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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。
固态相变知识点总结固态相变（solid state phase transition）是指物质在固态下，由于温度、压力等外界条件的变化，使得物质的晶体结构和性质发生显著变化的现象。
固态相变分为一级相变和二级相变两种类型，其中一级相变又称为凝固、熔化或者升华相变，而二级相变则包括了铁磁性转变、铁电性转变、铁弹性转变等多种类别。
一级相变是指固态物质在相变过程中伴随着传热的明显变化，其自由能函数在温度、压力和摩尔体积或摩尔焓差范围内不连续变化。
一级相变包括了凝固、熔化和升华三种基本类型。
凝固是物质由液态转变为固态的一种相变过程。
在凝固的过程中，液体的分子排列变得有序，形成规则的晶体结构。
凝固点是物质在一定压力下的温度，当温度降低达到凝固点时，液体开始凝固。
熔化是物质由固态转变为液态的一种相变过程。
在熔化的过程中，固体的晶体结构破坏，分子之间的相互作用减弱，形成无序排列的分子结构。
熔点是物质在一定压力下的温度，当温度升高达到熔点时，固体开始熔化。
升华是物质由固态转变为气态的一种相变过程。
在升华的过程中，固体的晶体结构破坏，分子之间的相互作用减弱，形成无序排列的分子结构。
升华点是物质在一定压力下的温度，当温度升高达到升华点时，固体开始升华。
与一级相变不同，二级相变是指固态物质在相变过程中没有明显的传热变化，其自由能函数在温度、压力和摩尔体积或摩尔焓差范围内连续变化。
二级相变包括了铁磁性转变、铁电性转变和铁弹性转变等多种类型。
铁磁性转变是指在一定温度下，物质由铁磁相转变为顺磁相或者反铁磁相的一种相变过程。
铁磁性转变常伴随着磁滞回线的出现，磁化强度和温度之间存在明显的关联。
铁电性转变是指在一定温度下，物质由铁电相转变为非铁电相的一种相变过程。
铁电性转变常伴随着电滞回线的出现，电极化强度和温度之间存在明显的关联。
铁弹性转变是指在一定温度下，物质由弹性相转变为非弹性相的一种相变过程。
铁弹性转变常伴随着应力-应变曲线的出现，应力和温度之间存在明显的关联。
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：金属和陶瓷等固态材料在温度和压力改变时，其内部或结构会发生变化，即发生从一种相状态到另一种相状态的的转变，这种转变成为固态相变。
热力学分类一级相变：想便是新旧两厢的化学势相等，但化学势的一级偏微商不等的相变二级相变：相变时新旧两相的化学势相等，且化学势的一级偏微商也相等，但化学势的二级偏微商不等的相变平衡状态分类平衡相变：在缓慢加热或冷却时所发生的能获得负荷平衡状态图的平衡组织的相变1同素异构转变和多形转变:纯金属在温度和压力改变时，由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程称为同素异构转变。
2平衡脱溶沉淀:在缓慢冷却条件下，由过饱和固溶体中析出过剩相的过程3共析相变：合金在冷却时由一个固相分解为两个不同固相的转变4调幅分解:某些合金在高温下具有均匀单项固溶体，但冷却到某一温度范围时可分解成为与原固溶体结构相同但成分不同的两个微区如α→α1+α2。
5有序化转变：固溶体中，各组元原子在晶体点阵中的相对位置由无序到有序的转变（长程有序）非平衡相变：托加热或冷却速度很快，平衡相变将被抑制，固态材料可能发生某些平衡状态图上不可能反映的转变并获得被称为不平衡或亚稳态的组织的转变1伪共析相变：Fe-C为例，转变过程和转变产物类似于共析相变，但转变产物中铁素体量与渗碳体量的比值不是定值，而是随奥氏体含量变化而变化2马氏体相变：Fe-C合金为例，进一步提高冷却速度，使伪共析相变也来不及进行而将奥氏体过冷到更低温度，则由于在低温下铁原子和碳原子都已不能或不易扩散，故奥氏体只能一步发生源自扩散，不引起成分改变的方式，通过切变由γ点阵改组为α点阵的转变3贝氏体相变：铁原子不能扩散，但碳原子尚具有一定的扩散能力，因此出现了一种独特的碳原子扩散而铁原子不扩散的非平衡相变4非平衡脱溶沉淀：在室温或低于固溶度曲线MN的某一温度下溶质原子尚具有一定的扩散能力，则在上述温度等温时，过饱和α固溶体仍可能发生分解，逐渐析出新相，但在析出的初期阶段，新相的成分和结构均与平衡脱溶沉淀相有所不同原子迁移分类扩散相变：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：1相变过程中由原子扩散，相变速率受原子扩散速度所控制2新相和母相的成分往往不同3只有因新相和母相比容不同而引起的提及变化，没有宏观形状改变非扩散型相变：想必那过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子的运动时协调一致的相变。
固态相变试卷一、选择题(单项选择) 每题2分，共30分1、在A,B 两组元组成的置换固溶体中，若r a >r b ，两组元的热力学因子F A 1+⎧⎨⎩⎫⎬⎭d d X A A ln ln γ和 F B 1+⎧⎨⎩⎫⎬⎭d d X B B ln ln γ之间的关系是： A) F A >F BB) F A <F B C) F A =F B D) 无确定的数量关系 2、Kirkendall 反应发生在A) 置换固溶体 B) 间隙固溶 C) 纯金属 D) 稳定化合物3、由于扩散而引起的点阵平面迁移的方向A) 和A(大半径)原子扩散方向一致 B) 和B(小半径)原子扩散方向一致C) 和空位流方向一致 D) 和空位流方向相反4、晶界作为高扩散率通道的作用和A) 温度有关，温度越高晶界作用越明显B) 温度有关，温度越高晶界作用越不明显C) 溶质浓度有关，浓度越高晶界作用越明显D) 溶质浓度有关，浓度越高晶界作用越不明显5、非稳定扩散和稳定扩散的区别在于A) 稳定扩散是间隙扩散，非稳定扩散是置换扩散B) 稳定扩散是间隙扩散，非稳定扩散是互换扩散C) 稳定扩散时扩散系数和浓度有关，非稳定扩散时扩散系数和浓度无关D) 稳定扩散时浓度和时间无关，非稳定扩散时浓度随时间变化6、小角度扭转晶界和倾转晶界的区别是A) 倾转晶界的转动轴和晶面垂直，扭转晶界转动轴和晶面平行B) 倾转晶界由两组螺位错交叉组成，扭转晶界由一组刃位错组成C) 倾转晶界由混合位错组成，扭转晶界由一组刃位错组成D) 倾转晶界由一组平行刃位错组成，扭转晶界由一组交错的螺位错组成7、多晶体中每段晶界上必须作用有大小等于F r =∂∂θr 的扭距项，才能维持晶界不动。
那么多晶体平衡时，不同晶界的扭矩项是靠A) 晶界热激活提供 B) 晶界的相互作用提供C) 晶界上的第二相提供 D) 晶界上的杂质原子提供8、再结晶的驱动力和晶粒长大的驱动力A) 相同，因为是同一过程的两个阶段B) 相同，因为它们的驱动力都是减少系统界面能C) 不同，因为再结晶驱动力是消除晶粒中的应变能，而晶粒长大是减少界面能D) 不同，因为再结晶的驱动力是减少晶粒的界面能，而晶粒长大是减少体积自由能9、若α+β两相合金中，α和β之间是K-S 位相关系，则α/β相界是A) 完全共格界面 B) 由小台阶组成的复杂半共格界面C) 由小台阶组成的非共格界面 D) 平直的半共格界面10、Al-Ag 系中GP 区是球状，而Al-Cu 系中GP 区是层状，这是因为A) Al-Ag 系中GP 区错配度δ为正值, Al-Cu 系中GP 区错配度δ为负值B) Al-Ag 系中GP 区错配度δ<5%, Al-Cu 系中GP 区错配度δ>5%C) Al-Ag系中GP区错配度δ>1%, Al-Cu系中GP区错配度δ<1%D) Al-Ag系中GP区错配度δ>5%, Al-Cu系中GP区错配度δ<7%11、滑动界面和非滑动界面的主要区别是A) 滑动界面两侧两相结构相同，非滑动界面两侧两相结构不同B) 滑动界面两侧两相成分相同，滑动界面两侧两相成分不同C) 滑动界面上位错可沿界面运动，非滑动界面上位错不可沿界面运动D) 滑动界面一侧的位错可沿和界面相交的滑移面运动至界面另一侧，而非滑动界面上的位错只能沿界面运动12、若相变是扩散控制，则A) 相界迁移率很高，相变驱动力很小B) 相界迁移率很低，相变驱动力很高C) 相界迁移率和相变驱动力都很高D) 相界迁移率和相变驱动力都很小13、若以界面迁移将相变分类，则A) 马氏体相变是扩散控制长大B) 珠光体转变是界面控制长大C) 有序化转变是扩散控制长大D) 块状转变(massive)是界面控制长大14、形核驱动力和相变驱动力之间的关系是A) 形核驱动力大于相变驱动力B)形核驱动力小于相变驱动力C) 均匀形核驱动力小于相变驱动力，非均匀形核驱动力大于相变驱动力D) 均匀形核驱动力大于相变驱动力，非均匀形核驱动力小于相变驱动力15、在fcc晶体中，hcp沉淀容易在层错上形核是因为A) 层错形核的|∆Gd|大B) 层错形核的|∆Gv|大C) 层错形核的|∆Gs|小D) 层错形核的γ(界面能)小16、Au-Cu合金中盘状GP区的盘面垂直与100方向是因为A) 100方向是密排方向B) 100方向上原子间距最大C) 100方向上基体和GP区共格D) 100方向上基体和GP区不共格17、GP区的形成速率和A) 固溶处理温度有关，处理温度越高，GP区形成速率越高B) 时效处理温度有关，处理温度越高，GP区形成速率越高C) 淬火介质温度有关，介质温度越高，GP区形成速率越高D) 基体晶粒大小有关，晶粒越小，GP区形成速率越高18、化学调幅和共格调幅相比A) 化学调幅要求的过冷度大，成分范围宽B) 共格调幅要求的过冷度大，成分范围宽C) 共格调幅要求的过冷度大，成分范围窄D) 化学调幅要求的过冷度大，成分范围窄19、在钢中加入的合金元素中A) 铁素体稳定化元素不能提高淬透性，因为它提高共析转变温度B) 奥氏体稳定化元素不能提高淬透性，因为相变时碳不重新分配C) 只有碳化物形成元素能提高淬透性D) 上述三种元素均能提高钢的淬透性20、珠光体的生长速率和最小层间距A) 都和∆T有关，随∆T增加生长速率减小，最小层间距增大B) 都和∆T无关C) 都和∆T有关，随∆T增加生长速率增大，最小层间距减小D) 都和∆T有关，随∆T增加生长速率和最小层间距都增大21、在Cu-Zn系中，某一成分的合金，在高温时平衡组织是单一β相，室温平衡组织是单一α相，设在冷却过程中α从β中脱溶的驱动力为∆G p，发生块状沉淀的驱动力是∆G m1发生马氏体转变的驱动力是∆G m2，则这三者之间的关系是A) ∆G p <∆G m2 <∆G m1 B) ∆G p <∆G m1 <∆G m2C) ∆G m1 <∆G m2 <∆G p D) ∆G m2 <∆G p <∆G m122、对于存在无序－有序转变的合金中，若反向畴界越多，则A) 系统的自由能G越高B) 系统发生无序－有序转变时的∆H变化越大C) 系统的自由能G越小D) 系统发生无序－有序转变时的∆H变化越小23、属于均匀形核的相变过程有A) GP区沉淀B) 马氏体相变C) 块状转变D) 无序有序转变24、位错在马氏体相变中的作用是A) 提高形核驱动力B) 降低形核势垒C) 减少马氏体/奥氏体界面能D) 降低应变能二、什么类型的扩散过程会伴随点阵平面的迁移，从晶体学模型说明为什么会发生点阵平面的迁移(可以用图解说明)，并由此推导迁移速率和Darken方程。
15分三、什么是复杂共格界面，两种不同的相为什么会形成复杂共格界面？当孪晶界和孪晶面不重合时(非共格孪晶)，孪晶界和复杂共格界面有什么相同和不同之处。
15分四、什么是复杂共格界面，其原子结构具有什么特征？从共格向非共格过渡的临界条件是什么？为什么实际上可以看到的共格脱溶相晶粒的尺寸比共格沉淀的理论半径大？五、什么是调幅分解，它与共析分解和胞状沉淀有和异同？调幅分解时，系统的自由能变化受哪些因素的影响？为什么调幅波波长λ有极小值？推导λ的极小值的表达式。
15分六、条状(lath)马氏体和片状(plate)马氏体的生长机制有什么不同，若切应变S=0.2时，片状马氏体为什么不能以位错滑移的方式长大。
10分七、在稀固溶体(BXβ≈1)中脱溶析出的形核驱动力可由下式近似表示:∆G RT x xnoe=ln式中Xo和Xe是合金中溶质摩尔百分数和平衡态时的溶质百分数15分A) 若Xo=0.1 Xe=0.02 T=600K R=8.31T/mol 计算∆GnB) 假定是均匀形核，临界晶核半径是多大？设γαβ=200mJ.m-2V m=10-5m3C) 若β是纯溶质(BXβ＝1)，确定平衡时脱溶物体积分数D) 若β析出物为球状，间距为50nm，确定沉淀颗粒的平均半径和临界晶核的半径之比。
八、二元置换合金中A) 为什么空位扩散系数D v远大于自扩散系数D A?B) 示踪原子的扩散系数D A*、D B*的物理一样是什么？D A*和D A有什么不同？测定D A*和D B*的意义何在？九、什么叫扩散控制长大？什么叫界面控制长大？Massive相变属于扩散控制长大还是界面控制长大？为什么？十、沉淀相变时，形核驱动力和相变驱动力有何区别？两着哪一个的值大？为什么？（可用图说明）十一、马氏体形核属均匀形核还是非均匀形核？为什么？试从理论和实验两方面说明之。
十二、界面控制长大和扩散控制长大有何区别？脱溶沉淀相变是否一定属于扩散控制长大？为什么？块状相变属于哪种类型长大？为什么？10分十三、什么是一级相变？什么是二级相变？从热力学函数H、G、C P和温度T的关系说明两者的区别？本课程涉及的相变中哪几种属于二级相变？15分十四、杂质原子对晶界迁移率的影响与夹杂物对晶界迁移率的影响有何异同？为什么特殊大角度晶界的迁移率对杂质原子不敏感？10分十五、GPZ形成速率和哪些因素有关？为什么？什么是PFZ，它的宽度和哪些因素有关？10分十六、什么是Kerkendall效应？它说明了置换合金扩散时发生的什么现象？为什么有这种现象发生（可以用图解说明）？若用高碳钢和工业纯铁组成一对扩散偶，是否会发生Kerkendall效应？为什么？十七、说明为什么面心立方晶体中，在一组密排面的每一个面上都有一个Shockley不完全位错扫过，就可能形成原晶体的孪晶？十八、为什么置换固溶体中原子扩散时会导致点阵平面的迁移？（可用图解说明）？试推导点阵平面的迁移速率》十九、GPZ是否是均匀形核？为什么？从什么现象可以证明？调幅分解是否是均匀形核？为什么？在学过的相变中列举一个均匀形核的例子，并说明原因。
（10分）20、回答以下问题：（1２分）（1）在间隙固溶体和置换固溶体中的非稳态扩散的规律有何不同？（定量描述）（2）在间隙固溶体中会不会发生上坡扩散？为什么？（3）间隙扩散中的扩散系数和空位浓度有没有直接关系，为什么？21、回答以下问题：（1５分）（1）什么是晶界迁移率？请推导它的数学表达式。
晶界迁移率是否与温度有关？（2）晶界迁移率与晶界的类型是否有关？在晶界迁移速率的表达式中如何体现？（3）所谓界面控制长大和扩散控制长大与界面迁移率是否相关？为什么？22、如果母相晶粒在长大过程中遇到第二相颗粒，此时母相晶粒长大的速度是否受影响？是否是第二相颗粒越大，母相晶粒长大越慢？为什么？（10分）23、所谓沉淀强化是指通过时效在母相中形成第二相，从而达到强化的目的。
