郝士明

(東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110819)

略論穩(wěn)定態(tài)與亞穩(wěn)態(tài)

郝士明

(東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110819)

目前，由于材料與冶金科技的發(fā)展，出現(xiàn)了超出或遠(yuǎn)離常規(guī)條件下使用的材料，在材料制備過程中，也常出現(xiàn)一些不太穩(wěn)定的物質(zhì)，因此“穩(wěn)定態(tài)”和“亞穩(wěn)態(tài)”成了常用詞匯.但是在探究這兩個詞匯的含義時又會發(fā)現(xiàn)，它們的應(yīng)用范圍極其廣泛:物理學(xué)、化學(xué)、天文學(xué)、原子能工程學(xué)、電子器件學(xué)、熱工學(xué)、化工學(xué)等等，涉及大部分自然科學(xué)門類.甚至社會科學(xué)中也使用這兩個詞匯.盡管各學(xué)科中的“穩(wěn)定態(tài)”和“亞穩(wěn)態(tài)”是可以相通的，或是可以相互啟發(fā)的，但是其含義仍有明顯差別.要給出一個普適的說明極其困難，或者說是不可能的.為了不發(fā)生誤解，這里的論說僅限于材料學(xué)及其周邊領(lǐng)域.本文可以算作學(xué)生或同行們與我討論這個問題的一個總結(jié).

物質(zhì)或某個相的狀態(tài)，取決于條件.所謂條件通常是指溫度和壓力.特殊情況下也可包括力場、電磁場、輻射場等.而最常見的情況是指溫度.

任何物質(zhì)或任何相在某一條件下都將經(jīng)歷各種變化最終達(dá)到穩(wěn)定態(tài)，即結(jié)構(gòu)和成分不隨時間變化的狀態(tài).但是達(dá)到穩(wěn)定態(tài)的時間卻因條件的差異而有極大不同.我們經(jīng)常省略“室溫”這個條件而談?wù)摲€(wěn)定態(tài).比如我們說面心立方Al是穩(wěn)定態(tài)，這時已無意中省略了室溫這個條件，有時還會省略“常壓”這個條件.于是可以從熱力學(xué)上說，穩(wěn)定態(tài)就是與其他各種狀態(tài)相比，Gibbs自由能為最小的狀態(tài)，即平衡態(tài).

有時，根據(jù)我們“會意”的程度，還會省略并非一個確定的溫度.比如我們說“金屬的液態(tài)是一種穩(wěn)定態(tài)”時，其實已經(jīng)省略了“熔點(diǎn)之上”這個條件.由此可知，“穩(wěn)定態(tài)”是一個不能脫離條件而存在的概念，參見圖1.

亞穩(wěn)態(tài)是一種特殊的“結(jié)構(gòu)和成分不隨時間而變的狀態(tài)”.首先這種狀態(tài)要靠特殊技術(shù)才能實現(xiàn)，其次要靠原子活動能力較低才能維持，另外這個時間不會是無限長的.熱力學(xué)描述是:它不是各種狀態(tài)中自由能最低的狀態(tài).比如，特殊成分合金的液體在以極快的速度冷卻到室溫時，可以變成金屬玻璃，即非晶態(tài)(amorphous state);室溫下它的結(jié)構(gòu)可以長時間保留.但由于不是自由能最低的狀態(tài)，一旦原子活動能力增高(如提高溫度)，它將轉(zhuǎn)變成某種自由能更低的狀態(tài)(結(jié)晶態(tài)，crystalline state).再比如，在合金液體凝固過程中形成的準(zhǔn)晶體(quasicrystalline)，如果在重新加熱時轉(zhuǎn)變成晶體，則被稱為是亞穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)晶體.如果原子活動能力提高仍不轉(zhuǎn)變成晶體，則稱為穩(wěn)定態(tài)準(zhǔn)晶體.

圖1 穩(wěn)定態(tài)與亞穩(wěn)態(tài)的自由能溫度圖.圖中的非晶態(tài)、過冷液體a和過熱晶體b為亞穩(wěn)態(tài)Fig.1 Schema of free energy the stable state and metastable state vs temperature.

固態(tài)材料在加工處理過程中被制成細(xì)晶組織、晶體缺陷的高密度組織以及過飽和固溶體組織等也屬于亞穩(wěn)態(tài)，一旦原子獲得足夠的活動能力，它們將變成為自由能更低的粗晶組織、再結(jié)晶組織、低濃度固溶體加析出物組織等.這些都屬于由亞穩(wěn)態(tài)向穩(wěn)定態(tài)的轉(zhuǎn)變.應(yīng)該說，亞穩(wěn)態(tài)一直存在向穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)變的驅(qū)動力.但實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變的時間卻有極大的差別.這既取決于驅(qū)動力與原子活動能力的相對值，還取決于這一轉(zhuǎn)變是否需要重新形核.我們知道，鋼鐵材料中的Fe3C相對于石墨是亞穩(wěn)態(tài)，但是出土的春秋時代鋼劍中的Fe3C，經(jīng)過了近3000年還沒有變成石墨，就是由于這個過程既需要形核，而驅(qū)動力和原子活動能力又不夠大所致.

這里最需要強(qiáng)調(diào)的是:無論是談?wù)摲€(wěn)定態(tài)還是亞穩(wěn)態(tài)都應(yīng)當(dāng)首先明確條件.

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1671-6620(2012)01-0032-01

2012-01-03.

郝士明 (1938—)，男，東北大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，E－mail:haoshmg@163.com.