材料科学基础第8章实用教案

1、18.1.1.1 物态物态(w ti)之间的相变之间的相变l固相固相 液相液相 （熔化）（熔化） l固相固相 气相气相 （升华）（升华）l液相液相 固相固相 （凝固）（凝固）l液相液相 气相气相 （蒸发（蒸发(zhngf)）l气相气相 液相液相 （凝聚）（凝聚）l气相气相 固相固相 （凝聚）（凝聚）l 此外还有：液相此外还有：液相A 液相液相Bl 固相固相A 固相固相B第1页/共34页第一页，共35页。28.1.1.2 按热力学分类按热力学分类(fn li)l 一级相变一级相变 晶体的熔化(rnghu)、凝固、液相沉积、升华等。 大部分的固态相变为一级相变。第2页/共34页第二页，共35页。3

2、l二级相变二级相变超导态相变、磁性转变(zhunbin)、部分无序有序转变(zhunbin)等为二级相变。第3页/共34页第三页，共35页。48.1.1.3 按相变机理按相变机理(j l)分类分类l扩散型相变扩散型相变l 在相变过程，发生成份变化，两相中的原子要进行在相变过程，发生成份变化，两相中的原子要进行长程扩散（如固溶体脱溶反应、共析转变、沉淀析出反长程扩散（如固溶体脱溶反应、共析转变、沉淀析出反应等）。应等）。l非扩散型相变非扩散型相变l 在相变过程，没有成份变化，没有原子扩散，相变在相变过程，没有成份变化，没有原子扩散，相变是通过相界面的滑动过程进行的。新相的长大速度是通过相界面的滑

3、动过程进行的。新相的长大速度(sd)极快，通常称这种相变为切变型相变，如马氏体相变、极快，通常称这种相变为切变型相变，如马氏体相变、低温进行的纯金属同素异构转变等。低温进行的纯金属同素异构转变等。l半扩散型相变半扩散型相变l 介于扩散型和非扩散型之间的扩散（例如钢中贝氏介于扩散型和非扩散型之间的扩散（例如钢中贝氏体转变等）。体转变等）。第4页/共34页第四页，共35页。58.2 组织组织(zzh)转变的基本特征转变的基本特征8.2.1 相变的本质相变的本质相变涉及到原子排列方式的变化；相变涉及到原子排列方式的变化；新相与旧相之间存在界面新相与旧相之间存在界面(jimin)；相变时存在阻力；相变

4、时存在阻力；为了促进相变的进行，需要足够的驱动力。为了促进相变的进行，需要足够的驱动力。第5页/共34页第五页，共35页。68.2.2 相变的驱动力（以凝固(nngg)相变为例）第6页/共34页第六页，共35页。7第7页/共34页第七页，共35页。88.2.3 相的均匀相的均匀(jnyn)形核形核8.2.3.1 液相中的均匀液相中的均匀(jnyn)形核形核均匀形核：在均一的液相中依靠自身的结构起伏和能量起伏形成新相核心的过程，也称为自发形核。假设条件：固相与液相的界面能是各向同性的； 单位面积的界面能与固相尺寸(ch cun)无关。体积(tj)自由能差界面能第8页/共34页第八页，共35页。9

5、 过冷度T越大则r*（临界晶核半径(bnjng)）和G*（形核功）越小，形核势垒越小，形核速率相对越大。r* G*第9页/共34页第九页，共35页。10结论：形成临界晶核时，体结论：形成临界晶核时，体积自由能的下降值只能积自由能的下降值只能(zh nn)补偿表面能的补偿表面能的2/3，还，还有有1/3的表面能必须从能量起的表面能必须从能量起伏中获得。伏中获得。晶胚晶核表面自由能体积自由能第10页/共34页第十页，共35页。11能量(nngling)起伏系统的能量分布有起伏(qf)，呈正态分布形式。能量起伏(qf)的含义： 在瞬时各微观体积的能量不同； 某一微观体积不同瞬间的能量分布不同。 在具

6、有高能量的微观区域形核，可以(ky)全部补偿表面能，使G0。第11页/共34页第十一页，共35页。12结结 论：论： 只有在一定过冷度下、在高能区、尺寸大只有在一定过冷度下、在高能区、尺寸大于于 r * 的 近 程 排 列 的 原 子 集 团 可 以 形 成的 近 程 排 列 的 原 子 集 团 可 以 形 成(xngchng)固相的稳定核心（晶核），使固相的稳定核心（晶核），使系统吉布斯自由能降低，满足系统吉布斯自由能降低，满足G0的热力的热力学条件。学条件。第12页/共34页第十二页，共35页。13形核功因子(ynz)原子扩散(kusn)几率因子第13页/共34页第十三页，共35页。148

7、.2.3.2 固相中的均匀(jnyn)形核体积(tj)自由能差界面(jimin)能体积应变能第14页/共34页第十四页，共35页。15 界面能的大小取决于界面的结构和界面成分的变化。固态相变中形成的界面结构有三种形式，即共格界面、半共格界面和非共格界面。 固态相变中，体积应变能来自新旧两相的比容差和界面结构两个因素。应变能由两项组成，一项是由新相和旧相比容不同所产生的弹性应变能；另一项是由界面上两相晶格不匹配而产生的弹性应变能。 界面能和体积应变能是固态相变过程(guchng)的阻力，但在不同条件下，所起的主导作用不同。 当新旧两相形成共格界面或半共格界面时，相变阻力主要是体积应变能。 当新旧

8、两相形成非共格界面时，相变阻力主要是界面能。第15页/共34页第十五页，共35页。168.2.4 相的非均匀相的非均匀(jnyn)形核形核8.2.4.1 液相中的非均匀液相中的非均匀(jnyn)形核形核 液态金属过冷后，主要的形核障碍是晶核的液固相界面使系统自由能升高。 如果晶核依附于已存在的界面上形成时，就有可能使界面能降低，从而(cng r)使形核功降低。 非均匀形核：依附于液相中某些固体表面（外来夹杂表面或容器壁）上形核的过程，也称为非自发形核。第16页/共34页第十六页，共35页。17第17页/共34页第十七页，共35页。18第18页/共34页第十八页，共35页。19讨讨 论：论：=0

9、时（完全润湿），时（完全润湿），G*非非=0，固体表面相当于现成的晶，固体表面相当于现成的晶核，不需要临界核，不需要临界(ln ji)形核功；（图形核功；（图a）=时（完全不润湿），时（完全不润湿），G*非非=G*均，固体表面对晶胚均，固体表面对晶胚成核没有促进作用；（图成核没有促进作用；（图c）0时时, 0G*非非G*均，非均匀形核需要的临界均，非均匀形核需要的临界(ln ji)形核功小于均匀形核，且随着形核功小于均匀形核，且随着的减小而下降。（图的减小而下降。（图b）第19页/共34页第十九页，共35页。20铝合金铸棒的横截面组织(zzh) 右侧的铸棒中加入了晶粒细化剂（变质剂），全部都是

10、细的等轴晶粒。第20页/共34页第二十页，共35页。218.2.4.2 固相中的非均匀(jnyn)形核 固态相变时，各种晶体缺陷，如晶界、位错、相界、空位、层错等都可以作为择优形核的位置，这些晶体缺陷本身具有较高的能量，在这些位置形核，可以降低(jingd)形核功，因此非均匀形核比均匀形核要容易得多，固态相变时的形核通常是非均匀形核。第21页/共34页第二十一页，共35页。22l 晶界形核晶界形核 设核心界面是非共格的、核心表面(biomin)能与取向和自身曲率无关，并忽略应变能，那么在晶界上形成的核心是球冠状。这时在晶界上形成晶胚的能量变化Gb为：形核功：临界晶核半径：第22页/共34页第二

11、十二页，共35页。23l 位错形核位错形核位错促进形核的主要原因有三方面(fngmin)： 非共格形核时，可使位错的能量释放，而使形核 功减小。 共格或半共格形核时，作为界面位错补偿两相界面晶格失配，使所需消耗的界面能降低。 母相中溶质原子在位错线上偏聚，形成柯氏气团，当新相成分不同于母相时，溶质的偏聚则有利于新相在位错线上沉淀而析出。第23页/共34页第二十三页，共35页。24第24页/共34页第二十四页，共35页。25l 空位空位(kn wi)形核形核 空位及空位群对形核的促进作用通过两个途径，一是促进溶质原子的扩散，二是作为形核位置促进新相的沉淀(chndin)析出。l 层错形核层错形核

12、促进形核的原因：高能(gonng)区 富集溶质第25页/共34页第二十五页，共35页。268.2.5 基体基体(j t)析出物的内界面析出物的内界面8.2.5.1 共格界面(jimin) 共格相界面存在着一定的晶格畸变，只是(zhsh)这种畸变不大，还不足以破坏其共格的形式。第26页/共34页第二十六页，共35页。278.2.5.2 半共格界面(jimin) 在界面上形成一系列刃型位错，以补偿界面上原子间的不匹配性，使界面上的畸变和弹性(tnxng)应变能降至最低。第27页/共34页第二十七页，共35页。28第28页/共34页第二十八页，共35页。298.2.5.3 非共格界面(jimin)

13、两相点阵类型或点阵常数具有(jyu)很大差别时易出现。 界面上的晶格畸变很小，但界面能较高。表8-1第29页/共34页第二十九页，共35页。308.2.6 新相的长大新相的长大(chn d)l 新相长大的本质：新相界面向母相的迁动过程。l 新相长大速率与相变类型有关：l 对于(duy)非扩散型相变，新相的长大速率通过原子协调的整体运动使界面迁移，速度接近声速。l 对于(duy)扩散型相变，新相的长大速率取决于原子的扩散速率。第30页/共34页第三十页，共35页。31扩散型相变的特点： 新相形核要求称为孕育期的一段时间，孕育时间是过冷度的函数。在孕育期内测不出相变发生。 核心一旦形成，新相开始(kish)发生长大，此时新相数量迅速增加。 最后，由于母相将耗尽或生长相的相互接触使新相生长又变慢。数学表达式：X = 1 - exp - (kt)n （式8-12）第31页/共34页第三十一页，共35页。32构造等温转变图第32页/共34页第三十二页，共35页。33End第33页/共34页第三十三页，共35页。34感谢您的观看(gunkn)！第34页/共34页第三十四页，共35页。NoImage内容(nirng)总