文档介绍：材料科学基础 II
(第五章至第八章)
授课讲稿
孟亮
材料科学基础 II:第五章相变过程
第五章相变过程
§ 5-1 相变的分类
一、按热力学分类
相变前后两相化学势相等但化学势一阶导数不相等的相变,即:
μ1=μ2
∂μ∂μ∂μ∂μ
1 ≠ 2 )()( 1 ≠ 2 )()(
∂ P ∂TT P ∂ T ∂PP T
∂μ∂μ
而)( −= S )( = V
∂T P ∂P T
则 S1 ≠ S2 V1 ≠ V2
即一级相变时会产生熵及体积的突变。
固-液相之间的相变,晶体的熔化、升华,液体的气化,气体的凝聚和晶体中多数晶型
转变等都属于一级相变。
相变前后虽两相化学势及化学势一阶导数相等,但二阶导数不相等的相变,即
μ1=μ2,S1=S2,V1=V2
2 2 2 2 2 2
∂μ1 ∂μ2 ∂ 1 ∂μμ 2 ∂ 1 ∂μμ 2
P ≠ P, T ≠ T , ≠)()()()()()(
∂T 2 ∂T 2 ∂P2 ∂P2 ∂∂∂∂ PTPT
2 2 2
∂μ∂S Cp ∂μ V ∂V ∂μ∂V V ∂V
P −= P −= T = T −= Vβ= P = )()()(,)()(,)()( P =Vα
∂T 2 ∂T T ∂P2 V ∂P ∂∂ pT ∂T V ∂T
5-1
材料科学基础 II:第五章相变过程
1 ∂V 1 ∂V
式中β−= )( 称为压缩系数;α= )( 称为热膨胀系数。
V ∂P T V ∂T P
二级相变时,两相化学势、体积及熵均无突变,但比热CP、β、α均要产生突变。
合金的有序-无序转变;铁磁性、顺磁性转变、超导态转变等都属于二级相变。
级相变
当相变时两相化学势、化学势的一阶导数和二阶导数均相等,但三阶导数不相等时称
三级相变。依次类推,当两相化学势的(n-1)阶导数相等但 n 阶导数不相等时称 n 级相变。
二级以上的多级相变并不常见。
二、按相变方式分类
-生长相变
晶核一经产生,就达到最大浓度,新
相与基体始终存在明显的界面,随后通过溶
质原子由高浓度区向低浓度区下坡扩散来
实现生长。
相变开始阶段出现较小的成分起伏或溶质偏聚,溶质原子从低浓度区向高浓度区进行
上坡扩散,使溶质原子富集区的浓度不断增加,相邻区域溶质不断贫化,最终成为成分不
同的两个平衡相。
特点:无形核阶段;不产生新的晶体结构;不存在明显相界面。
三、按质点迁移特征分类
相变依靠原子(或离子)的长程扩散来进行。
晶型转变;熔体中的析晶;调幅分解;有序化转变;气-固相变;液-固相变等。
相变过程中不存在原子(或离子)的扩散,原子需经有规则的协同位移使点阵改组。
低温下进行的纯金属同素异构转变;马氏体相变等。
5-2
材料科学基础 II:第五章相变过程
§ 5-2 纯金属的结晶(液-固相转变)
一、结晶过程
结晶:金属原子由液态混乱排列转变为规则排列的固态晶体过程。
结晶概念的拓展:
(1)金属由液态变为固态不一定是结晶,因为有可能成为非晶态,应称为凝固。
(2)由一种固态结构变为另一种固态结构的相变过程,有时也笼统称为结晶。
说明:每个晶核生长成一个晶粒;在无其它限制条件下,晶粒位向是随机的;结晶=形
核+核长大;每个晶粒相当于一个小单晶体;若晶粒在三维方向上有相同的生长速率,则
称为等轴晶粒。
(1)冷却曲线
Tm —金属熔点。
Tn —实际开始结晶温度。
结晶潜热Lm—混乱排列的液态原子在结
晶成为整齐排列的固态原子过程中,从内能
较高状态转变为内能较低状态所释放出的
热量。
5-3
材料科学基础 II:第五章相变过程
熔体冷却期:T>Tm,未过冷熔体,系统热量散失过程。
孕育期:Tm>T>Tn , 过冷熔体,开始形核,但结晶潜热小于散失热量。
初始期:Tn<T<T平台,开始形核+核长大,较快结晶,结晶潜热大于散失热量。
平衡结晶期:T=T平台< Tm,持续核长大+形核,结晶潜热与散失热量动态平衡,出现结
晶“平台”温度,略低于Tm约 ~℃。根据相律,此时有:
f(自由度)=C(组元数)-P(相