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固态相变原理的应用实例1. 简介固态相变是指物质在固态下由于温度、压力或组分的改变而引起的晶体结构或性质的变化。
固态相变原理的应用已经广泛涉及到多个领域，例如材料科学、电子器件、能源储存等。
本文将介绍几个固态相变原理的应用实例，以展示其背后的基本原理和实际应用。
2. 智能材料2.1 形状记忆合金形状记忆合金是一种特殊的智能材料，其具有两种不同的晶体结构：一种是高温相，一种是低温相。
当形状记忆合金处于高温相时，其可以被加工成任何形状。
当温度降低到低温相的时候，形状记忆合金会发生固态相变，恢复成其记忆的形状。
应用实例： - 弹性支架：在建筑结构中使用形状记忆合金作为弹性支架，在地震等外力作用下，可以通过相变来吸收和释放能量，从而减小结构的损伤。
- 器械控制：在微型机器人和微电机等器械中使用形状记忆合金控制器件的伸缩和形状改变。
2.2 热敏电阻热敏电阻是一种基于固态相变原理的电子器件，根据材料在温度变化下电阻值的改变而工作。
热敏电阻通常使用金属氧化物材料制成，当温度升高时，材料中的电子活跃度增加，电阻值降低，从而实现电阻与温度之间的关联。
应用实例： - 温度测量：热敏电阻可用于温度传感器和温度控制器的制造。
将热敏电阻与电路连接，根据电阻值的变化来测量温度的变化。
- 温控电路：将热敏电阻与温控电路相结合，实现对温度的精确控制，例如家用电热水器中的温度控制部分。
3. 相变储能3.1 磁相变材料磁相变材料是一种通过改变温度或磁场来引发固态相变的材料。
在相变过程中，磁相变材料的磁性质会发生显著的变化，从而实现能量的储存和释放。
应用实例： - 储能磁体：磁相变材料可以制成磁体，用于储存电能。
当电能输入时，磁相变材料中的磁化程度发生变化，储存了一定量的能量。
当需要释放储存的能量时，可以通过改变温度或磁场，引发相变过程，释放储存的能量。
- 磁性制冷：磁相变材料的相变过程具有吸热和放热的特性，可以用于制冷。
将磁相变材料制成制冷器件，通过改变温度或磁场来实现制冷效果。
固态相变作业1.推导Johnson-Mehl方程。
(已布置，此题不需做)2.奥氏体形核时需要过热度△T，那么金属熔化时（S-L）,要不要过热度，为什么？答：由热力学可知，在某种条件下，结晶能否发生，取决于固相的自由度是否低于液相的自由度，即?G =GS-GL<0；只有当温度低于理论结晶温度Tm 时，固态金属的自由能才低于液态金属的自由能，液态金属才能自发地转变为固态金属，因此金属结晶时一定要有过冷度。
影响过冷度的因素：影响过冷度的因素：1）金属的本性，金属不同，过冷度大小不同；2）金属的纯度，金属的纯度越高，过冷度越大；3）冷却速度，冷却速度越大，过冷度越大。
固态金属熔化时会出现过热度。
原因：由热力学可知，在某种条件下，熔化能否发生，取决于液相自固态金属熔化时会出现过热度。
原因：由度是否低于固相的自由度，即?G = GL-GS<0；只有当温度高于理论结晶温度Tm 时，液态金属的自由能才低于固态金属的自由能，固态金属才能自发转变为液态金属，因此金属熔化时一定要有过热度。
3.相变热力学条件是什么？答：金属固态相变的热力学条件：（1）相变驱动力：相变热力学指出，一切系统都有降低自由能以达到稳定状态的自发趋势。
若具备引起自由能降低的条件，系统将由高能到低能转变转变，称为自发转变。
金属固态相变就是自发转变，则新相自由能必须低于旧相自由能。
新旧两相自由能差既为相变的驱动力，也就是所谓的相变热力学条件。
（2）相变势垒：要使系统有旧相转变为新相除了驱动力外，还要克服相变势垒。
所谓相变势垒是指相变时改组晶格所必须克服的原子间引力。
金属固态相变的热力学作用:①为相变的发生提供动力；②明确相变发生所要克服的势垒，即激活能。
4.简述固态相变的主要特征。
答：⑴相界面：根据界面上新旧两相原子在晶体学上匹配程度的不同，可分为共格界面、半共格界面和非共格界面。
⑵位向关系与惯习面：在许多情况下，金属固态相变时新相与母相之间往往存在一定的位向关系，而且新相往往在母相一定的晶面上开始形成，这个晶面称为惯习面通常以母相的晶面指数来表示。
相变作业及答案第一章奥氏体的形成1．从热力学出发，合金相可能存在哪几种状态？试举例说明。
答：按照热力学第二定律，隔离体系中，过程自发的方向为自由能降低的方向。
可以判断，体系处于自由能最低的状态为稳定状态。
照此规律，合金相可以分下述三种状态：1）稳定相：在体系中处于自由能最低的相。
例如，在室温存在的铁素体，在910～1394℃存在的奥氏体等；2）亚稳相：在体系中处于自由能较低且与最低自由能位的相由能垒相分隔的相。
例如，在室温存在的渗碳体，马氏体等；3）不稳定相：在体系中处于自由能较低且与稳定相和亚稳相之间无能垒相分隔的相。
例如，过冷奥氏体等。
2．综述奥氏体的主要性能。
（200字以内）答：奥氏体是碳溶于r Fe中的间隙固溶体，碳的溶入，使点阵发生畸变，从而点阵常数增大；虽然，大多合金元素为置换型的，但由于二者的原子半径不等，从而亦引起点阵畸变，上述因素均使奥氏体得到强化。
在钢的各种组织中，A的比容最小，而线膨胀系数最大，且为顺磁性，根据这些性能不仅可以定量分析奥氏体量，测定相对开始点，而且可以用来控制热处理变形及制作功能元器件。
A的导热系数较小，仅比渗碳体大，为避免工件的变形，故不宜采用过大的加热速较低，易于塑性变形，故工件的塑性变形常常加热度。
由于奥氏体塑性好，σS到奥氏体单相区中进行。
C亚稳平衡图，说明加热时奥氏体的形成机理。
3．画出Fe-Fe3答：加热时，奥氏体的形成，是在固态下实现的相变，它属于形核长大型，是受扩散控制的。
1）奥氏体的形核（1）形核的成分、结构条件由Fe—Fe3C相图知，在A1温度C%0.0218 6.690.77结构体心立方复杂斜方面心立方可见，转变前的二相与转变产物不仅在成分上，而且在结构上都很大差异。
所以，奥氏体的形核需同时满足成分、结构及能量上的要求。
（2）形核的自由能判据珠光体转变为奥氏体时，体系总的自由能变化为其中为Ａ与Ｐ的自由能差为晶体缺陷处形核时引起的自由能降低为弹性应变能为产生新相后引入的界面能由热力学知，在Ａ１温度，＝０，而、、均为正植，并且仅仅依靠缺陷以及能量起伏提供的能量，并不能使，所以相变必须在一定的过热度下，使得，才能得。
11、在1127℃某碳氢气体被通入到一低碳钢管（管长1m ，管内径8 mm ，外径12 mm ）。
管外保持为纯氢气氛，有可能使管外表面的碳活度降低到最低限度。
假设在碳氢气体中的碳活度是很高的，以致于在气氛中有固体颗粒碳。
已知：在1127℃时，碳的扩散系数为D = 6×10-6 cm 2/s 。
试计算通碳氢气体100小时后，会有多少碳扩散到管的外面来 ? （2）12、有一容器，其外层是低碳钢，里层为不锈钢。
里层的厚度是外层的1/100。
现容器内充有氢气。
已知：在试验温度下，低碳钢为α相，不锈钢为γ相；在这温度下氢气在α、γ两相界面处的重量百分浓度分别为C α=0.00028%，C γ=0.00045% ；并假设在试验温度下，D α=100 D γ。
试问哪一层对阻止氢气的向外扩散起了决定性作用 ?（2）13、某低合金过共析钢（含0.9%C ）被加热到800℃，形成了奥氏体组织，然后被快速冷却到A 1温度以下保温，直到完全转变成珠光体组织。
因为是过共析钢，所以在珠光体转变前有自由渗碳体析出，会沿着晶界析出一层厚的渗碳体，损害钢的性能。
已知：在550℃、650℃珠光体转变完成时间分别为10秒和10分钟。
试计算在550℃转变的危害性大，还是650℃时转变的危害性大 ?（3）14、一种没有合金化的具有粗大片状石墨的灰口铸铁，以相当缓慢的冷却速率通过A 1温度。
发现其组织特点为：金属基体相主要是珠光体，但是每一片石墨都被一层先共析铁素体包围。
假设通过试验已经知道，需要作为珠光体形核核心的渗碳体，直到710℃还不可能形成，另一方面，铁素体却很容易形核，如果冷却速率为1K / min 。
取C 的扩散系数为D α=0.02exp(–Q / RT)， Q=83600 J / mol 。
计算一下会形成多厚的铁素体层。
作为近似计算，可认为是在中间温度区间的一个等温反应过程。
如果是球状石墨周围形成了所谓的牛眼状铁素体（如题14图），在放大500倍条件下，经测量铁素体平均厚度为6.5mm ,在以上条件下，试估算其冷却速率。
固态相变的定义1. 小张老师站在讲台上，拿起一块铁片说："今天咱们来聊聊固态相变这个有趣的现象。
想象一下，明明物质还是固体，但是内部结构却发生了翻天覆地的变化，就像变魔术一样！"2. "固态相变说白了，就是固体在保持固态的情况下，内部结构发生变化的过程。
就像咱们班同学换座位，人还在教室里，但是位置全变了。
"小张老师用生动的比喻解释道。
3. "来看个实际例子：大家都知道铁吧？在常温下是一种结构，加热到特定温度后，虽然看起来还是块铁，但是内部原子排列方式却完全不一样了，这就是典型的固态相变。
"4. 一个学生举手提问："老师，那这种变化有啥用啊？"小张老师眼睛一亮："好问题！这就像给铁做了次大改造，改变后的铁可能会变得更硬、更软，或者有了特殊的磁性，这在工业上可重要啦！"5. "固态相变主要有这么几种类型：位移型、重构型和序无序型。
听着很难懂是不是？我来打个比方：位移型就像小朋友站队，每个人就位后微微错开位置；重构型就像推倒积木重新搭；序无序型就像把整齐的书架弄乱，或者把乱的书整理整齐。
"6. "温度是固态相变最常见的触发条件。
就像冰箱里的冰淇淋，拿出来放一会儿，外表看着还是固体，但结构已经在悄悄变化了。
"7. "压力也能引起固态相变。
想象一下把橡皮泥使劲捏，虽然还是固体，但内部结构已经改变了。
当然，实际的科学现象要比捏橡皮泥复杂得多。
"8. "还有一种特别神奇的固态相变叫马氏体相变，发生得特别快，快到眨眼的功夫就完成了！就像变形金刚一样，瞬间就完成了内部结构重组。
"9. "在日常生活中，巧克力变质时的'发白'现象，其实就是固态相变的表现。
巧克力内部的晶体结构发生了改变，虽然还是固体，但是口感和外观都变了。
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。
固态相变理论1.推导Johnson-Mehl 方程。
设新相β在母相α中成核，并经过一段孕育期τ以后长大成球状， 新相半径：)(τ-=t u r 一个新相体积：333)(3434τππυβ-==t u r d τ时间间隔内成核的β相数目为：τVId则这些新相长大到时间t 时的转变体积：ββυτ⋅=IVd dV ex所以不同时间内形核的β相在时间t 的转变总体积：⎰=tex ex dV V 0ββ ()4303334t IVu d t V Iu V t ex πττπβ=-=⎰ βexV 为扩张体积，重复计算 ①已转变的体积不能再成核②新相长大到相互接触时，不能继续长大所以ββV V ex >（真正的转变体积）为了校正βex V 和βV 的偏差在d τ时间内有：βββVV dV V dV ex -= 所以 βββdV VV V dV ex -= 积分得：C V V V V ex +--=)ln(ββ初始条件：当t=0时，0,0==ββex V V所以V V C ln =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=V V V V ex ββ1ln 4331ln t Iu V V V V ex πχβ-=-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛- ⎪⎭⎫ ⎝⎛--==433exp 1t Iu V V πηβ2.奥氏体形核时需要过热度△T，那么金属熔化时（S-L）,要不要过热度，为什么？由热力学可知，在某种条件下，结晶能否发生，取决于固相的自由度是否低于液相的自由度，即ΔG =G S-G L<0；只有当温度低于理论结晶温度Tm时，固态金属的自由能才低于液态金属的自由能，液态金属才能自发地转变为固态金属，因此金属结晶时一定要有过冷度。
影响过冷度的因素：影响过冷度的因素：1）金属的本性，金属不同，过冷度大小不同；2）金属的纯度，金属的纯度越高，过冷度越大；3）冷却速度，冷却速度越大，过冷度越大。
固态金属熔化时会出现过热度。
原因：由热力学可知，在某种条件下，熔化能否发生，取决于液相自固态金属熔化时会出现过热度。
原因：由度是否低于固相的自由度，即ΔG = G L-G S<0；只有当温度高于理论结晶温度Tm时，液态金属的自由能才低于固态金属的自由能，固态金属才能自发转变为液态金属，因此金属熔化时一定要有过热度。
3.相变热力学条件是什么？金属固态相变的热力学条件：（1）相变驱动力：相变热力学指出，一切系统都有降低自由能以达到稳定状态的自发趋势。
若具备引起自由能降低的条件，系统将由高能到低能转变转变，称为自发转变。
金属固态相变就是自发转变，则新相自由能必须低于旧相自由能。
新旧两相自由能差既为相变的驱动力，也就是所谓的相变热力学条件。
（2）相变势垒：要使系统有旧相转变为新相除了驱动力外，还要克服相变势垒。
所谓相变势垒是指相变时改组晶格所必须克服的原子间引力。
金属固态相变的热力学作用：①为相变的发生提供动力；②明确相变发生所要克服的势垒，即激活能。
4.简述固态相变的主要特征。
⑴相界面：根据界面上新旧两相原子在晶体学上匹配程度的不同，可分为共格界面、半共格界面和非共格界面。
⑵位向关系与惯习面：在许多情况下，金属固态相变时新相与母相之间往往存在一定的位向关系，而且新相往往在母相一定的晶面上开始形成，这个晶面称为惯习面通常以母相的晶面指数来表示。
⑶弹性应变能：金属固态相变时，因新相和母相的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，因此新相与其周围母相之间必将产生弹性应变和应力，使系统额为地增加了一项弹性应变能。
⑷过渡相的形成：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。
⑸晶体缺陷的影响：固态晶体中存在着晶界、亚晶界、空位及位错等各种晶体缺陷，在其周围点阵发生畸变，储存有畸变能。
一般地说，金属固态相变时新相晶核总是优先在晶体缺陷处形成。
⑹原子的扩散：在很多情况下，由于新相和母相的成分不同，金属固态相变必须通过某些组织的扩散才能进行，这时扩散便成为相变的控制因素。
5.固态相变的阻力是哪几项？新相与母相基体间形成界面所增加的界面能、新相与母相体积差所引起的弹性应变能、新相中亚结构的形成所需要的能量6.什么是共格界面，根据其共格性界面有哪几类？请比较它们的界面能和弹性应变能的大小。
两相界面上，原子成一一对应的完全匹配，即界面上的原子同时处于两相晶格的节点上，为相邻两晶体所共有，这种相界称为共格界面。
完全共格、半完全共格、非共格。
界面能：完全共格<半完全共格<非共格。
弹性应变能：完全共格>半完全共格>非共格。
7.综述奥氏体的主要性能。
（200字以内）（1）奥氏体的硬度和屈服强度不高。
（2）塑性好，易变形、加工成形性好。
（3）具有最密排结构，致密度高，比容最小。
（4）铁原子自扩散激活能大，扩散系数小，热强性好，可用作高温钢。
（5）具有顺磁性，转变产物为铁磁性，可作为无磁性钢。
（6）线膨胀系数大，可作热膨胀灵敏仪表元件（7）导热性差，加热应采用小热速度，以免工件变形。
8．采用哪些方法可以研究奥氏体的等温转变？1.等温冷却：将钢迅速过冷到临界点A r1以下某一温度，并在该温度下进行组织转变。
2.连续冷却：将钢以某一固定速度不停顿的冷却到室温，使奥氏体在连续降温的过程中转变。
9．发生奥氏体转变的热力学条件是什么？Gd V S G V G V ∆-++∆=∆εσS —新相表面积；σ—新相单位表面积界面能；V —新相体积；ε—新相单位体积的应变能；-ΔGd —在晶体缺陷处形核引起的自由能降低。
相变必须在一定的过热度ΔT 下，使ΔG V <0，才能得到ΔG<0，所以相变必须在高于A 1的某一温度下才能发生。
10．共析钢的奥氏a 体化过程中，为什么铁素体会先消失，而渗碳体会残留下来？首先，奥氏体是由铁素体转变而来的，第二，奥氏体的溶解碳能力大大高于铁素体，第三，奥氏体中的碳是由碳化物溶解而来的，第四，只有当碳化物完全溶解后共析钢奥氏体中的平均碳浓度才是共析成分，第五，碳化物溶解是一个过程，需要时间，第六，铁素体转变成奥氏体是瞬间转变的同素异构体转变。
当钢加热到奥氏体化温度后，铁素体瞬间转变成奥氏体，而渗碳体的完全溶解还需要一定的时间，所以共析钢奥氏体刚形成时必有部分碳化物残留。
11．亚共析钢的奥氏体化过程与共析钢的奥氏体化过程有何区别？1、亚共析钢完全奥氏体化过程：超过共析温度后，珠光体首先转变为奥氏体，随着温度的升高，铁素体转变为奥氏体。
2、共析钢完全奥氏体化过程：超过共析温度后，珠光体转变为奥氏体。
12．连续加热时的奥氏体转变有何特点？1.相变是在一个温度范围没完成的：刚在连续加热是，奥氏体在一个温度范围内完成。
加热速度愈大，各阶段转变温度范围均向高温推移、扩大。
2.奥氏体成分不均匀性随加热速度增大而增大：在快速加热情况下，碳化物来不及充分溶解，碳和合金元素的原子来不及充分扩散，因而，造成奥氏体中的碳、金属元素浓度分布很不均匀。
3.奥氏体起始晶粒随着加热速度增大而细化：快速加热时，相变过热度大，奥氏体形核率急剧增大，同时，加热时间又短，因而，奥氏体晶粒来不及长大，晶粒较细，甚至获得超细化奥氏体晶粒。
13．叙述奥氏体晶粒度测定的方法。
1.比较法。
在100倍显微镜下直接观察或投射在毛玻璃上。
首先对试样作全面观察，然后选择其晶粒度具有代表性的视场与标准级别图1—43（YB27—64中的第一标准级别图）比较，并确定出试样的晶粒度，与标准级别图中哪一级晶粒大小相同，则后者的级别即定为试样的晶粒度号数。
2.弦计算法。
这种测量方法比较复杂，只有当测量的准确度要求较高或晶粒为椭圆形时才使用此种方法。
测量等轴晶粒时，先对试样进行初步观察，以确定晶粒的均匀程度。
然后选择具有代表性部位及显微镜的放大倍数。
倍数的选择，以在80毫米视野直径内不少于50个晶粒为限。
之后将所选部位的组织投影到毛玻璃上，计算与毛玻璃上每一条直线交截的晶粒数目，（与每条直线相交截的晶粒应不少于50个）也可在带有刻度的目镜上直接进行。
测量时，直线端部未被完全相交截的晶粒应以一个晶粒计算。
相同步骤的测量最少应在三个不同部位各进行一次。
用相截的晶粒总数除以直线的总长度（实际长度，以毫米计算），得出弦的平均长度（毫米）。
再根据弦的平均长度查表即可确定钢的晶粒度大小。
14．奥氏体晶粒长大的驱动力是什么?长大方式：通过界面迁移而长大驱动力：来自A晶界的界面能。
A晶粒的长大将导致界面能降低P＝2γ/RP－驱动力，R－球面晶界曲率半径，γ－界面能晶粒越小，界面能越大，长大驱动力越大。
15．说明奥氏体晶粒异常长大的原因。
影响奥氏体晶粒长大因素：加热温度、保温时间、加热速度和化学成分。
沉淀析出粒子的分布不均匀是造成奥氏体晶粒异常长大的原因。
16．根据奥氏体形成规律讨论细化奥氏体晶粒的方法。
1.奥氏体起始晶粒随着加热速度增大而细化：快速加热时，相变过热度大，奥氏体形核率急剧增大，同时，加热时间又短，因而，奥氏体晶粒来不及长大，晶粒较细，甚至获得超细化奥氏体晶粒；2.加入第二相粒子：由于第二相粒子对奥氏体晶界的钉扎作用，阻碍奥氏体晶粒长大，有利于奥氏体晶粒的细化。
3.缩短保温时间：保温时间短，奥氏体晶粒来不及长大，晶粒细小。
