材料化學(xué) 課件 4 相和相變-2 相變

相變分類：

成核-生長機(jī)理（nucleation-growthtransition）斯賓那多分解（spinodaldecomposition）馬氏體相變（martensitephasetransformation）有序-無序轉(zhuǎn)變（disorder-ordertransition）相變按物質(zhì)狀態(tài)劃分從熱力學(xué)角度劃分按相變發(fā)生的機(jī)理來劃分按相變發(fā)生的機(jī)理來劃分相變分類：（1）nucleation-growthtransition

成核-生長機(jī)理是最重要最普遍的機(jī)理，許多相變是通過成核與生長過程進(jìn)行的。這兩個(gè)過程都需活化能。如：單晶硅的形成、溶液中析晶等（2）Spinodal分解

又稱為不穩(wěn)定分解，拐點(diǎn)分解，是由于組成起伏引起的熱力學(xué)上的不穩(wěn)定性而產(chǎn)生的

相變按物質(zhì)狀態(tài)劃分從熱力學(xué)角度劃分按相變發(fā)生的機(jī)理來劃分亞穩(wěn)和不穩(wěn)的主要差別相變亞穩(wěn)不穩(wěn)成分第二相組成不隨時(shí)間變化第二相組成隨時(shí)間而連續(xù)向兩個(gè)極端組成變化，直至達(dá)到平衡組成形貌第二相分離成孤立的球形顆粒第二相分離成有高度連續(xù)性的非球形顆粒有序顆粒尺寸和位置在母液中是無序的第二相分布在尺寸上和間距上均有規(guī)則界面在分相開始界面有突變分相開始界面是彌散的逐漸明顯能量分相需要位壘不存在位壘擴(kuò)散正擴(kuò)散負(fù)擴(kuò)散時(shí)間分相所需時(shí)間長；動(dòng)力學(xué)障礙大分相所需時(shí)間極短；動(dòng)力學(xué)障礙?。?）Spinodal分解Spinodal分解是指固溶體在其Spinodal線以下，無窮小的成分漲落長大擴(kuò)展，最后導(dǎo)致分解上坡擴(kuò)散和下坡擴(kuò)散Spinodal分解與形核長大型的分解不同，無形核位壘，它是靠在固溶體整體中大量的微小空間中微小漲落的不斷上漲并擴(kuò)展而進(jìn)行，擴(kuò)散是沿著成分梯度的正方向進(jìn)行的，即上坡擴(kuò)散，而沉淀相的形核長大則為下坡擴(kuò)散相變Spinodal分解的原理：與形核長大型的分解不同，不需要越過形核位壘。許多合金系統(tǒng)出現(xiàn)溶解間斷區(qū)，在此間斷區(qū)內(nèi)自由能成分曲線上有兩個(gè)變曲點(diǎn)，不同溫度下變曲點(diǎn)的連線稱為化學(xué)變曲軌跡線，恰在此線上自由能對(duì)成分的二階導(dǎo)數(shù)為零值，在變曲線以下二階導(dǎo)數(shù)為負(fù)值，在變曲線以上為正值。當(dāng)二階導(dǎo)數(shù)為負(fù)時(shí)，微小的成分漲落就可以造成周圍固溶體的失穩(wěn)，微小漲落的成分振幅自發(fā)增高相變Spinodal分解的優(yōu)勢和應(yīng)用：一般的沉淀過程在理論上比較難以處理，而Spinodal分解卻可以通過解一個(gè)（改進(jìn)的）一維擴(kuò)散方程得到接近真實(shí)定量的處理實(shí)際上，Spinodal分解提供了一種產(chǎn)生極彌散分布的組織結(jié)構(gòu)的途徑，從而可用于改善材料的某些性能合金的力學(xué)性能往往受到第二相的影響，特別是當(dāng)其以彌散的形態(tài)存在時(shí)相變相變分類：（3）馬氏體相變馬氏體相變最早在中、高碳鋼冷淬火后被發(fā)現(xiàn)，將鋼加熱到一定溫度（形成奧氏體）后經(jīng)迅速冷卻（淬火）即會(huì)使鋼變硬、增強(qiáng)。這種淬火組織具有一定特征，稱其為馬氏體。最早把鋼中的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的相變稱為馬氏體相變。后來發(fā)現(xiàn)純金屬和合金也具有馬氏體相變。相變按物質(zhì)狀態(tài)劃分從熱力學(xué)角度劃分按相變發(fā)生的機(jī)理來劃分馬氏體相變的特點(diǎn)馬氏體相變?cè)趧?dòng)力學(xué)和熱力學(xué)上都有自己的特征，但最主要的特征是在結(jié)晶學(xué)上，這種轉(zhuǎn)變發(fā)生時(shí)，新舊成分不變，原子只做有規(guī)則的重排而不進(jìn)行擴(kuò)散母相和馬氏體之間不改變結(jié)晶學(xué)方位的關(guān)系，新相總是沿著一定的晶體學(xué)面形成，新相與母相之間有嚴(yán)格的取向關(guān)系相變時(shí)不發(fā)生擴(kuò)散，是一種無擴(kuò)散轉(zhuǎn)變，馬氏體相變?yōu)橐患?jí)相變。馬氏體轉(zhuǎn)變速度很快，有時(shí)高達(dá)聲速馬氏體相變過程也包括成核和長大。由于相變時(shí)長大的速率一般很大，因此整個(gè)動(dòng)力學(xué)決定于成核過程，成核功也就成為相變所必需的驅(qū)動(dòng)力。也就是說，冷卻時(shí)需過冷至一定溫度使具有足夠的成核驅(qū)動(dòng)力時(shí)，才開始相變相變相變分類：（4）有序-無序相變

舊相和新相結(jié)構(gòu)只是對(duì)稱性的改變，相變過程以有序參量表征的相變

有序-無序的轉(zhuǎn)變是固體相變中的另一種機(jī)理，屬擴(kuò)散性相變?nèi)缂饩Y(jié)構(gòu)的磁性體Fe3O4，室溫下Fe3+Fe2+無序排列，但在120K以下，F(xiàn)e3+Fe2+占居各自的位置呈有序排列，有序-無序轉(zhuǎn)變的溫度稱居里點(diǎn)相變按物質(zhì)狀態(tài)劃分從熱力學(xué)角度劃分按相變發(fā)生的機(jī)理來劃分有序度：通常用“有序度”來表征物質(zhì)的有序化程度。它表示不同原子在晶胞中占據(jù)相應(yīng)各自點(diǎn)陣位置的百分?jǐn)?shù)。由于溫度或其他因素的影響，合金在不同條件下的有序化程度不同。低于臨界溫度Tc，合金發(fā)生有序轉(zhuǎn)變。Tc的高低與有序化能V0有關(guān)。當(dāng)合金完全無序、原子統(tǒng)計(jì)隨機(jī)分布在各個(gè)點(diǎn)陣位置點(diǎn)時(shí)，其有序度為0。當(dāng)完全有序，即不同原子分別占據(jù)各自的點(diǎn)陣位置時(shí)，其有序度為1相變無序態(tài)和有序態(tài)在固溶體內(nèi)，溶質(zhì)的原子進(jìn)入溶劑點(diǎn)陣是完全雜亂無章的。在原點(diǎn)陣上，溶質(zhì)原子和溶劑原子無規(guī)則地排列著，這代表一種無序態(tài)；在某些情形，對(duì)于無序替代式固溶體合金，當(dāng)緩慢地從高溫冷卻至室溫或在室溫長時(shí)間退火后，原子重復(fù)排列，不同的原子占據(jù)了點(diǎn)陣中的一定位置。這就稱為原子經(jīng)重新排列后產(chǎn)生了一種有序態(tài)；在組成合金的組元之間，若同類原子間的結(jié)合較弱而異類原子間結(jié)合較強(qiáng)時(shí)，則其固態(tài)晶體中的原子(或離子)將呈三維周期性的排列。合金中每個(gè)原子(或離子)的位置相對(duì)其它原子(或離子)而言，在點(diǎn)陣中是固定的，這樣的晶體點(diǎn)陣排列狀態(tài)，稱完全有序態(tài)。相變超結(jié)構(gòu)：一般而論，固溶體中的原子的分布是與溫度有關(guān)的。在低溫為有序態(tài)的固溶體到高溫就變成無序了。這種有序、無序的變化從熱力學(xué)的觀點(diǎn)看，和有些鐵磁性物體經(jīng)居里點(diǎn)的變化相似。當(dāng)原子處在完全有序態(tài)時(shí)，它們實(shí)際上組成了一種新點(diǎn)陣，叫作超點(diǎn)陣。超點(diǎn)陣往往相比于無序固溶體原有的點(diǎn)陣大一些。這是因?yàn)樵谕耆行虻墓倘荏w內(nèi)，真正的點(diǎn)陣矢量必須是連接相似“原子”的矢量，而不僅是在原子座的骨架中連接相似