略論穩定態與亞穩態

郝士明

(東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110819)

略論穩定態與亞穩態

郝士明

(東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110819)

目前，由于材料與冶金科技的發展，出現了超出或遠離常規條件下使用的材料，在材料制備過程中，也常出現一些不太穩定的物質，因此“穩定態”和“亞穩態”成了常用詞匯.但是在探究這兩個詞匯的含義時又會發現，它們的應用范圍極其廣泛:物理學、化學、天文學、原子能工程學、電子器件學、熱工學、化工學等等，涉及大部分自然科學門類.甚至社會科學中也使用這兩個詞匯.盡管各學科中的“穩定態”和“亞穩態”是可以相通的，或是可以相互啟發的，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.為了不發生誤解，這里的論說僅限于材料學及其周邊領域.本文可以算作學生或同行們與我討論這個問題的一個總結.

物質或某個相的狀態，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.

任何物質或任何相在某一條件下都將經歷各種變化最終達到穩定態，即結構和成分不隨時間變化的狀態.但是達到穩定態的時間卻因條件的差異而有極大不同.我們經常省略“室溫”這個條件而談論穩定態.比如我們說面心立方Al是穩定態，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.于是可以從熱力學上說，穩定態就是與其他各種狀態相比，Gibbs自由能為最小的狀態，即平衡態.

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

亞穩態是一種特殊的“結構和成分不隨時間而變的狀態”.首先這種狀態要靠特殊技術才能實現，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.熱力學描述是:它不是各種狀態中自由能最低的狀態.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(amorphous state);室溫下它的結構可以長時間保留.但由于不是自由能最低的狀態，一旦原子活動能力增高(如提高溫度)，它將轉變成某種自由能更低的狀態(結晶態，crystalline state).再比如，在合金液體凝固過程中形成的準晶體(quasicrystalline)，如果在重新加熱時轉變成晶體，則被稱為是亞穩態準晶體.如果原子活動能力提高仍不轉變成晶體，則稱為穩定態準晶體.

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

固態材料在加工處理過程中被制成細晶組織、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態，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、再結晶組織、低濃度固溶體加析出物組織等.這些都屬于由亞穩態向穩定態的轉變.應該說，亞穩態一直存在向穩定態轉變的驅動力.但實現這一轉變的時間卻有極大的差別.這既取決于驅動力與原子活動能力的相對值，還取決于這一轉變是否需要重新形核.我們知道，鋼鐵材料中的Fe3C相對于石墨是亞穩態，但是出土的春秋時代鋼劍中的Fe3C，經過了近3000年還沒有變成石墨，就是由于這個過程既需要形核，而驅動力和原子活動能力又不夠大所致.

這里最需要強調的是:無論是談論穩定態還是亞穩態都應當首先明確條件.

A

1671-6620(2012)01-0032-01

2012-01-03.

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