北京科技大学固态相变文献阅读报告作业

1、文献阅读报告相变过程中的形核和长大摘要：多晶材料的机械性能在很大程度上取决于生产过程中的相变动力学。晶粒的形核和长大是多晶材料中的重要现象，他们控制着许多相变和再结晶。S.E.Offerman等人通过x射线衍射仪来研究低碳钢中铁素体的形核和长大过程中的相变动力学，认为屮值比经典理论要小两个数量级，并提出了四种铁素体生长机制。对于S.E.Offerman的结论，H.l.Aaronson等人提出了质疑，S.E.Offerman并对此做出了解释。关键字：相变；形核；长大；屮值背景当过冷液体中出现晶胚时， 一方面由于这个区域中原子由液态的聚集状态转变为晶态的 排列状态，使体系自由能降低，这是相变的驱动

2、力。另一方面，由于晶胚构成新的表面，又 会引起表面自由能升高， 构成相变的阻力。当过冷液体中形成一个晶胚时，总的自由能变化(1) G=-4 r2 A Gv+4 r2对上式求导，令其为零，得到临界核心尺寸r 2 TmLm AT形核率受形核功因子 exp(G)和原子扩散几率因子 exp(Q)影响，当过冷度较小kTkT时，形核率主要受形核率因子控制，随过冷度的增加，所需临界晶核半径减少，形核率迅速增加，并达到最高值。当过冷度继续增大时，尽管r*减少，但由于原子在低温下难以扩散，此时，形核率受扩散几率因子控制，即随温度降低，形核率减小。1二 S.E.Offerman 的观点传统实验的技术可以用来验证形

3、核和长大的模型，但也仅限于表面微观结构的观测以及确定平均晶粒的生长行为。具有高能量同步辐射源的x射线显微镜的发展，使研究材料中的单个晶粒成为可能。为了研究单个晶粒在相变过程中的演变情况， 将相对小体积的钢在同步辐射源的单色光 束下照射。通过将样品绕垂直于光束的方向轻微旋转，晶粒会通过衍射在二维探测器上得到衍射斑点。图1为钢在763 C时呈现奥氏体和铁素体映像的 X射线衍射图案。S.E.Offerman 等人将 wC=0.21% , wMn=0.51% , wSi=0.20% 的低碳钢在 900C退火 10 分 钟进行奥氏体化，随后在1小时内持续冷却至 600C得到铁素体。如图 2A，通过计算有

4、效衍射斑点的数目，得出铁素体晶粒的数量与温度的函数。对于这种钢而言，铁素体晶核的数量在略低于奥氏体-铁素体转变温度的 822C时增长最快，并且铁素体晶核连续形核的过程 可以持续一个很大的温度范围，甚至可以到奥氏体-珠光体的转变温度 685 C。仅有很少一部分的珠光体-铁素体形核发生在珠光体转变的温度区间。图2B中是正常实验形核率与经典形核理论的对比，理论曲线的形状在性质上和实验数据大致相同，最明显的差异是实验中形核率的最大值出现的温度比经典形核理论所预测的要高。根据经典形核理论，相变过程中系统自由能的降低是形核的驱动力，而由于新相的形成,剧kT-(I-/) yecp使表面能升高，成为形核的阻力

5、。形核率可表示为 其中，(1 f)是与潜在形核位置的数量有关的因素，k为波尔兹曼常数，h为普朗克常数，T是温度，Qd为扩散激活能，临界形核形成功G*= Y 1( gV)2 ，屮是受新核与母相之间界面能和新核几何形状所影响的因素。由于屮的不确定性，所以很难预测形核率。因此出现了许多模型来估计屮值。Clemm和Fisher的早期模型预测当屮cf=3.3 x 10-3J3/m6时，铁素体在非连续性晶界的晶界角处形核。Lange等人的最新模型得出当屮lea=2.1 x 10-6J3/m6时在连续和半连续晶界处形成药丸盒状核心，而S.E.Offerman等人的通过实验得出的结果发现Yexp=5x10-8

6、J3/m6。这就意味着临界形核功比传统模型所预测的至少要小两个数量级。 S.E.Offerman等人认为形核功变小表明了非连续奥氏体-奥氏体晶界迁移所释放的能量与连续和半连续奥氏体-铁素体晶界形成所需的能量达到一个近似平衡。图1 X射线衍射图案00806011II0创oJqlunN20600700 fiOO EDO TOO自 M900TemMraturolClA11- MeastrementCMTu.2a;unu paN二0.64 200.090 o5 s o8 o75 oo7Temperature ( CJ图3铁素体晶粒长大的四种类型图2铁素体晶粒的数量与温度的关系S.E.Offerman等

7、人通过持续地观察衍射斑点的强度来确定铁素体晶粒和珠光体团的长大机 制，图3展示了铁素体长大的四种类型，由图3A得出铁素体晶粒生长类型最初与理论一致,这意味着最初晶粒不与相邻晶粒作用。 但随着晶粒长大， 局部冲击条件的变化， 生长曲线逐 步偏离 Zener 曲线。图 3B 显示了第二种生长类型，其中一些铁素体晶粒在珠光体形成过程 中作为珠光体的一部分继续以相同的晶体取向生长， 这证明了在珠光体转变的过程中很少有 新的珠光体形核。图 3C 显示了第三种铁素体生长，其中铁素体成核和长大受到阻碍。 奥 氏体中碳的富集会导致转变温度的局部降低，从而导致延迟成核。 延迟生长是由与相邻的 晶粒间接相互作用引

8、起的。 相邻晶粒不直接接触， 而是通过周围的扩散和应力场进行干扰。 图 3D 显示了铁素体晶粒不仅长大，而且在继续转变时也会暂时缩小。 这种行为是由于与 相邻晶粒直接相互作用引起的复杂晶界迁移。 相邻晶粒直接接触，但它们的晶界尚未处于 平衡位置。 因此，在单个晶粒的水平上， 可以对四种类型的晶粒生长进行区分：晶粒不与相 邻晶粒作用， 晶粒沿相同晶相持续生长进入另一相， 晶粒之间间接相互作用， 晶粒间直接相 互作用。S.E.Offerman 认为目前的模型没有准确地预测多晶材料中的相变动力学。 未来的形核模 型应该更好地预测临界晶核的最佳尺寸和形状， 临界晶核在界面能的作用下最初可能具有亚 稳晶

9、体结构。未来的生长模型应该包括生长的相邻晶粒之间的相互作用。 2 三 H.I.Aaronson 的质疑针对 S.E.Offerman 的实验结论， H.I.Aaronson 等人提出了质疑。在铁素体的形核动力学方面，H.l.Aaronson认为S.E.Offerman对屮的结论在某几个方面没有明显的物理意义。（i）将铁素体晶粒的数量看做温度的函数这种方法并不合理，这种方法只计算了晶界处的铁素体形核， 然而沿着给定的一个奥氏体晶面方向也会形核。 （ii）H.l.Aaronson 对 S.E.Offermal 实验的描述表明他们所获得的数据都是在铁素体形成后。根据形核率等式，相邻晶粒间的扩散区域的

10、重叠将会显著降低铁素体的形核动力学。（iii ）由于大多数优先形核地点随着过冷度的增加会从晶界角处移动至晶棱再到晶面，因此在连续冷却过程中屮值也会发生改变。在连续冷却过程中，奥氏体-铁素体边界更容易发生成核，因此需要多种屮值。S.E.Offerman等人并未考虑这些因素。在生长动力学方面， 作者证实了 Zener 的抛物线生长理论， 并提出了生长阻滞和暂时收 缩情况下的生长行为。 他们将这些生长动力学归因于扩散场的重叠。 然而在每一个生长动力 学研究中，重点都放在了避免重叠问题上。而这些重叠问题依然可能发生在S.E.Offermanv的实验中。 区分重叠和台阶生长之间的影响是极其困难的。 这也

11、会对实验结果产生影响。 3四 S.E.Offerman 的解释对于 H.l.Aaronson 对铁素体晶粒的数量为温度函数的质疑， S.E.Offerman 指出，实验中 被观察到的铁素体晶粒的数量是一个常数， 可以假设在衍射过程中观察到的晶粒可以代替形 核和生长过程中的所有晶粒， H.l.Aaronson 所质疑的虽然在理论上是正确的，但却没有结合 实际的实验条件。对于他们在扩散区域重叠方面的质疑， S.E.Offerman 认为这需要关于奥氏体晶粒尺寸， 扩散区域的范围，局部碳聚集的区域形核功方面的信息。而对于屮值，作者采取了最大的形核率。而且，作者在实验中也证明了Lange的药丸盒模型并不能解释形核率与温度的关系。4参考文献20101 胡庚祥，材料科学基础 M ，上海，上海