第九章 固态相变

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。

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。

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相态的转变，这种转变称之为固态相变。

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。

为什么固态相变中出现过渡相?晶体缺陷对固态相变形核有什么影响？1.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。

2.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。

为什么新相形成的时候，常常呈薄片状或针状？如果新相呈球状，新相与母相之间是否存在位相关系？①金属固态相变时，因新相与母相恶比容不同，可能发生体积变化，但由于受到周围母相的约束，新相不能自由膨胀产生弹性应变能。

而片状或针状的弹性应变能最小，所以新相形成时常常呈片状或针状②存在位相关系。

许多情况下，金属固态相变时，新相与母相之间往往存在一定的位相关系，且新相呈球状时与母相的弹性应变能最大，是由新、母相的比容不同或两相界面共格或半共格关系造成的，所以必然存在一定的位相关系。

TTT曲线的建立：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。

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。

固态相变知识点总结相变是物质在温度、压强或其他外部条件改变时，从一种物态转变为另一种物态的现象。

固态相变是指物质从固态状态转变到其他固态状态的过程，通常包括晶体-晶体相变和晶体-非晶相变，以及液晶-固体相变等。

固态相变是材料科学和固态物理领域的重要研究课题，掌握固态相变的基本原理和规律对于材料设计、制备和性能改进具有重要意义。

本文将从固态相变的基本概念、分类和特征等方面进行总结，并通过实例来说明固态相变的重要意义和应用。

一、固态相变的基本概念1. 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。

固态相变是晶体学和固态物理学的重要研究课题，可以帮助我们深入了解物质的内部结构和性质。

2. 固态相变的基本特征包括晶格结构的改变、原子位置的重新排列、晶体的晶界和缺陷等。

固态相变通常伴随着能量的吸收或释放，使得固态物质的性能和特性发生变化。

3. 固态相变的驱动力包括温度、压强、外界场等，这些外部条件的改变可以引起晶体结构和性质的改变，从而产生相变现象。

4. 固态相变可以分为等温相变和非等温相变两种类型。

等温相变指的是在恒定温度下发生的相变过程，例如固态合金的热处理过程；非等温相变指的是在变化温度下发生的相变过程，例如冰的熔化过程。

二、固态相变的分类根据相变过程中晶体结构的改变和外部条件的影响，固态相变可以分为以下几种类型：1. 晶体-晶体相变：指的是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。

晶体-晶体相变通常伴随着晶粒形状、大小和取向的变化，对材料的组织结构和性能产生重要影响。

2. 晶体-非晶相变：指的是物质在固态状态下由晶体结构转变为非晶结构的过程。

晶体-非晶相变可以发生在非晶态金属、非晶态合金和非晶态陶瓷等材料中，对于提高材料的强度、硬度和耐腐蚀性具有重要意义。

3. 液晶-固体相变：指的是液晶分子在固态基体中发生有序排列的过程。

液晶-固体相变广泛应用于液晶显示器、液晶材料和光学器件等领域。

固态相变原理1、相变的基础理论涉及三个方面的共性问题：1）相变能否进行，相变的方向2）相变进行的途径及速度3）相变的结果，即相变时结构转变的特征。

分别对应相变热力学、相变动力学和相变晶体学。

相变是朝着能量降低的方向进行；相变是选择阻力最小、速度最快的途径进行；相变可以有不同的终态，但只有最适合结构环境的新相才易于生存下来。

2、固态相变的特殊性（相界面、弹性应变能、位向关系与惯习面、亚稳过渡相、原子迁移率、晶体缺陷）。

固态相变除满足热力学条件外，还须获得额外能量来克服晶格改组时原子间的引力，即存在相变势垒。

相变势垒由激活能决定，也与是否有外加机械应力有关。

3、相变驱动力和相变阻力驱动力：体积自由能，来自晶体缺陷（点，线，面缺陷）的储存能。

储存能由大到小的排序：界面能，线缺陷，点缺陷。

界面能中界隅提供的能量最大，但体积分数小，界棱次之，界面最小，但体积分数最大。

相变阻力是界面能和弹性应变能。

弹性应变能与新旧相的比容差和弹性模量，及新相的几何外形有关。

从能量的角度来看：共格界面的弹性应变能最大，非共格界面的界面能最大。

球形新相界面能最小，但应变能最大，圆盘状新相相反，针状新相居中。

4、长大方式新相晶核的长大分为协同（共格或半共格，切变）和非协同（非共格或扩散）两种，前者速度快，后者速度慢。

原子只能短程扩散时，长大速度与过冷度（温度）存在极大值；长程扩散时，长大速度与扩散系数和母相的浓度梯度成正比，与相界面处两相的浓度差呈反比。

5、相变速率相变速率满足Johnson-Mehl方程或Avrami经验方程。

相变之初和相变结束其，相变速率最小，转变量约50%时，相变速度最大。

扩散型相变的动力学曲线呈“C”形。

是由驱动力和扩散两个矛盾因素共同决定的。

6、C曲线“C”曲线建立的原理：一定外界条件下，只要发生了相变，宏观上就能检测出某种变化（组织，结构，性能等），确定该条件下这种变化与新相转变量的关系。

相变进行的难以程度决定“C”曲线的位置。