材料科學基礎固態(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,固體材料的組織、結構在溫度、壓力、成分改變時所發(fā)生的轉變統(tǒng)稱為固態(tài)相變。,固態(tài)相變的定義：,大多數(shù)固態(tài)相變是通過形核和長大完成的，驅動力同樣是新相和母相的自由焓之差。阻力: 界面能和應變能,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. 應變能,共格應變能 體積應變能,4,5. 慣習面,,6. 晶體缺陷,新相極易在缺陷處非均勻形核,4. 取向關系,界面結構為共格或半共格時，新相與母相之間必須存在一定的晶體學取向關系，反之不成立。,5,1. 按熱力學分類 一級相變和二級相變,二、固態(tài)相變的分類,一級相變 : 由α相轉變?yōu)棣孪鄷r，Gα=Gβ,μαi=μβi ，但自由焓的一階偏導數(shù)不相等，稱為一級相變。,6,因為,所以 Sα≠Sβ, Vα≠Vβ,一級相變有體積和熵的突變， △V≠0，△S≠0,7,,二級相變： 若相變時，Gα＝Gβ，μαi=μβi ，并且自由焓的一階偏導數(shù)也相等，但自由焓的二階偏導數(shù)不相等，稱為二級相變。,,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),二級相變時無體積效應和熱效應，材料的壓縮系數(shù)、熱膨脹系數(shù)及比定壓熱容均有突變。 磁性轉變、有序－無序轉變多為二級相變。,10,擴散型相變 脫溶沉淀、調幅分解、共析轉變等,2. 按原子遷移情況分類 擴散型相變, 非擴散型相變,非擴散型相變 原子（或離子）僅作有規(guī)則的遷移使點陣發(fā)生改組。 馬氏體轉變,固態(tài)相變不一定都屬于單純的擴散型 或非擴散型。 見表8－1,11,3. 按相變方式分類 有核相變和無核相變,無核相變 通過擴散偏聚的方式進行的相變，為無核相變。 調幅分解,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，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*時達到極大值，這里 r*＝－2γαβ/(△GV+△GE),△G與r的關系曲線,14,形成臨界晶核必須首先克服形核勢壘△G*， △G*稱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，臨界晶核半徑r*與晶界的存在無關，但形核功△G*取決于θ，θ＝00時△G降為0，θ＝900時，△G*非＝△G*均。在界棱或界隅處形核還可以進一步降低形核勢壘。 晶核最易在界隅形成，其次在界棱，最后是界面。,17,只有晶界兩側界面都不共格時，晶核才類似球形。通常新相在大角度晶界形核時，一側可能與母相具有一定的取向關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；另一側必為非共格界面，為減少相界面面積，故呈球冠狀。,（2）沿位錯形核,18,四、晶核的長大,“平民式”散漫無序位移 非協(xié)同型長大 “軍隊式”有序位移 協(xié)同型長大,1. 晶核長大的方式,2. 晶核長大類型,成分不變協(xié)同型長大 成分不變非協(xié)同型長大 成分改變協(xié)同型長大 成分改變非協(xié)同型長大 前兩類無需溶質原子擴散，長大速度僅與界面點陣重構過程有關，故晶核長大速度很快。,19,對于冷卻過程中發(fā)生的相變，當相變溫度較高時原子擴散速率較快，但過冷度和相變驅動力較小，晶核長大速率的控制因素是相變驅動力；相變溫度較低時，過冷度和相變驅動力較大，原子的擴散速率將成為晶核長大的控制因素。,3. 晶核長大控制因素,20,受界面過程控制的晶核長大 過冷度較小時，新相長大速率u與驅動力△G成正比；過冷度較大時，長大速率隨溫度下降而單調下降。,受擴散控制的晶核長大 β相半徑r隨時間τ按拋物線規(guī)律長大。,21,五、固態(tài)相變動力學,均勻形核的形核率及受點陣重構控制的長大速率在恒溫轉變時均為常數(shù)，這類相變的動力學可用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大速率。,1. 動力學方程 （給定溫度下的等溫轉變）,22,非均勻形核的形核率及受擴散控制的長大速率隨時間而變化，此類相變的動力學用Avrami方程描述： f(τ)=1-exp(-Bτn),23,2. 等溫轉變動力學圖,24,通常取f=0.05的時間(τ0.05 )為轉變開始時間，取f=0.95的時間(τ0.95 )為轉變終止時間。以縱坐標為溫度，橫坐標為時間，作τ0.05－T及τ0.95 －T曲線便可得到等溫轉變動力學圖，也稱TTT圖。,由TTT圖，當溫度較高時(如T1)，擴散速度快，但相變驅動力小，轉變速度較慢；當溫度較低時(如T3)，相變驅動力大，但擴散速度慢，轉變速度也較小；而在中間溫度(如T2)時，相變驅動力和擴散速度都較大，轉變速度最快。 C曲線的鼻子溫度,25,