南京理工材料相变讲义重点
南京大学-晶体生长课件-Chapter 4-晶体生长的相变过程及其动力学
• 从热力学平衡的观点看，将物体冷却 (或者加热)到相转变温度，则会发生相 转变而形成新相，从下图的单元系统 T-P相图中可以看到，OX线为气-液相 平衡线(界线)；OY线为液-固相平衡线； OZ线为气—固相平衡线。当处于A状 态的气相在恒压P’冷却到B点时，达到 气-液平衡温度，开始出现液相，直到 全部气相转变为液相为止，然后离开B 点进入BD段液相区。 • 但是实际上，要冷却到比相变温度 更低的某一温度例如C，(气-液)和 E(液-固)点时才能发生相变，即凝结 出液相或析出固相。这种在理论上应 发生相变 而实际上不能发生相转变 的区域(如图所示的阴影区)称为亚稳 区。 • 在亚稳区内，旧相能以亚稳态存在， 而新相还不能生成。
RT G VdP dP RT ln P2 / P 1 P
当过饱和蒸汽压力为 P 的气相凝聚成液相或固相（其 平衡蒸汽压力为P0）(PP0)时，有： △G=RTlnP0/P 要使相变能自发进行，必须△G<0, 即P>P0, 也即要使 凝聚相变自发进行，系统的过饱和蒸汽压 P 应大于平 衡蒸汽压 P0 。这种过饱和蒸汽压差为凝聚相变过程推 动力。
要使相变过程自发进行，应使△G<0, 式（A）右边 α 、 R 、 T 、 c 都为正值，要满足这一条件必须 △ c<0, 即c>c0, 液相要有过饱和浓度，它们之间的差值c- c0， 即为这相变过程的推动力。
总结: 相变过程的推动力应为 过冷度、过饱和浓度、过饱和蒸汽压 即系统温度、浓度和压力与相平衡时 温度、浓度和压力之差值。
在交点，GL＝Gs，G＝0 两相共存。当温度低 于Tm时，固相自由能<液 相自由能 液相自发的 转变为固相 结晶的热 力学条件
均匀单相并处于稳定条件下的熔体或溶液，一旦进入过冷却或过饱和状 态，系统就具有结晶的趋向。系统由一相变成两相，这就使体系在能量上出 现两个变化:
材料固态相变复习重点
固态相变：金属和陶瓷等固态材料在温度和压力改变时，其内部组织或结构会发生变化，即发生从一种状态到另一种状态的改变，这种转变称为固态相变。
按热力学分类：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熵不等的相变称为一级相变; 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熵也相等，但化学势的二级偏微熵不相等的相变称为二级相变。
按平衡状态图分类：平衡相变指在缓慢加热或冷却过程中所发生的能获得的符合平衡状态相图的平衡组织的相变。
主要有同素异构转变、多形性转变、平衡脱溶沉淀、共析相变、调幅分解、有序化转变。
非平衡相变:伪共析相变、马氏体相变、贝氏体相变、非平衡脱溶相变按原子迁移情况分类：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称为扩散型相变。
基本特点是：①相变过程中有原子扩散运动，相变速率受原子扩散速度所控制；②新相和母相得成分往往不同；③只有因新相和母相比容不同而引起的体积变化，没有宏观形状改变。
非扩散型相变：相变过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子的运动是协调一致的相变称为非扩散型相变。
一般特征是：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。
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。
南京理工大学860材料结构与相变历年考研真题专业课考试试题
2007年南京理工大学材料结构与 相变考研真题
2006年南京理工大学材料结构与 相变考研真题
目 录
2015年南京理工大学860材料结构与相变考研真题 2013年南京理工大学860材料结构与相变考研试题（回忆版） 2011年南京理工大学860材料结构与相变考研真题 2010年南京理工大学材料结构与相变考研真题 2009年南京理工大学材料结构与相变考研真题 2008年南京理工大学材料结构与相变考研真题 2007年南京理工大学材料结构与相变考研真题 2006年南京理工大学材料结构与相变考研真题
2015年南京理工大学860材料结构与相变考研真题
2013年南京理工大学860材料结构 与相变考研试题（回忆版）
2011年南京理工大学860材料结构 与相变考研真题
2010年南京理工大学材料结构与 相变考研真题
2009年南京理工大学材料结构与 相变考研真题
2008年南京理工大学材料结构与 相变考研真题
相变知识点总结
相变知识点总结一、相变的基本概念相变是指物质在一定条件下由一种物态转变为另一种物态的过程。
在常见的物质中，我们可以观察到凝固、熔化、汽化和凝结等相变现象。
从微观的角度来看，相变是由于物质微观结构发生改变所引起的。
在相变过程中，物质的分子和原子之间发生重新排列，从而导致了物质性质的改变。
1. 凝固：当物质从液态转变为固态时，称为凝固。
在凝固的过程中，物质的分子或原子重新排列成规则的晶体结构，形成了固体的状态。
例如，水在温度低于0℃时会凝固成冰。
2. 熔化：当物质从固态转变为液态时，称为熔化。
在熔化的过程中，物质的分子或原子逐渐失去有序排列，形成了液体的状态。
例如，冰在温度高于0℃时会熔化成水。
3. 蒸发：当物质从液态转变为气态时，称为蒸发。
在蒸发的过程中，液体表面的分子会获得足够的能量，从而克服表面吸附力，逸出液体表面成为气体。
例如，水在加热的过程中会发生蒸发。
4. 凝结：当物质从气态转变为液态时，称为凝结。
在凝结的过程中，气体中的分子会失去足够的能量，从而聚集在一起形成液滴。
例如，水蒸气在冷却的过程中会凝结成水滴。
二、相变的特点相变具有以下几个特点：1. 温度不变：在相变的过程中，物质的温度不发生变化。
这是因为相变过程中，吸收的热量用于克服分子间的相互作用力，而不是用于提高温度。
因此，相变过程中的温度保持不变。
2. 热量变化：相变过程中，物质吸收或释放的热量称为相变潜热。
相变潜热是使单位质量物质发生相变所需要的热量。
凝固和凝结过程中，物质释放热量；熔化和蒸发过程中，物质吸收热量。
3. 对外界压力的依赖性：相变的过程受外界压力的影响。
一般来说，增加外界压力会使物质的凝固点和熔化点升高，蒸发点和凝结点降低。
这是因为在高压下，分子活动受到限制，所以相变需要更高的温度或更低的温度才能发生。
三、相变的图像表示相变的过程可以用相变图来表示，相变图是表示物质在不同温度和压力条件下的各种物态之间的转变关系的图表。
材料固态相变重点
相变动力学取决于新相的形核率和长大速率。
在500℃以上回火时将会析出细小的特殊碳化物导致回火温度升高，θ-碳化物粗化而软化的钢再度硬化，这种现象称为二次硬化。
奥氏体形成机制的四个过程1.奥氏体形核：在平均碳浓度很低的铁素体中，存在着高碳微区，其碳浓度可能达到该温度下奥氏体能够稳定存在的成分（由GS线决定）。
如果这些高碳微区因结构起伏和能量起伏而具有面心立方点阵结构和足够高的能量时，就有可能转变成该温度下稳定存在的奥氏体临界晶核。
但是，这些晶核要保持下来并进一步长大，必须要有碳原子继续不断的供应。
2.奥氏体晶核长大：当奥氏体在铁素体和渗碳体两相界面上形核后，便形成了γ/α和γ/Fe3C两个新的相界面。
奥氏体的长大过程即为这两个相界面向原来的铁素体和渗碳体中推移的过程；同时在铁素体中也进行着碳的扩散。
3.剩余碳化物溶解：在奥氏体晶体长大过程中，由于γ/Fe3C相界面出的碳浓度差远远大于γ/α相界面处的碳浓度差，所以只需溶解一小部分渗碳体就可以使其相界面处的奥氏体达到饱和，而必须溶解大量的铁素体才能使其相界面处奥氏体的碳浓度趋于平衡。
4.奥氏体均匀化：在铁素体全部转变为奥氏体，且残留Fe3C全部溶解之后，碳在奥氏体中的分布仍然是不均匀的。
原来为渗碳体的区域浓度较高，而原来为铁素体的区域碳浓度较低。
而且，这种碳浓度的不均匀性随加热速度增大而愈加严重。
因此，只有继续加热或保温，借助于碳原子的扩散，才能使整个奥氏体中碳的分布趋于均匀。
奥氏体晶粒度有三种1.起始晶粒度：在临界温度以上，奥氏体刚刚完成，其晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒度大小。
2.实际晶粒度：在某一加热条件下所得的实际奥氏体晶粒大小。
3.本质晶粒度：根据标准试验方法，在930±10℃保持足够温度得到的奥氏体晶粒大小。
经上述试验，奥氏体晶粒度在5-8级者称为本质细晶粒钢，而奥氏体晶粒度在1-4级者称为本质粗晶粒钢。
马氏体相变的主要特征1.切变共格和表面浮突现象：马氏体相变时在预先磨光的试样表面可出现倾动，形成表面浮突，这表明马氏体相变是通过奥氏体均匀切变进行的。
第八章 材料中的相变
（2）浓度条件 ） 浓度条件是针对液相转变的条件。 浓度条件是针对液相转变的条件。 对溶液而言，可以用浓度 代替压力 代替压力P， 对溶液而言，可以用浓度C代替压力 ，则自由 能差可以表示为： 能差可以表示为：
C0 ∆G = RT ln C
若是电解质溶液还要考虑电离度α（ 若是电解质溶液还要考虑电离度 （指一摩尔电 解质溶液离解出α摩尔的离子）： 解质溶液离解出 摩尔的离子）： 摩尔的离子
），则 （2）若相变过程吸热（如蒸发、熔融等），则 ）若相变过程吸热（如蒸发、熔融等）， ∆H>0，要满足∆G<0这一条件，就必须使： ，要满足 这一条件， 这一条件 就必须使： ∆T<0，即T0<T，这表明系统要发生相变过程必 ， ， 须“过热”。此时的∆T就称为过热度。 就称为过热度 过热” 此时的 就称为过热度。 结论：相变只有在过冷或过热条件下才能进行。 结论：相变只有在过冷或过热条件下才能进行。而 相变驱动力可以表示为过冷度（或过热度） 相变驱动力可以表示为过冷度（或过热度） 的函数， 的函数，即可以用相平衡理论温度与系统实 际温度之差作为该相变过程的推动力。 际温度之差作为该相变过程的推动力。
液相－ §8.2 液相－固相的转变 即成核－生长相变） （即成核－生长相变）
本章主要讨论凝固或结晶，基于两个原因： 本章主要讨论凝固或结晶，基于两个原因： 凝固在热加工行业是一极为普遍的现象， ① 凝固在热加工行业是一极为普遍的现象，如金属 的铸造、焊接，另外，热处理中的同素异晶转变， 的铸造、焊接，另外，热处理中的同素异晶转变， 称为重结晶，其规律与结晶也有很多相似之处。 称为重结晶，其规律与结晶也有很多相似之处。 ② 凝固对材料的组织和性能有很大影响。通常，改 凝固对材料的组织和性能有很大影响。通常， 变凝固过程的条件，就可以控制和提高材料的性能。 变凝固过程的条件，就可以控制和提高材料的性能。
7 《材料科学基础》第七章 材料中的相变
2. 二级相变
在临界T、P时，两相的化学势及一阶偏导数相等， 但化学势的二阶偏导数不相等。
1
恒压热容：
T P 2 T P
1
P T 2 P T
2 2 C P 2 1 T 2 T 2 T P P
2
V —— 新相的体积 ； △G
V
—— 单位体积中旧相和新相之间的自由能之差G液－G固；
A —— 新相的总表面积；γ —— 新相的界面能。
假设生成的新相晶胚呈球形，则：
4 3 G r n GV 4r 2 n 3 4 3 T r nH 4r 2 n 3 T0
不涉及化学反应，如液体蒸发、α-石英与α-磷石英间的 转变。
广义的相变：包括过程前后相组成发生变化的情况，相
变过程可能伴随多组分系统的化学反应。
相变类型很多，如V
L、V S、L S、S1 S2、L1 L2等。
相变可以表现为：
从一种结构转变为另一种结构。
例：V-L-S转变、同质多相转变
* Gk GK f
2 cos 1 cos 2 f
4
讨论： 1）θ = 0°，cosθ = 1，f（θ ）= 0，Δ Gh*= 0；
2）θ = 90°，cosθ ＝ 0 ，
核化势垒降低一半；
1 ， G GK 2
* k
3）θ =180°，cosθ = -1， Δ Gh*= Δ Gh 。
例：熔体析晶
无核相变(连续型相变)：通过扩散偏聚方式进行的
相变。亦称为斯宾纳多分解（Spinodal Decomposition）、 调幅分解。
例：玻璃分相、固溶体出溶
大学材料科学基础 第七章-相变
一、扩散控制长大
新相界面迁移速度快于溶质原子在母相中的扩散速度， 新相长大速度由扩散速度来决定。
设合金成分为Co，由母 相α中析出新相β，新相成分为 Cβ>Co，两相界面上的平衡浓 度为Ce<Co，如果在dt时间内 单位面积的新相向前生长了dx 距离，则新增体积1×dx中溶 质的增量为（Cβ－Ce）dx，这 些溶质需通过它们在母相中的 扩散来提供，
界面结构有三种：共格、半共格和非共格，对于非共格 界面，原子只要越过界面就能被新相所接受，成为新相的 一员，新相能够连续长大，因为两相间无确定的位向关系。 但对于共格和半共格界面，为保持新相和母相间的共格和 半共格关系，原子越过界面后不一定能够被新相所接受， 见图7－25。针对这一特点，提出台阶生长机制模型。 界面控制长大时新相生长速度： v ＝ k (Co－Ce) (1－y) / Cβ
金属钴Co中, α-Co (fcc) 向 β-Co (hcp) 转变， （111）α‖(0001) β , [101]α‖[1120] β 钢中淬火时，奥氏体转变成马氏体， The Nishiyama-Wasserman (N－W) relationship ： （111）fcc ‖(110) bcc , [101] fcc‖[001] bcc
The Kurdjumov-Sachs (K－S) relationship：
（111）fcc ‖(110) bcc ，[011] fcc‖[111] bcc
2．半共格界面 （ Semi-coherent interfaces ）
两个相的晶格常数不 可能完全相等，界面总 是存在一定的错配度， 随错配度的增大，界面 上的弹性应变能也随之 增大，当其超过新相的 弹性极限时，共格界面 就不能维持，代之以半 共格界面。在这种界面 上，大部分区域原子依 然保持共格，通过引入 刃型位错来调整晶格常 数不等所造成的界面原 子不匹配，这种位错称 为失配位错。
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材料结构与相变(I)
大纲号：16130901学分：3学时：48执笔人：《材料结构与相变》修订组课程性
质：学科基础课
一、课程的地位与作用
《材料结构与相变》是为材料科学与工程”及材料加工与控制”专业的学生开设的一门学科基础课。
课程以晶体结构、合金相图与相平衡、固态相变为基本内容，以金属材料为主，兼顾其它材料，主要讲授材料的结构、结构变化规律及结构与性能之间的内在联系，着重从
微观角度分析材料过程的规律，使学生系统掌握材料科学基础理论，认识材料和材料制备加
工过程的本质，为后续专业课程的学习打下基础。
二、课程的教学目标与基本要求
1. 教学目标
通过课堂讲授、实验等教学环节，使学生掌握材料的微观结构特点，认识材料形成的几何规律和能量要求，能够分析材料结构变化的内在因素和外在条件，以及材料相变与材料
结构变化的联系，了解研究材料相变的热力学和动力学基础理论和分析方法，初步掌握材料
科学分析研究事物的基本思想。
并通过本课程的学习，培养学生抽象思维能力、逻辑推理能力、空间想象能力、探讨研究能力，能够综合运用所学知识去分析问题和解决问题。
2. 基本要求
(1) 了解和掌握材料微观结构特征；
(2) 掌握材料相变和相平衡热力学以及二元、三元相图基本知识;
(3) 理解材料性能与相结构之间的联系。
、主要内容
1晶体的几何结构
1.1 △几何晶体学
1.1.1空间点阵、晶胞
1.1.2晶系与布拉菲点阵
1.1.3晶向指数、晶面指数、晶面间距1.2 △纯金属的晶体结构
1.2.1典型的金属晶体结构
1.2.2 △★晶体结构的几何性质
1.3原子结合理论
1.4 △合金的晶体结构
1.4.1固溶体
1.4.2中间相
1.5陶瓷的晶体结构
1.5.1离子晶体
1.5.2共价晶体
1.6非晶态结构
2晶体缺陷
2.1点缺陷
2.1.1 △点缺陷的种类
2.1.2点缺陷的热力学分析
2.2 △★位错
2.2.1 △位错的基本概念
4.3.1 △★二元相图的热力学分析
4.3.2 △典型二元相图2.2.2位错应力场与位错运动
2.2.3实际晶体中的位错
2.3 △★界面
2.3.1晶体表面
2.3.2晶界与相界
2.3.3界面的平衡偏析
2.4显微组织与其他缺陷
2.4.1显微组织
2.4.2其他缺陷
3高分子结构
3.1 基本概念
3.2高分子链结构
3.2.1近程结构
3.2.2远程结构
3.3高分子凝聚态结构
3.3.1高分子非晶态与晶态
3.3.2高分子取向结构
3.3.3高分子合金
4相图
4.1 △相图热力学基础
4.2 一元相图
4.3 二元相图
5扩散理论
5.1 △宏观扩散理论
审订人：陈光
材料结构与相变(II)
大纲号：16230901学分：2学时：32执笔人：《材料结构与相变》修订组课程性
质：学科基础课
一、课程的地位与作用
《材料结构与相变》是为材料科学与工程”及材料加工与控制”专业的学生开设的一门学科基础课。
课程以晶体结构、合金相图与相平衡、固态相变为基本内容，以金属材料为主，兼顾其它材料，主要讲授材料的结构、结构变化规律及结构与性能之间的内在联系，着重从
微观角度分析材料过程的规律，使学生系统掌握材料科学基础理论，认识材料和材料制备加
工过程的本质，为后续专业课程的学习打下基础。
二、课程的教学目标与基本要求
1. 教学目标
通过课堂讲授、实验等教学环节，使学生掌握材料的微观结构特点，认识材料形成的几何规律和能量要求，能够分析材料结构变化的内在因素和外在条件，以及材料相变与材料
结构变化的联系，了解研究材料相变的热力学和动力学基础理论和分析方法，初步掌握材料
科学分析研究事物的基本思想。
并通过本课程的学习，培养学生抽象思维能力、逻辑推理能力、空间想象能力、探讨研究能力，能够综合运用所学知识去分析问题和解决问题。
2. 基本要求
(1) 了解和掌握材料微观结构特征；
(2) 掌握材料相变和相平衡热力学基本知识;
(3) 掌握材料相变动力学有关知识；
(4) 理解材料性能与相结构之间的联系。
、主要内容
6相变
6.1 液•固相变
6.1.1 △纯金属的凝固
6.1.2 △二元合金的非平衡凝固
6.1.3 △★凝固组织及其控制
6.2 △★固态相变
6.2.1固态相变的分类及其特点
6.2.2固态相变的热力学与动力学分析7转变
7.1 △奥斯瓦尔德熟化
7.1.1弯曲界面的性质
7.1.2奥斯瓦尔德熟化理论
7.2烧结
7.2.1烧结的驱动力
7.2.2烧结中的固相扩散类型
7.3 △回复与再结晶
7.3.1回复
7.3.2再结晶
7.3.4晶粒长大
7.4非晶转变
7.4.1过冷液体
7.4.2非晶转变
7.4.3非晶形成条件8.材料的变形与断裂8.1力学性能概述
8.1.1 △应力、应变的概念
8.1.2 ★本构方程
8.1.3 △变形的分类
8.2 ★弹性变形
8.2.1弹性变形的微观机制8.2.2弹性变形的影响因素
8.3 △塑性变形的微观机制
8.3.1单晶体的塑性变形8.3.2多晶体的塑性变形8.4粘性变形的微观机制
8.4.1 △金属多晶体的粘性变形
8.4.2 ★高分子的粘性变形
8.4.3 ★金属非晶体的粘性变形8.5断裂简介8.5.1断裂强度
8.5.2裂纹形成机制
8.5.3高分子的断裂9材料的强化与韧化
9.1 △★金属的强化
9.1.1细晶强化
9.1.2应变强化
审订人：陈光
六、实验项目与主要内容。