相变原理(复习题)

相变原理复习习题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。

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形核功：晶核长大到r* 所需克服的能垒，或所做的功。

晶核长大的两个伴随过程：即为界面过程（满足结构）；传质过程（满足成分）相变动力学：研究新相形成量(体积分数)与时间、温度关系的学科称为相变动力学。

新相颗粒的粗化：粗化是指在相变过程中所形成的新相颗粒平均尺寸增大的动力学过程什么是扩散型相变？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。

其特点如下：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。

什么是非扩散型相变？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。

其特点如下：1）存在均匀切变引起宏观变形；2）相变无扩散，新、旧相化学成分相同；3）新、旧相之间存在一定晶体学取向关系；4）相界面是共格的；5）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。

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）为什么固态相变中出现过渡相?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。

晶体缺陷对固态相变形核有什么影响？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，缺陷的能量将给出以供形核的需要，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。

请对液固界面的类型进行阐述。

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、凹凸不平的界面结构。

粗糙界面也称“非小晶面”或“非小平面”。

（2）光滑界面：界面固相一侧的点阵位置几乎全部为固相原子所占满，只留下少数空位或台阶，从而形成整体上平整光滑的界面结构。

从相界面的迁移角度出发，请对界面进行阐述？从相界面的迁移看，界面可分为滑动型界面和非滑动型界面。

①滑动型界面：是依靠界面上位错的运动而促使界面向母相中移动。

滑动型界面迁移的特点为：a: 滑动界面的移动与温度无关；b:是非热激活的；c: 包括共格和半共格界面；故界面移动速度不随温度降低而下降，在很低的温度下仍能以很高的速度移动。

②非滑动型界面：单个原子随机地从一相跳跃过界面而黏附在另一相。

非滑动型界面迁移的特点为：a: 非滑动界面的移动对温度非常敏感；b:是热激活的；c: 包括共格、半共格、非共格、固液、固气界面；固态相变的长大类型？按照长大是涉及滑动还是非滑动界面将相变分为两大类。

（1）协同型长大：又称队列型转变（或军队式转变，或无扩散转变），转变时，每个原子相对于其相邻原子都以同一矢量运动，运动距离不超过原子间距，运动的结果不改变原有的邻居关系。

特点：①队列型转变时，任一原子的最近邻在转变前后基本不变；②母相与新相成分必须相同；③转变不涉及扩散；④界面迁移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高。

（2）非协同型长大：又称非队列型转变，或平民式转变，原子越过非滑动界面的非协调运动称为非协同型长大。

特点：①非协同型转变为扩散型转变；②转变时原子通过近距离扩散自母相转移到新相而使界面向母相移动。

③与协同型转变不同，转变的结果破坏了原有的邻居关系；④母相与新相成分可以相同，也可以不同。

成分相同时，只有原子的近程扩散（界面控制长大）；成分不同时，新相长大需要通过母相原子的长程扩散（扩散控制长大）。

液固相变长大的机制？（1）连续生长机制（2 ）侧向长大机制（光滑界面）①二维台阶式长大；②螺旋长大；③孪晶生长机制；固态相变长大机制？跃迁于新相上原子的有两种情况：A:新相和母相有相同的化学组成，那么控制生长速率的过程将是原子由母相穿过界面跃迁于新相上的短扩散过程。

属于界面控制长大机制。

B:新相和母相具有不同的化学组成，则新相生长不仅需要原子穿越相界面这一环节，同时还涉及有关组分在母相中的长程扩散。

此时新相的生长速度将取决于两者中较慢的环节，而多数情况为受控于长程扩散。

属于扩散控制机制。

试述扩散的台阶机制?在固态相变中，新相母相两相结构不同，但存在某些匹配良好的晶面，那么这些共格界面的生长就会出现类似光滑界面生长的情况，需要借助于台阶的机制。

图台阶生长机制如上图，AB、CD和EF是不易迁移的共格界面，BC、DE面是非共格的长大台阶，台阶面上接纳原子比共格宽面上容易。

原子加入台阶使台阶侧向移动。

界面覆盖后，沿法线方向推移了1个台阶厚度。

继续长大需要出现新的台阶。

新台阶靠在宽面上以非均匀形核方式形成。

台阶机制长大由共格宽面上形核产生新台阶的过程所控制，这就是台阶生长机制，当然这种生长方式要慢得多。

固态相变速率与哪些因素有关？固态相变速率取决于新相的形核率和长大速率。

如何建立TTT曲线？将不同温度下的等温转变开始时间和终了时间以及某些特定的转变量所对应的时间绘制在温度—时间半对数坐标系中，并将不同温度下的转变开始点和转变终了点以及转变50%点分别连接成曲线，则可得到过冷奥氏体等温转变图，即TTT 曲线。

TTT 图的有何作用？TTT 图反映了在临界点以下温度等温或以一定冷却速度冷却时过冷奥氏体的转变规律，综合显示了合金元素等对转变动力学的影响以及等温温度或冷却速度对转变产物和性能的影响。

可清楚的看出：①某相过冷到临界点以下某一温度保温时，相变何时开始，何时转变能量达50％，何时转变终止 ②相变速率最初是随温度下降而逐渐增大，达到一最大值后又逐渐减小。

TTT 图可以为正确选择钢的热处理工艺、分析热处理后的组织和性能以及合理选用钢材等提供依据。

TTT 图与平衡相图的区别？平衡相图是热力学相图，反映的是物质的相态随T 、p 及浓度变化而变化的信息。

TTT 图是描述某种材料在不同T 、不同t 相变产物结构及其数量的图，是一种动力学相图。

什么是Gibbs-Thomson 效应?写出其表达式。

在第二相析出量基本达到平衡态后，将发生第二相的长大粗化和释放过剩界面能的物理过程，该过程是由于小质点具有较高溶解度引起的。

小质点的表面积与体积之比较大，相对来说是不稳定的，有溶解的趋势，而系统中的大质点则会长大。