第二講-金屬固態(tài)相變概論及熱力學.ppt

1、1、相界面 （1）共格界面： 定義： 兩相結構、點陣常數(shù)基本相同 或相近，兩相原子之間完全匹配。 分類： 第一類共格，靠正應變維持 第二類共格，靠切應變維持,錯配度： 錯配度小于0.05 特點：共格界面界面能小，彈性應變能大。共格界面必須依靠彈性畸變來維持。,（2）半共格界面 當錯配度在0.050.25時，在界面上將產生一些刃型位錯，兩相原子變成部分共格。 半共格界面：界面能較大，彈性應變能較??；,（3）非共格界面 當錯配度大于0.25時，兩相原子之間的匹配關系便不再維持，變成非共格界面。 非格界面：界面能大，彈性應變能小。,結論： 1）金屬固態(tài)相變時，兩相之間將產生界面能和彈性應變能。 2）

2、金屬固態(tài)相變的相變阻力：界面能和彈性應變能； 3）兩相界面共格時，界面能最小、彈性應變能最大； 4）新相呈球狀時，界面能最低，應變能最大。 5）過冷度大時，臨界晶核尺寸很小，兩相界面易取共格方式以降低界面能，從而降低總的形核功，易于形核。 6）過冷度小時界面能不起主導作用，易形成非共格界面。,fcc,111,ABC,bcc,110,AB,2、位相關系和慣習面（共格、半共格） 慣習面：在母相上開始形成新相的一定晶面。 表示：以母相的晶面指數(shù)。 結構：晶面上新相和母相原子排列相近，界面能小。 兩相中存在著保持平行關系的密排晶面和晶向 例如：K-S關系 111r/110a 110r/111a 1）錯

3、配度小于0.05時兩相完全共格，且有一定的位相關系； 2）錯配度在0.050.25之間時兩相為半共格，有一定的位相關系； 3）錯配度大于0.25時，兩相之間易形成非共格，無位向關系。,3、過渡相的形成： 當新相、母相的晶體結構差異較大時，只能形成非共格界面，使界面能和形核功升高，相變不易發(fā)生。此時往往先形成晶體結構或成分與母相相近的亞穩(wěn)定過渡相，然后再繼續(xù)轉變直至平衡相。 4、晶體缺陷的影響 晶體中的缺陷：位錯、空位、間隙原子、晶界等 缺陷處的特點：有大的能量、結構、成份起伏 形核功大小依次為： 均勻形核空位形核位錯形核晶界形核 5、原子的擴散 隨著過冷度增大，相變驅動力增大，相變速度增大，但

4、原子擴散能力減小。,三 金屬固態(tài)相變的形核,1、金屬固態(tài)相變的熱力學條件 1.1、相變的驅動力（相變的熱力學條件） 1）新舊兩相的自由能之差 2）新相的自由能低于舊相 任何變化自發(fā)進行的條件都是：G0 ， G= H - T S 改變溫度可獲得相變熱力學的條件。 對于固態(tài)相變，當驅動力 G 相變= G新 G舊0 時，相變將自發(fā)進行。,分析圖： a.產生相變的條件？ b.影響驅動力的因素？ c.相變進行的方向？, G 相變= G新 G舊0 過冷度、過熱度 相變總是朝著自由能降低的方向進行,因為：,G隨T增加而降低，S隨T增加而增加, G= H - T S,激活能Q：使晶體原子離開平衡位置遷移到另一

5、新位置的能量，表示相變勢壘的高低。 溫度越高，激活能越小，相變阻力就越小，相變越容易進行（指擴散型相變，非擴散相變的激活能為零）。,1.2、金屬固態(tài)相變的阻力 相變阻力：界面能和彈性應變能。 相變勢壘：相變時晶格改組所必須克服的原子間引力。勢壘高低用激活能衡量,2、金屬固態(tài)相變的形核,金屬固態(tài)相變的方式：形核和核長大 形核種類：均勻形核和非均勻形核 形核位置：主要在母相的晶界、層錯、位錯等晶體缺陷處。 2.1. 均勻形核： 形核驅動力：新舊兩相的自由能之差 形核阻力：界面能和彈性應變能 系統(tǒng)自由能的總變化： G = V G V + S + V 形核條件： 在一定的過冷、過熱下，G 0,臨界晶核

6、半徑： 臨界晶核的形核功： 臨界晶核半徑和形核功：與表面能和彈性應變能成正比。 臨界晶核半徑和形核功：隨過冷度增大而減小 形核率： 與激活能、形核功成反比。均勻形核時的激活能大、形核功大，所以形核率低。,2.2. 非均勻形核,形核部位：母相中的各種晶體缺陷或晶界處。 系統(tǒng)自由能的總變化： G = VG V + S + V Gd 特點：晶體缺陷消失或減少所降低的能量Gd將促進形核。 （1）晶界形核： 界面可以提供所儲存的畸變能來促進形核。,（2）位錯形核： 位錯促進形核有三種形式： 新相在位錯線上形核時此處位錯線消失時促進形核； 位錯線不消失，成為半共格界面中的位錯部分，補償了錯配、降低了新相的

7、形核功； 新相與基體成分不同時，溶質原子在位錯線上偏聚形成氣團，有利于沉淀相晶核的形核。 （3）空位形核： 空位通過影響擴散或利用本身能量提供形核驅動力而促進形核，空位群可凝聚成位錯而促進形核。,四、金屬固態(tài)相變的晶核長大,新相長大實質：界面向母相方向的遷移 1.新相長大機制： 新相與母相成分不同時：界面遷移靠原子的擴散，新相長大速度較低。 如共析相變、脫溶轉變、貝氏體轉變、調幅分解。 新相與母相成分相同時：界面遷移通過點陣切變完成，不需原子擴散，激活能為零，新相長大速度極快。 如馬氏體相變。 新相與母相之間存在一定的晶體學位相關系時，長大時仍保持此關系。,（1）半共格界面的遷移： 界面能較低

8、，長大過程中界面為平面，機制有： a.切變機制：以均勻切變方式進行的協(xié)同型長大，屬無擴散型相變，導致表面傾動。 特點：大量原子有規(guī)則的沿某一方向作小于一個原子間距的遷移，并保持原有的相鄰關系不變。,平界面沿法線方向遷移時， 位錯必須攀移，屬擴散型相變，阻力大 階梯界面位錯的滑移使臺階側向遷移，造成界面沿法線方向推進，屬于無擴散型相變，相變阻力小。,b.位錯運動機制：半共格界面上的位錯運動使界面作法向遷移的長大,（2）非共格界面的遷移,特點：屬擴散型相變，母相原子不斷向新相轉移，界面本身便沿其法向推進。,2. 新相長大速度,新相長大速度取決于相界面的移動速度 無擴散型相變：新相長大速度很高， 擴

9、散型相變：新相長大速度較低。 擴散型相變中新相長大分兩種： （1）無成分變化的新相長大 實質：兩相界面附近原子的短程擴散 長大速度：受界面擴散所控制,當過冷度很小時，新相長大速度為： 新相長大速度隨溫度降低而增大 當過冷度很大時，新相長大速度為： 新相長大速度隨溫度降低而減小,無成分變化的新相長大,（2）有成分變化的新相長大,一定溫度下相界面上兩相的成分由平衡狀態(tài)圖所確定 新相長大通過溶質原子的長程擴散來實現(xiàn)，長大速度取決于溶質原子的擴散速度。,新相的長大速度： 與擴散系數(shù)和相界面附近母相中的濃度梯度成正比，與兩相在相界面上的平衡濃度差成反比。 溫度下降時，D下降，新相長大速度亦降低 溫度不變時，新相長大速度隨時間延長而降低,有成分變化的新相長大,小結： 金屬固態(tài)相變的驅動力：新舊兩相的自由能之差 自發(fā)進行的條件是：G0 ， 改變溫度可獲