材料科學(xué)基礎(chǔ)第8章實(shí)用教案

1、18.1.1.1 物態(tài)物態(tài)(w ti)之間的相變之間的相變l固相固相 液相液相 （熔化）（熔化） l固相固相 氣相氣相 （升華）（升華）l液相液相 固相固相 （凝固）（凝固）l液相液相 氣相氣相 （蒸發(fā)（蒸發(fā)(zhngf)）l氣相氣相 液相液相 （凝聚）（凝聚）l氣相氣相 固相固相 （凝聚）（凝聚）l 此外還有：液相此外還有：液相A 液相液相Bl 固相固相A 固相固相B第1頁/共34頁第一頁，共35頁。28.1.1.2 按熱力學(xué)分類按熱力學(xué)分類(fn li)l 一級(jí)相變一級(jí)相變 晶體的熔化(rnghu)、凝固、液相沉積、升華等。 大部分的固態(tài)相變?yōu)橐患?jí)相變。第2頁/共34頁第二頁，共35頁。3

2、l二級(jí)相變二級(jí)相變超導(dǎo)態(tài)相變、磁性轉(zhuǎn)變(zhunbin)、部分無序有序轉(zhuǎn)變(zhunbin)等為二級(jí)相變。第3頁/共34頁第三頁，共35頁。48.1.1.3 按相變機(jī)理按相變機(jī)理(j l)分類分類l擴(kuò)散型相變擴(kuò)散型相變l 在相變過程，發(fā)生成份變化，兩相中的原子要進(jìn)行在相變過程，發(fā)生成份變化，兩相中的原子要進(jìn)行長程擴(kuò)散（如固溶體脫溶反應(yīng)、共析轉(zhuǎn)變、沉淀析出反長程擴(kuò)散（如固溶體脫溶反應(yīng)、共析轉(zhuǎn)變、沉淀析出反應(yīng)等）。應(yīng)等）。l非擴(kuò)散型相變非擴(kuò)散型相變l 在相變過程，沒有成份變化，沒有原子擴(kuò)散，相變?cè)谙嘧冞^程，沒有成份變化，沒有原子擴(kuò)散，相變是通過相界面的滑動(dòng)過程進(jìn)行的。新相的長大速度是通過相界面的滑

3、動(dòng)過程進(jìn)行的。新相的長大速度(sd)極快，通常稱這種相變?yōu)榍凶冃拖嘧?，如馬氏體相變、極快，通常稱這種相變?yōu)榍凶冃拖嘧?，如馬氏體相變、低溫進(jìn)行的純金屬同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變等。低溫進(jìn)行的純金屬同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變等。l半擴(kuò)散型相變半擴(kuò)散型相變l 介于擴(kuò)散型和非擴(kuò)散型之間的擴(kuò)散（例如鋼中貝氏介于擴(kuò)散型和非擴(kuò)散型之間的擴(kuò)散（例如鋼中貝氏體轉(zhuǎn)變等）。體轉(zhuǎn)變等）。第4頁/共34頁第四頁，共35頁。58.2 組織組織(zzh)轉(zhuǎn)變的基本特征轉(zhuǎn)變的基本特征8.2.1 相變的本質(zhì)相變的本質(zhì)相變涉及到原子排列方式的變化；相變涉及到原子排列方式的變化；新相與舊相之間存在界面新相與舊相之間存在界面(jimin)；相變時(shí)存在阻力；相變

4、時(shí)存在阻力；為了促進(jìn)相變的進(jìn)行，需要足夠的驅(qū)動(dòng)力。為了促進(jìn)相變的進(jìn)行，需要足夠的驅(qū)動(dòng)力。第5頁/共34頁第五頁，共35頁。68.2.2 相變的驅(qū)動(dòng)力（以凝固(nngg)相變?yōu)槔┑?頁/共34頁第六頁，共35頁。7第7頁/共34頁第七頁，共35頁。88.2.3 相的均勻相的均勻(jnyn)形核形核8.2.3.1 液相中的均勻液相中的均勻(jnyn)形核形核均勻形核：在均一的液相中依靠自身的結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏形成新相核心的過程，也稱為自發(fā)形核。假設(shè)條件：固相與液相的界面能是各向同性的； 單位面積的界面能與固相尺寸(ch cun)無關(guān)。體積(tj)自由能差界面能第8頁/共34頁第八頁，共35頁。9

5、 過冷度T越大則r*（臨界晶核半徑(bnjng)）和G*（形核功）越小，形核勢壘越小，形核速率相對(duì)越大。r* G*第9頁/共34頁第九頁，共35頁。10結(jié)論：形成臨界晶核時(shí)，體結(jié)論：形成臨界晶核時(shí)，體積自由能的下降值只能積自由能的下降值只能(zh nn)補(bǔ)償表面能的補(bǔ)償表面能的2/3，還，還有有1/3的表面能必須從能量起的表面能必須從能量起伏中獲得。伏中獲得。晶胚晶核表面自由能體積自由能第10頁/共34頁第十頁，共35頁。11能量(nngling)起伏系統(tǒng)的能量分布有起伏(qf)，呈正態(tài)分布形式。能量起伏(qf)的含義： 在瞬時(shí)各微觀體積的能量不同； 某一微觀體積不同瞬間的能量分布不同。 在具

6、有高能量的微觀區(qū)域形核，可以(ky)全部補(bǔ)償表面能，使G0。第11頁/共34頁第十一頁，共35頁。12結(jié)結(jié) 論：論： 只有在一定過冷度下、在高能區(qū)、尺寸大只有在一定過冷度下、在高能區(qū)、尺寸大于于 r * 的 近 程 排 列 的 原 子 集 團(tuán) 可 以 形 成的 近 程 排 列 的 原 子 集 團(tuán) 可 以 形 成(xngchng)固相的穩(wěn)定核心（晶核），使固相的穩(wěn)定核心（晶核），使系統(tǒng)吉布斯自由能降低，滿足系統(tǒng)吉布斯自由能降低，滿足G0的熱力的熱力學(xué)條件。學(xué)條件。第12頁/共34頁第十二頁，共35頁。13形核功因子(ynz)原子擴(kuò)散(kusn)幾率因子第13頁/共34頁第十三頁，共35頁。148

7、.2.3.2 固相中的均勻(jnyn)形核體積(tj)自由能差界面(jimin)能體積應(yīng)變能第14頁/共34頁第十四頁，共35頁。15 界面能的大小取決于界面的結(jié)構(gòu)和界面成分的變化。固態(tài)相變中形成的界面結(jié)構(gòu)有三種形式，即共格界面、半共格界面和非共格界面。 固態(tài)相變中，體積應(yīng)變能來自新舊兩相的比容差和界面結(jié)構(gòu)兩個(gè)因素。應(yīng)變能由兩項(xiàng)組成，一項(xiàng)是由新相和舊相比容不同所產(chǎn)生的彈性應(yīng)變能；另一項(xiàng)是由界面上兩相晶格不匹配而產(chǎn)生的彈性應(yīng)變能。 界面能和體積應(yīng)變能是固態(tài)相變過程(guchng)的阻力，但在不同條件下，所起的主導(dǎo)作用不同。 當(dāng)新舊兩相形成共格界面或半共格界面時(shí)，相變阻力主要是體積應(yīng)變能。 當(dāng)新舊

8、兩相形成非共格界面時(shí)，相變阻力主要是界面能。第15頁/共34頁第十五頁，共35頁。168.2.4 相的非均勻相的非均勻(jnyn)形核形核8.2.4.1 液相中的非均勻液相中的非均勻(jnyn)形核形核 液態(tài)金屬過冷后，主要的形核障礙是晶核的液固相界面使系統(tǒng)自由能升高。 如果晶核依附于已存在的界面上形成時(shí)，就有可能使界面能降低，從而(cng r)使形核功降低。 非均勻形核：依附于液相中某些固體表面（外來夾雜表面或容器壁）上形核的過程，也稱為非自發(fā)形核。第16頁/共34頁第十六頁，共35頁。17第17頁/共34頁第十七頁，共35頁。18第18頁/共34頁第十八頁，共35頁。19討討 論：論：=0

9、時(shí)（完全潤濕），時(shí)（完全潤濕），G*非非=0，固體表面相當(dāng)于現(xiàn)成的晶，固體表面相當(dāng)于現(xiàn)成的晶核，不需要臨界核，不需要臨界(ln ji)形核功；（圖形核功；（圖a）=時(shí)（完全不潤濕），時(shí)（完全不潤濕），G*非非=G*均，固體表面對(duì)晶胚均，固體表面對(duì)晶胚成核沒有促進(jìn)作用；（圖成核沒有促進(jìn)作用；（圖c）0時(shí)時(shí), 0G*非非G*均，非均勻形核需要的臨界均，非均勻形核需要的臨界(ln ji)形核功小于均勻形核，且隨著形核功小于均勻形核，且隨著的減小而下降。（圖的減小而下降。（圖b）第19頁/共34頁第十九頁，共35頁。20鋁合金鑄棒的橫截面組織(zzh) 右側(cè)的鑄棒中加入了晶粒細(xì)化劑（變質(zhì)劑），全部都是

10、細(xì)的等軸晶粒。第20頁/共34頁第二十頁，共35頁。218.2.4.2 固相中的非均勻(jnyn)形核 固態(tài)相變時(shí)，各種晶體缺陷，如晶界、位錯(cuò)、相界、空位、層錯(cuò)等都可以作為擇優(yōu)形核的位置，這些晶體缺陷本身具有較高的能量，在這些位置形核，可以降低(jingd)形核功，因此非均勻形核比均勻形核要容易得多，固態(tài)相變時(shí)的形核通常是非均勻形核。第21頁/共34頁第二十一頁，共35頁。22l 晶界形核晶界形核 設(shè)核心界面是非共格的、核心表面(biomin)能與取向和自身曲率無關(guān)，并忽略應(yīng)變能，那么在晶界上形成的核心是球冠狀。這時(shí)在晶界上形成晶胚的能量變化Gb為：形核功：臨界晶核半徑：第22頁/共34頁第二

11、十二頁，共35頁。23l 位錯(cuò)形核位錯(cuò)形核位錯(cuò)促進(jìn)形核的主要原因有三方面(fngmin)： 非共格形核時(shí)，可使位錯(cuò)的能量釋放，而使形核 功減小。 共格或半共格形核時(shí)，作為界面位錯(cuò)補(bǔ)償兩相界面晶格失配，使所需消耗的界面能降低。 母相中溶質(zhì)原子在位錯(cuò)線上偏聚，形成柯氏氣團(tuán)，當(dāng)新相成分不同于母相時(shí)，溶質(zhì)的偏聚則有利于新相在位錯(cuò)線上沉淀而析出。第23頁/共34頁第二十三頁，共35頁。24第24頁/共34頁第二十四頁，共35頁。25l 空位空位(kn wi)形核形核 空位及空位群對(duì)形核的促進(jìn)作用通過兩個(gè)途徑，一是促進(jìn)溶質(zhì)原子的擴(kuò)散，二是作為形核位置促進(jìn)新相的沉淀(chndin)析出。l 層錯(cuò)形核層錯(cuò)形核

12、促進(jìn)形核的原因：高能(gonng)區(qū) 富集溶質(zhì)第25頁/共34頁第二十五頁，共35頁。268.2.5 基體基體(j t)析出物的內(nèi)界面析出物的內(nèi)界面8.2.5.1 共格界面(jimin) 共格相界面存在著一定的晶格畸變，只是(zhsh)這種畸變不大，還不足以破壞其共格的形式。第26頁/共34頁第二十六頁，共35頁。278.2.5.2 半共格界面(jimin) 在界面上形成一系列刃型位錯(cuò)，以補(bǔ)償界面上原子間的不匹配性，使界面上的畸變和彈性(tnxng)應(yīng)變能降至最低。第27頁/共34頁第二十七頁，共35頁。28第28頁/共34頁第二十八頁，共35頁。298.2.5.3 非共格界面(jimin)

13、兩相點(diǎn)陣類型或點(diǎn)陣常數(shù)具有(jyu)很大差別時(shí)易出現(xiàn)。 界面上的晶格畸變很小，但界面能較高。表8-1第29頁/共34頁第二十九頁，共35頁。308.2.6 新相的長大新相的長大(chn d)l 新相長大的本質(zhì)：新相界面向母相的遷動(dòng)過程。l 新相長大速率與相變類型有關(guān)：l 對(duì)于(duy)非擴(kuò)散型相變，新相的長大速率通過原子協(xié)調(diào)的整體運(yùn)動(dòng)使界面遷移，速度接近聲速。l 對(duì)于(duy)擴(kuò)散型相變，新相的長大速率取決于原子的擴(kuò)散速率。第30頁/共34頁第三十頁，共35頁。31擴(kuò)散型相變的特點(diǎn)： 新相形核要求稱為孕育期的一段時(shí)間，孕育時(shí)間是過冷度的函數(shù)。在孕育期內(nèi)測不出相變發(fā)生。 核心一旦形成，新相開始(kish)發(fā)生長大，此時(shí)新相數(shù)量迅速增加。 最后，由于母相將耗盡或生長相的相互接觸使新相生長又變慢。數(shù)學(xué)表達(dá)式：X = 1 - exp - (kt)n （式8-12）第31頁/共34頁第三十一頁，共35頁。32構(gòu)造等溫轉(zhuǎn)變圖第32頁/共34頁第三十二頁，共35頁。33End第33頁/共34頁第三十三頁，共35頁。34感謝您的觀看(gunkn)！第34頁/共34頁第三十四頁，共35頁。NoImage內(nèi)容(nirng)總