固态相变原理Ch2-1概论.ppt

1、固态相变原理,朱景川,哈尔滨工业大学材料学院,固态相变特征与分类 本章内容 经典形核理论与长大机制 宏观动力学与相变产物粗化,第二章 固态相变概论,非匀相固态 相变理论,局域或扩展：金属-非金属转变,材料 相变,结构,成分,广义：电子态,狭义：物态、晶型、原子位置或分子取向,电子自旋有序：磁性转变,相对变化：孤立或封闭体系，成分分布,绝对变化：开放体系,脱溶沉淀：结构与成分,相变 耦合,压电晶体：铁电与铁弹相变耦合,铁磁相沉淀：结构、成分与自发磁化,1. 基本概念,孤立系统 封闭系统 敞开系统,(1)系统与环境,S2-1 相变热力学基础,微正则系综(NVE),正则系综(NVT),巨正则系综(V

2、T),(2)状态与性质,(3)过程与平衡,宏观状态 状态函数体系性质,微观状态,平衡态可逆过程, 微观结构,(5)对称性与守恒定律,诺特尔(德国女数学家18831935)定理,(4)等价状态与对称操作,(6)对称破缺与系统的演化,当系统所受合外力不为零时，空间平移对称性破缺,系统运动,时间反演对称性,保守系统,非保守系统,时间反演对称破缺,过程的方向,热力学第二定律,2. 热力学第一定律,3. 熵,4. 热力学第二定律,可逆过程,不可逆过程,平衡状态,自发过程,应用范围？,5. 恒压过程复合量焓,6. 自由能,对恒温恒容可逆过程：,体系总能量中具有做非体积功能力的那部分能量。,亥姆霍兹自由能,

3、对恒温恒压可逆过程：,吉布斯自由能,7. 自由能判据,，自发过程,，平衡状态,，自发过程,，平衡状态,恒温恒容,恒温恒压,8.热力学的基本公式,封闭体系只做体积功的可逆过程,9.热力学势与体系性质的关系,特殊性： (1)固态形核和长大 (2)晶体缺陷的作用,共性：相变的驱动力,S2-2 固态相变特征,母相的约束,界面能增加 额外弹性应变能 扩散困难,相变 阻力大,1. 相界面,纯铁中的半共格界面,2. 应变能,(1) 体积应变能,(2) 界面应变能(共格应变能),正应变维持的第一类共格界面(a) 与切应变维持的第二类共格界面(b),3. 位向关系,Appl.Phys.Lett.,Vol.84(

4、24),4872,Ti-6Al-4V合金快速升温马氏体相变,0002a/110b a/b,Burges取向关系,3. 位向关系,TA15钛合金锻态组织与位向关系,TA15钛合金相三维形态与取向,3. 位向关系,ZrO2-Ni FGM中陶瓷/金属相界面,(半)共格界面,位向关系,，反之不亦然,非共格界面,无位向关系,，反之不亦然,相界面与位向关系之关系,4. 惯习面,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 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。,镍基合金中片状-Ni3Nb相分布形态 a)相在基体中的分布 b)片表面平行入射束时形态 c) 基体110晶带衍射花

5、样,4. 惯习面,不倾转平面：略有畸变，某些扩散型相变中存在,不变平面：无畸变无倾转，马氏体转变特征,惯习面,高锰TRIP钢中形变诱发马氏体组织,6. 过渡相,结构势垒： 界面势垒： 应变势垒： 浓度势垒：,5. 晶体缺陷的作用,S2-3 固态相变的分类,常见的固态相变分类法,1 按热力学分类,热力学势(自由能)对温度或压力的偏导数在相变点的数学特性,S2-3 固态相变的分类,(n-1)阶偏导连续 n阶偏导不连续,n级相变,例如：一级相变,当T=Tc（或P=Pc），,一级相变中热力学势及其偏导的变化,(1) 体积变化,(2) 相变潜热,(3)相变滞后,一级相变特征,两相共存（过冷、过热亚稳母相

6、与新相）,由1相转变为2相时， ,而且自由能的一阶偏导数也相等， 只是自由能的二阶偏导数是不相等的,二级相变,但,其中,压缩系数；,热膨胀系数。,故二级相变时,即在二级相变时，体积和焓均无突变，而,、,及,具有突变。,二级相变中热力学势及其偏导的变化,(1) 无体积变化与相变潜热; (2) 无相变滞后和两相共存 (3)热力学势二阶导数不连续，导致某种对称性的破缺，引起某种物理性质的变化。,连续相变,二级相变特征,铁磁相变一般是二级相变 但已发现个别属于一级相变的铁磁相变： 例如：MnAs中的铁磁-顺磁相变 KMnF3的反铁磁-顺磁相变,C.P.Bean,D.S.Rodbell. Physica

7、l Review, 1962,126(1):104-115,玻色-爱因斯坦理论凝聚是上世纪二十年代理论预言。 1995年起陆续实现了Rb（铷）锂等碱金属气体原子BEC，已获得试验证实， 获诺贝尔奖（2001年）。,三级相变,玻色-爱因斯坦凝聚,系统可分为两个热力学“相”：一个相由动量为零的粒子组成，令一个由动量不为零的粒子组成。,玻色-爱因斯坦凝聚是在粒子动量空间的凝聚或有序,BoseEinstein condensate(BEC),Velocity-distribution data of a gas of rubidium （銣）atoms, confirming the discovery of a new phase of matter, the BoseEinstein condensate,a state of matter of a dilute gas of weakly inte