机械材料中的相变是什么意思?
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发布时间：2022-05-02 20:20
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时间：2022-06-26 20:08
一,相(phase)
什么是相
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.
二,相变(phase transformation)
1.相变
随自由能变化而发生的相的结构的变化称为相变.
2.相变过程
相变过程:物质从一个相转变到另一个相的过程.
a)狭义的相变过程
相变前后化学组成不发生变化的过程,相变过程是个物理过程而不涉及化学反应,如液体蒸发,α-石英与α-磷石英间的转变.
b )广义的相变过程
包括过程前后相的组成发生变化的情况,相变过程可能有反应发生
第二节 相变的分类
分类方法有很多,目前有以几种:
一,按物质状态划分
二,从热力学角度划分
三,按相变发生的机理来划分
一,按物质状态划分:
液相(liquid)→固相(solid) →气相(gas)
二,从热力学角度划分:
根据相变前后热力学函数的变化,可将相变分为一级相变,二级相变和高级相变
1.一级相变:在临界温度,压力时,化学位的一阶偏导数不相等的相变.
两相能够共存的条件是化学位相等.
相变时:体积V,熵S,热焓H发生突变
2.二级相变:在临界温度,临界压力时,化学位的一阶偏导数相等,而二阶偏导数不相等的相变.
因为: 恒压热容
材料压缩系数
材料体膨胀系数
所以二级相变时,系统的化学势,体积,熵无突变,
但
所以热容,热膨胀系数,压缩系数均不连续变化,即发生实变.
3. __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*相变.
实例:量子统计爱因斯坦玻色凝结现象为*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.
三, 按相变发生的机理分类
1,成核-生长机理(nucleation-growth transition)
2,斯宾那多分解(spinodal decomposition)
3,马氏体相变(martensite phase transformation)
4,有序-无序转变(disorder-order transition)
1.nucleation-growth transition
成核-生长机理是最重要最普遍的机理,许多相变是通过成核与生长过程进行的.这两个过程都需活化能.如,单晶硅的形成,溶液中析晶等.
2,Spinodal分解
又称为不稳定分解,拐点分解或旋节分解,是由于组成起伏引起的热力学上的不稳定性而产生的.
图1 浓度剖面示意图
表1 两种相变机理的主要差别
3,马氏体相变:
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.
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.
4,有序—无序相变:
旧相和新相结构只是对称性的改变,相变过程以有序参量表征的相变.
有序-无序的转变是固体相变中的另一种机理,属扩散性相变.
大多数相变过程都具有成核-生长相变机理.大量的晶型转变包括简单地分解为二相区域的转变,都可以用成核-生长过程来描述.在这种过程中,新相的核以一种特有的速率先形成,接着这个新相再以较快的速度生长.亚稳相到稳定相的不可逆转变.通常是以成核-生长的方式进行.
第二节 成核-生长相变
一,相变过程的不平衡状态及亚稳区
从热力学平衡的观点看,将物体冷却(或者加热)到相转变温度,则会发生相转变而形 成新相,从图2的单元系统T-P相图中可以看到,OX线为气-液相平衡线(界线);OY线为液-固相平衡线;OZ线为气—固相平衡线.当处于A状态的气相在恒压P'冷却到B点时,达到气-液平衡温度,开始出现液相,直到全部气相转变为液相为止,然后离开B点进入BD段液相区.
但是实际上,要冷却到比相变温度更低的某一温度例如C,(气-液)和E(液-固)点时才能发生相变,即凝结出液相或析出固相.这种在理论上应发生相变 而实际上不能发生相转变的区域(如图2所示的阴影区)称为亚稳区.
在亚稳区内,旧相能以亚稳态存在,而新相还不能生成.
图2 单元系统相变过程图
由此得出:
(1)亚稳区具有不平衡状态的特征,是物相在理论上不能稳定存在,而实际上却能稳定存在的区域;
(2)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,这就是过冷却的原因;
(3)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.
