材料物理第九章优秀PPT.ppt

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1、材料物理第九章1你现在浏览的是第一页，共67页 多相合金多相合金：指的是有多种不同的结构。既可能是单元，也可能是多元；但一定是多晶体，不可能是单晶体。什么叫相图？什么叫相图？金属中常用的简单的二元相图中，例如Pb-Sn，横轴表示合金的成分，纵轴表示温度。即可表示在A金属中加入了多少量的B金属，加热到多少度时会得到什么状态的产物？多少度时合金才会熔化？相图是用来描述合金的状态与温度及成分之间关系的简明图形。对于任一成分的合金，只要2你现在浏览的是第二页，共67页 从相图上找出相应的表象点，就可以了解此时合金中存在哪些相，各个相的成分以及相对量。但在相图中，不能确定一个合金的具体结构状态，如晶粒的

2、大小与形状，相的弥散程度等。尽管如此，相图仍是研究材料的重要工具。到目前为止，几乎所有的合金相图都是通过实验方法得到的。现在还没有能够在高温下稳定地测定成分的方法。扫描电镜等都只能在室温下进行成分测定。3你现在浏览的是第三页，共67页 物相物相物质系统中具有相同化学组成、聚集状态及相同物理、化学性质的均匀物质。19世纪由吉布斯（Gibbs）提出。相相在一定的条件下（温度、压强等），物质将以一种与外界条件相适应的聚集状态或结构形式存在着，这种形式就是相。英语称“phase”指物质的宏观聚集状态 日语称“状态”4你现在浏览的是第四页，共67页 相变相变指外界条件发生变化的过程中物相在某一特定的条件

3、下（临界值时）发生突变。例如：H2O，即可以柔如水，也可坚如冰，也可虚无缥缈如蒸汽。突变可以表现为突变可以表现为：（1）从一种结构变化为另一种结构，如气相凝聚为液相，液相凝聚为固相，或固相中不同晶体结构之间的转变。（2）化学成分的不连续变化，例如用海水制盐时，当海水蒸发浓缩到一定程度时脱溶沉淀析出5你现在浏览的是第五页，共67页 盐晶体，盐的成分相对于海水发生了突变，又如海上的冰山常被认为是飘浮在海上的淡“水”，因为海水结冰时冰的成分相对于海水也发生了突变。（3）某种物理性质的跃变：如顺磁铁磁转变，顺电铁电转变，正常态超导态转变等，反映了某一种长程有序的出现或消失；又如金属非金属转变，液态玻璃

4、态转变等，则对应于构成物相的某一种粒子（如电子或原子）在两种明显不同的状态（如扩展态与局域态）之间的转变。6你现在浏览的是第六页，共67页 上述三种变化可以单独出现，也可以两种或三种变化兼而有之。如脱溶沉淀往往是结构与成分的变化同时发生，铁电相变则总是和结构相变耦合在一起，而铁磁相的沉淀析出则兼备三种变化。强调强调：如果材料所有的结构和性能指标都发生连续变化，则并没有发生相变。例如水在1个标准大气压下，在4100之间改变温度时，虽然热胀冷缩，但这种变化是连续的，不能称之为相变 只有升温到100后继续加热使水汽化，才发生相变。因为从100的水到100的蒸汽，密度发7你现在浏览的是第七页，共67页

5、 生了突变。相变是处于凝聚态物理与材料科学结合部上的一个广阔的研究领域。9.2相变的基本类型相变的基本类型 9.2.1按热力学分类按热力学分类 在热力学中，一般把研究的宏观物体（气体、液体或固体）称为“热力学系统热力学系统”，简称“系系统统”。一个系统处在不变的外界条件下时，则经过一定的时间后系统将达到一个宏观不随时间变化的状态，该状态为“热力学平衡态热力学平衡态”。热力学平衡态是一种动态平衡，故也称为“热动平衡热动平衡”。热力学主要研究系统处于热动平衡时宏观性质之间的关系。8你现在浏览的是第八页，共67页 热力学第一定律热力学第一定律：设系统在状态变化过程中，内能的变化为E，系统吸收的热量为

6、Q（放热为负值），对外界作功为A（此时为正值，反之为负值），则根据能量守恒转换定律，有 Q=E+A 相应的微分形式为 dQ=dE+dA（国际单位制SI中，热量、内能、功均以焦耳J为单位）设在某一过程中，物体吸收的热量为Q，温度升高为T，则表征物体吸放热能力的热容量C的表达式为：9你现在浏览的是第九页，共67页 热力学第二定律热力学第二定律：热力学第一定律只说明能力转化的数量关系，它不能解决过程进行的限度问题，以及过程进行的方向问题。后两个问题要依靠热力学第二定律解决。热力学第二定律有以下两种说法（可证明是一致的）（1）克劳修斯说法：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其它的变化。（2）开尔

7、文说法：不可能从单一热源取热使之完全变为有用的功而不引起它的变化。10你现在浏览的是第十页，共67页 热力学第二定律也可表述为：可以找出这样一个状态函数熵（S），它在可逆过程中的变化等于系统所吸收的热量与热源的绝对温度之比;在不可逆过程中，这个比值小于熵的变化，其数学表达式为：熵（熵（S S）函数的物理意义）函数的物理意义：S是混乱度的量度，系统越稳定，则S越大。根据热力学第一和第二定律，对于除压强之外，不受其它外场（如电磁场）作用的封闭体系中发生的一切过程，总有：11你现在浏览的是第十一页，共67页 （9.1）式中：T绝对温度，K；P压强，N/m2；V体积，m3；S熵，J/K；U内能，J。系

8、统的自由能定义为：F=UTS 吉布斯（Gibbs）函数G（自由焓）定义为：G=FPV=UTSPV （9.2）12你现在浏览的是第十二页，共67页 式（9.1）中等号适用于可逆过程，不等号适用于不可逆（自发）过程。对式（9.2）两边微分并以式（9.1）代入，则有：dG -SdT+VdP .（9.3）等温等压时，dT=0，dP=0,因而 dG 0 （9.4）所以对于等温等压的体系，自由焓降低是体系的自然演化方向。因为大部分相变都是在接近 13你现在浏览的是第十三页，共67页 这一条件下发生的，今后如无特别声明，外界条件均为等温等压。若发生相变时，自由焓的一级导数发生突变，则称为一级相变。若发生相变

9、时，自由焓的一级导数连续，二级导数发生突变，则称为二级相变，以此类推，可定义更高级的相变。自由焓的一级导数为体积和熵，所以发生一级相变时，体积突变，有相变潜热释放。自由焓的二级导数为比热、膨胀系数、压缩系数，所以发生二级相变时，虽无体积突变和潜热释放，但14你现在浏览的是第十四页，共67页 比热容、膨胀系数、压缩系数等却发生跃变。图9.1表示了一级相变中两相自由焓、熵与比热容随温度的变化；图9.1 一级相变中几个物理量的变化（a）自由焓；（b）熵；（c）定压比热容15你现在浏览的是第十五页，共67页 在相变点Tt上，G和G两条曲线相交：当温度TTt时，G G，故相将可自发转变成相；而当温度TT

10、t时，GG，故相将可自发转变成相。在相变点上，焓、熵和体积等均发生跳跃变化，相变的潜热则等于焓的跃迁值G，这反映了体系在相变前后结构上的明显差异。因此，一级相变往往属于结构上重构型相变。在动力学上由于涉及到结构的重组，常出现所谓的相变滞后现象。16你现在浏览的是第十六页，共67页 一级相变的特点一级相变的特点：在相变点上，两相自由焓相等，因而两相可以共存，有相变滞后现象。二级相变的特点二级相变的特点：（图9.2）图9.2 二级相变中几个物理量的变化（a）自由焓；（b）熵；（c）定压比热容17你现在浏览的是第十七页，共67页 至于二级相变（9.2所示），在低于相变点Tc的温度，相是稳定的，而在高

11、于Tc的温度，相是稳定的。相的G曲线和相的G曲线在Tc 相衔接，在相变点Tc 上，两曲线的斜率是相同的，两曲线向前延伸就没有意义了。这样，二级相变的自由焓曲线实际上只是一根曲线，因而不存在压稳相，也没有相变滞后和两相共存现象。实际材料中发生的大部分相变都属于一级相变，但由于二级相变涉及的物理过程相对简单，所以在理论研究方面，对二级相变所开展的工作比较深入。18你现在浏览的是第十八页，共67页 9.2.2相变按动力学分类相变按动力学分类 由于新相的形成往往与母相中发生的成分、结构的涨落相联系，吉布斯（Gibbs）按导致相变的涨落将相变分为两类：（1）相变由小范围内程度很大的涨落引起；（2）相变由

12、大范围内程度很小的涨落引起。第一类相变在刚开始时，新相的生成速度很低，直到某一时间后，生成速度明显增加，所以一般将这样的相变过程分为形核、长大两个阶段。19你现在浏览的是第十九页，共67页 之所以会发生相变，是因为新相的体自由能（自由能中与界面、畸变无关的部分）低于母相，新相与母相的体自由能差是相变的驱动力。新相产生后，将出现新相与母相之间的界面。界 面能总取正值，是相变的阻力。在固态相变的情况下，由于新相与母相的密度不同（如由密排的面心立方结构转变为非密排的体心立方结构）或相变时发生形状变化（如合金的马氏体相变），将导致应变的产生，应变能也是正值的能量，阻碍相变的进行。20你现在浏览的是第二

13、十页，共67页 在新相刚开始孕育时，由于比界面积（单位体积所分摊到的界面面积）很大，与界面面积成正比的界面能一般都超过与新相体积成正比的体自由能。可以这样理解：设想有一个大立方体被切成8个相等的小立方体，小立方体的体积之和与大立方体相等，但面积之和却是大立方体的2倍，即小立方体的比界面面积为大立方体的2倍，如果对小立方体继续切割，并将这一步骤重复施行，则比界面积不断增加。由此可见新相尺寸越小，比界面积越大，21你现在浏览的是第二十一页，共67页 所以在相变初期相变阻力大于驱动力。只有新相颗粒的尺寸增加到超过某一临界值后，新相的生长才会导致体系自由能下降。也正因为相变初期界面能的影响较大，在某些

14、材料系统的某些相变过程中，在体自由能最低的平衡新相产生之前，往往会有亚稳相先出现。典型的例子是在Al-Cu合金低温时效过程中，在平衡析出相形成之前，会有一系列亚稳相先后出现，原因在于这些亚稳相与基体保持共格，界面能很低，因而形成快，相比之下，它们较高的体自由能的影响反而是次要的。22你现在浏览的是第二十二页，共67页 相变阻力大于驱动力时，并不表示相变就不能发生。按照统计力学原理，自由能较高的状态也能出现，只是其出现的几率很低。这就是热涨落现象。由于涨落，母相中的局部区域将出现新相，这是涨落克服阻力的结果。当涨落中产生的新相尺寸超过临界值时，新相进入平稳生长即长大阶段。如图9.3所示，在新相达

15、到临界尺寸r*之前，体系自由能变化量Fi呈单调的增加，相变的阻力超过驱动力，相变需要借助于热激活来进行，此时新相的生成速率较低，这就是相变的形核阶段。23你现在浏览的是第二十三页，共67页 24你现在浏览的是第二十四页，共67页 在新相达到临界尺寸r*之后继续增大时，Fi从最大值Fi*逐渐下降，与形核阶段正好相反，这是长大阶段的特征，此时新相的生成速率较高。Fv*称为新相的形核功，而 则成为确定r*和Fv*的条件。以上仅考虑了成分不变的相变，对这类相变而言，随着新相的产生，体系的体自由能总是下降的，相变的阻力只有界面能与应变能。对于成分发生变化的相变，例如图9.4所示的过饱和固25你现在浏览的

16、是第二十五页，共67页 溶体的分解，当成分 为C的母相分解为成 分分别为C1和C2的两 产物相（对应自由能 曲线公切线两切点）时，体系的体自由能 下降，由此可确定相 图。但是从母相形成 两新相时，成分改变26你现在浏览的是第二十六页，共67页 是逐渐发生的，必然经过一系列中间成分，因而新相核胚的成分不同于新相的平衡成分。当转变前母相成分落在自由能曲线上拐点之外的凹曲线范围时，分解前母相的体自由能落在曲线上，而分解初期体系的能量落在曲线的弦线上，由于凹曲线的弦线位于曲线上方，所以形核初期，体系的体自由能也是增加的，体自由能也成为阻力项，即相变只有阻力，没有驱动力，完全依靠热激活克服阻力。只有当新

17、相核胚的成分达到某一临界值后，体系体自由能才转为随新相成分变化而下降。27你现在浏览的是第二十七页，共67页 然而，当母相成分落在自由能曲线上拐点以内时，随着相变的开始，体系的体自由能是单调下降的（因为此时曲线的弦线总是位于曲线下方），即使在相变开始时也如此。这样，当新相的点阵类型及晶格参数与母相接近，界面能与应变能因而很小时，相变几乎无势垒地进行，因此也不需要形核阶段。这实际上属于吉布斯所描述的第二类相变，一般称为调幅分解调幅分解。显然，要求母相成分落在自由能曲线上拐点以内。也就是要求 式中 C 溶质浓度，%。28你现在浏览的是第二十八页，共67页 按照不考虑界面和弹性应变的纯热力学观点，只

18、有满足上式，相变就没有任何势垒，所以上式被称为调幅分解调幅分解的热力学条件。9.2.3相变按机制分类相变按机制分类 贝尔格尔（Buerger）在研究大量晶态物质相变结构变化的基础上，提出了涉及晶体结构变化的相变可分为重构型相变和位移型相变两种基本类型的观点。29你现在浏览的是第二十九页，共67页 （1）重构型相变）重构型相变（扩散型相变扩散型相变）：重构型相变表现为在相变过程中物相的结构单元间发生化学键的断裂和重组，并形成一种崭新的结构，其形式与母相在晶体学上没有明确的位向关系。相变时母相原子扩散到新相的点阵上，彼此间互不协作，相当于拆散母相的点阵重新构成新相点阵。30你现在浏览的是第三十页，

19、共67页图18-1 重构型和位移型相变结构变化示意图（a）高温相；（b）重构机制相变；（c）位移机制相变 重构型相变可以划分为三个亚类重构型相变可以划分为三个亚类：母相转变为结构不同，但成分相同的一种新相，如纯水凝固成冰，纯铁的奥氏体转变为铁素体等，可用通式 表示；31你现在浏览的是第三十一页，共67页 母相中析出第二相，同时自身的成分改变，但结构不变，如过共析钢中奥氏体降温时析出渗碳体，Cu在Al中的过饱和固溶体的脱溶沉淀等，可用通式 表示；母相转变为成分、结构都不同于自身的两个新相，如钢中奥氏体共析转变，钢液的共晶凝固等，可用通式 表示。当外界条件改变时，上述三个亚类的转变也能逆向进行。3

20、2你现在浏览的是第三十二页，共67页 （2）位移型相变）位移型相变 最典型的特征是其无扩散性，相变时相邻原子的相对位移不超过一个原子间距。他不割断原来母相中最近邻原子间的化学键，只是改变其键长和键角。（也可以说，在相变过程中不涉及母相晶体结构中化学键的断裂和重建，往往只涉及到原子或离子位置的微小位移，或其键角的微小转动）。33你现在浏览的是第三十三页，共67页 位移型相变可以进一步分为两个亚类位移型相变可以进一步分为两个亚类：（1）特征是以相变时单胞内各原子发生少量相对位移为主，但晶格畸变较小。（2）以晶格畸变为特征，通过母相相邻晶面的相对错动即切变来形成新相的点阵结构。这一相变亚类常常被称为

21、马氏体相变，它有一个明显的宏观特征，那就是相变前磨光的表面在相变时出现浮凸或称表面倾动就是相变引起晶格畸变的结果。见图9.6所示。34你现在浏览的是第三十四页，共67页 35你现在浏览的是第三十五页，共67页 以上对相变的的三种分类，是从完全不同的角度来进行的，但它们并不是相互排斥或互不相关的，一种具体的相变往往在三种分类法中都能找到位置。比如凝固这一相变，由于放热并伴随体积变化，所以按热力学分类它是一级相变；由于它是按形核、长大方式进行的，所以它又属于吉布斯的第一类相变；而按相变机制，它则是重构型相变。36你现在浏览的是第三十六页，共67页 9.3马氏体相变马氏体相变 我们知道，面心立方结构

22、与密排六方结构同属最紧密堆积结构（原子致密度最大0.74），它们的最密排面上原子排列是相同的，只是相邻密排面的相对位置不同。见图2.11（A、B、C位置），保证晶体最密集堆积时，面心立方结构的堆垛次序是ABCABC；密排六方结构的堆垛次序是ABAB。如果观察面心立方结构的处于不同矩形面上的3个顶角原子，就会发现这3个原子构成的平面37你现在浏览的是第三十七页，共67页 上，原子其实是如图2.11（图a）所示的呈六角方式密集排列的。这些原子的中心位置用A表示，（a）38你现在浏览的是第三十八页，共67页 由3个原子组成的上三角形中心位置用B表示（图b绿线部分），由3个原子组成的下三角形的中心位置

23、用C表示（图3绿线部分图2转180）。（b）（c）图2.11 面向立方晶胞与密排六方晶胞的原子排列方式39你现在浏览的是第三十九页，共67页 因此，可知在这个密排面之上的第二个面上的原子也是呈六角方式密排分布，不过第二层上的每个原子的位置投影在B处，而第三个密排面上的原子的投影位置则为C处。所以，面心立方结构按ABCABCABC顺序堆垛，即第四层密排面上的原子才位于第一层密排原子的正上方。在密排六方结构中，第三个密排面上的原子的投影位置不是C处，而是A处。也就是说，密排六方结构是由按ABABAB顺序堆垛的密排原子层所组成，第三层密排面上的原子位于第一层密排原40你现在浏览的是第四十页，共67页

24、 子的正上方。当然按ABABAB顺序堆垛也一样构成密排六方结构。从以上分析自然可以得知，面心立方结构与密排六方结构的原子致密度应该是相同的，不同的只是原子面的排列顺序。现在如果晶体从面心立方结构转变为密排六方，可以采取两种截然不同的相变机制：（1）原子从面心立方结构扩散到密排六方点阵上，相当于拆散母相的点阵形成新相结构；41你现在浏览的是第四十一页，共67页（2）相邻密排面发生的相对滑移（切变），从ABCABC的堆垛次序直接转变成ABAB，但各密排面上的原子排列并不发生变化，密排面的空间取向也没有改变。按后一种机制的转变就是最简单的一类马氏按后一种机制的转变就是最简单的一类马氏体相变体相变。像

25、面心立方密排六方转变中的密排面这样的在相变中即不畸变、也不转动的晶面称为不变平面，马氏体相变是通过不变平面切变来进行的，所以被称为切变型相变。如果用母相的晶面42你现在浏览的是第四十二页，共67页 指数来表示不变平面，它就称为惯态面。惯态面在相变过程中即不畸变、也不转动是马氏体相变的普遍特征，也是基本前提，否则就会产生很大的范性形变（晶体受到的应力超过弹性限度后，将产生永久形变，这种形变称为范性形变。晶体的这种性质称为它的范性）及空洞，使马氏体与基体分割开来，不再有可能继续长大。马氏体相变又常被称为无扩散型相变马氏体相变又常被称为无扩散型相变。所谓无扩散，指的是相变前的相邻原子在发生相变后，其

26、位置的相对位移不超过一个原子间距，新43你现在浏览的是第四十三页，共67页 相与母相之间存在明确的晶体学位向关系。马氏 体相变不涉及化学键的破坏，只是改变键长与键角。这种转变是以原子协作方式进行的，因而又被通俗地称为军队式转变，以区别于重构型（扩扩散型散型）相变（平民式转变平民式转变）。正因为马氏体相变的上述特点，在结构相变中它是最简单的一类，所以也是研究最透彻的一类。马氏体相变可以发生于多种材料中，而钢中发生的马氏体相变并非最简单的一种，但由于钢44你现在浏览的是第四十四页，共67页 中马氏体在技术上、应用上的极端重要性，它受到了最大的关注，在研究钢中马氏体相变时所引入的物理思想和物理方法极

27、富启发性。下面介绍马氏体相变的基本图像。马氏体与马氏体从中产生的母相一般都是固溶体。图9.8示意性地给出了一定成分的马氏体与高温相的自由能各自随温度的变化，由于马氏体相变的无扩散性，相变中不发生成分变化，马氏体与母相的成分是一致的。两条自由能曲线相交于T0温度，它相对于高温相与马氏体的平衡温度，随固溶体的成分而变化。仅从图9.8来看，45你现在浏览的是第四十五页，共67页 只要温度低于T0，高 温相的自由能就高于 马氏体，它将失去稳 定而转变为马氏体。但实际的马氏体相变 开始Ms点处温度一般 都低于T0，即马氏体 相变中普遍存在热滞 现象，这是因为马氏 图9.8 高温相与马氏体 自由能随温度的

28、变化 46你现在浏览的是第四十六页，共67页 体相变一般都伴随着正值的非化学项能量的产生。这些能量包括：（1）界面能：由于马氏体与母相保持切变共格，界面能与孪晶界相当，最高估计值为20.9J/mol。（2）比体积不同引起的弹性能。（3）切变引起的弹性应变能。（4）相变消耗的范性功。（5）马氏体形成时有热效应和耗散热能。上述（1）（2）（3）项是可逆的，也就是说可以用来促进回转相变。（4）（5）不可逆。47你现在浏览的是第四十七页，共67页 非化学项小的相变系统，热滞也小。如果驱动能小于非化学项的能量，自发转变就不能发生。在这种情况下，外加应力可以诱发转变。在有些合金中，冷却时应力诱发转变开始温

29、度和应力诱发回转相变开始温度相等，这个温度就是母相和新相自由能相等的温度T0。9.3.2马氏体相变动力学马氏体相变动力学 马氏体相变在动力学上分为变温形核、瞬时变温形核、瞬时长大长大，变温形核、变温长大变温形核、变温长大和等温形核、等温长等温形核、等温长大大三种方式，不同的转变方式出现于不同的合金48你现在浏览的是第四十八页，共67页 系中。前两种转变方式的形核、长大特征是不明显的。正因为最后一种转变方式的发现，库尔久莫夫认为马氏体相变马氏体相变仍然是一个形核、长大的过是一个形核、长大的过程程。马氏体形核是非均匀的马氏体形核是非均匀的。界面并非马氏体形核的有利位置，这是马氏体相变与其他的形核、

30、长大型相变的一个明显区别。有实验表明，若母相晶粒过细，马氏体转变反而不能发生。这是因为马氏体与母相共格，畸变能，而非界面能，是相变的主要阻力。49你现在浏览的是第四十九页，共67页 有很多实验事实也说明马氏体形核是非均匀的有很多实验事实也说明马氏体形核是非均匀的：（1）电子显微镜观察表明，在钴中，密排六方的马氏体是由面心立方点阵的高温相中的堆垛层错扩展而成。奥氏体不锈钢加工后冷却，马氏体在密排六方的相相交的地方形核，或在相中形成，而不在相中产生。（2）将Fe-Ni合金的微粒淬火，冷至低温，在成分相同的各个微粒中的Ms点有很大差异，某些微粒的Ms点与大块样品相当，而另一些微粒则在所使用的最低温度

31、尚未转变。50你现在浏览的是第五十页，共67页（3）在铜合金如黄铜、Cu-Al-Ni中，第一次冷却时形成马氏体的位置和次序，可以在加热回转母相后再冷却时重演。（4）Au-Cd（金-镉）和In-Tl（铟-铊）合金在高温回火消除晶体缺陷后，单晶的高温相能转变成单晶的马氏体；高温相微量变形以后，就形成较多的马氏体。在有些马氏体的转变中，一片马氏体的转变可以应力诱发另一片马氏体的形核，形成连锁反应，称为自触发过程。在热滞大的合金中，这一51你现在浏览的是第五十一页，共67页 过程可发展为“爆发现象爆发现象”，其金相组织呈锯齿状。另外，自发形变引起的基体加工硬化有时会对转变有抑制作用。9.3.3马氏体相

32、变的晶体学马氏体相变的晶体学 马氏体是钢高温淬火过程中通过相变而得到的一种高硬度产物。为纪念德国冶金学家（Martens马尔滕斯）在钢铁显微结构研究方面的贡献，人们将该过程得到的高硬度产物命名为命名为马氏体马氏体，其相变过程称为相变过程称为马氏体相变马氏体相变。52你现在浏览的是第五十二页，共67页 马氏体相变在许多金属、合金固溶体和化合物中都可观察到，本质上属于以晶格畸变为主、无成分变化、无扩散的位移型相变，其特征为发生于晶体中某一部分的极其迅速的剪切畸变。这种相变在热力学和动力学上都有相当显著的特点，如其相转变无特定的温度点、转变动力学速率可高达声速等，但其结晶学特点更是尤为鲜明。如图18

33、-4所示，（a）为一四方结构的母相奥氏体块，（b）为从母相中形成马氏体单晶片后53你现在浏览的是第五十三页，共67页 的示意图。其中 A1B1C1D1是母相奥氏体通过切变转变成的马氏体。图18-4 奥氏体马氏体相变结晶学关系示意图54你现在浏览的是第五十四页，共67页 相变使原来母相中的直线PQRS变成了由线段PQ、QR、和RS构成的折线。但应注意到，相变前后连接母相与马氏体的平面ABCD既不发生扭曲也不发生旋转，通常称之为习性平面。同时，和A2B2两条棱的直线性表明了马氏体相变宏观上剪切的均匀整齐性。因此，马氏体相变可以概括为沿母相习性平面生长、形成与母相保持着确定的切变共格结晶学关系的新相

34、的相变过程。这一点是马氏体相变最重要的结晶学特点马氏体相变最重要的结晶学特点。55你现在浏览的是第五十五页，共67页 在金属中常见的马氏体相变包括以下几种：面心立方体心立方，如FeC，FeNi等合金中的马氏体相变，其母相与马氏体的取向关系有 ，；面心立方面心四方，如InTl（铟铊）合金系统，习性面为 ；体心立方正交，如AuCd（金镉）合金系统，取向关系近似为 ，；56你现在浏览的是第五十六页，共67页 体心立方密堆六方；面心立方体心立方；面心立方密积六方。等等。马氏体相变不仅发生在金属中，在大量的陶瓷材料中也有出现，例如钙钛矿结构的BaTiO3（钛酸钡）、PbTiO3（钛酸铅）等高温顺电立方相

35、以及ZrO2（氧化锆）中都存在这种相变，利用ZrO2的四方单斜马氏体相变可有效地进行陶瓷高温结构材料的增韧。57你现在浏览的是第五十七页，共67页 9.4铁电相变、铁性相变铁电相变、铁性相变 铁电晶体的铁电性通常只存在于一定的温度范围。当温度超过某一值时，自发极化消失，铁电体变成顺电体。铁电相与顺电相之间的转变通常简称为铁电相变铁电相变，该温度称为居里温度居里温度TcTc。按铁电相变时原子运动特点分类按铁电相变时原子运动特点分类：位移型铁电体 有序无序型铁电体 铁电相变理论铁电相变理论：宏观理论宏观理论热力学唯象理论，从电介质的特征58你现在浏览的是第五十八页，共67页 函数出发，建立起热力学

36、理论来解释铁电相变；微观理论微观理论从原子或分子机制来说明铁电相变。铁电相变是结构相变的一类，结构相变的理论是朗道理论。9.4.1铁电相变类型铁电相变类型 几个概念几个概念：（1）铁电性铁电性指铁电体的微观结构性质，以及因此而可能显示出来的宏观现象和性质。59你现在浏览的是第五十九页，共67页 微观结构的性质微观结构的性质是指铁电体的晶胞都具有大小相等的非零电偶极矩；晶胞具有两个或两个以上的结晶学等效方向，电偶极矩可以沿其中任一个方向取向。在热平衡状态下，相邻晶胞的电偶极矩相同取向形成亚微观尺度范围的取向有序；在外电场作用下，铁电体中的电偶极矩可以由原来取向转变到其它能量较低的方向。宏观性质和

37、现象包括宏观性质和现象包括：存在居里点、自发极化、居里外斯定律、电畴结构、电滞回线等等。60你现在浏览的是第六十页，共67页（2）铁电居里点铁电居里点当铁电晶体的温度逐渐升高时将经历不同的结构相变，直到铁电性完全消失。铁电性完全消失的最后转变温度Tc称为铁电居里点。（3）原型相原型相通常，当温度升高或降低使铁电晶体发生相变时，高温相的对称性一般比低温相的高。铁电晶体被加热至晶体熔融前所能达到的对称性最高的相称为原型相 9.4.1.1位移型相变位移型相变 位移型铁电体的顺电铁电相变过程中，某些原子发生了偏离高对称位置的位移。由于这类61你现在浏览的是第六十一页，共67页 相变是原子位移的结果，所

38、以称为位移型相变位移型相变。9.4.1.2有序有序无序型无序型 在有些铁电体中，某种原子或原子团有两个或几个平衡位置。在顺电相，原子或原子团在这些位置的分布是无序的。在铁电相，它们的分布有序化，即择优地占据其中某个平衡位置，从而产生自发极化。由于相变是原子或原子团分布有序化的结果，所以称为称为有序有序无序相变无序相变。9.4.3铁性相变铁性相变 铁电相变铁电相变伴生了可以重新取向的自发极化分量的出现，涉及点群对称性的降低。62你现在浏览的是第六十二页，共67页 铁磁相变铁磁相变（顺磁顺磁-铁磁相变铁磁相变）伴生了沿某一或某些方向的自发磁化的出现，标志了点群对称性破缺。铁弹相变铁弹相变伴生了自发

39、应变的出现或消失，涉及点群对应性的变化。归纳上述三例，可以定义铁性相变为：铁性相变铁性相变伴有点群对称性变化的相变。铁性体铁性体在铁性相变中，原型点群中的某一个或几个对称元素丧失了，这意味着在铁性相中存在两个或多个不同取向。这里，标志取向态的是张量。如极化率张量、磁电张量、压电张量等等。63你现在浏览的是第六十三页，共67页 呈现铁性相变的晶体称为铁性体铁性体。显然它是这样的晶体：具有两个或多个取向态，在某种或某些外力的驱动下各个取向态可以互相转换。铁性体的种类取决于标志取向态的张量性质和实现取向态转换的驱动力。例如，铁电体中标志取向态的张量是自发极化，驱动力是电场。铁磁体中标志取向态的张量是

40、自发磁化，驱动力是磁场。铁弹体中标志取向态的张量是自发应变，驱动力是应力。64你现在浏览的是第六十四页，共67页 初级铁性体和次级铁性体初级铁性体和次级铁性体：如果铁性体中标志取向态的张量是对驱动力有响应的最低阶张量，也就是说，驱动力通过一次方效应实现取向态的转换。这样的铁性体称为初级铁性体初级铁性体。如铁电体自发极化对电场的响应；铁磁体中自发磁化对磁场的响应；铁弹体中自发应变对应力的响应。因此，初级铁性体有铁电体、铁磁体和铁弹体三种。如果标志取向态的张量是对驱动力有响应的次低阶张量，即驱动力通过二次方效应导致取向65你现在浏览的是第六十五页，共67页 态转换。这样的铁性体称为次级铁性体次级铁性体。如极化率对电场的响应；磁化率对磁场的响应；弹性顺度对应力的响应；压电系数对电场和应力的响应；压磁系数对磁场和应力的响应；磁电系数对磁场和电场的响应。因此，次级铁性体有铁双电体、铁双磁体、铁双弹体、铁弹电体、铁磁电体、铁弹磁体共六种。66你现在浏览的是第六十六页，共67页 作业题作业题：1、何谓一级和二级相变？各自的特点是什 么？2、马氏体相变的机制是什么？3、马氏体相变的结晶学特点是什么？4、什么是铁电相变、铁磁相变和铁弹相变？67你现在浏览的是第六十七页，共67页