材料工程基礎(chǔ)講稿1

1、材料工程基礎(chǔ)材料工程基礎(chǔ)緒緒 論論金屬固態(tài)相變的兩個(gè)概念：金屬固態(tài)相變的兩個(gè)概念：狹義概念：狹義概念：指金屬的各種相變 如金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的改變、化合物的溶解或析出、點(diǎn)陣中原子無(wú)序有序的變化等。廣義概念：廣義概念：包括組織轉(zhuǎn)變 如機(jī)械孿生、再結(jié)晶等在內(nèi)的各種轉(zhuǎn)變。金屬固態(tài)相變：金屬固態(tài)相變： 研究純金屬和合金在溫度和壓力改變時(shí)，發(fā)生的相結(jié)構(gòu)和組織轉(zhuǎn)變。 更廣泛：輻射場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、電場(chǎng)、引力場(chǎng)等外界條件發(fā)生變化時(shí)金屬和純金屬的各種轉(zhuǎn)變。提高新一代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比，60-70需要依靠材料技術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 掌握金屬相變的基本規(guī)律，在學(xué)習(xí)中明確掌握金屬相變的基本規(guī)律，在學(xué)習(xí)中明確： 在什么條件下發(fā)生何

2、種轉(zhuǎn)變？ 轉(zhuǎn)變以怎樣的機(jī)構(gòu)進(jìn)行？得到何種相和組織？ 這種相和組織轉(zhuǎn)變將帶來(lái)何種物理、化學(xué)和力學(xué)性能？ 怎樣利用這種轉(zhuǎn)變作為一種技術(shù)手段，得到預(yù)期的使用性能。 即：探討金屬的成分組織性能之間的關(guān)系，具有研究、設(shè)計(jì)新型金屬材料，使用現(xiàn)有各種金屬材料和研究、設(shè)計(jì)熱處理工藝的理論基礎(chǔ)。合成與制備 / 加工工藝 Processing , Structure, Properties, PerformanceThe four components of the discipline of materials science and engineering and their interrelationshi

3、p.性能第一章第一章 金屬固態(tài)相變概論金屬固態(tài)相變概論11金屬固態(tài)相變的主要類型1.平衡轉(zhuǎn)變 在緩慢加熱或冷卻時(shí)所發(fā)生的符合狀態(tài)圖平衡組織的相變?yōu)槠胶廪D(zhuǎn)變，主要有：同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 純金屬晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。 如純鐵在913， 的轉(zhuǎn)變。多形性轉(zhuǎn)變多形性轉(zhuǎn)變 固溶體的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。如亞共析鋼A沿GS線析出F。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 純金屬晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。如純鐵在912， 的轉(zhuǎn)變。多形性轉(zhuǎn)變多形性轉(zhuǎn)變 固溶體的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。如亞共析鋼A沿GS線析出F。平衡脫溶沉淀平衡脫溶沉淀 緩慢冷卻，過(guò)飽和固溶體沿平衡相圖確定的固溶度線析出第二相的過(guò)程。 特點(diǎn)：母相不消失，但隨新相析出，母相的成分和體積分?jǐn)?shù)不

4、斷變化，新相結(jié)構(gòu)和成分始終與母相不同。如Fe3C從A中析出等。共析轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變 : 如 CFeFeCFe3727包析轉(zhuǎn)變包析轉(zhuǎn)變 冷卻時(shí)由兩個(gè)固相合并為一個(gè)固相的反應(yīng)稱為包析轉(zhuǎn)變。 1： + 2： + 調(diào)幅分解調(diào)幅分解 某些在高溫下具有均勻單相固溶體組織的合金，冷卻到某一溫度范圍內(nèi)時(shí)，可分解為兩種結(jié)構(gòu)與原固溶體結(jié)構(gòu)相同但成分有明顯差別的微區(qū)轉(zhuǎn)變調(diào)幅分解。反應(yīng)式： 。 特點(diǎn):上坡擴(kuò)散，均勻固溶體不均勻固溶體。有序化轉(zhuǎn)變有序化轉(zhuǎn)變 固溶體中，各組元原子的相對(duì)位置由無(wú)序有序的轉(zhuǎn)變過(guò)程。212.不平衡轉(zhuǎn)變不平衡轉(zhuǎn)變 加熱或冷卻速度平衡轉(zhuǎn)變受到抑制，發(fā)生某些狀態(tài)圖上不能反映的轉(zhuǎn)變不平衡或亞穩(wěn)組織。 轉(zhuǎn)變

5、與狀態(tài)圖密切相關(guān)，根據(jù)合金狀態(tài)圖，可以判斷可能發(fā)生那些不平衡轉(zhuǎn)變。1)鐵碳合金中的不平衡轉(zhuǎn)變鐵碳合金中的不平衡轉(zhuǎn)變 由Fe-Fe3C狀態(tài)圖左下角可知，當(dāng)A自高溫緩慢冷卻到GSE線以下時(shí)，將從AF或Fe3C。此時(shí)A中的碳將向S點(diǎn)靠攏。當(dāng)達(dá)到S點(diǎn)時(shí)共析轉(zhuǎn)變。但A從高溫快速冷卻，共析轉(zhuǎn)變來(lái)不及進(jìn)行，A將發(fā)生一系列不平衡轉(zhuǎn)變偽共析轉(zhuǎn)變偽共析轉(zhuǎn)變 當(dāng)A從高溫以較快的速度冷卻到GS與ES的延長(zhǎng)線以下時(shí)，將從A中同時(shí)析出F和Fe3C。類似共析轉(zhuǎn)變，但F和Fe3C的比值不是定值，而是隨著A中的碳量而變偽共析轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變產(chǎn)物稱為P。 馬氏體轉(zhuǎn)變馬氏體轉(zhuǎn)變 通過(guò)無(wú)擴(kuò)散的共格切變轉(zhuǎn)變?yōu)槌煞窒嗤w結(jié)構(gòu)不同的相。M轉(zhuǎn)

6、變并不發(fā)生在兩相自由焓相等的To溫度，而必須過(guò)冷至Ms溫度轉(zhuǎn)變才能進(jìn)行。塊狀轉(zhuǎn)變塊狀轉(zhuǎn)變 冷卻速度不夠快時(shí)相的原子通過(guò)非共格界面的短程快速擴(kuò)散轉(zhuǎn)變?yōu)槌煞窒嗤南啵D(zhuǎn)變產(chǎn)物呈塊狀，表面無(wú)浮凸。貝氏體轉(zhuǎn)變貝氏體轉(zhuǎn)變 在高溫珠光體和低溫馬氏體轉(zhuǎn)變之間還存在著貝氏體轉(zhuǎn)變，也稱為中溫轉(zhuǎn)變。此時(shí)鐵原子已難以擴(kuò)散，但碳原子還可以擴(kuò)散，因此出現(xiàn)了一種獨(dú)特的有碳原子擴(kuò)散的不平衡轉(zhuǎn)變貝氏體轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也是 相和碳化物的混合物，但 相的碳含量與形態(tài)均與珠光體不同。貝氏體的轉(zhuǎn)變機(jī)制究竟是馬氏體的無(wú)擴(kuò)散型的切變共格轉(zhuǎn)變，還是珠光體的擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，或是一種獨(dú)特的轉(zhuǎn)變機(jī)制，目前尚存在尖銳的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)分歧。 2）不平衡脫溶沉淀

7、不平衡脫溶沉淀是加熱至一定溫度下的單相過(guò)飽和的 固溶體（圖12），以一定的速度冷卻，抑制平衡脫沉淀的發(fā)生，故冷卻到室溫將得到過(guò)飽和 固溶體。在室溫或低于固溶度曲線的某一溫度等溫時(shí)將自 相中析出成分與結(jié)構(gòu)均與平衡脫溶不同的新相，稱為不平衡脫溶沉淀。在工業(yè)中，合金的重要性質(zhì)，如力學(xué)強(qiáng)度和韌性、抗蠕變和耐磨性、磁性和超導(dǎo)性能等，都與第二相沉淀顆粒相關(guān)。小結(jié)：盡管固態(tài)相變類型的種類繁多，但是歸納起來(lái)，相變過(guò)程所小結(jié)：盡管固態(tài)相變類型的種類繁多，但是歸納起來(lái)，相變過(guò)程所發(fā)生的變化不外乎三個(gè)方面：結(jié)構(gòu)、成分和有序程序。發(fā)生的變化不外乎三個(gè)方面：結(jié)構(gòu)、成分和有序程序。只有結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)變化只有結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)變化：同素異

8、構(gòu)轉(zhuǎn)變、多形性轉(zhuǎn)變、馬氏體轉(zhuǎn)變、塊狀轉(zhuǎn)變等只有結(jié)構(gòu)上的變化；只有成分變化只有成分變化：調(diào)幅分解只有有序化程度只有有序化程度：有序化轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變、脫溶沉淀、B轉(zhuǎn)變、包析轉(zhuǎn)變等，既有結(jié)構(gòu)上的變化，又有成分上的變化；。 注：注：同一金屬或合金，在不同條件下可以發(fā)生不同的轉(zhuǎn)變，獲得不同的組織和性能。 12 金屬固態(tài)相變的分類金屬固態(tài)相變的分類金屬固態(tài)相變的類型很多，常用的分類方法有：1.按熱力學(xué)分類 由相變前后熱力學(xué)函數(shù)的變化，可將固態(tài)相變分為一級(jí)、二級(jí)及三級(jí)相變。 相變時(shí)新母相化學(xué)位相等，但化學(xué)位的一級(jí)偏微商不等，稱為一級(jí)相變。設(shè)為新相，為母相， 則： 因?yàn)?所以 有熵S和體積V的不連續(xù)變化，有相變

9、潛熱和體積的突變。除部分有序化轉(zhuǎn)變，金屬固態(tài)相變均屬于一級(jí)相變。相變時(shí)新母相化學(xué)位相等，且化學(xué)位一級(jí)偏微商也相等，只是二級(jí)偏微商不相等二級(jí)相變。相變時(shí)無(wú)明顯熱效應(yīng)和體積效應(yīng)，但有兩相熱容量和等壓膨脹系數(shù)、等溫壓縮系數(shù)的變化。部分合金的有序化轉(zhuǎn)變，合金的磁性轉(zhuǎn)變，超導(dǎo)態(tài)等屬二級(jí)相變。 TTPPPPTT,VTSPVVSS,2.按原子遷移情況分類按原子遷移情況分類 相變過(guò)程中原子遷移情況可將固態(tài)相變分為擴(kuò)散性和無(wú)擴(kuò)散性相變兩大類。 混合型相變3.按相變方式分類按相變方式分類 按相變方式可將相變分為有核相變和無(wú)核相變。 有核相變有核相變 通通過(guò)形核長(zhǎng)大進(jìn)行 無(wú)核轉(zhuǎn)變無(wú)核轉(zhuǎn)變 是以固溶體中的成分起伏作為

10、開(kāi)端，通過(guò)成分起伏形成高濃度和低濃度區(qū)，但兩者之間沒(méi)有明顯的界面，成分由高濃度區(qū)連續(xù)過(guò)渡到低濃度區(qū)。以后依靠溶質(zhì)原子的上坡擴(kuò)散使兩相的成分差增大，最后導(dǎo)致一個(gè)單相固溶體分解成成分不同而點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)相同的以共格界面聯(lián)系的兩個(gè)相。如調(diào)幅分解。 1 13 3 金屬固態(tài)相變的一般特征金屬固態(tài)相變的一般特征 大多數(shù)金屬固態(tài)相變與結(jié)晶過(guò)程一樣，為形核長(zhǎng)大過(guò)程，少數(shù)為無(wú)核相變。相變的驅(qū)動(dòng)力是新母兩相的自由焓差。但固態(tài)相變由于與凝固過(guò)程有很多不同固態(tài)相變的特點(diǎn)所決定的。 1 1相界面相界面 固態(tài)相變的新母相都是固相，其界面與液固界面有本質(zhì)的不同，且與一般的晶粒邊界也不完全相同。兩相的相界面根據(jù)結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)分為三類

11、。1 1）共格界面）共格界面 若新母相的晶體結(jié)構(gòu)和取向都相同，點(diǎn)陣常數(shù)也非常接近，或新母相晶體結(jié)構(gòu)不同，點(diǎn)陣常數(shù)也不相同，但兩相中某些晶面的點(diǎn)陣相似，則相界面上的原子為兩相共有相界面上的原子為兩相共有，界面原子位于兩相結(jié)點(diǎn)上。由于兩相點(diǎn)陣參數(shù)不可能全相同， 兩相之間有一定的錯(cuò)配度 （一般0.05)界面原子必須強(qiáng)性匹配，因此彈性畸變能E。但晶內(nèi)晶界原子化學(xué)鍵相同，兩相界面能趨于零。aa aaa 由此也可以推出共格新相生長(zhǎng)時(shí)，E大于兩相彈性能后，共格破壞，新相長(zhǎng)大停止。理想的共格界面孿晶界。 2）半共格界面半共格界面 界面上彈性畸變能的大小取決于兩相界面上原子間距的相對(duì)差值，彈性畸變能。當(dāng)增大到一

12、定程度時(shí)，難以繼續(xù)維持共格在界面上產(chǎn)生刃型位錯(cuò)，以補(bǔ)償原子間距差別過(guò)大的影響，使界面彈性應(yīng)變能降低。界面上兩相原子變?yōu)椴糠值乇３制ヅ浒耄ɑ虿糠郑┕哺窠缑?。一般認(rèn)為0.050.25時(shí)為半共格界面。3）非共格界面 當(dāng)兩相界面處原子排列差異很大錯(cuò)配度，其原子間的匹配關(guān)系不再維持非共格界面。此時(shí)界面原子不規(guī)則排列為非晶態(tài)的薄過(guò)渡層。 2新母相之間存在一定的晶體學(xué)位向關(guān)系新母相之間存在一定的晶體學(xué)位向關(guān)系 金屬固態(tài)相變時(shí)新母相之間往往以低指數(shù)的原子密度大的匹配較低指數(shù)的原子密度大的匹配較好的晶面晶向好的晶面晶向相互平行,即新母相之間具有一定的晶體學(xué)位向關(guān)系?？山档托履赶嚅g的界面能。如KS位向關(guān)系： 11

13、0111，。 新相在母相一定晶面族上形成的晶面慣習(xí)面慣習(xí)面：以母相的晶面指數(shù)表示。慣習(xí)面的存在意味著該晶面上新母相的原子排列很相近，較好的匹配降低界面能，慣習(xí)面表明新母相間存在一定取向關(guān)系，兩相的晶體各自相對(duì)于慣習(xí)面的取向關(guān)系是確定的。 位向關(guān)系和慣習(xí)面是兩個(gè)不同的概念兩個(gè)不同的概念。位向關(guān)系是新母相某些低指數(shù)晶面晶向的對(duì)應(yīng)平行關(guān)系。新母相呈共格或半共格關(guān)系時(shí)，它們之間必然存在一定的晶體學(xué)位向關(guān)系。但反過(guò)來(lái)，存在一定晶體學(xué)關(guān)系的新母相，卻不一定存在共格或半共格聯(lián)系。 研究相變時(shí)各相的晶體結(jié)構(gòu)及相互的空間取向是晶體學(xué)中的主要內(nèi)容。晶體學(xué)的研究提供相變時(shí)晶體結(jié)構(gòu)的變化過(guò)程，揭示相變的物理本質(zhì)，為相

14、變研究的核心內(nèi)容。3界面能量界面能量 界面能量等于單位界面積的能量減去無(wú)界面時(shí)該區(qū)單位面積的能量。即能量是相對(duì)于完整晶體定義的。界面能量由彈性應(yīng)變能和界面能兩種組成。彈性應(yīng)變能彈性應(yīng)變能 彈性應(yīng)變能原子偏離正常點(diǎn)陣位置所引起的，由1/2確定。固態(tài)相變時(shí)新母相界面上的原子要強(qiáng)性匹配，以建立共格或半共格關(guān)系，在界面附近區(qū)域內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)變能共格應(yīng)變能。顯然共格應(yīng)變能以共格界面，半共格界面次之，非共格界面為零。 由于新母相的比容不同，新相形成時(shí)的體積變化將受到周圍母相的約束而產(chǎn)生彈性應(yīng)變能比容差應(yīng)變能。 比容差應(yīng)變能與新相的幾何形狀有關(guān)。 新母相間為非共格界面時(shí)，盤狀新相所引起的應(yīng)變能，針狀的次之，而球

15、狀的。界面（化學(xué)）能界面（化學(xué)）能 在母相中形成新相的界面時(shí)，由同類鍵、異類鍵的強(qiáng)度和數(shù)量變化引起的化學(xué)能。界面類型 彈性應(yīng)變能 界面能共格界面 高 低半共格界面 中 中非共格界面 低 高 共格界面的應(yīng)變能，是因?yàn)橐粚?duì)一的點(diǎn)陣匹配要求原子發(fā)生位移；非共格界面的界面能大，是因?yàn)榻缑嬖拥幕瘜W(xué)鍵的數(shù)目和強(qiáng)度與不在晶界的原子不同。 由彈性應(yīng)變能和界面能的綜合構(gòu)成了相變的阻力，與金屬結(jié)晶過(guò)程相比，固態(tài)相變的阻力大。但是在固態(tài)相變阻力中，應(yīng)變能和界面能究竟以何者為主需視具體條件而定。例如，在過(guò)冷度很大時(shí)，新相的晶核尺寸很小，單位體積新相的表面積很大，從而導(dǎo)致界面能增大而居主要地位。這時(shí)兩相間傾向于形成共

16、格或半共格界面，以降低界面能。但要使界面能的降低足以超過(guò)由于形成共格或半共格界面所引起的應(yīng)變能的增加，則必須降低應(yīng)變能，故新相傾向于形成盤狀或薄片狀。相反，如過(guò)冷度很小時(shí)，新相的臨界晶核尺寸較大，使單位體積新相表面積減小，使界面能減少而居于次要地位。這樣兩相間傾向于形成非共格界面，以降低應(yīng)變能，此時(shí)僅含比容差應(yīng)變能。這時(shí)若兩相的比容差很小，該項(xiàng)應(yīng)變能的影響不大，則新相傾向于形成球狀以降低界面能；若兩相比容差較大，則新相傾向于形成針狀以兼顧降低界面能和比容差應(yīng)變能。 4擴(kuò)散激活能擴(kuò)散激活能Q Q大大 如液態(tài)金屬中擴(kuò)散系數(shù)可達(dá)107cm2/s,而在固態(tài)僅為10-1110-12cm2/s。隨著過(guò)冷度

17、增大，相變驅(qū)動(dòng)力增大，同時(shí)由于轉(zhuǎn)變溫度降低，引起擴(kuò)散系數(shù)降低，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力增大的效果超過(guò)了擴(kuò)散系數(shù)降低對(duì)相變的影響時(shí)相變速度增加，同時(shí)，由于過(guò)冷度增大，形核率高，相變后得到的組織變細(xì)。從熱力學(xué)角度講，初始相轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K相是合理的，但從動(dòng)力學(xué)角度講，由于原子遷移率低，因此相變過(guò)程相當(dāng)長(zhǎng)。 5 5往往形成過(guò)渡相往往形成過(guò)渡相 過(guò)渡相也稱中間亞穩(wěn)相，是指成分或結(jié)構(gòu)，或者成分和結(jié)構(gòu)二者都處于新母相之間的一種亞穩(wěn)狀態(tài)的相。 6 6晶體缺陷的影響晶體缺陷的影響 各種晶體缺陷如位錯(cuò)、空位、晶界和亞晶界等缺陷能在固態(tài)相變時(shí)便釋放出來(lái)作為相變驅(qū)動(dòng)力的組成部分新相往往在缺陷處優(yōu)先形核，提高形核率； 晶體缺陷對(duì)晶核的生長(zhǎng)

18、和組元擴(kuò)散過(guò)程也有促進(jìn)作用。 即晶體缺陷的存在對(duì)固態(tài)相變具有顯著影響 。 7 7往往受外界能量場(chǎng)的影響往往受外界能量場(chǎng)的影響 磁場(chǎng)、輻射場(chǎng)、電場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、引力場(chǎng)等往往對(duì)固態(tài)相變有很大的影響。這些能量場(chǎng)對(duì)固態(tài)相變的影響很復(fù)雜，有時(shí)促進(jìn)相變發(fā)生，有時(shí)阻止相變發(fā)生。 因此，在這些能量場(chǎng)中應(yīng)用的金屬材料必須考慮所用組織的穩(wěn)定性，否則將發(fā)生重大的事故 14 固態(tài)相變時(shí)的形核固態(tài)相變時(shí)的形核 1均勻形核 與液態(tài)金屬結(jié)晶相比，固態(tài)相變阻力項(xiàng)增加了一項(xiàng)應(yīng)變能。按經(jīng)典形核理論，系統(tǒng)自由焓變化為 （11） 上式中g(shù)vV為體積自由焓差即相變驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)?shù)陀谄胶廪D(zhuǎn)變溫度時(shí)為負(fù)值；S和EV項(xiàng)為相變阻力。由該式可導(dǎo)出固態(tài)相

19、變時(shí)的臨界形核功為 由上式可見(jiàn)，由于存在應(yīng)變能，將使臨界形核功增大。ESVvGGGEVSVgG23*)(316EgVG固態(tài)相變均勻形核時(shí)的形核率可以用下式表示式中 N形核率，n單位體積母相中的原子數(shù)，原子振動(dòng)頻 率，Q原子擴(kuò)散激活能，KBoltzmann常數(shù)，T相變溫度 （K）。 由于固態(tài)下Q值較大，且固態(tài)相變形核功也較高，與凝固過(guò)程相比，固態(tài)相變均勻形核率非常小。2非均勻形核非均勻形核 金屬固態(tài)相變主要依賴于非均勻形核，形核位置往往在母相中的某些晶體缺陷處，其系統(tǒng)自由焓總變化為 與式（11）相比，多了一項(xiàng)Gd，晶體缺陷能。該項(xiàng)的存在將導(dǎo)致臨界形核功的明顯降低，從而大大促進(jìn)形核率提高。*exp

20、KTGQnNdvGEVSVgG 1）晶界 大角晶界具有高的界面能，在晶界形核時(shí)可使界面能釋放相變驅(qū)動(dòng)力，以降低形核功。 晶界可分為界面、界棱、界隅。作為形核的優(yōu)先位置以界隅、界棱、界面排列。但在過(guò)冷度較大時(shí)，形核已無(wú)能量障礙，因?yàn)榫Ы缑娣e最大，提供的形核位置最多，所以晶界對(duì)形核的貢獻(xiàn)最大。2）位錯(cuò)位錯(cuò) 新相在位錯(cuò)線上形核 可由位錯(cuò)線消失時(shí)所釋放出來(lái)的能量作為相變驅(qū)動(dòng)力以降低形核功； 新相形核時(shí)位錯(cuò)不消失，而依附于新相界面上構(gòu)成半共格界面上的位錯(cuò)部分，以補(bǔ)償錯(cuò)配度，從而降低應(yīng)變能，使形核功降低； 溶質(zhì)原子在位錯(cuò)線上偏聚，使溶質(zhì)含量增高，便于滿足新相形成時(shí)所需的成分條件，使新相晶核易于形成； 位錯(cuò)

21、線可作為擴(kuò)散的短路通道，降低擴(kuò)散激活能，從而加速形核過(guò)程； 位錯(cuò)可分解形成有兩個(gè)分位錯(cuò)與其間的層錯(cuò)組成擴(kuò)展位錯(cuò)，使其層錯(cuò)部分作為新相的核胚而有利于形核。3）空位空位 可通過(guò)加速擴(kuò)散或利用自身能量提供形核驅(qū)動(dòng)力促進(jìn)形核。1 15 5 固態(tài)相變時(shí)的晶核長(zhǎng)大固態(tài)相變時(shí)的晶核長(zhǎng)大 新相晶核的長(zhǎng)大實(shí)質(zhì)是新相界面向母相方向的遷移。依固態(tài)相變類型和晶核界面結(jié)構(gòu)的不同，其長(zhǎng)大機(jī)理也不同。 1、新相長(zhǎng)大過(guò)程 傳質(zhì)過(guò)程：傳質(zhì)過(guò)程：有成分變化的新相長(zhǎng)大需滿足成分條件溶質(zhì)原子的擴(kuò)散。 界面過(guò)程：界面過(guò)程：界面附近原子調(diào)整位置。 協(xié)同性：界面原子有規(guī)律調(diào)整，相鄰關(guān)系不變； 非協(xié)同性：界面原子無(wú)規(guī)律調(diào)整，相鄰關(guān)系變化。

22、有成分變化溶質(zhì)原子擴(kuò)散； 成分不變?nèi)苜|(zhì)原子不擴(kuò)散。1）半共格界面的遷移）半共格界面的遷移 平界面：位錯(cuò)柏氏矢量b平行于界面，若界面沿法線方向遷移，界面位錯(cuò)必須攀移界面移動(dòng)難以實(shí)現(xiàn)的。 臺(tái)階界面：界面位錯(cuò)分布于各個(gè)臺(tái)階界面上，位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)使臺(tái)階發(fā)生側(cè)向遷移界面沿其法向推進(jìn)，臺(tái)階式長(zhǎng)大。2）非共格界面的遷移）非共格界面的遷移 晶核與母相間呈非共格界面時(shí)：晶核與母相間呈非共格界面時(shí)：界面上的原子排列紊亂無(wú)規(guī)則排列的過(guò)渡薄層。 原子移動(dòng)的步調(diào)不協(xié)同的，相對(duì)位移距離不等，其相鄰關(guān)系也可能發(fā)生變化，隨著母相原子不斷地向新相中轉(zhuǎn)移，界面便沿其法線向前推進(jìn)，從而使新相不斷長(zhǎng)大非協(xié)同型長(zhǎng)大非協(xié)同型長(zhǎng)大。 在非

23、共格界面的微觀區(qū)域中呈現(xiàn)臺(tái)階結(jié)構(gòu)時(shí)：在非共格界面的微觀區(qū)域中呈現(xiàn)臺(tái)階結(jié)構(gòu)時(shí)： 臺(tái)階平面是原子排列最密的界面，臺(tái)階高度相當(dāng)于一個(gè)原子層，通過(guò)原子從母相臺(tái)階端部向新相臺(tái)階上轉(zhuǎn)移，便使新相臺(tái)階發(fā)生側(cè)向移動(dòng)，引起界面推進(jìn)新相長(zhǎng)大。 非共格界面的遷移是通過(guò)界面擴(kuò)散進(jìn)行的擴(kuò)散型相變。 2.新相的長(zhǎng)大速度新相的長(zhǎng)大速度 新相的長(zhǎng)大速度決定于界面遷移速度。新相的長(zhǎng)大速度決定于界面遷移速度。 無(wú)擴(kuò)散型相變，如馬氏體轉(zhuǎn)變，由于相界面遷移是通過(guò)點(diǎn)陣切變完成的，不需要原子擴(kuò)散，具有很高的長(zhǎng)大速度。 對(duì)于擴(kuò)散型相變來(lái)說(shuō)，由于界面遷移需借助于原子的短程擴(kuò)散或長(zhǎng)程擴(kuò)散，故新相的長(zhǎng)大速度相對(duì)較低。對(duì)于擴(kuò)散型相變來(lái)說(shuō)，又分為新

24、相長(zhǎng)大時(shí)無(wú)成分變化和有成分變化兩類。 1 1）無(wú)成分變化的新相長(zhǎng)大無(wú)成分變化的新相長(zhǎng)大 設(shè)新相為,母相為,兩相成分相同。原子振動(dòng)頻率為，GV為兩相自由焓差，Q為相中一個(gè)原子越過(guò)相界進(jìn)入到相所需的激活能，T為相變溫度。當(dāng)母相中的原子通過(guò)短程擴(kuò)散越過(guò)相界面進(jìn)入新相中時(shí)，導(dǎo)致相界面向母相中遷移新相逐漸長(zhǎng)大。長(zhǎng)大速度受界面短程擴(kuò)散所控制。相中振動(dòng)原子中具有激活能Q的原子概率為 時(shí),則相中原子能夠越界跳向相的頻率為 即在單位時(shí)間內(nèi)將有個(gè)原子從相跳到相。同理，相中的原子也可能跳到相 )exp(KTQf)exp(KTQ)exp(KTQGfV 若單層原子厚度為，則界面的遷移速度v應(yīng)為 當(dāng)過(guò)冷度較小時(shí)，GV很小

25、，大大小于KT，此時(shí) 在這種情況下，長(zhǎng)大速度與驅(qū)動(dòng)力呈正比，新相的長(zhǎng)大速度隨溫度的降低而增大。 當(dāng)過(guò)冷度很大時(shí)， GV KT， 可以忽略不計(jì)，此時(shí) 即當(dāng)過(guò)冷度很大時(shí)，新相增大速度隨溫度降低呈指數(shù)函數(shù)減小。 由以上分析可知，無(wú)成分變化的新相長(zhǎng)大速度隨溫度降低呈現(xiàn)先增后減規(guī)律。 )/exp(1)/exp()(KTGKTQffVV)exp(/1)/exp(KTQKTGVKTGKTGVVV)/exp(KTGV)/exp(KTQV2 2）有成分變化的新相長(zhǎng)大有成分變化的新相長(zhǎng)大 當(dāng)新相與母相的成分不同時(shí)，新相的長(zhǎng)大溶質(zhì)原子的長(zhǎng)程擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)：長(zhǎng)大速度受擴(kuò)散所控制。 生成新相時(shí)的成分有兩種情況： 設(shè)相界面上處于平衡的新相和母相的成分分別是C 和C。由于CC，故在界面附近的母相中存在一定的濃度梯度。在這一濃度梯度的推動(dòng)下，將引起溶質(zhì)原子在母相內(nèi)擴(kuò)散，以降低濃度差,結(jié)果便破壞了相界上的濃度平衡。為了恢復(fù)平衡相界