材料科學(xué)基礎(chǔ)固態(tài)相變ppt課件

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第四章,1,第四章第一節(jié),固態(tài)相變總論,2,一、固態(tài)相變的特點(diǎn),固體材料的組織、結(jié)構(gòu)在溫度、壓力、成分改變時(shí)所發(fā)生的轉(zhuǎn)變統(tǒng)稱(chēng)為固態(tài)相變。,固態(tài)相變的定義：,大多數(shù)固態(tài)相變是通過(guò)形核和長(zhǎng)大完成的，驅(qū)動(dòng)力同樣是新相和母相的自由焓之差。阻力: 界面能和應(yīng)變能,1. 相界面,（1）共格界面 （2）半共格界面 （3）非共格界面,3,2. 界面能,界面能依共格界面、半共格界面和非共格界面的順序遞增。,3. 應(yīng)變能,共格應(yīng)變能 體積應(yīng)變能,4,5. 慣習(xí)面,,6. 晶體缺陷,新相極易在缺陷處非均勻形核,4. 取向關(guān)系,界面結(jié)構(gòu)為共格或半共格時(shí)，新相與母相之間必須存在一定的晶體學(xué)取向關(guān)系，反之不成立。,5,1. 按熱力學(xué)分類(lèi) 一級(jí)相變和二級(jí)相變,二、固態(tài)相變的分類(lèi),一級(jí)相變 : 由α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪鄷r(shí)，Gα=Gβ,μαi=μβi ，但自由焓的一階偏導(dǎo)數(shù)不相等，稱(chēng)為一級(jí)相變。,6,因?yàn)?所以 Sα≠Sβ, Vα≠Vβ,一級(jí)相變有體積和熵的突變， △V≠0，△S≠0,7,,二級(jí)相變： 若相變時(shí)，Gα＝Gβ，μαi=μβi ，并且自由焓的一階偏導(dǎo)數(shù)也相等，但自由焓的二階偏導(dǎo)數(shù)不相等，稱(chēng)為二級(jí)相變。,,8,,,9,由于,其中β為材料的壓縮系數(shù)，α為材料的熱膨脹系數(shù),二級(jí)相變時(shí)無(wú)體積效應(yīng)和熱效應(yīng)，材料的壓縮系數(shù)、熱膨脹系數(shù)及比定壓熱容均有突變。 磁性轉(zhuǎn)變、有序－無(wú)序轉(zhuǎn)變多為二級(jí)相變。,10,擴(kuò)散型相變 脫溶沉淀、調(diào)幅分解、共析轉(zhuǎn)變等,2. 按原子遷移情況分類(lèi) 擴(kuò)散型相變, 非擴(kuò)散型相變,非擴(kuò)散型相變 原子（或離子）僅作有規(guī)則的遷移使點(diǎn)陣發(fā)生改組。 馬氏體轉(zhuǎn)變,固態(tài)相變不一定都屬于單純的擴(kuò)散型 或非擴(kuò)散型。 見(jiàn)表8－1,11,3. 按相變方式分類(lèi) 有核相變和無(wú)核相變,無(wú)核相變 通過(guò)擴(kuò)散偏聚的方式進(jìn)行的相變，為無(wú)核相變。 調(diào)幅分解,12,三、固態(tài)相變的形核 1. 均勻形核,形成半徑為r的球形晶核時(shí)，系統(tǒng)自由焓的變化為: △G=(4π/3)r3△GV+4πr2γαβ + (4π/3) r3△GE =(4π/3)r3(△GV+△GE)+4πr2γαβ,13,△G在r＝r*時(shí)達(dá)到極大值，這里 r*＝－2γαβ/(△GV+△GE),△G與r的關(guān)系曲線(xiàn),14,形成臨界晶核必須首先克服形核勢(shì)壘△G*， △G*稱(chēng)為臨界晶核的形核功 △G*= γαβ、 △GE減小，均可降低△G*，有利于新相形核。,形核率與臨界晶核的形核功、相變溫度之間的函數(shù)關(guān)系： I＝ηNexp(－ △G*/kT),15,,二、非均勻形核 非均勻形核通常是固態(tài)相變的主要形核方式。,（1）晶界形核,16,,非均勻形核時(shí)，臨界晶核半徑r*與晶界的存在無(wú)關(guān)，但形核功△G*取決于θ，θ＝00時(shí)△G降為0，θ＝900時(shí)，△G*非＝△G*均。在界棱或界隅處形核還可以進(jìn)一步降低形核勢(shì)壘。 晶核最易在界隅形成，其次在界棱，最后是界面。,17,只有晶界兩側(cè)界面都不共格時(shí)，晶核才類(lèi)似球形。通常新相在大角度晶界形核時(shí)，一側(cè)可能與母相具有一定的取向關(guān)系形成平直的共格或半共格界面，以降低界面能、減少形核功；另一側(cè)必為非共格界面，為減少相界面面積，故呈球冠狀。,（2）沿位錯(cuò)形核,18,四、晶核的長(zhǎng)大,“平民式”散漫無(wú)序位移 非協(xié)同型長(zhǎng)大 “軍隊(duì)式”有序位移 協(xié)同型長(zhǎng)大,1. 晶核長(zhǎng)大的方式,2. 晶核長(zhǎng)大類(lèi)型,成分不變協(xié)同型長(zhǎng)大 成分不變非協(xié)同型長(zhǎng)大 成分改變協(xié)同型長(zhǎng)大 成分改變非協(xié)同型長(zhǎng)大 前兩類(lèi)無(wú)需溶質(zhì)原子擴(kuò)散，長(zhǎng)大速度僅與界面點(diǎn)陣重構(gòu)過(guò)程有關(guān)，故晶核長(zhǎng)大速度很快。,19,對(duì)于冷卻過(guò)程中發(fā)生的相變，當(dāng)相變溫度較高時(shí)原子擴(kuò)散速率較快，但過(guò)冷度和相變驅(qū)動(dòng)力較小，晶核長(zhǎng)大速率的控制因素是相變驅(qū)動(dòng)力；相變溫度較低時(shí)，過(guò)冷度和相變驅(qū)動(dòng)力較大，原子的擴(kuò)散速率將成為晶核長(zhǎng)大的控制因素。,3. 晶核長(zhǎng)大控制因素,20,受界面過(guò)程控制的晶核長(zhǎng)大 過(guò)冷度較小時(shí)，新相長(zhǎng)大速率u與驅(qū)動(dòng)力△G成正比；過(guò)冷度較大時(shí)，長(zhǎng)大速率隨溫度下降而單調(diào)下降。,受擴(kuò)散控制的晶核長(zhǎng)大 β相半徑r隨時(shí)間τ按拋物線(xiàn)規(guī)律長(zhǎng)大。,21,五、固態(tài)相變動(dòng)力學(xué),均勻形核的形核率及受點(diǎn)陣重構(gòu)控制的長(zhǎng)大速率在恒溫轉(zhuǎn)變時(shí)均為常數(shù)，這類(lèi)相變的動(dòng)力學(xué)可用Johnson-Mehl方程描述: f(τ)=1-exp(-KIu3τ4/4),固態(tài)相變速率決定于新相的形成速率和長(zhǎng)大速率。,1. 動(dòng)力學(xué)方程 （給定溫度下的等溫轉(zhuǎn)變）,22,非均勻形核的形核率及受擴(kuò)散控制的長(zhǎng)大速率隨時(shí)間而變化，此類(lèi)相變的動(dòng)力學(xué)用Avrami方程描述： f(τ)=1-exp(-Bτn),23,2. 等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)圖,24,通常取f=0.05的時(shí)間(τ0.05 )為轉(zhuǎn)變開(kāi)始時(shí)間，取f=0.95的時(shí)間(τ0.95 )為轉(zhuǎn)變終止時(shí)間。以縱坐標(biāo)為溫度，橫坐標(biāo)為時(shí)間，作τ0.05－T及τ0.95 －T曲線(xiàn)便可得到等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)圖，也稱(chēng)TTT圖。,由TTT圖，當(dāng)溫度較高時(shí)(如T1)，擴(kuò)散速度快，但相變驅(qū)動(dòng)力小，轉(zhuǎn)變速度較慢；當(dāng)溫度較低時(shí)(如T3)，相變驅(qū)動(dòng)力大，但擴(kuò)散速度慢，轉(zhuǎn)變速度也較?。欢谥虚g溫度(如T2)時(shí)，相變驅(qū)動(dòng)力和擴(kuò)散速度都較大，轉(zhuǎn)變速度最快。 C曲線(xiàn)的鼻子溫度,25,