材料科学基础课件：8.2相变分类.ppt

1、 第二节第二节 相变的分类相变的分类分类方法有很多，目前有以几种：分类方法有很多，目前有以几种：一、按物质状态划分一、按物质状态划分二、从热力学角度划分二、从热力学角度划分三、按相变发生的机理来划分三、按相变发生的机理来划分一一、按物质状态划分、按物质状态划分：液相（液相（liquid）固相（固相（solid） 气相（气相（gas）二、从热力学角度划分：二、从热力学角度划分：根据相变前后热力学函数的变化，可将相变分为一级根据相变前后热力学函数的变化，可将相变分为一级相变、二级相变和高级相变相变、二级相变和高级相变 1.一级相变：在临界温度、压力时，化学位的一阶一级相变：在临界温度、压力时，化学

2、位的一阶偏导数不相等的相变。偏导数不相等的相变。两相能够共存的条件是化学位相等。两相能够共存的条件是化学位相等。 相变时：体积相变时：体积V，熵，熵S，热焓，热焓H发生突变发生突变PPTUTU21TTPUPU21STUPVPUT2.二级相变：在临界温度、临界压力时，化学位的二级相变：在临界温度、临界压力时，化学位的一阶偏导数相等，而二阶偏导数不相等的相变。一阶偏导数相等，而二阶偏导数不相等的相变。因为：因为： 恒压热容恒压热容 材料压缩系数材料压缩系数TCTUPP22VPUT221TVVP 材料体膨胀系数材料体膨胀系数 VPTU2PTVV1所以二级相变时，系统的化学势、体积、熵无突变，所以二级

3、相变时，系统的化学势、体积、熵无突变，但但所以热容、热膨胀系数、压缩系数均不连续变化，所以热容、热膨胀系数、压缩系数均不连续变化，即发生实变。即发生实变。000PC 3. 高级相变高级相变：在临界温度，临界压力时，一阶，二阶偏导数相等，在临界温度，临界压力时，一阶，二阶偏导数相等，而三阶偏导数不相等的相变成为三级相变。而三阶偏导数不相等的相变成为三级相变。实例：量子统计爱因斯坦玻色凝结现象为三级相变。实例：量子统计爱因斯坦玻色凝结现象为三级相变。依次类推，依次类推，自由焓的自由焓的n-1阶偏导连续，阶偏导连续，n阶偏导不连阶偏导不连续时称为高级相变。二级以上的相变称为高级相变，续时称为高级相变

4、。二级以上的相变称为高级相变，一般高级相变很少，大多数相变为低级相变。一般高级相变很少，大多数相变为低级相变。 三、三、 按相变发生的机理分类按相变发生的机理分类 1、成核、成核-生长机理生长机理（nucleation-growth transition）2、斯宾那多分解、斯宾那多分解（spinodal decomposition）3、马氏体相变、马氏体相变（martensite phase transformation）4、有序、有序-无序转变无序转变（disorder-order transition）1.nucleation-growth transition成核成核-生长机理是最重要最

5、普遍的机理，生长机理是最重要最普遍的机理，许许多相变是通过成核与生长过程进行的。这多相变是通过成核与生长过程进行的。这两个过程都需活化能。如，单晶硅的形成、两个过程都需活化能。如，单晶硅的形成、溶液中析晶等。溶液中析晶等。 2、Spinodal分解分解 又称为不稳定分解，拐点分解或旋节分又称为不稳定分解，拐点分解或旋节分解，是由于组成起伏引起的热力学上的不稳解，是由于组成起伏引起的热力学上的不稳定性而产生的。定性而产生的。 图图1 浓度剖面示意图浓度剖面示意图表表1 两种相变机理的主要差别两种相变机理的主要差别 亚 稳 不 稳 成 分 第二相组成不随时间变化 第二相组成随时间而连续向两个极端组

6、成变化，直至达到平衡组成 形 貌 第二相分离成孤立的球形颗粒 第二相分离成有高度连续性的非球形颗粒 有 序 颗粒尺寸和位置在母液中是无序的 第二相分布在尺寸上和间距上均有规则 界 面 在分相开始界面有突变 分相开始界面是弥散的逐渐明显 能 量 分相需要位垒 不存在位垒 扩 散 正扩散 负扩散 时 间 分相所需时间长 动力学障碍大 分相所需时间极短 动力学障碍小 3、马氏体相变：、马氏体相变： 马氏体相变最早在中，高碳钢冷淬火后被发马氏体相变最早在中，高碳钢冷淬火后被发现，将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅现，将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火）即会使钢变硬，增强。这种淬火速

7、冷却（淬火）即会使钢变硬，增强。这种淬火组织具有一定特征，称其为马氏体。最早把钢中组织具有一定特征，称其为马氏体。最早把钢中的奥氏体转变为马氏体的相变称为马氏体相变。的奥氏体转变为马氏体的相变称为马氏体相变。后来发现纯金属和合金也具有马氏体相变。后来发现纯金属和合金也具有马氏体相变。 马氏体相变的特点马氏体相变的特点：马氏体相变在动力学和热力学上都有自己的特征，但马氏体相变在动力学和热力学上都有自己的特征，但最主要的特征是在结晶学上，这种转变发生时，新旧最主要的特征是在结晶学上，这种转变发生时，新旧成分不变，原子只做有规则的重排而不进行扩散。成分不变，原子只做有规则的重排而不进行扩散。1) 母

8、相和马氏体之间不改变结晶学方位的关系，新相母相和马氏体之间不改变结晶学方位的关系，新相总是沿着一定的晶体学面形成，新相与母相之间有严总是沿着一定的晶体学面形成，新相与母相之间有严格的取向关系，靠切变维持共格关系。格的取向关系，靠切变维持共格关系。2)相变时不发生扩散，是一种无扩散转变。马氏体相相变时不发生扩散，是一种无扩散转变。马氏体相变为一级相变。变为一级相变。 3)马氏体转变速度很快，有时速度高达声速。马氏体转变速度很快，有时速度高达声速。4)马氏体相变过程也包括成核和长大。由于相变时长马氏体相变过程也包括成核和长大。由于相变时长大的速率一般很大大的速率一般很大,因此整个动力学决定于成核过

9、程，因此整个动力学决定于成核过程，成核功也就成为相变所必需的驱动力。也就是说，成核功也就成为相变所必需的驱动力。也就是说，冷却时需过冷至一定温度使具有足够的成核驱动力冷却时需过冷至一定温度使具有足够的成核驱动力时，才开始相变。时，才开始相变。 4、有序、有序无序相变：无序相变： 旧相和新相结构只是对称性的改变，相变过程旧相和新相结构只是对称性的改变，相变过程以有序参量表征的相变。以有序参量表征的相变。 有序无序的转变是固体相变中的另一种机理，有序无序的转变是固体相变中的另一种机理，属扩散性相变。如尖晶石结构的磁性体属扩散性相变。如尖晶石结构的磁性体Fe3O4，室，室温下温下Fe3+Fe2+无序排列，但在无序排列，但在120K以下，以下，Fe3+Fe2+占占具各自的位置呈有序排列，有序具各自的位置呈有序排列，有序-无序转变的温度无序转变的温度称居里点。称居里点。