材料科学基础固态相变.ppt

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1、第四章,第四章第一节,固态相变总论,一、固态相变的特点,固体材料的组织、结构在温度、压力、成分改变时所发生的转变统称为固态相变。,固态相变的定义：,大多数固态相变是通过形核和长大完成的，驱动力同样是新相和母相的自由焓之差。阻力:界面能和应变能,1.相界面,（1）共格界面（2）半共格界面（3）非共格界面,2.界面能,界面能依共格界面、半共格界面和非共格界面的顺序递增。,3.应变能,共格应变能 体积应变能,5.惯习面,6.晶体缺陷,新相极易在缺陷处非均匀形核,4.取向关系,界面结构为共格或半共格时，新相与母相之间必须存在一定的晶体学取向关系，反之不成立。,1.按热力学分类 一级相变和二级相变,二、

2、固态相变的分类,一级相变:由相转变为相时，G=G,i=i，但自由焓的一阶偏导数不相等，称为一级相变。,因为,所以 SS,VV,一级相变有体积和熵的突变，V0，S0,二级相变：若相变时，GG，i=i，并且自由焓的一阶偏导数也相等，但自由焓的二阶偏导数不相等，称为二级相变。,由于,其中为材料的压缩系数，为材料的热膨胀系数,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。磁性转变、有序无序转变多为二级相变。,扩散型相变 脱溶沉淀、调幅分解、共析转变等,2.按原子迁移情况分类 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发生改组。马氏体转变

3、,固态相变不一定都属于单纯的扩散型或非扩散型。见表81,3.按相变方式分类 有核相变和无核相变,无核相变通过扩散偏聚的方式进行的相变，为无核相变。调幅分解,三、固态相变的形核1.均匀形核,形成半径为r的球形晶核时，系统自由焓的变化为:G=(4/3)r3GV+4r2+(4/3)r3GE=(4/3)r3(GV+GE)+4r2,G在rr*时达到极大值，这里 r*2/(GV+GE),G与r的关系曲线,形成临界晶核必须首先克服形核势垒G*，G*称为临界晶核的形核功G*=、GE减小，均可降低G*，有利于新相形核。,形核率与临界晶核的形核功、相变温度之间的函数关系：INexp(G*/kT),二、非均匀形核非

4、均匀形核通常是固态相变的主要形核方式。,（1）晶界形核,非均匀形核时，临界晶核半径r*与晶界的存在无关，但形核功G*取决于，00时G降为0，900时，G*非G*均。在界棱或界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。,只有晶界两侧界面都不共格时，晶核才类似球形。通常新相在大角度晶界形核时，一侧可能与母相具有一定的取向关系形成平直的共格或半共格界面，以降低界面能、减少形核功；另一侧必为非共格界面，为减少相界面面积，故呈球冠状。,（2）沿位错形核,四、晶核的长大,“平民式”散漫无序位移 非协同型长大“军队式”有序位移 协同型长大,1.晶核长大的方式,2.晶核长大

5、类型,成分不变协同型长大 成分不变非协同型长大 成分改变协同型长大 成分改变非协同型长大前两类无需溶质原子扩散，长大速度仅与界面点阵重构过程有关，故晶核长大速度很快。,对于冷却过程中发生的相变，当相变温度较高时原子扩散速率较快，但过冷度和相变驱动力较小，晶核长大速率的控制因素是相变驱动力；相变温度较低时，过冷度和相变驱动力较大，原子的扩散速率将成为晶核长大的控制因素。,3.晶核长大控制因素,受界面过程控制的晶核长大过冷度较小时，新相长大速率u与驱动力G成正比；过冷度较大时，长大速率随温度下降而单调下降。,受扩散控制的晶核长大相半径r随时间按抛物线规律长大。,五、固态相变动力学,均匀形核的形核率

6、及受点阵重构控制的长大速率在恒温转变时均为常数，这类相变的动力学可用Johnson-Mehl方程描述:f()=1-exp(-KIu34/4),固态相变速率决定于新相的形成速率和长大速率。,1.动力学方程（给定温度下的等温转变）,非均匀形核的形核率及受扩散控制的长大速率随时间而变化，此类相变的动力学用Avrami方程描述：f()=1-exp(-Bn),2.等温转变动力学图,通常取f=0.05的时间(0.05)为转变开始时间，取f=0.95的时间(0.95)为转变终止时间。以纵坐标为温度，横坐标为时间，作0.05T及0.95 T曲线便可得到等温转变动力学图，也称TTT图。,由TTT图，当温度较高时(如T1)，扩散速度快，但相变驱动力小，转变速度较慢；当温度较低时(如T3)，相变驱动力大，但扩散速度慢，转变速度也较小；而在中间温度(如T2)时，相变驱动力和扩散速度都较大，转变速度最快。C曲线的鼻子温度,