略论稳定态与亚稳态

郝士明

(东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110819)

略论稳定态与亚稳态

郝士明

(东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110819)

目前，由于材料与冶金科技的发展，出现了超出或远离常规条件下使用的材料，在材料制备过程中，也常出现一些不太稳定的物质，因此“稳定态”和“亚稳态”成了常用词汇.但是在探究这两个词汇的含义时又会发现，它们的应用范围极其广泛:物理学、化学、天文学、原子能工程学、电子器件学、热工学、化工学等等，涉及大部分自然科学门类.甚至社会科学中也使用这两个词汇.尽管各学科中的“稳定态”和“亚稳态”是可以相通的，或是可以相互启发的，但是其含义仍有明显差别.要给出一个普适的说明极其困难，或者说是不可能的.为了不发生误解，这里的论说仅限于材料学及其周边领域.本文可以算作学生或同行们与我讨论这个问题的一个总结.

物质或某个相的状态，取决于条件.所谓条件通常是指温度和压力.特殊情况下也可包括力场、电磁场、辐射场等.而最常见的情况是指温度.

任何物质或任何相在某一条件下都将经历各种变化最终达到稳定态，即结构和成分不随时间变化的状态.但是达到稳定态的时间却因条件的差异而有极大不同.我们经常省略“室温”这个条件而谈论稳定态.比如我们说面心立方Al是稳定态，这时已无意中省略了室温这个条件，有时还会省略“常压”这个条件.于是可以从热力学上说，稳定态就是与其他各种状态相比，Gibbs自由能为最小的状态，即平衡态.

有时，根据我们“会意”的程度，还会省略并非一个确定的温度.比如我们说“金属的液态是一种稳定态”时，其实已经省略了“熔点之上”这个条件.由此可知，“稳定态”是一个不能脱离条件而存在的概念，参见图1.

亚稳态是一种特殊的“结构和成分不随时间而变的状态”.首先这种状态要靠特殊技术才能实现，其次要靠原子活动能力较低才能维持，另外这个时间不会是无限长的.热力学描述是:它不是各种状态中自由能最低的状态.比如，特殊成分合金的液体在以极快的速度冷却到室温时，可以变成金属玻璃，即非晶态(amorphous state);室温下它的结构可以长时间保留.但由于不是自由能最低的状态，一旦原子活动能力增高(如提高温度)，它将转变成某种自由能更低的状态(结晶态，crystalline state).再比如，在合金液体凝固过程中形成的准晶体(quasicrystalline)，如果在重新加热时转变成晶体，则被称为是亚稳态准晶体.如果原子活动能力提高仍不转变成晶体，则称为稳定态准晶体.

图1 稳定态与亚稳态的自由能温度图.图中的非晶态、过冷液体a和过热晶体b为亚稳态Fig.1 Schema of free energy the stable state and metastable state vs temperature.

固态材料在加工处理过程中被制成细晶组织、晶体缺陷的高密度组织以及过饱和固溶体组织等也属于亚稳态，一旦原子获得足够的活动能力，它们将变成为自由能更低的粗晶组织、再结晶组织、低浓度固溶体加析出物组织等.这些都属于由亚稳态向稳定态的转变.应该说，亚稳态一直存在向稳定态转变的驱动力.但实现这一转变的时间却有极大的差别.这既取决于驱动力与原子活动能力的相对值，还取决于这一转变是否需要重新形核.我们知道，钢铁材料中的Fe3C相对于石墨是亚稳态，但是出土的春秋时代钢剑中的Fe3C，经过了近3000年还没有变成石墨，就是由于这个过程既需要形核，而驱动力和原子活动能力又不够大所致.

这里最需要强调的是:无论是谈论稳定态还是亚稳态都应当首先明确条件.

A

1671-6620(2012)01-0032-01

2012-01-03.

郝士明 (1938—)，男，东北大学教授，博士生导师，E－mail:haoshmg@163.com.