材料科學(xué)基礎(chǔ)固態(tài)相變課件

固態(tài)相變第四章固態(tài)相變《材料科學(xué)基礎(chǔ)》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(xué)基礎(chǔ)》第八章第一節(jié)固態(tài)相變一、固態(tài)相變的特點(diǎn)固體材料的組織、結(jié)構(gòu)在溫度、壓力、成分改變時(shí)所發(fā)生的轉(zhuǎn)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(zhǎng)大完成的，驅(qū)動(dòng)力同樣是新相和母相的自由焓之差。阻力:界面能和應(yīng)變能1.相界面（1）共格界面（2）半共格界面（3）非共格界面5.慣習(xí)面6.晶體缺陷新相極易在缺陷處非均勻形核4.取向關(guān)系界面結(jié)構(gòu)為共格或半共格時(shí)，新相與母相之間必須存在一定的晶體學(xué)取向關(guān)系，反之不成立。固態(tài)相變1.按熱力學(xué)分類

一級(jí)相變和二級(jí)相變

二、固態(tài)相變的分類一級(jí)相變:由α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪鄷r(shí)，Gα=Gβ,μαi=μβi，但自由焓的一階偏導(dǎo)數(shù)不相等，稱為一級(jí)相變。

固態(tài)相變因?yàn)?/p>

所以Sα≠Sβ,Vα≠Vβ一級(jí)相變有體積和熵的突變，△V≠0，△S≠0固態(tài)相變固態(tài)相變由于其中β為材料的壓縮系數(shù)，α為材料的熱膨脹系數(shù)固態(tài)相變二級(jí)相變時(shí)無體積效應(yīng)和熱效應(yīng)，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(zhuǎn)變、有序－無序轉(zhuǎn)變多為二級(jí)相變。擴(kuò)散型相變

脫溶沉淀、調(diào)幅分解、共析轉(zhuǎn)變等固態(tài)相變2.按原子遷移情況分類

擴(kuò)散型相變,非擴(kuò)散型相變非擴(kuò)散型相變

原子（或離子）僅作有規(guī)則的遷移使點(diǎn)陣發(fā)生改組。馬氏體轉(zhuǎn)變

固態(tài)相變不一定都屬于單純的擴(kuò)散型或非擴(kuò)散型。見表8－1三、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(shí)，系統(tǒng)自由焓的變化為:△G=(4π/3)r3△GV+4πr2γαβ

+(4π/3)r3△GE

=(4π/3)r3(△GV+△GE)+4πr2γαβ固態(tài)相變△G在r＝r*時(shí)達(dá)到極大值，這里

r*＝－2γαβ/(△GV+△GE)△G與r的關(guān)系曲線△G04πr2γαβr△G*r*4πr3(△GV+△GE)/3△G形成臨界晶核必須首先克服形核勢(shì)壘△G*，△G*稱為臨界晶核的形核功△G*=γαβ、△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(guān)系：I＝ηNexp(－△G*/kT)固態(tài)相變臨界形核功和臨界晶核半徑△G04πr2γαβr△G*r*4πr3(△GV+△GE)/3△G固態(tài)相變△G*非=△G*均f(θ)

f(θ)是形狀因子推導(dǎo)出：

r*=-2γαβ/(△GV+△GE)非均勻形核時(shí)，臨界晶核半徑r*與晶界的存在無關(guān)，但形核功△G*取決于θ，θ＝00時(shí)△G降為0，θ＝900時(shí)，△G*非＝△G*均。在界棱或界隅處形核還可以進(jìn)一步降低形核勢(shì)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(cè)界面都不共格時(shí)，晶核才類似球形。通常新相在大角度晶界形核時(shí)，一側(cè)可能與母相具有一定的取向關(guān)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(cè)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(cuò)形核四、晶核的長(zhǎng)大固態(tài)相變“平民式”散漫無序位移非協(xié)同型長(zhǎng)大“軍隊(duì)式”有序位移協(xié)同型長(zhǎng)大1.晶核長(zhǎng)大的方式2.晶核長(zhǎng)大類型成分不變協(xié)同型長(zhǎng)大成分不變非協(xié)同型長(zhǎng)大

成分改變協(xié)同型長(zhǎng)大成分改變非協(xié)同型長(zhǎng)大前兩類無需溶質(zhì)原子擴(kuò)散，長(zhǎng)大速度僅與界面點(diǎn)陣重構(gòu)過程有關(guān)，故晶核長(zhǎng)大速度很快。固態(tài)相變<1>受界面過程控制的晶核長(zhǎng)大過冷度較小時(shí)，新相長(zhǎng)大速率u與驅(qū)動(dòng)力△G成正比；過冷度較大時(shí)，長(zhǎng)大速率隨溫度下降而單調(diào)下降。<2>受擴(kuò)散控制的晶核長(zhǎng)大β相半徑r隨時(shí)間τ按拋物線規(guī)律長(zhǎng)大。五、固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)固態(tài)相變均勻形核的形核率及受點(diǎn)陣重構(gòu)控制的長(zhǎng)大速率在恒溫轉(zhuǎn)變時(shí)均為常數(shù)，這類相變的動(dòng)力學(xué)可用Johnson-Mehl方程描述:

f(τ)=1-exp(-KIu3τ4/4)固態(tài)相變速率決定于新相的形成速率和長(zhǎng)大速率。1.動(dòng)力學(xué)方程（給定溫度下的等溫轉(zhuǎn)變）非均勻形核的形核率及受擴(kuò)散控制的長(zhǎng)大速率隨時(shí)間而變化，此類相變的動(dòng)力學(xué)用Avrami方程描述：

f(τ)=1-exp(-Bτn)固態(tài)相變固態(tài)相變通常取f=0.05的時(shí)間(τ0.05)為轉(zhuǎn)變開始時(shí)間，取f=0.95的時(shí)間(τ0.95)為轉(zhuǎn)變終止時(shí)間。以縱坐標(biāo)為溫度，橫坐標(biāo)為時(shí)間，作τ0.05－T及τ0.95－T曲線便可得到等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)圖，也稱TTT圖。由