材料科學(xué)基礎(chǔ)第8章固態(tài)相變

1、第8章固態(tài)相變機(jī)電工程學(xué)院嚴(yán)芳芳固態(tài)相變 溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng) 組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N組織結(jié)構(gòu)三種變化 1.晶體結(jié)構(gòu) 2.化學(xué)成分 3.有序度材料學(xué)習(xí)慣上分為： 1.擴(kuò)散型 2.非擴(kuò)散型驅(qū)動(dòng)力：新相和母相的自由能差；過(guò)程：形核和核長(zhǎng)大。第一節(jié) 固態(tài)相變的特點(diǎn) 相變阻力大相變阻力大 界面能增加界面能增加額外彈性應(yīng)變能額外彈性應(yīng)變能固態(tài)相變擴(kuò)散困難（新、舊相化學(xué)成分不同時(shí)）固態(tài)相變擴(kuò)散困難（新、舊相化學(xué)成分不同時(shí)）原子做彈性位移所需要的能量化學(xué)鍵的數(shù)量和強(qiáng)度、化學(xué)成分界面能化學(xué)能：化學(xué)能：應(yīng)變能：應(yīng)變能：一一 固態(tài)相變的特點(diǎn)固態(tài)相變的特點(diǎn)1.相界面共格界面共格界面 半共格界面半共格界面 非共格界面

2、非共格界面 共格界面：共格界面：彈性應(yīng)變能大，界面能最小彈性應(yīng)變能大，界面能最小 半共格界面半共格界面 ：居中居中 非共格界面：非共格界面：彈性應(yīng)變能小，界面能最大彈性應(yīng)變能小，界面能最大2.位向關(guān)系減小界面能：低指數(shù)，原子密度大，匹配較佳的晶面互相平行。 非共格界面沒(méi)有確定位向關(guān)系。3.慣習(xí)現(xiàn)象慣習(xí)現(xiàn)象 * 新相沿新相沿特定的晶向特定的晶向在母相在母相特定晶面特定晶面上形成。上形成。 慣習(xí)方向慣習(xí)方向 （母相）（母相） 慣習(xí)面慣習(xí)面 原因：沿應(yīng)變能最小的方向和界面能最低的界原因：沿應(yīng)變能最小的方向和界面能最低的界面發(fā)展面發(fā)展。 4 母相晶體缺陷促進(jìn)相變母相晶體缺陷促進(jìn)相變 點(diǎn)點(diǎn) 缺陷類型缺陷

3、類型 線線 晶格畸變、自由能高，促進(jìn)形核及相變。晶格畸變、自由能高，促進(jìn)形核及相變。 面面 5 易出現(xiàn)過(guò)渡相易出現(xiàn)過(guò)渡相* 固態(tài)相變阻力大，直接轉(zhuǎn)變困難固態(tài)相變阻力大，直接轉(zhuǎn)變困難 協(xié)調(diào)性中間產(chǎn)物（過(guò)渡相）協(xié)調(diào)性中間產(chǎn)物（過(guò)渡相） Fe3C +(3Fe+C) 例例 M +Fe3C6.應(yīng)變能比體積差應(yīng)變能：盤狀針狀球狀相變阻力：界面能和應(yīng)變能。共格和半共格：應(yīng)變能非共格：界面能二二 固態(tài)相變的分類固態(tài)相變的分類1 按相變過(guò)程中原子遷移情況按相變過(guò)程中原子遷移情況 （1）擴(kuò)散型：依靠原子的長(zhǎng)距離擴(kuò)散；相界面非共格。）擴(kuò)散型：依靠原子的長(zhǎng)距離擴(kuò)散；相界面非共格。 （如珠光體、奧氏體轉(zhuǎn)變，（如珠光體、

4、奧氏體轉(zhuǎn)變，F(xiàn)e,C都可擴(kuò)散。都可擴(kuò)散。（2）非擴(kuò)散型：舊相原子有規(guī)則地、協(xié)調(diào)一致地通過(guò)）非擴(kuò)散型：舊相原子有規(guī)則地、協(xié)調(diào)一致地通過(guò) 切變轉(zhuǎn)移到新相中；相界面共格、原子間的相鄰切變轉(zhuǎn)移到新相中；相界面共格、原子間的相鄰 關(guān)系不變；化學(xué)成分不變。關(guān)系不變；化學(xué)成分不變。 （如馬氏體轉(zhuǎn)變，（如馬氏體轉(zhuǎn)變，F(xiàn)e,C都不擴(kuò)散。）都不擴(kuò)散。）（3）半擴(kuò)散型：既有切變，又有擴(kuò)散。）半擴(kuò)散型：既有切變，又有擴(kuò)散。 （如貝氏體轉(zhuǎn)變，（如貝氏體轉(zhuǎn)變，F(xiàn)e切變，切變，C擴(kuò)散。）擴(kuò)散。） 2 按相變方式分類按相變方式分類 （1）有核相變：有形核階段，新相核）有核相變：有形核階段，新相核心可均勻形成，也可擇優(yōu)形成。大

5、多數(shù)固心可均勻形成，也可擇優(yōu)形成。大多數(shù)固態(tài)相變屬于此類。態(tài)相變屬于此類。 （2）無(wú)核相變：無(wú)形核階段，以成分）無(wú)核相變：無(wú)形核階段，以成分起伏作為開(kāi)端，新舊相間無(wú)明顯界面，如起伏作為開(kāi)端，新舊相間無(wú)明顯界面，如調(diào)幅分解。調(diào)幅分解。 二二 固態(tài)相變的分類固態(tài)相變的分類 3 按熱力學(xué)函數(shù)變化分類按熱力學(xué)函數(shù)變化分類 （1）一級(jí)相變：相變時(shí)兩相的化學(xué)位相等，）一級(jí)相變：相變時(shí)兩相的化學(xué)位相等，而化學(xué)位對(duì)溫度及壓力的一階偏微分（而化學(xué)位對(duì)溫度及壓力的一階偏微分（S,V）不等的相變。伴隨潛熱的釋放和體積的改變。如不等的相變。伴隨潛熱的釋放和體積的改變。如蒸發(fā)、升華、熔化以及大多數(shù)固態(tài)晶型轉(zhuǎn)變屬于蒸發(fā)、

6、升華、熔化以及大多數(shù)固態(tài)晶型轉(zhuǎn)變屬于此類。此類。 （2）二級(jí)相變：相變時(shí)兩相的化學(xué)位相等，）二級(jí)相變：相變時(shí)兩相的化學(xué)位相等，化學(xué)位的一階偏微分也相等，但二階偏微分不相化學(xué)位的一階偏微分也相等，但二階偏微分不相等的相變。沒(méi)有相變潛熱和體積改變，有比容、等的相變。沒(méi)有相變潛熱和體積改變，有比容、壓縮系數(shù)、膨脹系數(shù)變化，如磁性轉(zhuǎn)變、有序壓縮系數(shù)、膨脹系數(shù)變化，如磁性轉(zhuǎn)變、有序無(wú)序轉(zhuǎn)變、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變等屬于此類。無(wú)序轉(zhuǎn)變、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變等屬于此類。三三 常見(jiàn)固態(tài)相變類型常見(jiàn)固態(tài)相變類型 相變名稱 相變特征同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 同一種元素通過(guò)形核與長(zhǎng)大發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)的變化同一種元素通過(guò)形核與長(zhǎng)大發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)的變

7、化多型性轉(zhuǎn)變多型性轉(zhuǎn)變 合金中晶體結(jié)構(gòu)的變化合金中晶體結(jié)構(gòu)的變化脫溶轉(zhuǎn)變脫溶轉(zhuǎn)變 過(guò)飽和固溶體脫溶分解出亞穩(wěn)定或穩(wěn)定的第二相過(guò)飽和固溶體脫溶分解出亞穩(wěn)定或穩(wěn)定的第二相共析轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變 一個(gè)固相轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)結(jié)構(gòu)不同的固相一個(gè)固相轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)結(jié)構(gòu)不同的固相包析轉(zhuǎn)變包析轉(zhuǎn)變 兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)的固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)新的固相，組織中一般兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)的固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)新的固相，組織中一般 有某相殘余有某相殘余馬氏體轉(zhuǎn)變馬氏體轉(zhuǎn)變 新舊相之間成分不變、切變進(jìn)行、有嚴(yán)格位向關(guān)系、有新舊相之間成分不變、切變進(jìn)行、有嚴(yán)格位向關(guān)系、有 浮凸效應(yīng)浮凸效應(yīng)貝氏體轉(zhuǎn)變貝氏體轉(zhuǎn)變 兼具馬氏體和擴(kuò)散轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)，借助鐵的切變和碳的擴(kuò)兼具馬氏體

8、和擴(kuò)散轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)，借助鐵的切變和碳的擴(kuò) 散進(jìn)行散進(jìn)行調(diào)幅分解調(diào)幅分解 非形核轉(zhuǎn)變，固溶體分解成結(jié)構(gòu)相同但成分不同的兩相非形核轉(zhuǎn)變，固溶體分解成結(jié)構(gòu)相同但成分不同的兩相有序化轉(zhuǎn)變有序化轉(zhuǎn)變 合金元素原子從無(wú)規(guī)則排列到有規(guī)則排列，擔(dān)結(jié)構(gòu)不變。合金元素原子從無(wú)規(guī)則排列到有規(guī)則排列，擔(dān)結(jié)構(gòu)不變。第二節(jié) 固態(tài)相變的形核與長(zhǎng)大無(wú)擴(kuò)散性相變：非熱形核或變溫形核擴(kuò)散型相變：典型的形核 固態(tài)相變形核： 均勻形核 非均勻形核第二節(jié) 固態(tài)相變的形核與長(zhǎng)大 一一 均勻形核（能量條件）均勻形核（能量條件） 1 形核時(shí)的能量變化形核時(shí)的能量變化 相變驅(qū)動(dòng)力相變驅(qū)動(dòng)力（1）化學(xué)自由能（體積自由能，）化學(xué)自由能（體積自由能，

9、Gv） GvT曲線隨成分變化曲線隨成分變化第二節(jié) 固態(tài)相變的形核與長(zhǎng)大 一一 均勻形核（能量條件）均勻形核（能量條件） 1 形核時(shí)的能量變化形核時(shí)的能量變化 相變阻力相變阻力 （2）界面能（）界面能（ ，S ） 取決于界面結(jié)構(gòu)取決于界面結(jié)構(gòu) T越大，晶核越小，越大，晶核越小， 共格共格/半共格半共格 :盤狀或片盤狀或片狀狀 （與過(guò)冷度有關(guān)）（與過(guò)冷度有關(guān)） T越小，晶核越大，越小，晶核越大， 非共格：球狀或等軸狀非共格：球狀或等軸狀第二節(jié) 固態(tài)相變的形核與長(zhǎng)大 一一 均勻形核（能量條件）均勻形核（能量條件） 2 形核的能量條件形核的能量條件GVGv+S + V 0第二節(jié) 固態(tài)相變的形核與長(zhǎng)大

10、二二 非均勻形核（能量條件）非均勻形核（能量條件） 固態(tài)相變均勻形核的可能性很小，非均勻形核（依固態(tài)相變均勻形核的可能性很小，非均勻形核（依靠晶體缺陷）是主要的形核方式?？烤w缺陷）是主要的形核方式。第二節(jié) 固態(tài)相變的形核與長(zhǎng)大 二二 非均勻形核（能量條件）非均勻形核（能量條件）1 不同晶體缺陷對(duì)形核的作用不同晶體缺陷對(duì)形核的作用 能量高，降低能量高，降低GK（1）晶界形核）晶界形核 結(jié)構(gòu)混亂，降低結(jié)構(gòu)混亂，降低 易擴(kuò)散、偏析，利于擴(kuò)散相變易擴(kuò)散、偏析，利于擴(kuò)散相變 新相新相/母相形成共格、半共格界面母相形成共格、半共格界面降降 低界面能低界面能第二節(jié) 固態(tài)相變的形核與長(zhǎng)大 1 不同晶體缺陷對(duì)

11、形核的作用不同晶體缺陷對(duì)形核的作用（2）位錯(cuò)形核）位錯(cuò)形核新相生成處位錯(cuò)消失，能力釋放，提高驅(qū)動(dòng)力新相生成處位錯(cuò)消失，能力釋放，提高驅(qū)動(dòng)力位錯(cuò)不消失，可作為半共格界面的形成部分位錯(cuò)不消失，可作為半共格界面的形成部分易于發(fā)生偏聚，有利于成分起伏易于發(fā)生偏聚，有利于成分起伏易于擴(kuò)散，有利于發(fā)生擴(kuò)散型相變易于擴(kuò)散，有利于發(fā)生擴(kuò)散型相變第二節(jié)第二節(jié) 固態(tài)相變的形核與長(zhǎng)大固態(tài)相變的形核與長(zhǎng)大 二二 非均勻形核（能量條件）非均勻形核（能量條件） 1 不同晶體缺陷對(duì)形核的作用不同晶體缺陷對(duì)形核的作用 促進(jìn)擴(kuò)散促進(jìn)擴(kuò)散（3）空位形核）空位形核 新相生成處空位消失，提供能量新相生成處空位消失，提供能量 空位群可

12、凝結(jié)成位錯(cuò)空位群可凝結(jié)成位錯(cuò) （過(guò)飽和固溶體的脫溶析出過(guò)程中，（過(guò)飽和固溶體的脫溶析出過(guò)程中， 空位作用更明顯。）空位作用更明顯。）第二節(jié) 固態(tài)相變的形核與長(zhǎng)大 二二 非均勻形核（能量條件）非均勻形核（能量條件） 2 非均勻形核的能力變化非均勻形核的能力變化 G-VGv+S + V -GDGD晶體缺陷導(dǎo)致系統(tǒng)降低的能量。晶體缺陷導(dǎo)致系統(tǒng)降低的能量。 第三節(jié) 固態(tài)相變的晶核長(zhǎng)大 1 長(zhǎng)大機(jī)制長(zhǎng)大機(jī)制 切變長(zhǎng)大切變長(zhǎng)大（1）半共格界面）半共格界面 臺(tái)階式長(zhǎng)大臺(tái)階式長(zhǎng)大 原子直接遷移原子直接遷移（2）非共格界面）非共格界面 原子遷移至新相臺(tái)階端部原子遷移至新相臺(tái)階端部 第二節(jié) 固態(tài)相變的形核與長(zhǎng)大

13、三三 晶核的長(zhǎng)大晶核的長(zhǎng)大 2 新相長(zhǎng)大速度新相長(zhǎng)大速度 新相生成時(shí)無(wú)成分變化（有結(jié)構(gòu)、有序度變新相生成時(shí)無(wú)成分變化（有結(jié)構(gòu)、有序度變化）化） （1） 界面控制長(zhǎng)大界面控制長(zhǎng)大 u=exp(-Q/kT)1-exp(-Gv/kT) 新相生成時(shí)有成分變化新相生成時(shí)有成分變化（2）擴(kuò)散控制長(zhǎng)大）擴(kuò)散控制長(zhǎng)大 u=dx/dt=( C / x)D/(C -C ) 第二節(jié) 固態(tài)相變的形核與長(zhǎng)大 三三 晶核的長(zhǎng)大晶核的長(zhǎng)大 （3）相變動(dòng)力學(xué)）相變動(dòng)力學(xué) f=1-exp(-btn)2h第三節(jié) 過(guò)飽和固溶體的分解 一一 脫溶（時(shí)效）轉(zhuǎn)變脫溶（時(shí)效）轉(zhuǎn)變1 概念：脫溶轉(zhuǎn)變概念：脫溶轉(zhuǎn)變2 脫溶轉(zhuǎn)變過(guò)程脫溶轉(zhuǎn)變過(guò)程 相的名稱形貌尺寸結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣常數(shù)共格關(guān)系相的名稱形貌尺寸結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣常數(shù)共格關(guān)系強(qiáng)化作用強(qiáng)化作用3 脫溶動(dòng)力學(xué)脫溶動(dòng)力學(xué) 第三節(jié) 過(guò)飽和固溶體的分解 二二 調(diào)幅分解調(diào)幅分解 1 概念：調(diào)幅分解概念：調(diào)幅分解2 調(diào)幅分解的熱力學(xué)條件和決定因素調(diào)幅分解的熱力學(xué)條件和決定因素3 調(diào)幅分解的特點(diǎn)調(diào)幅分解的特點(diǎn) 第三節(jié) 過(guò)飽和固溶體的分解 二二 調(diào)幅分解調(diào)幅分解 1 概念：調(diào)幅分解概念：調(diào)幅分解2 調(diào)幅分解的熱力學(xué)條件和