亞穩相

亞穩相又稱介穩相。在熱力學上雖不最穩定、但卻是相對穩定的相。在合的自由能一成分曲線上，亞穩相的分對應於自由能曲線的極值點，但非最小值點（穩定相，或平衡相，則應於最小值點）。因此，亞穩相在加熱時就會逐步過渡到穩定的平衡相。

這種物相由於製備工藝、缺陷等條件暫時存在，並有著向穩定相轉變的趨勢。亞穩相的吉布斯自由能較穩定相高，如果經過足夠長的時間，亞穩相可以轉變為穩定相。馬氏體是一種著名的亞穩相，馬氏體（M）是碳溶於α-Fe的過飽和的固溶體，是奧氏體通過無擴散型相變轉變成的亞穩定相。

基本介紹

• 中文名：亞穩相
• 外文名：metastable phase
• 套用學科：物理化學
• 舉例：馬氏體
• 別名：介穩相
• 產生條件：機械合金化及塑性變形

簡介

亞穩相是一種非平衡相，由於存在動力學上的障礙或阻力，使它在具有實際意義的時間尺度內成為“穩定”存在的相。這種現象存在於任何合金系，包括純金屬系。亞穩相可以是一個平衡相轉變過程中的中間產物，例如一個高溫穩定相可以通過淬火快冷到低溫面不向低溫平衡相轉變，成為一個低溫亞穩相。一個過飽和金屬間化合物相在一定溫度下析出第二相過程中可以首先析出某個亞穩相，而不是最終析出的平衡相。

如果能動力學地抑制這個亞穩相向平衡第二相轉變，則它可以“穩定”存在於低溫，成為低溫亞穩相，一個平衡相也可以在一定外界條件下轉變為一個亞穩相，例如增加壓力可以移動相界線，使一個穩定相變為不穩定，如果動力學條件不具備，則就成為一個亞穩相。許多其他工藝過程也能產生亞穩相，例如機械合金化、輻照、化學互擴散（chemi-calinteifision）等都能產生亞穩相。只要可以通過某種外界過程增加合金相熱力學系統的過剩焓或過剩自由能，如下圖所示：

亞穩相(M)和平衡相(E)的自由能一原子排列滲量關係

使達到一定值（G_m），就具備形成亞穩相的能量條件，此外還必須在動力學上控制條件，使這種被注入過剩焓和過剩自由能的亞穩相不能得到恢復（在具有實際意義的時間尺度內恢復），就可以得到“穩定”的亞穩相。

金屬間化合物

金屬間化合物系統中最重要的亞穩相有：亞穩有序相、無序亞穩相和金屬玻璃（金屬非晶態）相。並非每個金屬間化合物系都包含這三種亞穩相。如果-一個合金系有自由能曲線如下圖所示。

液態和各種亞穩相自由能與溫度關係

從液相冷卻到T_m以下就可以析出省有序平衡相，如果這種轉變動力學上被抑制，則液體可以維續冷卻到T_mM溫度以下，此時有序亞穩相M就有可能析出，條件是M析出相與液相的界面能低於X析出相與液相之間的界面能，因此析出M相的阻力比析出X相的阻力小。由此作類似的外延過冷液態,就可以在T_mM'溫度以下析出M'無序亞穩相，甚至在T_g以下析出非晶相。

金屬玻璃相即金屬非晶態相是一類新的亞穩相，特點是不存在晶體具有的原子長程有序排列特點。這是由過冷液態金屬通過內部結構連續調整2級相變或連續變化型相變得到的內部自由能最小的結構狀態，即在沒有金屬結晶條件下的內部自由能最小的結構狀態。下圖說明了這種情況。

液態、晶態、玻璃態的比熱溫度關係

線的斜率表示液態往往有隨溫度變化較大的比容（或比熱）變化，而晶態和金屬玻璃則相反。金屬玻璃非晶態的結構狀態隨冷卻速度不同而略有不同。這是由於其結構鬆弛程度受冷卻速度的影響。在非晶態轉變溫度T_g處沒有性能的突變，但是在T_g以下，非晶態結構狀態被“冷凍"，即原子活動性已足夠低以致任何過冷液態的結構調整已不能發生。金屬玻璃態這種亞穩結構狀態，並非一定要通過過冷液態得到，許多固態過程也可以使晶態轉變為非晶態。

亞穩相生成熱力學

在相變過程中，要從母相中產生新相，首先形成新相的核胚；固體結晶過程需要原子重排，形成新相的原子排列結構。這個過程需要高的能量，在沒有足夠的能量時，該過程相對進展緩慢，產生處於亞穩狀態的亞穩相。對於體系無限小的變化，亞穩相是穩定的；但對於有限大的變動，亞穩相則是不穩定的。亞穩相的自由能對組成曲線必定位於穩定相的自由能對組成曲線之上。亞穩相在合金中普遍存在，而且在材料科學中具有重要的作用和地位。鐵基合金熱處理的依據是Fe-C相圖，實際比是Fe-Fe₃C的亞穩相平衡圖。以材料的凝固過程為例，雖然自由能最低的相最為穩定，但系統中由於亞穩相的形成，會使體系的自由能下降，屬自然發生的過程。因此，液態物質冷卻過程中，只要在一個相的理論熔點以下，就會生成具有相對較高自由能的亞穩相，使體系的自由能下降，使凝固過程繼續進行。