相變應(yīng)力

相變應(yīng)力是由于某些合金在凝固后冷卻過(guò)程中產(chǎn)生相變，隨之帶來(lái)體積尺寸變化，或熱 理過(guò)程中因工件不同部位組織轉(zhuǎn)變不同步而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，不同部位在不同時(shí)間內(nèi)發(fā)生相變所致。

定義解釋

鑄造應(yīng)力包括熱應(yīng)力、相變應(yīng)力及收縮應(yīng)力三種。各種應(yīng)力產(chǎn)生的原因不盡相同。

①熱應(yīng)力熱應(yīng)力是由于鑄件不同的幾何形狀相交處斷面厚薄不均，冷卻不一致引起的。在薄壁處形成壓應(yīng)力，導(dǎo)致在鑄件中殘留應(yīng)力。

②相變應(yīng)力相變應(yīng)力是由于某些鑄鋁合金在凝固后冷卻過(guò)程中產(chǎn)生相變，隨之帶來(lái)體積尺寸變化。主要是鋁鑄件壁厚不均，不同部位在不同時(shí)間內(nèi)發(fā)生相變所致。

③收縮應(yīng)力鋁鑄件收縮時(shí)受到鑄型、型芯的阻礙而產(chǎn)生拉應(yīng)力所致。這種應(yīng)力是暫時(shí)的，鋁鑄件開箱是會(huì)自動(dòng)消失。但開箱時(shí)間不當(dāng)，則常常會(huì)造成熱裂紋，特別是金屬型澆注的鋁合金往往在這種應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生熱裂紋。鑄鋁合金件中的殘留應(yīng)力降低了合金的力學(xué)性能，影響鑄件的加工精度。鋁鑄件中的殘留應(yīng)力可通過(guò)退火處理消除。合金因?qū)嵝院茫鋮s過(guò)程中無(wú)相變，只要鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，鋁鑄件的殘留應(yīng)力一般較小。2100433B

在含有亞穩(wěn)t- ZrO₂的陶瓷中，當(dāng)裂紋擴(kuò)展進(jìn)入含有t相晶粒的區(qū)域時(shí)，裂紋尖端周圍的部分t相將在裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的作用下，發(fā)生t→m相變，形成一個(gè)相變過(guò)程區(qū)。在過(guò)程區(qū)內(nèi)，一方面，由于裂紋擴(kuò)展而產(chǎn)生新的裂紋表面，需要吸收一部分能量；另一方面，相變引起的體積膨脹效應(yīng)也要消耗能量；同時(shí)相變的晶粒由于體積膨脹而對(duì)裂紋產(chǎn)生壓應(yīng)力，阻礙裂紋擴(kuò)展。由此可見(jiàn)，應(yīng)力誘導(dǎo)的這種組織轉(zhuǎn)變消耗了外加應(yīng)力，降低了裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，使得本可以繼續(xù)擴(kuò)展的裂紋因能量消耗造成驅(qū)動(dòng)力減弱而終止擴(kuò)展，從而提高了材料的斷裂韌性。相變發(fā)生后，若要使裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，必須提高外加應(yīng)力水平。這樣隨應(yīng)力水平的不斷提高，裂紋會(huì)繼續(xù)向前擴(kuò)展。值得注意的是，在相變作用下，裂紋擴(kuò)展的阻力會(huì)越來(lái)越大，擴(kuò)展越來(lái)越困難。

相變的類型很多，根據(jù)相變的某種屬性的特征可作粗線條的分類：根據(jù)熱力學(xué)函數(shù)可分為一級(jí)相變、二級(jí)相變；根據(jù)對(duì)抗?jié)q落的穩(wěn)定性分為連續(xù)相變、非連續(xù)相變；根據(jù)新相生長(zhǎng)時(shí)的控制環(huán)節(jié)，可分為擴(kuò)散控制的相變和界面控制的相變；根據(jù)新相生成時(shí)原子遷移的特點(diǎn)，分為有擴(kuò)散相變（散漫移動(dòng)式相變）、無(wú)擴(kuò)散相變（行列移動(dòng)式相變）等。還有，由傳質(zhì)控制的相變，或由傳熱控制的相變（凝固）等。當(dāng)然，有些相變不是這樣截然劃分所能概括的。礦物學(xué)家和陶瓷材料科學(xué)家在傳統(tǒng)上將相變分為重構(gòu)型相變和位移型相變，前者指相變時(shí)將原有的化學(xué)鍵拆開重新結(jié)合成新鍵而構(gòu)成新晶體，后者則指相變時(shí)僅涉及結(jié)合鍵的長(zhǎng)度和夾角大小的改變 。2100433B

在某些晶體中，應(yīng)力和應(yīng)變也有類似于鐵電晶體的電極化和電場(chǎng)的關(guān)系那樣復(fù)雜的現(xiàn)象。本征鐵彈相變屬于結(jié)構(gòu)相變,自發(fā)應(yīng)變是其唯一的序參量。

Gibbs相侓

, 其中F-多相平衡體系中的自由度數(shù)目（變量數(shù)） C-組分?jǐn)?shù)， P-相數(shù)。或表示為：自由度數(shù)=總變量數(shù)-方程數(shù)。是Gibbs在1875-1878年推導(dǎo)的，是研究相平衡關(guān)系的普遍規(guī)律。

相圖：是處于平衡狀態(tài)下物質(zhì)的組分、物相和外界條件相互關(guān)系的幾何描述。原則上可以用成分和任何外界條件作為變量來(lái)繪制。

然而除溫度、壓力外的其它外界條件如電場(chǎng)、磁場(chǎng)等，一般情況下對(duì)于復(fù)相平衡不發(fā)生影響或影響很小，所以相圖通常是以成分、溫度和壓力為變量描繪。對(duì)于固體材料最有實(shí)際意義的是成分對(duì)溫度的相圖。

從晶體學(xué)的觀點(diǎn)，闡明母相與新相在晶體結(jié)構(gòu)上的差異，即按結(jié)構(gòu)變化對(duì)相變進(jìn)行分類，是對(duì)用熱力學(xué)關(guān)系進(jìn)行分類的一個(gè)重要補(bǔ)充。結(jié)構(gòu)相變可以分重構(gòu)型、位移型和有序無(wú)序型三種基本類型。重構(gòu)型相變中，大量化學(xué)鍵被破壞，在重新組合后，新相和母相之間在晶體學(xué)上沒(méi)有明確的位向關(guān)系，而且原子的近鄰的拓?fù)潢P(guān)系也產(chǎn)生顯著的變化。這類相變經(jīng)歷了很高的勢(shì)壘，相變潛熱很大，過(guò)程緩慢。這類相變屬于強(qiáng)一級(jí)相變。

當(dāng)然，液-固相變和氣-固相變也必然是重構(gòu)型的。另外，還有位移型相變，在相變前后原子的近鄰的拓?fù)潢P(guān)系仍保持不變，相變過(guò)程不涉及化學(xué)鍵的破壞，新相與母相之間存在明確的晶體學(xué)位向關(guān)系，它經(jīng)歷的勢(shì)壘很小，相變潛熱也很小甚至完全消失。

因此位移型相變可能是二級(jí)相變或弱一級(jí)相變。還有一種位移相變，它以晶格切變?yōu)橹?，也可能涉及晶胞?nèi)原子的相對(duì)位移，這就是人們通常說(shuō)的馬氏體相變，也是強(qiáng)一級(jí)相變。有序-無(wú)序相變?cè)诮Y(jié)構(gòu)上往往涉及多組元固溶體中兩種或多種原子在晶格點(diǎn)陣上排列的有序化。這可以是二級(jí)相變或弱一級(jí)相變。

相變動(dòng)力學(xué)的任務(wù)在于具體地描述相變的微觀機(jī)制，轉(zhuǎn)變途徑，轉(zhuǎn)變速率及一些物理參量對(duì)它們的影響。由于在相變的進(jìn)程中，系統(tǒng)要經(jīng)歷一系列非平衡態(tài)，所以要依靠物理動(dòng)力學(xué)的理論和方法。

從理論上考慮，存在兩條可能解決這個(gè)問(wèn)題的途徑。一是從非平衡態(tài)熱力學(xué)的一般理論出發(fā)來(lái)解決問(wèn)題，但由于相變過(guò)程牽扯的因素很多，尚未取得重要進(jìn)展。二是針對(duì)不同相變系統(tǒng)的具體情況，對(duì)其原子過(guò)程作具體分析，對(duì)相變的各不同階段分別找出適當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ?，然后借助于統(tǒng)計(jì)物理和熱力學(xué)的一些基本概念，對(duì)這些模型進(jìn)行半唯象的理論處理。

從動(dòng)力學(xué)機(jī)制上，相變可以分為勻相轉(zhuǎn)變和非勻相轉(zhuǎn)變。前者沒(méi)有明確的相界，相變是在整體中均勻進(jìn)行，其相變過(guò)程中的漲落程度很小而空間范圍很大。二級(jí)相變總是按勻相轉(zhuǎn)變方式進(jìn)行的。也有一些一級(jí)相變是按勻相轉(zhuǎn)變方式進(jìn)行的，例如失穩(wěn)分解，即在原始均勻固溶體中形成長(zhǎng)波長(zhǎng)周期性變化的分解過(guò)程。

更常見(jiàn)的則是通過(guò)新相的成核生長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，相變中母相與新相共存。其相變過(guò)程中，漲落的程度很大而空間范圍很小。在非勻相轉(zhuǎn)變過(guò)程中，如果成核生長(zhǎng)不涉及原子擴(kuò)散，就被稱為無(wú)擴(kuò)散相變，反之為有擴(kuò)散相變。