材料科学基础固态相变.ppt

固固态态相相变变第四章第四章固态相变固态相变材料科学基础材料科学基础第八章第八章 固固态态相相变变第四章第一节第四章第一节固态相变总论固态相变总论材料科学基础材料科学基础第八章第八章 第一节第一节固态相变固态相变一、固态相变的特点一、固态相变的特点固固体体材材料料的的组组织织、结结构构在在温温度度、压压力力、成成分改变时所发生的转变统称为固态相变。分改变时所发生的转变统称为固态相变。固态相变的定义：固态相变的定义：大大多多数数固固态态相相变变是是通通过过形形核核和和长长大大完完成成的的，驱驱动动力力同同样样是是新新相相和和母母相相的的自自由由焓焓之之差差。阻力阻力:界面能和应变能界面能和应变能1.1.相界面相界面（1）共格界面）共格界面（2）半共格界面）半共格界面（3）非共格界面）非共格界面2.界面能界面能界界面面能能依依共共格格界界面面、半半共共格格界界面面和和非非共共格格界面的顺序递增。界面的顺序递增。3.应变能应变能 共格应变能共格应变能 体积应变能体积应变能固态相变固态相变5.惯习面惯习面6.晶体缺陷晶体缺陷新相极易在缺陷处非均匀形核新相极易在缺陷处非均匀形核4.取向关系取向关系 界界面面结结构构为为共共格格或或半半共共格格时时，新新相相与与母母相相之之间间必必须须存存在在一一定定的的晶晶体体学学取取向向关关系系，反反之不成立。之不成立。固态相变固态相变1.按热力学分类按热力学分类 一级相变和二级相变一级相变和二级相变 二、固态相变的分类二、固态相变的分类一级相变一级相变:由由相转变为相转变为相时，相时，G G=G=G,i i=i i ，但，但自由焓的一阶偏导数不相等，称为一级相变。自由焓的一阶偏导数不相等，称为一级相变。固态相变固态相变因为因为 所以所以 S SSS,V,VVV一级相变有体积和熵的突变，一级相变有体积和熵的突变，V0 V0，S0S0固态相变固态相变二级相变：二级相变：若相变时，若相变时，GG，i=i，并且自由焓的，并且自由焓的一阶偏导数也相等，但自由焓的二阶偏导数一阶偏导数也相等，但自由焓的二阶偏导数不相等，称为二级相变。不相等，称为二级相变。固态相变固态相变固态相变固态相变由于由于其中其中为材料的压缩系数，为材料的压缩系数，为材料的热膨胀系数为材料的热膨胀系数固态相变固态相变二级相变时无体积效应和热效应，材料的压缩二级相变时无体积效应和热效应，材料的压缩系数、热膨胀系数及比定压热容均有突变。系数、热膨胀系数及比定压热容均有突变。磁性转变、有序无序转变多为二级相变。磁性转变、有序无序转变多为二级相变。扩散型相变扩散型相变 脱溶沉淀、调幅分解、共析转变等脱溶沉淀、调幅分解、共析转变等固态相变固态相变2.按原子迁移情况分类按原子迁移情况分类 扩散型相变扩散型相变,非扩散型相变非扩散型相变非扩散型相变非扩散型相变 原子（或离子）仅作有规则的迁移使点阵原子（或离子）仅作有规则的迁移使点阵发生改组。发生改组。马氏体转变马氏体转变 固态相变不一定都属于单纯的扩散型固态相变不一定都属于单纯的扩散型或非扩散型。或非扩散型。见表见表813.按相变方式分类按相变方式分类 有核相变和无核相变有核相变和无核相变固态相变固态相变无核相变无核相变通过扩散偏聚的方式进行的相变，为无核相变。通过扩散偏聚的方式进行的相变，为无核相变。调幅分解调幅分解三、固态相变的形核三、固态相变的形核1.均匀形核均匀形核固态相变固态相变形成半径为形成半径为r r的球形晶核时，系统自由焓的球形晶核时，系统自由焓的变化为的变化为:G=(4/3)rG=(4/3)r3 3GGV V+4r+4r2 2 +(4/3)r+(4/3)r3 3GGE E =(4/3)r =(4/3)r3 3(G(GV V+G+GE E)+4r)+4r2 2固态相变固态相变GG在在r rr*r*时达到极大值，这里时达到极大值，这里 r*r*22/(G/(GV V+G+GE E)GG与与r r的关系曲线的关系曲线G04r2rG*r*4r3(GV+GE)/3G形成临界晶核必须形成临界晶核必须首先克服首先克服形核势垒形核势垒G*G*，G*G*称为称为临界晶核的形核功临界晶核的形核功G*=G*=、GGE E减小，减小，均可降低均可降低G*G*，有有利于新相形核。利于新相形核。形核率与临界晶核的形核功、相变温度之间形核率与临界晶核的形核功、相变温度之间的函数关系：的函数关系：INexp(G*/kT)固态相变固态相变临界形核功和临界晶核半径临界形核功和临界晶核半径G04r2rG*r*4r3(GV+GE)/3G二、非均匀形核二、非均匀形核非均匀形核通常是固态相变的主要形核方式。非均匀形核通常是固态相变的主要形核方式。r界面形核示意图界面形核示意图设设为母相，为母相，为新相，为新相，两相邻两相邻晶粒间界面能为晶粒间界面能为 ，-界面为非共界面为非共格界面，格界面，界面能为界面能为。球面半径为球面半径为r r，界面形核时，界面形核时自由焓的变化为：自由焓的变化为：G=VGV+A +VGE -A固态相变固态相变（1）晶界形核）晶界形核固态相变固态相变G*非非=G*均均 f()f()是形状因子是形状因子推导出：推导出：r*=-2/(GV+GE)非非均均匀匀形形核核时时，临临界界晶晶核核半半径径r*r*与与晶晶界界的的存存在在无无关关，但但形形核核功功G*G*取取决决于于，0 00 0时时GG降降为为0 0，90900 0时时，G*G*非非G*G*均均。在在界界棱棱或或界界隅处形核还可以进一步降低形核势垒。隅处形核还可以进一步降低形核势垒。晶核最易在界隅形成，其次在界棱，最后是界面。晶核最易在界隅形成，其次在界棱，最后是界面。新相新相非共格界面非共格界面晶界晶界共格或半共格界面共格或半共格界面晶粒晶粒1晶粒晶粒2晶界形核示意图晶界形核示意图只有晶界两侧界面都不共只有晶界两侧界面都不共格时，晶核才类似球形。格时，晶核才类似球形。通常新相在大角度晶界形通常新相在大角度晶界形核时，一侧可能与母相具核时，一侧可能与母相具有一定的取向关系形成有一定的取向关系形成平平直的共格或半共格界面直的共格或半共格界面，以降低界面能、减少形核以降低界面能、减少形核功；另一侧必为功；另一侧必为非共格界非共格界面面，为减少相界面面积，为减少相界面面积，故呈故呈球冠状球冠状。固态相变固态相变（2 2）沿位错形核）沿位错形核四、晶核的长大四、晶核的长大固态相变固态相变“平民式平民式”散漫无序位移散漫无序位移 非协同型长非协同型长大大“军队式军队式”有序位移有序位移 协同型长大协同型长大1.晶核长大的方式晶核长大的方式2.晶核长大类型晶核长大类型 成分不变成分不变协同型长大协同型长大 成分不变成分不变非协同型长大非协同型长大 成分改变成分改变协同型长大协同型长大 成分改变非协同型长大成分改变非协同型长大前两类前两类无需溶质原子扩散无需溶质原子扩散，长大速度仅与界面，长大速度仅与界面点阵重构过程有关，故点阵重构过程有关，故晶核长大速度很快晶核长大速度很快。对对于于冷冷却却过过程程中中发发生生的的相相变变，当当相相变变温温度度较较高高时时原原子子扩扩散散速速率率较较快快，但但过过冷冷度度和和相相变变驱驱动动力力较较小小，晶晶核核长长大大速速率率的的控控制制因因素素是是相相变变驱驱动动力力；相相变变温温度度较较低低时时，过过冷冷度度和和相相变变驱驱动动力力较较大大，原原子子的的扩扩散散速速率率将将成成为为晶晶核核长长大大的的控控制因素。制因素。固态相变固态相变3.晶核长大控制因素晶核长大控制因素固态相变固态相变受界面过程控制的晶核长大受界面过程控制的晶核长大过冷度较小时，新相长大速率过冷度较小时，新相长大速率u与驱动力与驱动力G成正比；过冷度较大时，长大速率随成正比；过冷度较大时，长大速率随温度下降而单调下降。温度下降而单调下降。受扩散控制的晶核长大受扩散控制的晶核长大相半径相半径r随时间随时间按抛物线规律长大。按抛物线规律长大。五、固态相变动力学五、固态相变动力学固态相变固态相变均匀形核均匀形核的的形核率形核率及受点阵重构控制的及受点阵重构控制的长长大速率大速率在在恒温转变恒温转变时均为时均为常数常数，这类相变，这类相变的动力学可用的动力学可用Johnson-MehlJohnson-Mehl方程方程描述描述:f()=1-exp(-KIu f()=1-exp(-KIu3 34 4/4)/4)固态相变速率决定于新相的形成速率和固态相变速率决定于新相的形成速率和长大速率。长大速率。1.动力学方程动力学方程（给定温度下的等温转变）（给定温度下的等温转变）非非均均匀匀形形核核的的形形核核率率及及受受扩扩散散控控制制的的长长大大速速率率随随时时间间而而变变化化，此此类类相相变变的的动动力力学用学用AvramiAvrami方程方程描述：描述：f()=1-exp(-B f()=1-exp(-Bn n)固态相变固态相变2.等温转变动力学图等温转变动力学图固态相变固态相变100%转转变变体体积积分分数数温温度度50%0T1T2T3T1T2T3时间时间时间时间T1T2T3固态相变固态相变通通常常取取的的时时间间()为为转转变变开开始始时时间间，取取的的时时间间()为为转转变变终终止止时时间间。以以纵纵坐坐标标为为温温度度，横横坐坐标标为为时时间间，作作T T及及 T T曲曲线线便便可可得得到到等等温温转变动力学图，也称转变动力学图，也称TTTTTT图。图。由由TTTTTT图，当温度较高时图，当温度较高时(如如T1)T1)，扩散速度快，扩散速度快，但相变驱动力小，转变速度较慢；当温度较低但相变驱动力小，转变速度较慢；当温度较低时时(如如T3)T3)，相变驱动力大，但扩散速度慢，转，相变驱动力大，但扩散速度慢，转变速度也较小；而变速度也较小；而在中间温度在中间温度(如如T2)T2)时时，相变，相变驱动力和扩散速度都较大，驱动力和扩散速度都较大，转变速度最快。转变速度最快。C C曲线的鼻子温度曲线的鼻子温度