第8章-材料中的相变重点.pptVIP

已知新相形成时除过界面能以外单位体积自由焓变化为1×108J/m3，比表面能为1 J/m2，应变能可以忽略不计。试计算界面能为体积自由能的1%时球形新相的半径。与临界半径比较，此时的新相能否稳定长大？形成此新相时系统自由焓变化为多少？ 8.11何谓均匀成核 ? 何谓不均匀成核 ? 晶核剂对熔体结晶过程的临界晶核半径 r*有何影响 ?  解：均匀成核——在均匀介质中进行，在整体介质中的核化可能性相同，与界面，缺陷无关； 非均匀成核——在异相界面上进行，如容器壁，气泡界面或附着于外加物（杂质或晶核剂）； 简述过冷度⊿T对晶核形成速率Iv和晶体生长速率U的影响，以及如何获得粗晶？ 过冷度对于液－固相变过程的成核和晶体生长的影响较大。首先，过冷度是液－固相变的推动力，当体系处于过冷状态时，核胚才能形成稳定的晶核。随着过冷度的增加，晶核形成的推动力增加，因此，晶核形成的速率加快。但若过冷度过大，则会导致体系内质点扩散速率减慢，从而导致晶核形成速率降低。因此，当过冷度适当时，才可能使成核速率达到最大。 对于晶体生长速度而言，存在着与成核过程类似的影响，但晶核形成后，晶体生长的速度主要取决于质点的扩散速率，因此，对应于晶体生长速率最大的过冷度要比成核速率最大时过冷度低。对于总的结晶速率而言，只有当成核速率和晶体生长速度均较大时，其总结晶速率才能达到最大。 当过冷度较低时，晶体生长速率较大，而成核速率较小，此时，晶体晶粒大，但不多，由此可获得粗晶。 5、影响结晶速率的因素P428 本章重点提示： 什么是相变、相变过程，相变过程的分类，相变推动力，相变过程的温度条件。 析晶的两个过程(成核与长大)，均态核化和非均态核化的含义；均态核化的临界半径和相变活化能；非均态核化的相变活化能与均态核化的相变活化能的关系，从理论上进行解释；核化速率和晶化速率与温度的关系，画图说明，并指出形成晶体或玻璃有利的温度区间。总的结晶速率用什么表征。 分析影响结晶速率的因素。 作业：8.10，8.11，8.14， * 从热力学平衡的观点看，将物体冷却（或者加热）到相变温度，则会发生相变而形成新相。由图9-5的单元系统T－P相图中可以看到，OX线为气－液相平衡线；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’下冷却到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。继续冷却到D点达到液－固反应温度，开始出现固相。直至全部转变为固相，温度才能下降离开D点进入DP‘段的固相区。 ????但实际上，当温度冷到B或D的相变温度时，系统并不会自发产生相变，也不会有新相产生。而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，即凝聚成液相或析出固相。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9-5所示的阴影区）称为介稳区。在介稳区内，旧相能以亚稳态存在，而新相还不能生成。这是由于当一个新相形成时，它是以一微小液滴或微小晶粒出现。由于颗粒很小，其饱和蒸汽压和溶解度远高于平面状态的蒸汽压和溶解度，在相平衡温度下，这些微粒还未达到饱和就重新蒸发和溶解。 * 均匀单相并处于稳定条件下的熔体或溶液，一旦进入过冷或过饱和状态，系统就具有结晶的趋向，但此时所形成的新相的核胚十分微小，其溶解度很大，很容易溶入母相熔体（溶液）中。只有当新相的晶核形成足够大时，它才不会消失而继续长大形成新相。 * 从液相形成晶核，不仅包含了一种液固相的转变，而且还需要形成固－液界面，这使体系在能量上出现两个变化：① 一部分原子（离子）从高自由焓状态（液态）转变为低自由焓的另一状态（晶态），使系统自由焓减少（△G1）；② 产生新相，形成新的固一液界面需要作功，使系统的自由焓增加（△G2）。 * * 例如：铁，当ΔT＝10℃时， r* ＝0.04μm，临界核胚由1700万个晶胞所组成。当ΔT＝100℃时， r* ＝0.004μm，临界核胚由1.7万个晶胞所组成。 从熔体中析晶，一般r* 值在10-100nm的范围内。 * 核化过程是母相中的原子扩散并附着到临界核胚表面上，使新相尺寸大于临界核胚尺寸，这样临界核胚就能成长为晶核，因此，核的生成速率取决于单位体积母相中临界核胚的数目以及原子扩散到核胚上的速率。如果原子从母相中迁移到核胚界面需要有活化能ΔGa， * 为什么水先从边缘开始结冰？ 8.2.1　晶核生成速率 均匀成核：液体内部自发成核。 成核类型 非均态成核：由表面、界面效应，杂质、或引入晶核剂等各种因素支配的成核过程。 设形成半径r的球形新相，则整个系统自由焓变化ΔGr应为各项之代数和。 γLs－液、固界面能（假定无方向性）； ΔGV、ΔG’E－单位体积自由焓和应变能的变化。 8