固態(tài)相變概論課件

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固態(tài)相變概論

1.1固態(tài)相變的主要類(lèi)型1.1.1平衡轉(zhuǎn)變同素異晶轉(zhuǎn)變純金屬在一定的溫度和壓力下，由一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象稱(chēng)為同素異晶轉(zhuǎn)變。若在固溶體中發(fā)生這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，則稱(chēng)為多形性轉(zhuǎn)變。如鋼在冷卻時(shí)由奧氏體中析出先共析鐵素體的過(guò)程。*(2)平衡脫溶轉(zhuǎn)變

高溫過(guò)飽和固溶體緩慢冷卻過(guò)程中析出第二相的過(guò)程特點(diǎn)：(a)新相的成分和結(jié)構(gòu)始終與母相的不同；(b)母相不會(huì)消失。鋼在冷卻時(shí)，由奧氏體析出二次滲碳體的過(guò)程

圖1-1可發(fā)生脫溶轉(zhuǎn)變的合金*（3）共析轉(zhuǎn)變合金冷卻時(shí)，由一個(gè)固相同時(shí)析出兩個(gè)不同固相的過(guò)程稱(chēng)為共析轉(zhuǎn)變鋼中的珠光體相變（4）增幅分解由一種高溫固溶體，冷至某一溫度範(fàn)圍，分解為兩種與原固溶體結(jié)構(gòu)相同，而成分不同的微區(qū)的轉(zhuǎn)變稱(chēng)為增幅分解

α→α1+α2

*(5)有序化轉(zhuǎn)變固溶體中，各組元的相對(duì)位置從無(wú)序過(guò)渡到有序的過(guò)程，稱(chēng)為有序化轉(zhuǎn)變。

Cu-Zn、Au-Cu等合金中均可發(fā)生這種轉(zhuǎn)變

特點(diǎn)：(a)新形成的微區(qū)之間無(wú)明顯的介面和成分的突變；(b)通過(guò)上坡擴(kuò)散，最終使均勻固溶體變?yōu)椴痪鶆蚬倘荏w。*1.1.2不平衡轉(zhuǎn)變

偽共析轉(zhuǎn)變接近共析點(diǎn)成分的合金，過(guò)冷到共析點(diǎn)以下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變的過(guò)程

鐵素體和滲碳體的相對(duì)量隨奧氏體的含碳量而變，故稱(chēng)為偽共析體圖1-2Fe-Fe3C相圖的偽共析區(qū)*(2)馬氏體相變鋼在快冷時(shí)，若能避免其發(fā)生擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，則將無(wú)需原子的擴(kuò)散，以一種切變共格的方式實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣的改組，而轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體(3)塊狀轉(zhuǎn)變

在一定的冷速下奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榕c母相成分相同而形貌呈塊狀的α相的過(guò)程通過(guò)原子的短程擴(kuò)散使非共格相介面在母相中推移*(4)貝氏體相變?cè)谥楣怏w轉(zhuǎn)變與馬氏體轉(zhuǎn)變溫度範(fàn)圍之間（中溫），鐵原子不能擴(kuò)散，碳原子可以擴(kuò)散過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橛设F素體和滲碳體組成的非層片狀組織—貝氏體(5)不平衡脫溶轉(zhuǎn)變

在等溫條件下，由過(guò)飽和固溶體中析出第二相的過(guò)程析出相為非平衡亞穩(wěn)相*

金屬固態(tài)相變的三種基本變化：（1）結(jié)構(gòu)；（2）成分；（3）有序程度只有結(jié)構(gòu)的變化：多形性轉(zhuǎn)變，馬氏體相變只有成分的變化：調(diào)幅分解既有結(jié)構(gòu)又有成分上的變化：共析轉(zhuǎn)變，脫溶沉澱*1.2固態(tài)相變的一般特徵

固態(tài)相變的驅(qū)動(dòng)力也為新相與母相的自由能差，與結(jié)晶過(guò)程相比，固態(tài)相變有其自身特點(diǎn)1.2.1相介面按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為：共格介面、半共格介面、非共格介面*（1）共格介面兩相介面上的原子排列完全匹配，即介面上的原子為兩相所共有特點(diǎn)：介面能很小，彈性應(yīng)變能大錯(cuò)配度δ=?a/a

越大，彈性應(yīng)變能越大*圖1-3a)共格介面b)半共格介面c)非共格介面*半共格介面：相介面上分佈若干位錯(cuò)，介面上的兩相原子部分地保持匹配，彈性應(yīng)變能降低。(3)非共格介面：兩相介面完全不匹配，即存在大量缺陷的介面，為很薄的一層原子不規(guī)則排列的過(guò)渡層，介面能較高。*1.2.2慣習(xí)面和位向關(guān)係固態(tài)相變時(shí)，新相往往在母相的一定晶面上開(kāi)始形成，這個(gè)晶面稱(chēng)為慣習(xí)面如：亞共析鋼中，在{111}γ析出先共析鐵素體------魏氏組織位向關(guān)係：新相與母相之間的某些低指數(shù)晶面和晶嚮往往存在一定的位向關(guān)係，以減小兩相間的介面能{110}α//{111}γ

；<111>α//<110>γ*1.2.3彈性應(yīng)變能

圖1-4新相形狀與應(yīng)變能的關(guān)係由納巴羅(Nabarro)計(jì)算

非共格相介面的體積（比容）應(yīng)變能（由於比容不同）：球狀最大，針狀次之，盤(pán)狀最小。兩相介面上不匹配也引起彈性應(yīng)變能，共格介面最大，半共格介面次之，非共格介面為零。*

固態(tài)相變的阻力：介面能+應(yīng)變能1.2.4晶體缺陷的影響大多數(shù)固態(tài)相變的形核功較大，極易在晶體缺陷處優(yōu)先不均勻形核，提高形核率，對(duì)固態(tài)相變起明顯的促進(jìn)作用。1.2.5過(guò)渡相（亞穩(wěn)相）的形成為了減少介面能，固態(tài)相變中往往先形成具有共格相介面的過(guò)渡相（亞穩(wěn)相）。亞穩(wěn)相有向平衡相轉(zhuǎn)變的傾向，但在室溫下轉(zhuǎn)變速度很慢。*1.3固態(tài)相變的形核1.3.1均勻形核與凝固過(guò)程相比，增加了一項(xiàng)應(yīng)變能?G=V?Gv+Sσ+εV(1-1)其中?Gv----新舊相間單位體積自由能差σ----單位面積介面能ε----單位體積應(yīng)變能相變驅(qū)動(dòng)力：V?Gv

，新舊相間自由能差相變阻力：Sσ+εV，介面能+應(yīng)變能*設(shè)形成的新相晶核為球形對(duì)於r求導(dǎo)：圖1-5球形晶核的自由能變化可得臨界晶核尺寸：形成臨界晶核的形核功形核功：晶核長(zhǎng)大到r*

所需克服的能壘，或所做的功*

固態(tài)相變的形核率

----單位體積母相中所形成的核心數(shù)N----單位體積母相中的原子數(shù)ν----原子振動(dòng)頻率?G*----形核功Q----原子擴(kuò)散啟動(dòng)能

固態(tài)相變較難均勻形核*1.3.2非均勻形核晶體缺陷儲(chǔ)存的能量可使形核功降低，促進(jìn)形核?G=V?Gv+Sσ+εV-?Gd(1-5)-?Gd----由於晶體缺陷消失所降低的能量晶體缺陷：空位、位錯(cuò)、晶界（1）空位空位通過(guò)促進(jìn)溶質(zhì)原子擴(kuò)散或利用本身能量提供形核驅(qū)動(dòng)力而促進(jìn)形核

空位團(tuán)可凝聚成位錯(cuò)而促進(jìn)形核*

脫溶沉澱時(shí)無(wú)析出區(qū)的形成原因空位對(duì)脫溶沉澱有促進(jìn)作用，是沉澱相非均勻形核的位置。晶界附近的過(guò)飽和空位擴(kuò)散到晶界而消失。（2）位錯(cuò)位錯(cuò)從三方面促進(jìn)形核：圍繞位錯(cuò)形核後，位錯(cuò)消失，釋放出畸變能。對(duì)於半共格晶核，原有的位錯(cuò)成為介面位錯(cuò)，補(bǔ)償了錯(cuò)配，降低了形核功。溶質(zhì)原子常在位錯(cuò)線上偏聚，容易滿足新相成分上的要求。*（3）晶界大角晶界具有較高的介面能，在晶界上形核可利用晶界能量，使形核功降低。有三種位置：a)晶介面b)棱邊c)隅角圖1-6晶界形核時(shí)三種位置*圖1-7晶介面形核時(shí)晶核形狀圖1-8三晶粒相交的棱邊圖1-9四晶粒相交的隅角*圖1-10晶界不同位置形核功比較

θ----接觸角隅角形核的形核功比其他位置小在晶界上的三種位置中，隅角位置在多晶體中所占的體積分?jǐn)?shù)最少*1.4固態(tài)相變的長(zhǎng)大1.4.1長(zhǎng)大機(jī)制半共格介面的遷移半共格介面上存在位錯(cuò)列要隨介面移動(dòng)，位錯(cuò)要攀移臺(tái)階側(cè)向移動(dòng)，位錯(cuò)可滑移圖1-11臺(tái)階長(zhǎng)大機(jī)制*（2）協(xié)同型長(zhǎng)大機(jī)制無(wú)擴(kuò)散型相變，原子通過(guò)切變方式協(xié)同運(yùn)動(dòng)，相鄰原子的相對(duì)位置不變?nèi)珩R氏體相變，會(huì)發(fā)生外形變化，出現(xiàn)表面浮凸新相和母相間有一定的位向關(guān)係圖1-12馬氏體相變表面浮凸*1.4.2新相長(zhǎng)大速度(1)介面控制型長(zhǎng)大無(wú)成分變化的新相長(zhǎng)大圖1-13啟動(dòng)能示意圖*原子在母相α和新相β間往返的頻率分別為:*設(shè)單原子層厚度為δ，則介面遷移速率為：*

過(guò)冷度較小時(shí)，?GV→0

隨溫度降低，兩相的自由能差增大，新相長(zhǎng)大速率增加。*

過(guò)冷度較大時(shí)，?GV>>kT

隨溫度降低，新相長(zhǎng)大速率按指數(shù)函數(shù)減小。*擴(kuò)散控制型長(zhǎng)大成分發(fā)生改變的相變，受傳質(zhì)過(guò)程，亦即擴(kuò)散速度所控制。圖1-14(a)平衡相圖(b)介面附近濃度分佈*根據(jù)費(fèi)克第一定律，擴(kuò)散通量為

隨著溫度的下降，溶質(zhì)在母相中的擴(kuò)散係數(shù)急劇減小，故新相的長(zhǎng)大速率降低。*圖1-15新相長(zhǎng)大速度與過(guò)冷度的關(guān)係*1.4.3固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)

研究新相形成量(體積分?jǐn)?shù))與時(shí)間、溫度關(guān)係的學(xué)科稱(chēng)為相變動(dòng)力學(xué)。

與再結(jié)晶過(guò)程類(lèi)似，形核—長(zhǎng)大過(guò)程。*（1）詹森-邁爾方程（Johnson-Mehl方程)

當(dāng)形核率和長(zhǎng)大速度恒定時(shí)，恒溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)*(2)阿佛瑞米方程(Avrami方程)

當(dāng)形核率和長(zhǎng)大速度隨時(shí)間而變時(shí)*（3）C曲線