CH9相变分析

• （2）亚稳定区与不稳区的划分
• 在低于Tk温度的吉布斯自由能一组成的驼峰状曲线上， 有两个上凹部分和一个下凹部分组成。由上凹部分到下凹 部分的转折处为拐点。每条曲线上有两个拐点。各温度下 曲线上驼峰的拐点在相图上对应的轨迹连线称为亚稳曲线， 如图11－14中的S3-S2- S1- S1′-S2′-S3′曲线。此曲线为 亚稳定区和不稳区的分界线。各温度下吉布斯自由能一组 成曲线上公切点在相图上对应的轨迹连线为不混溶区界线。 如图中实线所表示的。亚稳曲线与不混溶界线之间的区域 （N区）为亚稳定区（成核一生长区）；亚稳曲线所围成 的区域（S区）为不稳区。不混溶区界限顶端对应的温度 T一k为组该成系曲统线产上生。分拐相点的处临( 界2G温/ 度2。C)在＝驼0，峰在状上吉凹布部斯分自的由区能 域（成核一生长区）( 2G/ 2C)>0，在下凹部分的区域 ( 2G/ 2C)<0。
• 9.4.3马氏体相变 • 马氏体相变的主要特征： • （1）检查马氏体相变的重要结晶学特征是相变后存在习
3.晶核形成条件 形成新相，系统在整个相变过程中的自由能变化为：
9.2.2液-固相变过程动力学
1.晶核形成过程的动力学
（1）均匀成核：晶核从均匀的单相熔体中产生的概率处 处是相同的。
（2）非均匀成核：借助于表面、界面、微粒裂纹、器壁以 及各种催化位置等而形成晶核的过程。
晶核形成一个具有临界大小的球 冠粒子，这时成核位垒为：
克拉斯汀对相变动力学方程作了进一步校正，导出公式：
转变开始阶段：
形成新相晶核的速率1、 的影响较大，新相长大速 度u的影响稍次，曲线平缓， 这阶段主要为进一步相变 创造条件，故称为“诱导 期”。
中间阶段：
由于大量新相晶核已存在，故可以在这些核上长大，此 时u较大，而它是以u3形式对Vβ /V产生影响，所以转化率迅 速增长，曲线变陡，类似加人催化剂使化学反应速率加快， 故称为“自动催化期”。

第九章相变过程内容提要在一定条件（温度、压力或特定的外场等）下，物质将以一种与外界条件相适应的聚集状态或结构形式存在，这种形式就是相。

相变是指在外界条件发生变化的过程中，物相于某一特定的条件下（或临界值时）发生突变。

突变可以体现为：（1）从一种结构变化为另一种结构，例如气相、液相和固相间的相互转变，或在固相中不同晶体结构或聚集状态之间的转变；（2）化学成分的不连续变化，例如固溶体的脱溶分解或溶液的脱溶沉淀；（3）某些物理性质突变，如顺磁体－铁磁体转变，顺电体－铁电体转变，正常导体－超导体转变等，反映了某一种长程有序相的出现或消失；又如金属－非金属转变，液态－玻璃态转变等，则对应于构成物相的某一种粒子（电子或原子）在两种明显不同的状态（如扩展态与局域态）之间的转变。

上述三种变化可以单独地出现，也可以两种或三种变化兼而有之。

如脱溶沉淀往往是结构与成分的变化同时发生，铁电相变则总是和结构相变耦合在一起的，而铁磁相的沉淀析出则兼备三种变化。

相变在无机材料领域中十分重要。

例如陶瓷、耐火材料的烧成和重结晶，或引入矿化剂控制其晶型转化；玻璃中防止失透或控制结晶来制造各种微晶玻璃；单晶、多晶和晶须中采用的液相或气相外延生长；瓷釉、搪瓷和各种复合材料的熔融和析晶；以及新型铁电材料中由自发极化产生的压电、热释电、电光效应等都可归之为相变过程。

相变过程中涉及的基本理论对获得特定性能的材料和制订合理工艺过程极为重要，目前已成为研究无机材料的重要课题。

相变理论要解决的问题是：（1）相变为何会发生？（2）相变是如何进行的?前一个问题的热力学答案是明确的，但不足以解决具体问题，有待于微观理论将一些参量计算出来。

后一个问题的处理则涉及物理动力学（physical kinetics）、晶格动力学、各向异性的弹性力学，乃至于远离平衡态的形态发生（morphogenesis）。

这方面的理论还处于从定性或半定量阶段向定量阶段过渡的状态。

Ansys作业——相变分析步骤：（1）定义单元类型选择Thermal Solid和Quad4 node5单元，单元属性选择Axisymmetric；定义材料属性：设置水的密度、导热率以及焓参数。

水的焓参数变化曲线（2）创建几何模型，划分有限元网格（3）施加初始温度，施加对流载荷（4）设置求解选项，显示沿半径方向的温度分布（5）显示温度场分布云图(6)显示冰和水的区域10分钟后冰水分解示意图步骤：（1）定义单元类型，选择Thermal Solid、Quad 4node55和Brick 20node90单元.定义材料属性：导热系数、密度以及焓变参数等。

（2）创建几何模型，划分有限元网格（3）施加温度载荷（4）设置求解选项，然后求解，显示60分钟后的温度分布云图（5）计算冰完全融化的时间第7827秒后温度场分布等值线云图从图中可以看出，7827秒后的最低温度为-0.001732℃，接下来我们用相同的方法查看第7828秒的温度分布等值线云图。

从图中可以看出，7828秒后的最低温度为0.0025℃，表明冰莹完全融化。

所以在第7828秒冰完全融化为水。

（6）绘制A点温度随时间变化曲线A点温度随时间变化曲线（7）绘制B点温度随时间变化曲线B点温度随时间变化曲线（1）定义单元类型，选择Thermal Solid、Quad 4node 55单元；定义材料属性：导热系数、砂模密度、砂模比热以及温度、焓变参数。

（2）创建几何模型（3）划分网格（4）施加温度载荷（5）求解查看结果读入最后一步的分析结果，查看600秒后铸件和砂模的温度等值线云图600秒后铸件和砂模的温度等值线云图600秒后砂模的温度等值线云图命令流文件：finish/clear/filname,thermal/title,haha/prep7et,1,55mp,kxx,1,0.35mp,dens,1,1520mp,c,1,816MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,25MPTEMP,2,1533MPTEMP,3,1595MPTEMP,4,1670MPDATA,KXX,2,,28.8MPDATA,KXX,2,,31.2MPDATA,KXX,2,,24.5MPDATA,KXX,2,,24.5MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,25MPTEMP,2,1533MPTEMP,3,1595MPTEMP,4,1670MPDATA,ENTH,2,,7.8886e-31 MPDATA,ENTH,2,,7.5e9 MPDATA,ENTH,2,,9.6e9 MPDATA,ENTH,2,,1.1e10k,1,0.01,0.01k,2,0.01,0.04k,3,0.02,0.04k,4,0.02,0.03k,5,0.08,0.03k,6,0.08,0.04k,7,0.09,0.04k,8,0.09,0.01k,9,0.08,0.01k,10,0.08,0.02k,11,0.02,0.02k,12,0.02,0.01*DO,I,1,11,1L,i,i+1*ENDDOL,1,12AL,allrectng,0,0.1,0,0.05aovlap,all/pnum,area,1aplotNUMCMP,AREAesize,0.002mat,2amesh,1mat,1amesh,2/pnum,area,0/REPLOTfinishsave/soluantype,4TRNOPT,FULLLUMPM,0TIME,0.01AUTOTS,-1DELTIM,0.01,,,1KBC,0TSRES,ERASETIMINT,0TINTP,0.005,,,-1,0.5,-1, asel,s,,,1nsla,s,1d,all,temp,1670allselasel,s,,,2nsla,s,1d,all,temp,25allsellsel,s,,,13lsel,a,,,14lsel,a,,,15lsel,a,,,16nsll,s,1sfl,all,conv,65,,100allselsolve/SOLLUMPM,0TIME,600DELTIM,3,3,10KBC,0.0OUTRES,ERASEOUTRES,ALL,ALLTIMINT,1ddele,all,tempsolve/POST1SET,LASTPLNSOL, TEMP,, 0finish。

最早是英国物理学家安德普斯(1813-1885) 三,等温相变[最早是英国物理学家安德普斯(1813-1885) 1869年作的 等温压缩实验] 年作的CO 于1869年作的CO2等温压缩实验]
1,等温压缩:等温压缩是汽液相变的方法之一.现以CO2为例将其 等温压缩:等温压缩是汽液相变的方法之一.现以CO 液相变的方法之一 进行等温压缩,所得到的实验结果( 如左下图所示. 进行等温压缩,所得到的实验结果(等温线 )如左下图所示. B段是液化以前气体的等温 A B段是液化以前气体的等温 压缩过程, 压缩过程,压强随着体积的减小而增 大,继续压缩时就出现液体 .在液 化过程B C中 压强P 保持不变, 化过程B C中,压强P0 保持不变,此 过程中的每一状态都是汽 液两相平 衡共存的状态, 衡共存的状态,因此压强 P0就是这 一温度下的饱和蒸汽压. 一温度下的饱和蒸汽压.C点相当于 D段就是 汽体全部液化的状态. 汽体全部液化的状态.而C D段就是 液体的等温压缩的过程. 液体的等温压缩的过程.
( p0 +
ν RT
V
) p = p
( 2)
最后联立( 最后联立(1)和(2)式得到: 式得到:
p +
β
V
1/3
= p0 +
ν RT
V
分析此公式可知,当温度升高时,饱和蒸汽压增大, 分析此公式可知,当温度升高时,饱和蒸汽压增大,这时必 才能保持平衡.体积增大时,( RT/V)要 ,(ν 须增 大体积 V 才能保持平衡.体积增大时,(νRT/V)要 减小得快一些,因此可以到新的平衡. 比(β/V1/3)减小得快一些,因此可以到新的平衡.但随着 温度的升高,气泡不断胀大.当饱和蒸汽压P0增大到外界压强 温度的升高,气泡不断胀大.当饱和蒸汽压P P时,就不能再靠汽泡的胀大来保持平衡,此时附在器壁上和杂 就不能再靠汽泡的胀大来保持平衡, 质微粒上的汽泡便急剧胀大并迅速上浮从液体冒出, 质微粒上的汽泡便急剧胀大并迅速上浮从液体冒出,因此液体就 急剧汽化了. 急剧汽化了. 由此可见,沸点就是饱和蒸汽压等于外界压强的温度. 由此可见,沸点就是饱和蒸汽压等于外界压强的温度.因为 饱和蒸汽压必须增大到与外界压强相等时才能汽化, 饱和蒸汽压必须增大到与外界压强相等时才能汽化,所以沸点随 外界压强度增大而升高. 外界压强度增大而升高.