材料科學基礎-固態(tài)相變課件

1、固態(tài)相變第四章固態(tài)相變材料科學基礎第八章 固態(tài)相變第四章第一節(jié)固態(tài)相變總論材料科學基礎第八章 第一節(jié)固態(tài)相變一、固態(tài)相變的特點固體材料的組織、結構在溫度、壓力、成分改變時所發(fā)生的轉變統(tǒng)稱為固態(tài)相變。固態(tài)相變的定義：大多數(shù)固態(tài)相變是通過形核和長大完成的，驅動力同樣是新相和母相的自由焓之差。阻力: 界面能和應變能1. 相界面（1）共格界面（2）半共格界面（3）非共格界面2. 界面能界面能依共格界面、半共格界面和非共格界面的順序遞增。3. 應變能 共格應變能 體積應變能固態(tài)相變5. 慣習面6. 晶體缺陷新相極易在缺陷處非均勻形核4. 取向關系 界面結構為共格或半共格時，新相與母相之間必須存在一定的晶

2、體學取向關系，反之不成立。固態(tài)相變1. 按熱力學分類 一級相變和二級相變 二、固態(tài)相變的分類一級相變 :由相轉變?yōu)橄鄷r，G=G,i=i ，但自由焓的一階偏導數(shù)不相等，稱為一級相變。 固態(tài)相變因為 所以 SS, VV一級相變有體積和熵的突變， V0，S0固態(tài)相變二級相變：若相變時，GG，i=i ，并且自由焓的一階偏導數(shù)也相等，但自由焓的二階偏導數(shù)不相等，稱為二級相變。固態(tài)相變固態(tài)相變由于其中為材料的壓縮系數(shù)，為材料的熱膨脹系數(shù)固態(tài)相變二級相變時無體積效應和熱效應，材料的壓縮系數(shù)、熱膨脹系數(shù)及比定壓熱容均有突變。磁性轉變、有序無序轉變多為二級相變。擴散型相變 脫溶沉淀、調幅分解、共析轉變等固態(tài)相變

3、2. 按原子遷移情況分類 擴散型相變, 非擴散型相變非擴散型相變 原子（或離子）僅作有規(guī)則的遷移使點陣發(fā)生改組。馬氏體轉變 固態(tài)相變不一定都屬于單純的擴散型或非擴散型。 見表813. 按相變方式分類 有核相變和無核相變固態(tài)相變無核相變通過擴散偏聚的方式進行的相變，為無核相變。調幅分解三、固態(tài)相變的形核1. 均勻形核固態(tài)相變形成半徑為r的球形晶核時，系統(tǒng)自由焓的變化為:G=(4/3)r3GV+4r2 + (4/3) r3GE =(4/3)r3(GV+GE)+4r2固態(tài)相變G在rr*時達到極大值，這里 r*2/(GV+GE)G與r的關系曲線G04r2rG*r*4r3(GV+GE)/3G形成臨界晶核

4、必須首先克服形核勢壘G*， G*稱為臨界晶核的形核功G*=、 GE減小，均可降低G*，有利于新相形核。形核率與臨界晶核的形核功、相變溫度之間的函數(shù)關系： INexp( G*/kT)固態(tài)相變臨界形核功和臨界晶核半徑G04r2rG*r*4r3(GV+GE)/3G二、非均勻形核非均勻形核通常是固態(tài)相變的主要形核方式。r界面形核示意圖設為母相，為新相，兩相鄰晶粒間界面能為 ，-界面為非共格界面，界面能為。球面半徑為r，界面形核時自由焓的變化為：G=VGV+A +VGE -A固態(tài)相變（1）晶界形核固態(tài)相變G*非=G*均 f( ) f() 是形狀因子推導出： r* =-2/(GV+GE)非均勻形核時，臨界

5、晶核半徑r*與晶界的存在無關，但形核功G*取決于，00時G降為0，900時，G*非G*均。在界棱或界隅處形核還可以進一步降低形核勢壘。晶核最易在界隅形成，其次在界棱，最后是界面。新相非共格界面晶界共格或半共格界面晶粒1晶粒2晶界形核示意圖只有晶界兩側界面都不共格時，晶核才類似球形。通常新相在大角度晶界形核時，一側可能與母相具有一定的取向關系形成平直的共格或半共格界面，以降低界面能、減少形核功；另一側必為非共格界面，為減少相界面面積，故呈球冠狀。固態(tài)相變（2）沿位錯形核四、晶核的長大固態(tài)相變“平民式”散漫無序位移 非協(xié)同型長大“軍隊式”有序位移 協(xié)同型長大1. 晶核長大的方式2. 晶核長大類型

6、成分不變協(xié)同型長大 成分不變非協(xié)同型長大 成分改變協(xié)同型長大 成分改變非協(xié)同型長大前兩類無需溶質原子擴散，長大速度僅與界面點陣重構過程有關，故晶核長大速度很快。對于冷卻過程中發(fā)生的相變，當相變溫度較高時原子擴散速率較快，但過冷度和相變驅動力較小，晶核長大速率的控制因素是相變驅動力；相變溫度較低時，過冷度和相變驅動力較大，原子的擴散速率將成為晶核長大的控制因素。固態(tài)相變3. 晶核長大控制因素固態(tài)相變受界面過程控制的晶核長大過冷度較小時，新相長大速率u與驅動力G成正比；過冷度較大時，長大速率隨溫度下降而單調下降。受擴散控制的晶核長大相半徑r隨時間按拋物線規(guī)律長大。五、固態(tài)相變動力學固態(tài)相變均勻形核

7、的形核率及受點陣重構控制的長大速率在恒溫轉變時均為常數(shù)，這類相變的動力學可用Johnson-Mehl方程描述: f()=1-exp(-KIu34/4)固態(tài)相變速率決定于新相的形成速率和長大速率。1. 動力學方程 （給定溫度下的等溫轉變）非均勻形核的形核率及受擴散控制的長大速率隨時間而變化，此類相變的動力學用Avrami方程描述： f()=1-exp(-Bn)固態(tài)相變2. 等溫轉變動力學圖固態(tài)相變100%轉變體積分數(shù)溫度50%0T1T2T3T1T2T3時間時間T1T2T3固態(tài)相變通常取f=0.05的時間(0.05 )為轉變開始時間，取f=0.95的時間(0.95 )為轉變終止時間。以縱坐標為溫度，橫坐標為時間，作0.05T及0.95 T曲線便可得到等溫轉變動力學圖，也稱TTT圖。由TT