果和发展趋势。
报告结构概述
02
固态相变基础知识
固态相变
物质在固态条件下发生的结构变化。
分类
按相变过程中是否发生化学反应，固态相变可分为一级相变和二级相变；按相变温度，可分为高温相变和低温相变。
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。
固态相变原理
固态相变原理
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。
在固态相变中，原子或分子重新排列，从而改变了物质的性质。
固态相变是固体物理学中的重要研究对象，对于材料科学和工程技术具有重要的意义。
固态相变的原理主要包括热力学和动力学两个方面。
热力学描述了相变过程中
物质内部的能量变化和熵变化，而动力学则描述了相变过程中原子或分子的运动和排列。
在热力学方面，相变需要克服能量壁垒，使得原子或分子从一个稳定的晶体结构转变为另一个稳定的晶体结构。
而在动力学方面，相变的速率取决于原子或分子的扩散和重新排列速度。
固态相变可以分为一级相变和二级相变两种类型。
一级相变是指在相变过程中
伴随着热量的吸收或释放，如固液相变和固气相变；而二级相变则是在相变过程中不伴随热量的吸收或释放，如铁磁相变和铁电相变。
不同类型的相变具有不同的热力学和动力学特性，因此需要采用不同的方法和技术来研究和应用。
固态相变在材料科学和工程技术中具有广泛的应用。
例如，通过控制金属材料
的固态相变，可以改变材料的硬度、强度和导电性能，从而实现对材料性能的调控。
另外，固态相变还可以应用于存储技术、传感器技术和能源材料等领域，为现代科学技术的发展提供了重要支撑。
总之，固态相变是固体物理学中的重要研究内容，对材料科学和工程技术具有
重要的意义。
通过深入研究固态相变的原理和特性，可以为材料的设计、制备和应用提供重要的理论和技术支持。
希望在未来的研究中，固态相变能够得到更加深入和全面的理解，为人类社会的发展做出更大的贡献。
固态相变PPT课件
Driin•vcoinrnegcaefsoneurccleeTattoedn,ugcrloewatuen
increases as we
til reach equilibrium
supercooling (eutectic, eutectoid)
Small supercooling few nuclei - large
②相变阻力使之无 法进行下去。
α+θ
Al
Cu
(a)过饱和固溶体 (b)GP区, θ′′ , θ′ (c)马氏体
α+Fe3C
Fe
Fe3C
8
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金属材料热处理原理
3. 1 概述
➢新相/母相相界，类似于晶界，可分共格、部分共格、非 共格等三类
初生新相的相界面多为共格，而后逐渐向非共格界面发展.
crystals Large supercooling rapid nucleation - many
nuclei, small crystals
28
第28页/共44页
金属材料热处理原理
３. 2 新相形核
3. 3 新相形核
均匀形核（任意随机地形核）、不均匀形核（实际情况）
均匀形核(Homogeneous nucleation)
母相
溶质原子扩散
新相
26
第26页/共44页
金属材料热处理原理
3. 1 概述
非扩散型相变（移位、切变、军队）
在原子无法实现扩散的条件
下发生。新相生长时，母相
中原子不需扩散，只以小于
母相
新相
原子间距的距离相对位移，
实现晶体集体切变，新相成
分保留母相成分特点。
固态相变知识点整理 辽宁科技大学
第1章：奥氏体的形成1.金属固态相变的基础⑴热力学原理（自由能下降）：固体中有元素扩散、自由能最低原则、降低自由能的过程⑵动力学原理（时间和温度）：成份起伏，结构起伏，能量起伏→相变过程（形核、长大）发生相转变2.奥氏体的形成⑴热处理：通过加热、保温和冷却的方法，改变金属及合金的组织结构，使其获得所需要的性能的热加工工艺。
⑵奥氏体化：钢加热获得奥氏体的过程。
⑶奥氏体形成的热力学条件系统总的自由能变化ΔG：ΔG=-ΔG V+ΔG S+ΔGεΔGV——奥氏体与旧相体积自由能之差；ΔGS ——形成奥氏体时所增加的表面能；ΔGε——形成奥氏体时所增加的应变能ΔG<0，形成奥氏体。
⑷实际加热时临界点的变化加热：偏向高温，存在过热度；A C1，A C3，A CCm冷却：偏向低温，存在过冷度。
A r1，A r3，A rCm3.奥氏体的组织、结构⑴奥氏体的组织通常由多边形的等轴晶粒所组成，有时可观察到孪晶。
⑵奥氏体的结构①具有面心立方结构。
（奥氏体是C溶于γ-Fe中的固溶体。
合金钢中的奥氏体是C及合金元素溶于γ-Fe中的固溶体。
）②C是处于γ-Fe八面体的中心空隙处，即面心立方晶胞的中心或棱边的中点；③最大空隙的半径为0.052nm，与C原子半径（0.077 nm）比较接近。
C原子的存在，使奥氏体点阵常数增大④实际上奥氏体最大碳含量是2.11%（重量）4.奥氏体的性能⑴顺磁性。
用于相变点和残余奥氏体含量的测定等。
⑵比容最小。
也常利用这一性质借膨胀仪来测定奥氏体的转变情况。
⑶线膨胀系数最大。
利用奥氏体钢膨胀系数大的特性来做仪表元件。
⑷奥氏体的导热性能最差（除渗碳体外）。
奥氏体钢要慢速加热。
⑸奥氏体的塑性高，屈服强度低。
5.奥氏体的形成机制⑴奥氏体的形核①在铁素体与渗碳体的界面处依靠系统内的成分起伏、结构起伏和能量起伏形成。
②奥氏体形核于相界面处的原因：Ⅰ界面处碳浓度差大，有利于获得奥氏体晶核形成所需的碳浓度。
固态相变的原理及应用
固态相变的原理及应用1. 引言固态相变是指物质在不改变其化学组成的情况下，在一定条件下发生物理性质的显著变化，包括液固相变、固固相变等。
本文将介绍固态相变的原理及其在科学研究和工程应用中的重要性。
2. 固态相变的原理固态相变的原理主要涉及分子间相互作用、晶体结构和热力学的变化。
以下是固态相变的一些常见原理：2.1 同质固态相变同质固态相变是指在同一物质中固态结构的变化。
它可以由温度、压力、外界场等因素引起。
•温度引起的同质固态相变：温度的升降可以改变固体分子的平均振动能量，从而改变其固态结构。
例如，冰的固态结构在低温下是稳定的，但在高温下会发生相变为液态的水。
•压力引起的同质固态相变：压力的增加可以改变固态相对稳定的结构，使其发生相变。
例如，某些材料在高压下可以发生相变为更稳定的结晶形态。
•外界场引起的同质固态相变：外界场包括电场、磁场、光场等，它们可以改变固态相之间的平衡态，从而引起相变。
2.2 异质固态相变异质固态相变是指在不同组分或不同结构的物质之间发生的相变。
以下是几个常见的异质固态相变原理：•共晶相变：指两种或多种成分在一定温度下发生相变。
例如，凝固过程中的合金共晶相变。
•共熔相变：指两种或多种成分在一定温度下熔化，并形成单一相。
例如，某些合金在特定温度下可以共熔。
•嵌段共聚物相变：指由于共聚物分子中不同段之间的相互作用力的不同，导致其发生异质结构相变的现象。
3. 固态相变的应用固态相变在科学研究和工程应用中具有广泛的应用价值。
以下是固态相变在不同领域中的一些应用：3.1 材料工程•形状记忆合金：由于固态相变的特性，一些合金材料具有形状记忆效应，可以在温度改变的条件下恢复到原来的形状。
这种特性使得形状记忆合金可以应用于医疗器械、航空航天等领域。
•热致变色材料：某些固态相变材料在温度变化时会发生颜色的变化。
这种特性使得热致变色材料可以用于温度测量和显示器件。
3.2 能源领域•储能材料：固态相变材料可以作为储能材料，通过在相变时释放储存的能量。
固态相变
固态相变：金属和陶瓷等固态材料在温度和压力改变时，其内部或结构会发生变化，即发生从一种相状态到另一种相状态的的转变，这种转变成为固态相变。
热力学分类一级相变：想便是新旧两厢的化学势相等，但化学势的一级偏微商不等的相变二级相变：相变时新旧两相的化学势相等，且化学势的一级偏微商也相等，但化学势的二级偏微商不等的相变平衡状态分类平衡相变：在缓慢加热或冷却时所发生的能获得负荷平衡状态图的平衡组织的相变1同素异构转变和多形转变:纯金属在温度和压力改变时，由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程称为同素异构转变。
2平衡脱溶沉淀:在缓慢冷却条件下，由过饱和固溶体中析出过剩相的过程3共析相变：合金在冷却时由一个固相分解为两个不同固相的转变4调幅分解:某些合金在高温下具有均匀单项固溶体，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如α→α1+α2。
5有序化转变：固溶体中，各组元原子在晶体点阵中的相对位置由无序到有序的转变（长程有序）非平衡相变：托加热或冷却速度很快，平衡相变将被抑制，固态材料可能发生某些平衡状态图上不可能反映的转变并获得被称为不平衡或亚稳态的组织的转变1伪共析相变：Fe-C为例，转变过程和转变产物类似于共析相变，但转变产物中铁素体量与渗碳体量的比值不是定值，而是随奥氏体含量变化而变化2马氏体相变：Fe-C合金为例，进一步提高冷却速度，使伪共析相变也来不及进行而将奥氏体过冷到更低温度，则由于在低温下铁原子和碳原子都已不能或不易扩散，故奥氏体只能一步发生源自扩散，不引起成分改变的方式，通过切变由γ点阵改组为α点阵的转变3贝氏体相变：铁原子不能扩散，但碳原子尚具有一定的扩散能力，因此出现了一种独特的碳原子扩散而铁原子不扩散的非平衡相变4非平衡脱溶沉淀：在室温或低于固溶度曲线MN的某一温度下溶质原子尚具有一定的扩散能力，则在上述温度等温时，过饱和α固溶体仍可能发生分解，逐渐析出新相，但在析出的初期阶段，新相的成分和结构均与平衡脱溶沉淀相有所不同原子迁移分类扩散相变：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称为扩散型相变基本特点：1相变过程中由原子扩散，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提及变化，没有宏观形状改变非扩散型相变：想必那过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子的运动时协调一致的相变。
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用
材料科学与工程学院
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固 晶核的长大速度
态
新相长大速度取决于界面移动速度。对于无扩散型相变，其界面迁移
相
是通过点阵切变完成的，故其长大激活能为零，因此新相长大速度很
变 高。而对于扩散型相变，其界面迁移需要借助原子的扩散，故新相长
原
大速度较低。
理
扩散型相变中的新相长大的两种情况
与
1. 新相形成时无成分变化，只有原子的近程扩散
原
近γ相中的浓度梯度为
理
与
应
用
固 由Fick第一定律可知，
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态
扩散通量为
相
变
所以
原
理
则
与
应
这表明新相的长大速度u与扩散系数D和相界面附近母相中的浓度
用
梯度成正比，而与两相在相界面上的平衡浓度差|Cγ－Cα|成反比。
当温度下降时，扩散系数D急剧减小，因此，新相长大速度亦随
温度下降而降低。
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固
相变宏观动力学方程
态
相
相变动力学通常是讨论相变的速率问题，即描述在恒温条件下相
变
变量与时间的关系。相变动力学取决于新相的形核率和长大速率。
原
Johnson-Mehl方程
理
与
应
用
可应用于Байду номын сангаас从四个约束条件（即任意形核、I为常数、G为常数和τ很
小）的所有相变。
材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用
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固
态
相
变
K固态相变动力学原理 inetic Theories in Phase Transformation
原
理
与
应
主讲：黄昊
用
固 固态相变的晶核长大
态 ➢ 新相长大机制
相
半共格界面的迁移
变
原
非共格界面的迁移
理 ➢ 新相长大速度
与
无成分变化的新相长大
应
用
有成分变化的新相长大
与 应 用
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固 半共格界面的迁移 2.台阶式长大
态 图 (a)为平界面，界面位错处于同一平面上，其刃型位错的柏氏矢量b平 相 行于界面。此时，若界面沿法线方向迁移，界面位错必须攀移才能随界 变 面移动，这在无外力作用或温度不是足够高时难以实现，故其牵制界面
迁移，阻碍晶核长大。
原
图 (b)所示，界面位错分布于阶梯状界面上，相当于其刃型位错的柏氏 理 矢量b与界面成某一角度。这样，位错的滑移运动就可使台阶跨过界面侧 与 向迁移，造成界面沿其法线方向推进，从而使新相长大。
原
相中迁移，使新相逐渐长大。显然，其长大速率受界面扩散（短程扩
散）所控制。
理
与
应
用
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固 原子越过相界的频率
态
以△g 表示γ相中的一个原子越过相界跳到α相上所需的激活能，则
相 振动原子中能够具有这一激活能的概率应为
变
原
理
与
若原子的振动频率为ν0，则γ相中的原子能够越过相界跳到α相上的
应
用 2. 新相形成时有成分变化，新相长大需要通过溶质原子的长程扩散
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固 1. 新相形成时无成分变化，只有原子的近程扩散
态
由母相γ转变为新相α时，新相与母相成分相同。新相长大可以看成
相
为γ与α相界面的移动，其实质是两相界面附近原子的短程扩散。当
变
母相中的原子通过短程扩散越过相界面进入新相时便导致相界面向母
等 温 转 变 图
应
频率νγ－α为
用
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固
同理，α相中的原子也可以越过相界跳到γ相上去，但其所需的激
态
活能应为(△g+△Gγ→α)，因此，α相中的一个原子能够越过相界跳
相
到γ相上去的频率να→γ应为
变
原
理
与
原子从γ相跳到α相的净跳跃频率应为ν＝νγ→α－να→γ。则在
单位时间内α相的长大速度为
应
用
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态
相
变
原
理
与 当过冷度很大时，新相长大速度随温度降低呈指数函数减小。
应
用 综上所述，在整个相变温度范围内，新相长大速度与温度的关系如 图所示，出现两头小中间大的趋势.即过冷度与新相长大速度有极大 值的关系。
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固 2. 新相形成时有成分变化
态
新相长大需要通过溶质原子的长程扩散
相 当新相α和母相γ的成分不同时，新相的长大必须通过溶质原子的长程扩散
应
用
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固 非共格界面的迁移 1.原子非协同迁移
态
相
新相晶核与母相之间呈非共格界面，界面处
原子排列紊乱，形成不规则排列的过渡薄层。
变
这种界面上原子的移动不是协同的，即无一
原
定先后顺序，相对位移距离不等，其相邻关
理
系也可能变化。这种界面可在任何位置接受
与
原子或输出原子，随母相原子不断向新相转
固 CASE I 当过冷度很小时， △Gγ→α→0
态 根据近似计算，ex≈1+x (当│x│很小时)，所以：
相
变
原 将式代入，则有
理
与
应
用
当过冷度很小时，新相长大速度与新相和母相的自由能差成正比。
但实际上两相自由能差是过冷度或温度的函数，故新相长大速度随
温度降低而增大。
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固 CASE II 当过冷度很大时，△Gγ→α>>kT
移，界面本身便沿其法向推进，从而使新相
应
逐渐长大。
用
固
态 非共格界面的迁移 2.台阶式迁移
相
变
在非共格界面的微观区域中也可能
呈现台阶状结构，这种台阶平面是
原
原子排列最密的晶面，台阶高度约
理
相当于一个原子层，通过原子从母
与
相台阶端部向新相台阶转移，使新
应
相台阶发生侧向移动，从而引起界
面垂直方向上的推移，使新相长大。
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固 假定γ和α的相界面为一平面，设在dt时间内相界面向γ相一侧推移dx距离，
态
则新增加的α相单位界面面积所占体积内所需的溶质量为|Cγ－Cα|dx。这部
相
分新增加的溶质量是依靠溶质原子在γ相中的扩散所提供的。设溶质原子在
变
γ相中的扩散系数为D，并假定其不随位置、时间和浓度而变化，相界面附
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固 新相长大机制
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态
新相晶核的长大，实质上是界面向母相方向的迁移。若新
相
相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系，则长大时
变
仍保持这种位向关系。事实上，新相晶核完全地与母相匹
原
配，形成完全共格界面的情况极少，通常所见的大多是形
理
成半共格和非共格两种界面。
与
应
半共格界面的迁移
变
来实现，故其长大速度受扩散所控制。生成新相时的成分变化有两种情况：
原
一种是，新相α中溶质原子的浓度Cα低于母相γ中的浓度C∞
另一种，新相α中溶质原子的浓度Cα高于母相γ中的浓度C∞ 理
与
应
新相生长过程中
用
溶质原子浓度分布
材料科学与工程学院 固 在某一转变温度下，相界面上新相α和母相γ的成分由平衡状态图所确定，设其分 态 别为Cα和Cγ。由于Cγ大于或小于母相γ的原始浓度C∞，故在界面附近的母相γ中存 相 在一定的浓度梯度Cγ-C∞或C∞-Cγ。在这个浓度梯度的推动下，将引起溶质原子在 变 母相γ内的扩散，以降低其浓度差，结果便破坏了相界面上的浓度平衡（Cα和Cγ）。 原 为了恢复相界面上的浓度平衡，就必须通过相间扩散，使新相长大。 理 与 应 用
非共格界面的迁移
用
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固 半共格界面的迁移 1.切变造成协同型长大
态
相 半共格界面具有较低的界面能，故在长大过程中界面往往保持为平 变 面。晶核长大如通过半共格界面上母相一侧原子的切变来完成的， 原 大量原子有规则地沿某一方向作小于一个原子间距的迁移，并保持 理 原有的相邻关系不变。
固 TTT曲线
态
相 若将X-T中的实验数据改绘成 变 时间Time-温度Temperature-转 原 变量Transformation的关系曲 理 线，得到一般常用的“等温 与 转变曲线”，亦称“TTT曲线”
应 （或称等温转变图、TTT图），
用 又称为“C曲线”。
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相 变 动 力 学 曲 线