相图与相变

相图描绘了固态、液态和气态相作为成分和温度的函数所处的稳定区域，而相变则描述了材料如何在这些相之间转变。

Definition

相图是系统热力学稳定相随成分、温度和压力变化的图形表示；相变是受热力学和动力学控制的，材料从一种相或微观结构转变为另一种相或微观结构的过程。

Scope

本主题涵盖了用于预测给定成分和温度下材料中存在的相的平衡相图——共晶、包晶和固溶体系统——以及解释它们的杠杆定律和吉布斯相律。它还涵盖了相变动力学：形核与长大、扩散型相变与无扩散型（马氏体）相变，以及冷却路径如何控制实际形成的微观结构。

Core questions

• 在给定成分和温度下，哪些相是稳定的？
• 杠杆定律和相律如何量化相的含量和自由度？
• 共晶、包晶和固溶体行为有何区别？
• 形核和长大动力学如何决定冷却时获得的微观结构？

Key concepts

• 吉布斯相律
• 杠杆定律
• 共晶和包晶反应
• 固溶体
• 形核与长大
• 马氏体相变

Key theories

平衡相图与相律

吉布斯相律将共存相的数量与成分和温度自由度联系起来；二元相图编码了这些信息，而杠杆定律则可以读出给定点上共存相的相对含量。

形核、长大与相变动力学

相变需要新相克服界面能垒形核，随后进行扩散长大；热力学驱动力与原子迁移率之间的竞争决定了相变速率，并通过冷却路径决定了最终的微观结构。

Mechanisms

扩散型相变通过新相的形核和原子逐个地跨越移动界面长大而进行，需要长程扩散；无扩散型（马氏体）相变通过晶格的协同剪切进行，不发生成分变化，在临界温度以下几乎瞬时发生。

Clinical relevance

相图是材料加工的工作图：它们指导合金和陶瓷的热处理，预测氧化物和玻璃体系的烧结行为，并解释为什么受控冷却可以从相同成分中产生硬或软、脆或韧的微观结构。

History

吉布斯在19世纪70年代提出的相律为预测有多少相可以共存提供了热力学基础。Roozeboom及其他研究者在1900年左右通过实验应用它来构建相图，20世纪关于形核理论和相变动力学的工作增加了时间维度，将平衡图与加工中实际产生的微观结构联系起来。

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Hendrik Roozeboom

Seminal works

• callister2018
• porter2009

Frequently asked questions

什么是共晶点？

共晶点是指在冷却时，液相直接转变为两种固相混合物的成分和温度。它是体系中熔点最低的点，并产生特有的细小两相微观结构。

为什么相图有时无法预测实际获得的微观结构？

相图显示的是平衡相，但达到平衡需要足够的时间和原子迁移率。快速冷却会抑制扩散并捕获亚稳态或非平衡微观结构，因此，决定实际结果的不仅是热力学，还有动力学。