固态相变
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。
固态相变初步
第六章 固态相变初步固态相变是从固相到固相的转变，即反应相和生成相均是固态。
固态相变的生成相可能是平衡相， 也可能是亚稳相；可能是稳态组织，也可能是亚稳态组织。
即：稳态组织，平衡相 固态相变的产物 亚稳态组织，平衡相 亚稳态组织，亚稳相 固态相变可分为两大类：扩散型相变和非扩散型相变 6.1 扩散型相变扩散型相变有五种：1）沉淀 (脱溶、析出)相变 新相从母相中沉淀析出 β α脱溶相变一般都是经过形核和长大两个过程，与结晶过程相似。
2) 共析分解γ α＋β典型实例：珠光体转变3) 调幅分解α α1+α2特征：1、α、α1、α2结构相同，点阵常数不同 2、没有形核过程3、成分分布呈调幅波 （图1、图2）形成条件： 从化学成分的角度，调幅分解必需发生在G －X 曲线的拐点内（化学调幅），如图3所示。
图1图2图34) 块状转变 （图4、图5）βα 不同于脱溶晶界形核，快速长大，形貌无规则（图4）图55) 有序化转变 分两种类型（图6）：一种有形核（有序畴）长大过程属一级相变（图7），另一种没有形核长大过程 （图8)，属二级相变。
图6 图7 图8 6.2 沉淀相变从组织的角度，沉淀相变可分为连续沉淀和非连续沉淀，连续沉淀的生成相可能是稳态组织，也可能是非稳态组织。
从工艺的角度，沉淀相变可以在冷却过程中发生，也可以在时效过程中发生。
所谓时效是指将材料置于一定的温度下保温。
时效分人工时效和自然时效。
后者是在室温下自然放置，前者则是人为地将材料置于设定的温度，时效的时间根据时效时间和材料性能之间的关系而决定。
因此，在工业上也有时效相变的说法。
沉淀相变的分类方法可参看图9.图96.2.1连续沉淀和非连续沉淀 （1） 连续沉淀一般情况下脱溶是以连续沉淀的方式进行的连续脱溶的形核大多数是非均匀形核（因为晶体内部存在大量缺陷），形核借助于缺陷，因此可能的形核位置有，晶界、位错、和空位。
如：高温合金中的γ’相。
（图10） 脱溶相呈均匀分布一般不是均匀形核。
固态相变
非连续脱溶与连续脱溶的主要区别： 连续脱溶属于长程扩散，非连续脱溶属于短程 扩散。 非连续脱溶的产物主要集中于晶界上，并形成 胞状物；连续脱溶的产物主要集中于晶粒内部， 较为均匀。
36
四、调幅分解（Spinodal Decomposition） 调幅分解（也称为增幅分解）是指过饱和固溶 体在一定温度下分解成结构相同、成分不同两 个相的过程。
20
3）空位对形核 促进扩散
空位形核 被新相生成处空位消失，提供能量 空位群可凝结成位错 （在过饱和固溶体的脱溶析出过程
中， 空位作用更明显。）
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第三节 固态相变的的晶核长大
扩散
长大
切变
界面控制
相界面附近 原子的短程 迁移进行
扩散控制
原子的长 程扩散完 成
一、长大机制 共格、半共格界面的晶核，长大方式不同。 实际长大的界面：非共格和半共格界面。
22
1.非共格界面的迁移 非共格界面的迁移方式有两种。 1)直接迁移模式：母相原子通过热激活越过界 面不断地短程迁入新相，界面随之向母相中迁 移，新相长大。 2)原子迁移至新相台阶端部：
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2 半共格界面的长大
1）切变长大
界面长大通过半共格界面上母相一侧的原子的 均匀切变完成，大量原子沿着某个方向作小间 距的迁移并保持原有的相邻关系不变。——协 同型长大。
7
2 半共格界面 3 非共格界面
8
二、位向关系 固态相变中，新相常与低指数、原子密度大且 彼此匹配较佳的晶面互相平行，借以减小新相 与母相之间的界面能。典型的关系是K-S关系。 {111}γ//{110}α,<110>γ//<111>α 表明晶体发生固态相变时新相和母相存在特定 的关系。
5. 固态相变
α
∂ G ≠ ∂p 2 T
2
β
T
∂ G ∂ G ≠ ∂T∂p ∂T∂p
2 2
α
β
由于
cp ∂ 2G ∂S 2 = − =− ∂T T p ∂T p
迁移使点阵发生改组。马氏体转变 固态相变不一定都属于单纯的扩散型或非扩散 型。
3. 按相变方式分类 有核相变和无核相变
有核相变：有形核阶段， （1）有核相变：有形核阶段，新相核心可均匀形 也可择优形成。大多数固态相变属于此类。 成，也可择优形成。大多数固态相变属于此类。 （2）无核相变：无形核阶段，通过扩散偏聚的方 无核相变：无形核阶段， 式进行。以成分起伏作为开端， 式进行。以成分起伏作为开端，新旧相间无明显界 如调幅分解。 面，如调幅分解。
第五章
固态相变
第一节
总论
固态相变的定义：
固体材料的组织、结构在温度、压力、成分改 变时所发生的转变统称为固态相变。
一、固态相变的特点
驱动力: 大多数固态相变是通过形核和长大完 成的，驱动力是新相和母相的自由焓之差。 阻力: 界面能和应变能。
1. 相界面
a) 共格界面
b) 半共格界面
c) 非共格界面
晶粒1 晶粒2
新相
非共格界面 晶界
共格或半共格界面
晶界形核示意图
四、晶核的长大 1. 晶核长大的方式 “平民式”散漫无序位移 非协同型长大 “军队式”有序位移 协同型长大 2. 晶核长大类型
• 成分不变协同型长大 • 成分不变非协同型长大 • 成分改变协同型长大 • 成分改变非协同型长大 前两类无需溶质原子扩散，长大速度仅与界面点 阵重构过程有关，故晶核长大速度很快。
固态相变知识点总结
固态相变知识点总结固态相变（solid state phase transition）是指物质在固态下，由于温度、压力等外界条件的变化，使得物质的晶体结构和性质发生显著变化的现象。
固态相变分为一级相变和二级相变两种类型，其中一级相变又称为凝固、熔化或者升华相变，而二级相变则包括了铁磁性转变、铁电性转变、铁弹性转变等多种类别。
一级相变是指固态物质在相变过程中伴随着传热的明显变化，其自由能函数在温度、压力和摩尔体积或摩尔焓差范围内不连续变化。
一级相变包括了凝固、熔化和升华三种基本类型。
凝固是物质由液态转变为固态的一种相变过程。
在凝固的过程中，液体的分子排列变得有序，形成规则的晶体结构。
凝固点是物质在一定压力下的温度，当温度降低达到凝固点时，液体开始凝固。
熔化是物质由固态转变为液态的一种相变过程。
在熔化的过程中，固体的晶体结构破坏，分子之间的相互作用减弱，形成无序排列的分子结构。
熔点是物质在一定压力下的温度，当温度升高达到熔点时，固体开始熔化。
升华是物质由固态转变为气态的一种相变过程。
在升华的过程中，固体的晶体结构破坏，分子之间的相互作用减弱，形成无序排列的分子结构。
升华点是物质在一定压力下的温度，当温度升高达到升华点时，固体开始升华。
与一级相变不同，二级相变是指固态物质在相变过程中没有明显的传热变化，其自由能函数在温度、压力和摩尔体积或摩尔焓差范围内连续变化。
二级相变包括了铁磁性转变、铁电性转变和铁弹性转变等多种类型。
铁磁性转变是指在一定温度下，物质由铁磁相转变为顺磁相或者反铁磁相的一种相变过程。
铁磁性转变常伴随着磁滞回线的出现，磁化强度和温度之间存在明显的关联。
铁电性转变是指在一定温度下，物质由铁电相转变为非铁电相的一种相变过程。
铁电性转变常伴随着电滞回线的出现，电极化强度和温度之间存在明显的关联。
铁弹性转变是指在一定温度下，物质由弹性相转变为非弹性相的一种相变过程。
铁弹性转变常伴随着应力-应变曲线的出现，应力和温度之间存在明显的关联。
材料科学基础第8章固态相变
第二节 固态相变的形核与长大
二 非均匀形核（能量条件） 2 非均匀形核的能力变化 △ G＝-V△Gv+S+ V-△GD △GD－晶体缺陷导致系统降低的能量。
第三节 固态相变的晶核长大
三 常见固态相变类型 相变名称
同素异构转变 多型性转变 脱溶转变 共析转变 包析转变 马氏体转变 贝氏体转变 调幅分解 有序化转变
相变特征
同一种元素通过形核与长大发生晶体结构的变化 合金中晶体结构的变化 过饱和固溶体脱溶分解出亚稳定或稳定的第二相 一个固相转变为两个结构不同的固相 两个不同结构的固相转变为一个新的固相，组织中一般 有某相残余 新旧相之间成分不变、切变进行、有严格位向关系、有 浮凸效应 兼具马氏体和扩散转变的特点，借助铁的切变和碳的扩 散进行 非形核转变，固溶体分解成结构相同但成分不同的两相 合金元素原子从无规则排列到有规则排列，担结构不变。
3.惯习现象
* 新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成。
惯习方向 （母相） 惯习面
原因：沿应变能最小的方向和界面能最低的界 面发展。
4 母相晶体缺陷促进相变
缺陷类型
点… 线… 晶格畸变、自由能高，促进形核及相变。 面…
5 易出现过渡相
* 固态相变阻力大，直接转变困难 协调性中间产物（过渡相） ＋Fe3C +(3Fe+C) 例 M +Fe3C
第二节 固态相变的形核与长大
三 晶核的长大
（3）相变动力学 f第三节 过饱和固溶体的分解
一 脱溶（时效）转变
1 概念：脱溶转变 2 脱溶转变过程 相的名称－形貌－尺寸－结构－点阵常数－共格关系 －强化作用 3 脱溶动力学
材料科学基础-固态相变
固态相变
非均匀形核的形核率及受扩散控制的长 大速率随时间而变化，此类相变的动力 学用Avrami方程描述：f(τ)=1exp(-Bτn)固态相变
2. 等温转变动力学图
100%
T2
T3
转
变
体
积 50%
分
数
0
温 度
固态相变
T1>T2>T3 T1
时间 T1 T2 T3 时间
扩散型相变, 非扩散型相变 扩散型相变
脱溶沉淀、调幅分解、共析转变等
非扩散型相变
原子（或离子）仅作有规则的迁移使点阵 发生改组。 马氏体转变
固态相变不一定都属于单纯的扩散型
或非扩散型。 见表8－1
固态相变
3. 按相变方式分类 有核相变和无核相变 无核相变
通过扩散偏聚的方式进行的相变，为无核相变。 调幅分解
C曲线的鼻子温度
固态相变
r △G
△G在r＝r*时达到极大值，这里 r*＝－2γαβ/(△GV+△GE)
固态相变
形成临界晶核必须
△G
首先克服形核势垒
4πr2γαβ
△G*， △G*称为临
界晶核的形核功
△G*= 16
3
3
GV GE 2
γαβ、 △GE减小，均
可降低△G*，有利
于新相形核。
△G* 0
r*
4πr3(△GV+△GE)/3
T
2G Tp
2G Tp
固态相变
由于
2G T 2
p
S T
p
cp T
2G p 2
T
V
2G Tp
V
材料科学基础固态相变PPT课件
固态相变
《材料科学基础》第八章
固态相变 1
第四章第一节
固态相变总论
《材料科学基础》第八章 第一节
固态相变 2
固态相变的定义：
固体材料的组织、结构在温度、压力、成 分改变时所发生的转变统称为固态相变。
一、固态相变的特点
大多数固态相变是通过形核和长大完成的， 驱动力同样是新相和母相的自由焓之差。 阻力: 界面能和应变能
V
所以 Sα≠Sβ, Vα≠Vβ
一级相变有体积和熵的突变， △V≠0，△S≠0
固态相变
7
二级相变：
若相变时，Gα＝Gβ，μαi=μβi ，并且自由焓的 一阶偏导数也相等，但自由焓的二阶偏导数 不相等，称为二级相变。
G T
p
G T
p
G p
T
G p
T
固态相变
8
2TG2
p
2G T2
固态相变
19
3. 晶核长大控制因素
对于冷却过程中发生的相变，当相变 温度较高时原子扩散速率较快，但过 冷度和相变驱动力较小，晶核长大速 率的控制因素是相变驱动力；相变温 度较低时，过冷度和相变驱动力较大， 原子的扩散速率将成为晶核长大的控 制因素。
固态相变
20
<1>受界面过程控制的晶核长大 过冷度较小时，新相长大速率u与驱动力 △G成正比；过冷度较大时，长大速率随温 度下降而单调下降。
γαβ
θ β
rθ
△G=V△GV+Aαβγαβ +V△GE -Aααγαα
固态相变
界面形核示意图
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推导出：
r* =-2γαβ/(△GV+△GE)
△G*非=△G*均 f( θ)
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1. 固态相变与液固相变在形核、长大规律和组织等方面的主要区别。
答：固态相变形核要求有一个临界过冷度△Tc，只有当过冷度△T>△Tc时才满足相变热力学条件。
这是固态相变形核与液-固相变的根本区别。
相同：形核和长大规律相同，驱动力相同都存在相变阻力都是系统自组织的过程。
异处：不同点：（1）液－固相变驱动力为自由焓之差△G 相变，阻力为新相的表面能△G表，基本能连关系为：△G = △G 相变+△G表，而固态相变多了一项畸变能△G畸，基本能连关系为：△G = △G 相变+△G界面+△G畸（2）固态相变比液－固相变困难，需要较大的过冷度。
固态相变阻力增加了应变能等，即固态相变中形核困难.
3.固态相变时为什么常常首先形成亚稳过渡相。
佳美试卷P31P33
（1）能量方面，所需要驱动力，平衡相大于过渡相，过渡相的界面能和应变能要低，形成有利于降低相变阻力。
（2）成分和结构方面。
过渡相在成分和结构更接近母相，两相易于形成共格或半共格界面，减少界面能，降低形核功，形核容易进行。
4.如何理解脱溶颗粒在粗化过程中的“小粒子溶解”和“大粒子长大”现象。
（1）粗化过程驱动力是界面能的降低当沉淀相越小，其中每个原子分到的界面能越多，化学势越高，与它处于平母相中的溶质原子浓度越高即c（r2）>c(r1)。
由此可见，在大粒子r1和小粒子r2之间体中存在浓度梯度，因此必然有一个扩散流，在浓度梯度的作用下，大粒子通过吸收基体中的溶质而不断长大，小粒子要不断溶解收缩，放出溶质原子来维持这个扩散流。
所以出现了大粒子长大、小粒子溶解的现象
（2）
粗化过程中，小粒子溶解，大粒子长大，粒子总数减小，r增加。
小粒子溶解更快。
温度T升高，扩散系数D增大，使dr/dt增大。
所以当温度升高，大粒子长大更快，小粒子溶解更快。
5.如何理解调幅分解在热力学上无能垒，但在实际转变过程中有阻力。
(1)应变能，溶质溶剂原子尺寸不同
(2)梯度能，原子化学键结合
(3)相间点阵畸变
6.调幅分解与形核长大型脱溶转变的主要区别。
见佳美试卷P14 P34
7.如何从热力学角度理解马氏体相变的无扩散性。
8.在分析正火作用时，是应根据C曲线、CCT曲线，还是Fe-F3C相图？为什么？
以Al(2~4.5)%Cu合金为例，结合下图说明该合金脱溶过程规律和机理。
佳美P8
规律：
9.马氏体相变的特征 P40
10佳美P71
11.具备热弹性马氏体合金的必要条件和机理 P62
12.条幅分解，浓度波动方程佳美P7 P20 P34
13.Bain畸变和点阵不变
14.
15.
12.双球状更稳定。
（界面能，形核功）佳美P70
13.为什么温度太高太低，速度都很慢，中温时转变最快
条幅分解热力学条件，为什么无能垒有阻力
应变能（溶质溶剂源自尺寸不同），梯度能（原子化学键结合），相间点阵畸变。