材料科学基础下中文ch50a

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Sorryforforgettingtutorial!Icanmakeupforyou,Anytime?第四章、回复与再结晶§1.导言§2.回复§3.再结晶§4.晶粒长大和其他变化§5.金属的热加工§6.总结2第五章(一)Homework:(其它思考)11-1,3,5,6,8,9,12,13,15,1612-7somefiguresfrompptfromProfessorsMartinEdenGlicksmanandAfinaLupulescu固态相变-13第五章.固态相变§1.导言(11.1)§2.时效现象

1)形核、长大和TTT曲线(11.3) 2)颗粒粗化(奥斯特瓦尔德熟化)(11.5) 3)沉淀强化

(11.7) 4)时效过程

(11.2)§3.奥氏体分解

1)TTT和CCT曲线(11.8) 2)珠光体转变(11.9) 3)不连续沉淀(11.6) 4)贝氏体(11.10)§4.马氏体转变(12章)

1)基本特点和定义 *调幅分解(11.4简介) *有序-无序转变(11.11自学)4第五章.固态相变§1.导言发生了什么变化?为什么会发生?特点(和结晶过程比较)分类根据热力学特征根据学科领域根据形核、长大动力学(界面迁移)不同特征Omegatransformation调幅分解有序-无序大块相变§2.时效现象5不同类型的相转变From:Glicksman,2004转变前的相转变后的相类型气相液相液化气相固相结晶液相气相蒸发固相气相升华液相（玻璃相）液相（玻璃相）相分离纯液体固相凝固溶液固体结晶沉淀固相纯液体熔化固相溶液溶解固相不同结构相同成分的固相同素异形转变固相相同结构和成分的固相晶粒长大、烧结固相固相、成分改变沉淀6§1. 导言1.发生了什么变化原子排列至少发生以下变化之一：化学成分变化、晶体结构变化马氏体转变(S)有序-无序(C?)沉淀(C+S)电子结构(相转变)伴随物理性质的改变，如磁学、超导等2.为什么会发生改变自由能随着环境因素的改变，如温度、压力、磁场等73.特点(和结晶比较)增加的能量阻碍形核新相与母相间的界面能应变能原子迁移率低大的过冷度快冷工艺可以有效抑制相变非均匀成核§1. 导言Askeland,Phule20038特征新相往往有特定的形状不同的界面结构：共格、半共格、非共格晶体学位相关系存在惯习面(盘状的宽平面或碟状的板条平面)Askeland,Phule20039不是该条件及成分所对应的相图上的相

(包括成分、结构与平衡相不同） 没有足够高的温度,亚稳相可长期存在可以是：高温相:

b-Ti合金,A’相图上没有的相:

Al合金”,

’,

碳化物（回火析出）过饱和低温相:

钢中的马氏体（不是所有的马氏体）例如出土的战国时期的刀剑仍是马氏体的基本形貌GibbsfreeenergyComposition

C

stableC

C

metastableC

亚稳相的形成From:Glicksman,2004104. 分类(p.552)根据热力学分类一级相变:

自由能G

在Tc处的一阶偏导数不连续二次相变:

自由能G

在Tc处的一阶偏导数连续

§1. 导言11一级相变很多相变伴随着热学性能的突变，比如V,H,S,等等。假设是可逆相变,

G=0,则有相似地可以得到12相变时自由能的一阶偏导(例如V,S)不连续但自由能本身连续的相变为一级相变自由能一阶偏导中的“跳跃”导致自由能的二阶量在该处产生奇异点。例如热容Cp：HGT

VT

VT

H一级相变From:Glicksman,200413P55411-3,4一级(a)及二级(b)相变的自由能,熵及体积变化的对比一级(a)及二级(b)相变的焓,比热容及有序度变化的对比

相变145.根据不同学科分类物理学者:

(主要是二级相变)相转变,临界（点）现象Toanswerwhat&why.普适性理论第一原理材料科学家&工程师(主要是一级相变)Toknowwhatandwhy,soastoknow怎样发生的？怎样控制？控制亚稳相并将其应用于实际领域§1. 导言15§1. 导言4. 分类(p.552)

按动力学分类

(界面迁移)

扩散型vs无扩散型 扩散型vs位移型扩散

(重构?)无扩散

(位移?)陶瓷金属16非热激活热激活按界面迁移分类

17ThermallyactivatedgrowthCoherentinterfaceSemi-coherentinterfaceCoherentmartensiteMechanicaltwinningMartensiteLow-angleboundaryAthermalgrowth(glissileinterfaces)Nolong-rangetransport(interfacecontrolled)Long-rangetransportPolymorphictransitions,growthfromvapourRecrystallizationgraingrowthOrder-DisorderchangesDiscontinuousreactions(diffusionplusinterfacecontrolled?)ContinuousreactionsEutectoidalreactionsDiscontinuousprecipitationInterfacecontrolled DiffusioncontrolledCrystalgrowthfromvapourPrecipitationdissolutionPrecipitationdissolution不同种类的相变GrowthcontrolledbyheattransportSolidificationmeltingChristian,TheTheoryofTransformationsinMetalsandAlloys,1965,1975,2002,anexcellentbook

18金属及合金中的一级相变无扩散型扩散型连续型spinodal分解连续有序化形核长大型新相成分改变（长程扩散长大）新相成分不改变（短程扩散长大）连续型——ω相变形核长大型——马氏体相变非均匀相变（扩散、界面控制、非共格界面）胞状相变—珠光体相变非连续沉淀均匀相变界面控制扩散控制共格－GP区半共格－贝氏体，相间沉淀非共格沉淀热激活界面控制非热激活迁动位错非共格－再结晶，块状相变共格－有序化非共格－孪生半共格－倾转晶界徐祖耀,《相变原理》Homogenous,均匀相变Heterogeneous,非均匀相变连续Fig.11-619Ti中的ω转变(-1-11)planes[-1-11](a)Bcc点阵和（111）面.(b)bcc-相中的(111)面,完全坍塌的,“完美的”-相和“混乱的”-相.Trinkle,200320|[111]|=6/|(222)|ω相变Trinkle,2003YeF.LayerALayerBLayerC21bcc&ω堆垛次序.Bcc结构在(111)面上的投影[1-10]在垂直于纸面的bcc和w(点状的)的(111)面上的投影bccwTrinkle,200322调幅分解形成稳定相需要大的成分差异From:PorterandEasterling1992Carter,200223扩散过程中自由能和化学势变化(a)(b)下山扩散(c),(d)上山扩散(e)

A2>A1,

A原子从2向1移动,B1>B2,B原子从1向2移动,(f)A1>A2,A原子从1向2移动,B2>B1,B原子从2向1移动。TwophaseSinglephaseMetastableMetastableUnstableCompositionT/Tc不稳定时的调幅分解From:PorterandEasterling1992From:Glicksman,200424在一个淬火到拐点区域之外的合金里成分随时间变化的示意图调幅分解vs形核、长大在一个淬火到拐点区域内的合金里成分随时间变化的示意图X0X0’X0X0’From:PorterandEasterling1992Carter,200225调幅分解形成二元合金的动画示意Sander,199926显微结构和仿真x<x0x>x0由原子探针得到的三维原子相显示了在一种新的硬磁合金的调幅反应中，Fe和Ni的原子的相分离情况。FromSimonP.Ringerseminarnotice,2007From:Glicksman,200427含Al22.5at%、Zn0.1at%的镁合金在400

ºC等温2h和100ºC时效处理20h后的粗调幅显微结构.(X314000)From:PorterandEasterling199228Figure4.(a)Bright-fieldtransmissionelectronmicroscopy(TEM)imageobtainedfromtheregionneartheair-sideofas-melt-spunTi28Y28Al24Co20alloy;(inset)thecorrespondingselected-areadiffractionpattern.(b)Adark-fieldTEMimageobtainedusingtheinnerdiffusehalomarkedbythewhitearrowintheinsetin(a).FormationofBulkMetallicGlassesandTheirCompositesY.Li,S.J.Poon,G.J.Shiflet,J.Xu,D.H.Kim,andJ.F.LöfflerB.J.Park,H.J.Chang,W.T.Kim,D.H.Kim,Appl.Phys.Lett.85,6353(2004).块体金属玻璃中基相分解

(不均匀范围在25–250nm)Figure4.CommerciallyavailablegolfclubsthatuseBMGplates.(FromReference44.)A.Inoue,T.Zhang,Mater.Trans.,JIM36,1184(1995).291:均匀稳定相.2:均匀

亚稳相,

只形成非共格相.3:均匀亚稳相,

只形成共格相.

4:均匀不稳定相,不形核.共格调幅分解From:PorterandEasterling199230Fe-Cr系统调幅分解仿真

Honjoetcal,200031有序-无序转变在多组元(非离子)晶体,当

AB

低,使得

<0,<0,

因此A-B

键比A-A或B-B

键更稳定.无序相熵更高，因而有序转变通常发生在冷却无序相的时候。温度无序有序From:Glicksman,200432MITS.M.Allen33有序-无序长程有序

(LRO)短程有序

(SRO)混乱From:PorterandEasterling199234有序-无序From:PorterandEasterling1992Strukturbericht符号:a)L20;b)L12c)L10;d)D03e)D019B1:NaCl用于描述金属间化合物对称性的一些符号；Pearson,ect.35固态相变所涉及的各类相图b:Eutectoidtransformation共析,Fe-Ca:Precipitationtransformation脱溶，析出，沉淀d:Massivetransformation块状转变,Cu-Znc:Orderingtransformation有序化，Cu3Au,CuZne:PolymorphicTransformation同素异构Fig.11-536块状转变成分不变结构变化b

转变为a的条件

Gb>GaGibbsfreeenergyCompositionb

ToFig.11-537块状转变From:PorterandEasterling199238Cu-38.7Zn水淬后的块状组织,OM照片，200倍Ti-46.54Al形核初期的OM照片块状转变的微观结构P.Wangetal:Metall.Mater.Tran.A,2002,vol.33A,PP.2353-2371H.I.Aaronson:Metall.Mater.Trans.A,2002,vol.33A,pp.2285-2297From:PorterandEasterling199239块状铁素体OM照片块状铁素体的跨越晶界现象Fe-3.93pctNi-0.01pctCFe-3.9pctCu-0.005pctCE.A.WilsonandS.H.Chong:Metall.Mater.Trans.A,2002,vol.33A,pp.2425-243140J.F.NieandB.Muddle:Metall.Mater.Trans.A,2002,vol.33A,pp.2381-2389块状转变的TEM照片（Ti-46.5Al）界面结构争议？41§2.沉淀现象Fig.11-7能发生脱溶（沉淀、析出）反应的相图42沉淀强化波音767飞机用于飞机上翼和机内结构件的铝合金的TEM照片。Callister,200343Ti合金的沉淀相显微组织BAppolaire,EGautier,200344§2.沉淀现象1.形核和长大(11.3)1)形核势垒界面能应变能

G=–(

Gv–

Gs)V+

abAThevariationofGwithrforahomogeneousnucleus.TheenergybarrierisG*2)形核位置位错处界面处From:PorterandEasterling199245§2.沉淀现象3)体积为v的相的相变驱动力图示: [11-31]

1mol

’→

+

驱动力=

G=BD

=x1x0/x1x2mol形成1mol

的驱动力

Gm=

G/(x1x0/x1x2)=KC

因为BD/KC=x1x0/x1x2图11-19,脱溶完成时自由能变化,p565

注意:

不是每摩尔点阵相!46

1

mol

’→N1

(x1)+N2

’(x2)(N1+N2=1)

ΔG=N1(G1–G0)+N2(G2–G0)杠杆定律:N1=N2(x2–x0)/(x0-x1)(G0–G1)/(x0-x1)≈dG/dxΔG=N2[(G2–G0)–(x2–x0)dG/dx] =N2(AS

-ES)=AEN2>0

脱溶开始时及脱溶过程中自由能的变化3)

相形核的驱动力

Gn=形成每摩尔核的驱动力P349565KxyForxo>xy,

DGn

总是<0,

调幅ΔG=N2[(G2–G0)–(G0–G1)(x2–x0)/(x0-x1)]47第五章.固态相变§1.导言发生了什么变化?为什么?特征(和结晶比较)分类§2.沉淀现象

1)形核,

长大,和TTT曲线(11.3) 2)粗化(奥斯特瓦尔德熟化)(11.5) 3)沉淀强化

(11.7) 4)时效过程

(11.2)ΔG(1mole母相)=N1(G1–G0)+N2(G2–G0)ΔG=N2[(G2–G0)–(x2–x0)dG/dx]形成每摩尔

相的形核驱动力48平衡成分(xβ)的b相形核ΔG

=PR–QR=–|QP|<0QP=1mol

核的驱动力(xβ)什么成分的b相有最大的驱动力?临界成分xb是多少,超过多少DGn<0?

相的形核驱动力

P349566脱溶开始时及脱溶过程中自由能的变化RMistakep.566Eq.11-3149GB=x0

B

+(1–x0)

A

GD=x0

B

+(1–x0)

A

GP=x

Bα+(1–xβ)

A

GQ=x

B

+(1–xβ)

A

ix=Gi+RTlnaxi

A

=GA+RTlnaaA ∵ 沉淀过程中自由能发生变化.第一沉淀相的形核驱动力是

Gn.Go

是当沉淀完全、体系达到平衡时自由能的总减少量。From:PorterandEasterling1992数值法计算ΔGn=GP–GQ=|QP|驱动力和过饱和或过冷度有什么关系？50

Gn

和

T的关系--asimplecase

当xβ=1,

假定

是稀溶液或理想溶液. ∴

当x0–xe=Δx<<x0 ∴ ForΔT∝Δx,ΔGn∝ΔT~Eq.5~31 From:PorterandEasterling1992512.形核势垒的产生MinoruDoi,1996共格粒子的晶格错配导致了应变能晶格错配和不同的化学键导致了界面能522形核势垒的产生错配一般是各向异性的,e.g.in1D碟状,(P569)From:PorterandEasterling1992535.脱溶粒子应变能和界面能互相协调、妥协,随着粒子的尺寸大小而变化:小共格,大的半共格

PorterandEasterling2001P571Fig.11-26母相+沉淀相的总自由能和球形非共格(半共格或不共格)析出物半径之间的关系共格的丧失54应变能和界面能的互相协调、妥协

各项同性错配:

球状一般是界面能最小的结果 盘状可能更多是为了使应变能降低的结果PorterandEasterling200155各向异性错配和各向异性界面能 如果边缘没有错配应变，会出现小平面，否则，就是更一般的情况：形成宽面是半共格的、边缘是共格的透镜形状，如马氏体。PorterandEasterling2001(On-goingresearch)应变能和界面能的互相协调、妥协56铁素体中铌的碳氮化物沉淀排列在位错上(X108000)(暗场电子相中亮的是沉淀物)From:PorterandEasterling1992形核位置57A.Perovicetal.Al合金中位错环上的沉淀Ricksetcal,1979Fe-2Cu-2Ni合金中ε-在铁素体位错上析出帮助形成应变场释放应变能形成位错错配迁移需要合金原子提供短程扩散位错上的沉淀形核58N

个晶粒相遇的地方N=4N=3N=2From:PorterandEasterling1992MVKral,GSpanos,ActaMater.,199959YeandZhang,Actamater.,2002HoweandSpanos,Phil.Mag.,1999界面台阶的周期性结构高碳钢中奥氏体矩阵中的渗碳体惯习面60不同形状的沉淀相J.F.NIE,B.C.MUDDLE,ActaMater.2000X.D.Zhang,etal,ActaMater.199861第5a章结束§1.导言§2.沉淀现象形核长大623