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材料科学基础课件第八章_相变

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相变无机材料科学基础

相变无机材料科学基础

离子
G＝RTlnc0/c
c0―饱和溶液浓度；c―过饱和溶液浓度。
(8-7)
➢相变自发进行，须G＜0，则c>c0
即：过饱和浓度为相变过程的推动力。
综上所述，相变过程的推动力为：过冷度、过饱和蒸汽压差、 过饱和浓度，即相变时系统温度、压力和浓度与相平衡时温 度、压力和浓度之差值。
（三）晶核形成条件
当熔体冷却发生相变时，体系能量(G)变化有两个方面： ➢高自由能液体转变为低自由能固体，系统自由能减小(G1) ➢产生新相，形成新的界面，系统自由能增加(G2)
相变过程中，总自由能变化：
G ＝ G1＋ G2 ＝ VGV ＋A
V — 新相的体积 ； GV —单位体积中旧相和新相之间的自由能差G液-G固； A — 新相的总表面积； — 新相的界面能。
G = G1 + G2=VGV+A
第八章 相 变
➢ 相变：指在一定外界条件下，体系中发生的从一相到 另一相的变化过程。
➢ 一般只是物理过程(晶型转变，固、液、气间转变，亚 稳分相)。
第一节 相变的分类
一、按热力学分类
根据相变前后热力学函数的变化，相变分为： 一级相变、二级相变。
一级相变
相变前后若两相的化学势相等，但化学势的一级偏微商（一阶导数）
主要应用于钢铁及合金的增强增韧。
有序-无பைடு நூலகம்转变
➢随温度升降而出现低温有序和高温无序的可逆转变称为有序-无序 转变。
➢只要在高于0K的温度下，质点 的热振动会使其位置与方向均 发生变化，从而产生位置与方 向的无序性。
位置有序 - 无序转变 方向有序 - 无序转变 电子核旋有序 - 无序转变
➢参数表示材料中的有序度，完全有序时=1，完全无序时=0。

材料科学基础第8章 铁碳相图PPT课件

材料科学基础第8章 铁碳相图PPT课件
4
§7.5 二元包晶相图
(1)
• 包晶转变：一定温度下，由特定成分的固相与确定成分 的液相发生反应生成另一种特定成分的固相的转变。
• 包晶相图：两组元液态无限互溶，固态有限互溶并具有 的相图。
• 图形特点：
L
α
β Lp+αc = βD
1 2356789
31.10.2020
4
§7.5 二元包晶相图
(2)
31.10.2020
4 §7.6.3 具有无序-有序转变相图
(19)
有些二元系合金在一定成分和一定温度范围会发生有 序化转变，形成有序固溶体。
1 2356789
31.10.2020
4 §7.5.4 具有同素异晶转变的相图
(20)
当组元具有同素异构转变 时，形成的固溶体也常有 异晶转变。
Fe和Ti 在固态均发生同 素异构转变，故形成相 图时，在近铁一边有
➢铁素体：碳溶解在α—Fe中的间隙固溶( F）。塑性 （δ=45-50%）、韧性好，强度、硬度低。
➢奥氏体：碳溶解在γ —Fe中的间隙固溶体（A）。塑 性好。
➢渗碳体：铁与碳形成的金属化合物（Fe3C）。硬度很 高（HBW=800），塑性、韧性几乎为零。
➢珠光体：是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体 与渗碳体的共析体（P）。
2 相图分析
点：14个。
线：两条磁性转变线；三条等温转变线；其余三条线：
GS,ES,PQ。
区：5个单相区，7个两相区，3个三相区。
相图标注：相组成物标注的相图; 组织组成物标注的相图。
1 2356789
31.10.2020
4
(25)
2 相图分析
点：14个。
1 2356789

材料科学基础第八章 三元相图

材料科学基础第八章 三元相图
材料科学基础 第八章 三元相图
1
本章章节结构 8.1 三元相图基础 8.2 固态互不溶解的三元共晶相图 8.3 固态有限互溶的三元共晶相图
2
内容预报
• 三元相图基础 • 三元相图有很多面
水平、垂直截面图 • 由平面回溯立体
3
8.1 三元相图基础
8.1.1 成分表示方法 1.成分三角形 2.成分三角形中的特殊线 3.杠杆定律及重心定律
49
典型合金的平衡结晶过程－3
3. 位于三相平衡共晶转变终了面及双析溶解度曲面 投影内的合金（图8.19中Ⅴ区）。 结晶过程：L→L+α初→α初+（α+β）共→α初+ （α+β）共+γⅡ
50
典型合金的平衡结晶过程－4
4. 位于三相平衡共晶转变终了面但不在双析溶解度 曲面投影内的合金Ⅳ(图8.19中)。 结晶过程：L→L+α初→α初+（α+β）共 可用同 样的方法分析其它合金的结晶过程，图8.19中所 标注的六个区域。
• 在垂直截面图中发生两相共晶转变的三相区为尖 点向上的曲边三角形。
43
投影图
44
45
相区接触法则
• 空间相图、水平截面、垂直截面相图。 • 相邻相区的相数差1； • 立体相图中在面两侧判断，截面图中在线两侧判
断； • 除截到的零变量点外，所有的点均有四条相界线
相交。
46
8.1 三元相图基础 8.2 固态互不溶解的三元共晶相图
B% 50
10
20
30
40 C%
50
40 30 20
AxC4x-B
60
70 80
10
90
A
90 80 70

西北工业大学材料考研材料科学基础PPT课件

西北工业大学材料考研材料科学基础PPT课件
2.力学性能：
（1）弹性模量是材料应力-应变曲线上弹性变 形段的斜率，在拉伸变形中通常称它为杨式模量， 以E表示。而结合键能是影响弹性模量的主要因 素，结合键能越大，则“弹簧”越“硬”，原子 之间距离的移动所需要的外力就越大，即弹性模 量越大。如金刚石具有最高的弹性模量值， E=1000GPa；其他一些工程陶瓷如碳化物、氧化 物等结合键能也较高，它们的弹性模量为250600GPa；由金属键结合的金属材料，弹性模量略 低些，一般约为70-350GPa；而聚合物由于二次 键的作用，弹性模量仅为0.7-3.5GPa。
质上是一个裸露的质子，对另一个电负性值较
大的原子Y表现出较强的吸引力，这样，氢原子
便在两个电负性很强的原子（或原子团）之间形
成一个桥梁，把二者结合。起来，成为氢键。所
以氢键可以表达为：X-H—Y。
氢与X原子
（或原子团）为离子键结合，与Y之间为氢键结
合，通过氢键将X、Y结合起来，X与Y可以相同或
不同。
正由于大多数工程材料的结合键是混合 的，混合的方式比例又随材料的组成而变， 因此材料的性能可在很广的范围变化。从
而满足工程实际各种不同的需要。
（4）结合键的本质及原子间距
固体中原子是依靠结合键力结合起来的
不论是何种类型的结合键，固体原子间 总 存在着两种力：一是吸引力，来源于电荷 间的静电吸引；二是同种电荷之间的排斥 力。当距离很远时，排斥力很小，只有当 原子间接近至电子轨道互相重叠时，排斥 与吸引力相等，两原子便稳定在此相对位 置上，这一距离r0相当于原子的平衡距离， 或称为原子间距。当原子距离被外力拉开 时，吸引力则力图使它们回到平衡距离r0
料硬而脆。原子排列不紧密，晶体结构复杂， 故共价键晶体陶瓷密度低。

材料科学基础第8章固态相变

材料科学基础第8章固态相变
促进扩散 （3）空位形核 新相生成处空位消失，提供能量 空位群可凝结成位错 （过饱和固溶体的脱溶析出过程中， 空位作用更明显。）
第二节 固态相变的形核与长大
二 非均匀形核（能量条件） 2 非均匀形核的能力变化 △ G＝-V△Gv+S+ V-△GD △GD－晶体缺陷导致系统降低的能量。
第三节 固态相变的晶核长大
三 常见固态相变类型 相变名称
同素异构转变 多型性转变 脱溶转变 共析转变 包析转变 马氏体转变 贝氏体转变 调幅分解 有序化转变
相变特征
同一种元素通过形核与长大发生晶体结构的变化 合金中晶体结构的变化 过饱和固溶体脱溶分解出亚稳定或稳定的第二相 一个固相转变为两个结构不同的固相 两个不同结构的固相转变为一个新的固相，组织中一般 有某相残余 新旧相之间成分不变、切变进行、有严格位向关系、有 浮凸效应 兼具马氏体和扩散转变的特点，借助铁的切变和碳的扩 散进行 非形核转变，固溶体分解成结构相同但成分不同的两相 合金元素原子从无规则排列到有规则排列，担结构不变。
3.惯习现象
* 新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成。
惯习方向 （母相） 惯习面
原因：沿应变能最小的方向和界面能最低的界 面发展。
4 母相晶体缺陷促进相变
缺陷类型
点… 线… 晶格畸变、自由能高，促进形核及相变。 面…
5 易出现过渡相
* 固态相变阻力大，直接转变困难 协调性中间产物（过渡相） ＋Fe3C +(3Fe+C) 例 M +Fe3C
第二节 固态相变的形核与长大
三 晶核的长大
（3）相变动力学 f第三节 过饱和固溶体的分解
一 脱溶（时效）转变
1 概念：脱溶转变 2 脱溶转变过程 相的名称－形貌－尺寸－结构－点阵常数－共格关系 －强化作用 3 脱溶动力学

八材料中的相变.ppt

八材料中的相变.ppt

西南科技大学
8.2 液相与固相的转变－成核－生长的相变
成核速率：单位时间、单位体积母相中形成的新相核 心的数目；
晶体长大速率：单位时间内新相线生长尺寸的增量； 总结晶速率：新相占母相的体积分数随温度、时间的
变化来表征。
材料科学基础（Fundamentals of Materials Science）
（1）按物态变化分类 狭义：同组成的两固相之间的结构变化，不 涉及化学反应。 广义：除上述情况之外，还包括相变前后相 组成变化的情况。
（2）按热力学分类
A、按转变方向分 ✓分为可逆 ✓不可逆相变
材料科学基础（Fundamentals of Materials Science）
西南科技大学
B、按热力学偏导数的连续性分类
不能稳定存在，而实际上却能稳定存在的区域；
B、在亚稳区内，物系不能自发产生新相，要产生新 相，必然要越过亚稳区，这就是必须过冷却的原 因；
C、在亚稳区内虽然不能自发产生新相，但是当有外 来杂质存在时，或在外界能量影响下，也有可能 在亚稳区内形成新相，此时使亚稳区缩小。
材料科学基础（Fundamentals of Materials Science）
材料科学基础（Fundamentals of Materials Science）
西南科技大学
8.1.3 相变的条件
（1）相变过程的温度条件 由物理化学中热力学知识可推知：
D G = D H - TD H = D H T0 - T = D H D T
T0
T0
T0
若相变过程为放热过程 ΔH＜0，则ΔT＞0时， 才能自发进行，即体系必须“过冷”。
D
Ga + D kT
Gr*

材料科学基础固态相变PPT课件

第四章
固态相变
《材料科学基础》第八章
固态相变 1
第四章第一节
固态相变总论
《材料科学基础》第八章 第一节
固态相变 2
固态相变的定义：
固体材料的组织、结构在温度、压力、成 分改变时所发生的转变统称为固态相变。
一、固态相变的特点
大多数固态相变是通过形核和长大完成的， 驱动力同样是新相和母相的自由焓之差。 阻力: 界面能和应变能
V
所以 Sα≠Sβ, Vα≠Vβ
一级相变有体积和熵的突变， △V≠0，△S≠0
固态相变
7
二级相变：
若相变时，Gα＝Gβ，μαi=μβi ，并且自由焓的 一阶偏导数也相等，但自由焓的二阶偏导数 不相等，称为二级相变。
G T
p
G T
p
G p
T
G p
T
固态相变
8
2TG2
p
2G T2
固态相变
19
3. 晶核长大控制因素
对于冷却过程中发生的相变，当相变 温度较高时原子扩散速率较快，但过 冷度和相变驱动力较小，晶核长大速 率的控制因素是相变驱动力；相变温 度较低时，过冷度和相变驱动力较大， 原子的扩散速率将成为晶核长大的控 制因素。
固态相变
20
<1>受界面过程控制的晶核长大 过冷度较小时，新相长大速率u与驱动力 △G成正比；过冷度较大时，长大速率随温 度下降而单调下降。
γαβ
θ β
rθ
△G=V△GV+Aαβγαβ +V△GE -Aααγαα
固态相变
界面形核示意图
16
推导出：
r* =-2γαβ/(△GV+△GE)
△G*非=△G*均 f( θ)

材料科学基础第八章相变

三、学习相变理论的目的（或意义）
相变在硅酸盐工业中十分重要
本章内容：1.相变分类 2.液-固相变过程热力学 3.液-固相变过程动力学 4.液-液相变过程
重点： 1.相变过程的推动力及晶核形成条件 2.析晶过程
难点：液-液相变过程
第一节 相变的分类
分类方法有很多，目前有以几种： 一、按热力学分类 二、按相变方式分类 三、按质点迁移方式分类
连续型相变：由组成波动程度小、空间波动范围广 的起伏引起的相变，即起伏连续地生长而形成新相。
三.按质点迁移特征分类：
扩散型相变:相变过程依靠原子（或离子） 的扩散来进行的相变．
无扩散型相变：相变过程不存在原子（或离 子）的扩散，或虽存在扩散但不是相变所必 需的或不是主要过程的相变．
陶瓷材料相变综合分类：
第八章 相变
概述
一、几个概念 1.相
物理性质和化学性质完全相同且均匀的部分。 相与相之间有分界面，可用机械的方法将它们分开。系统
中存在的相可以是稳定的、亚稳的或不稳定的。系统在某一 热力学条件下，只有当能量具有最小值的相才是最稳定的。 系统的热力学条件改变时，自由能会发生变化，相的结构也 相应发生变化。
T T0 T 0 T0 T 过热
G 0
结论：相变驱动力可以表示为过冷度(过 热度)的函数，因此相平衡理论温度与系 统实际温度之差即为该相变过程的推动力。
2.相变过程的压力与浓度条件： 压力条件：
在恒温可逆不作有用功时：
dG VdP
对理想气体
G
VdP
RT P
dP
RT
ln
P2 P1
G H T S 0
若△H,△S不随T变化
G H T H H T0 T H T

《材料的相变》课件

液化天然气（LNG）的制备过程中，将天然气压 缩成液态。
固态二氧化硅（二氧化硅）在高温下可转化为气 态二氧化硅。
相变的需求和挑战
1 需求
相变技术在能源、材料制 备和环境等领域有着广泛 的应用需求。
2 挑战
相变材料的设计、制备和 控制是实现相变技术应用 的关键挑战之一。
3 最新进展
最新的研究着眼于开发新 型相变材料和改进相变过 程的控制方法。
《材料的相变》PPT课件
欢迎大家来到本次关于材料的相变的PPT课件！相变是材料科学中的重要概 念，通过本课件，我们将探索相变的定义、分类、应用以及未来的发展方向。
相变的定义和基本概念
相变是物质从一种相态到另一种相态的过程。它涉及物质的结构和性质的改变，以及能量的吸收或释放。
相变的分类和特点
分类
相变可以分为固液相变、液 气相变和固气相变。
液气相变的例子和应用
1
水的沸腾
水沸腾时，液冷却液在汽车的工作过程中发生液气相变，起到冷却发动机的 作用。
3
干冰的升华
干冰是固态二氧化碳，当它受热时会直接从固态升华为气态，无液态阶段。
固气相变的例子和应用
举例一： 举例二：
举例三：
干衣机中的水分从湿气中转化为水蒸气。
相变研究的最新进展和未来发展方向
相变材料
相变材料的研究方兴未艾，可以 用于储能、温控和智能传感等领 域。
纳米级相变
纳米级相变研究正探索小尺寸下 相变行为的特性与应用。
相变存储
相变存储作为一种新型存储技术， 展现出巨大的潜力和未来的发展 方向。
特点
相变具有温度、压力和物质 的影响。它还表现出各种物 理和化学性质的变化。
举例
举个例子，水从冰变为液态 时发生固液相变，这是我们 日常生活中常见的现象。

材料科学基础 第8章PPT课件

20
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8.2.4.2 固相中的非均匀形核 固态相变时，各种晶体缺陷，如晶界、位错、
相界、空位、层错等都可以作为择优形核的位置， 这些晶体缺陷本身具有较高的能量，在这些位置 形核，可以降低形核功，因此非均匀形核比均匀 形核要容易得多，固态相变时的形核通常是非均 匀形核。
21
第21页/共34页
界面能和体积应变能是固态相变过程的阻力，但在不同条 件下，所起的主导作用不同。 当新旧两相形成共格界面或半共格界面时，相变阻力主要 是体积应变能。 当新旧两相形成非共格界面时，相变阻力主要是界面能。
15
第15页/共34页
8.2.4 相的非均匀形核 8.2.4.1 液相中的非均匀形核
液态金属过冷后，主要的形核障碍是晶核的液－固相 界面使系统自由能升高。
12
第12页/共34页
形核功因子
原子扩散几率因子
13
第13页/共34页
8.2.3.2 固相中的均匀形核
体积自由能差
界面能
体积应变能
14
第14页/共34页
界面能的大小取决于界面的结构和界面成分的变化。固态 相变中形成的界面结构有三种形式，即共格界面、半共格界 面和非共格界面。
固态相变中，体积应变能来自新旧两相的比容差和界面结 构两个因素。应变能由两项组成，一项是由新相和旧相比容 不同所产生的弹性应变能；另一项是由界面上两相晶格不匹 配而产生的弹性应变能。
数学表达式：X = 1 - exp[ - (kt)n ] （式8-12）
31
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构造等温转变图 32 第32页/共34页
End
33
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感谢您的观看！
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*二、按相变方式分类 成核－长大型相变：由程度大，但范围小的浓度起伏开始发生相变 ，并形成新相核心。如结晶釉。 连续型相变(不稳分相)：由程度小，范围广的浓度起伏连续长 大形成新相。 如微晶玻璃。
三、按质点迁移特征分类 扩散型：有质点迁移。 无扩散型：在低温下进行，如：同素异构转变、马氏体转变
马氏体转变：
第 八 章
相 变
Chapter 8 phase transformation
基本概念
相变：指在一定外界条件下，体系中发生的从一相到另一 相的变化过程。
应用：相变可以控制材料的结构和性质。
相变开裂：石英质陶瓷 相变增韧：1）氧化锆陶瓷
狭义相变：过程前后相的化学组成不变，即不发生化学反应。 如：单元系统中。晶体I晶体II 广义相变：包括过程前后相组成的变化。
1) 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。马氏体相变 为一级相变。
3) 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。由于相变时长大的速 率一般很大,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，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。
(2) 相变过程的压力和浓度条件
G RT ln P0 P
P0：饱和蒸汽压 P:过饱和蒸汽压
G RT ln C0 C
RT. C
C
C0：饱和溶液浓度 C：过饱和溶液浓度
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。
3、晶核形成条件 (1) 成核： 长大
消失
由晶核半径 r 与 rK 比较可知
P T P T
1
T
P
2
T
P
(-S1 S2 )
一般类型：晶体的熔化、升华；
液体的凝固、气化；
气体的凝聚以及晶体中的多数晶型转变等。
特 点：有相变潜热，并伴随有体积改变。
二级相变：特点： 相变时两相化学势相等，其一级偏微熵也 相等，而二级偏微熵不等。
即： 1＝2
S1＝S2
1 2(等压膨胀系数)
四、按成核特点分类 均质转变：发生在单一均质中。 非均质转变：有相界面存在。 五、按成分、结构的变化分
重构式转变 位移式转变
玻璃相变
析晶
分相
体积析晶
表面析晶
不均匀成核
均匀成核
亚稳分相
§7－2 液-固相变
一、析晶相变过程的热力学
1、相变过程的不平衡状态及亚稳区
Tg
A BX
C O
结论 a 亚稳区具有不平衡状态。 L b在亚稳区要产生新相必须
g L (凝聚、蒸发) g S (凝聚、升华) L S (结晶、熔融、溶解) S1 S2 (晶型转变、有序-无序转变) L1 L2 (液体) A＋BC 亚稳分相 (Spinodal分相)
§7－1 相变的分类
一、按热力学分类 (P，T) 一级相变和二级相变
一级相变：
1＝ 2
1 2 (V1 V2 )
例如：压电陶瓷BaTiO3 有居里点，理论上是二级相 变，但是也有较小的相变潜 热。
高级相变： 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。
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，自由焓的n-1阶偏导连续，n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， 一般高级相变很少，大多数相变为低级相变。
临界晶胚半径：新相可以长大而不消失的最小晶胚半径
(2)推导 rK 假定在T0时， 相 相
表面积 界面能
系统自由焓的变化 假定晶核为球形
G＝ G1＋ G2 ＝V. GV＋A. ＝4/3.r3n. GV＋4 r2.n.
GV
H. T T0
＋ G
G G1 G2
0
4 r 3 .n. H .T 4r 2 .n.
3
T0
对于析晶 <0
>0 －
rK
r
结论：晶核较小时第二相占优势，晶核较大时第一相占优势.
求曲线的极值来确定 rK。即
(G) 0 r
4n. H .T .r 2 8n .r 0
T0
rK
2T0
H .T
2
GV
+ G
0
-
G2
rK -G1
T3 结论： 1、rK是临界晶胚半径。 rK愈小 ，愈易形成新相。
D
过冷。
E Z
s
说明：阴影区为亚稳区P/
c当加入杂质，可在亚稳区 V 形成新相，此时亚稳区
缩小。 P
原因：当发生相变时，是以微小液滴或晶粒出现，由于颗粒很小， 因此其饱和蒸汽压和溶解度>>平面态蒸汽压和溶解度，在相平衡温 度下，这些微粒还未达到饱和而重新蒸发和溶解。
2、相变过程推动力 (1) 温度条件
1 2(等温压缩系数)
C p1 C p2 (热容量)
V1＝V2 C
T0 T 结论：无相变潜热，无体积的不连续性，只有Cp、、的不连续。
有居里点或点 (二级相变的特征点)
普遍类型：一般合金有序－无序转变、铁磁性－顺磁性转变、超
导态转变等。
二级相变实例
特例
混合型相变：
特点： 同时具有一级相变
和二级相变的特征
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）后经迅速冷却（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。

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。
T2 rK
T1 r
2、 rK与温度关系。要发生相变 必须 过冷。TT0时， T愈小， rK愈大，越不易形成新相。 (熔体析晶，一般rK ＝10～100nm) 3、 影响rK的因素分析。
GT，P 0
在等T，P下， G＝ H－T S
G=0
G0
H－T S＝0
G＝H－TS 0
H， S不随T变化
S＝ H/T0
G＝H－T. H＝H(T0 T )
T0
T0
讨论：
H. T T0
a. 若过程放热， H<0,则 T>0，即T <T0，必须过冷。 b.若过程吸热， H>0,则 T<0，即T > T0，必须过热。 结论：相变推动力可表示为过冷度(T)。