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第6章 固态相变的基本原理
6.1 复习笔记
一、固态相变的分类与特征 1．固态相变的分类 （1）按热力学分类 ①一级相变
一级相变时，两相的化学位相等，一阶偏导数不等，即
一级相变时，两相的体积和熵发生不连续变化。 ②二级相变
二级相变时，两相的化学位、一阶偏导数均相等，二阶偏导数不等，即
二级相变时，两相的体积和熵发生连续变化，只有热容、膨胀系数及压缩系数发生不连续变化。
（2）按动力学分类
按照原子迁移的动力学方式分为扩散型相变、非扩散型相变以及过渡型（或称半扩散型）
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www.100xuexi.com 相变。
2．固态相变的特征
圣才电子书 十万种考研考证电子书、题库视频学习平台 固态相变有如下一些重要特征 （1）原子的扩散速度
a．对于扩散型固态相变，由于新旧两相的化学成分不同，相变时必须有原子的扩散； b．当相变温度较高时，即扩散不是决定性因素的温度范围内，随着温度的降低，即过冷度的增大，相变驱动力增大，相变速度加快；
c．当过冷度增大到一定程度，扩散成为决定性因素时，进一步增大过冷度，反而使相变速度减小。
（2）形核特点 ①非均匀形核
a．固态相变主要是非均匀形核，这是因为固态介质中有各种点、线、面、体结构缺陷，这些缺陷分布很不均匀，能量水平不同，从而为非均匀形核创造了条件；
b．如果晶核在缺陷处形成能使缺陷消失，则缺陷储存的能量就会被释放，可以降低甚至克服形核能垒。缺陷能量越高，越能促进形核。
②固态相变的三种界面 a．共格界面； b．半共格界面； c．非共格界面。 ③晶核的位向关系
固态相变时，新旧相间往往存在存在K-S关系，有些与K-S关系稍有偏差，原因是影响晶核取向的不仅仅是界面能，也与共格应变能有关。
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www.100xuexi.com （3）长大特点 ①惯习现象
圣才电子书 十万种考研考证电子书、题库视频学习平台 a．惯习现象是指固态相变时，新相多易沿母相一定的晶面和晶向以针状或片状等形式成长，也就是这些形状的新相往往沿一定的方向躺卧在母相的特定晶面的现象。
b．惯习面和惯习方向通常用母相的晶面和晶向指数表征。 ②共格性长大和非共格性长大
a．对于扩散型相变，新相长大是通过非共格相界面的扩散性移动，即使在形核阶段形成了界面能低的共格界面，从而促进了形核。
b．对于非扩散型相变，新相长大是依靠相界面按切变方式进行的，只有在维持两相的共格关系时才能氏大，不论在形核阶段还是在长大阶段都必须维持界面的共格性。
③过渡相
过渡相是晶体结构或化学成分，或者两者都处于新旧两相之间的一种亚稳相。
二、相变热力学 1．热力学基本原理 （1）热力学定律 ①热力学第一定律
dU＝δQ－δW
②热力学第二定律
③最小自由能原理
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www.100xuexi.com 圣才电子书 十万种考研考证电子书、题库视频学习平台 最小自由能原理熵判据只适合于孤立系统。 a．吉布斯（Gibbs）自由能G（或称自由焓）
F＝U－TS；G＝H－TS
b．热力学判据
dF≤0；dG≤0
（2）热力学函数基本关系式
①材料科学中热力学函数间的转换关系式
dU＝TdS－pdV；dH＝TdS＋Vdp；dF＝－SdT－pdV；dG＝－SdT＋Vdp。 ②自由能函数F和G可以看是任意两个热力学参量的状态函数，对它们全微分有
（3）化学位
①化学位或称偏摩尔吉布斯自由能定义为
②在恒温恒压条件下，合金系统的自由能判据为
2固态相变的形核
固态相变都要经历形核与晶核长大过程。按形核是否对时间敏感，可以将其分为热激活
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www.100xuexi.com 形核和非热激活形核。
（1）均匀形核
圣才电子书 十万种考研考证电子书、题库视频学习平台 ①晶核的临界半径、临界体积和形核功分别为
a．临界半径（或体积）越大，临界尺寸的晶核数越少；
b．形核功越大，自由能增加就越多，临界半径和形核功越大，形核越难。 ②固态相变的形核率表达式
式中k为玻耳兹曼常数，K为比例常数。 ③影响固态相变因素 a．相变驱动力
第一，相变驱动力与温度的关系
式中
为相变潜热。
第二，相变驱动力与成分的关系
说明形成理想固溶体的自由能比纯组元的自由能低。
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陶杰《材料科学基础》复习笔记(固态相变的基本原理)【圣才出品】
