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文檔簡(jiǎn)介

第三節(jié)金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)3.1金屬固態(tài)相變概述3.2金屬固態(tài)相變熱力學(xué)3.3金屬固態(tài)相變的形核3.4金屬固態(tài)相變的長(zhǎng)大3.5金屬固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)返回下一頁(yè)上一頁(yè)

本章首頁(yè)相:體系中具有相同成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的均勻部分稱為相,不同相之間有明顯的界面分開。相變:隨外界條件的變化(溫度),體系中新相取代舊相的過程。固態(tài)相變:固態(tài)金屬及合金在溫度及壓力改變時(shí),組織及結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化3.1金屬固態(tài)相變概述金屬固態(tài)相變主要特點(diǎn)

1.相界面特殊(新相和母相間存在不同的界面)

(1)共格界面

新、舊相的晶體結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣常數(shù)相同;或有差異但存在一組特定晶體學(xué)平面可使兩相原子之間產(chǎn)生完全匹配。

舊相新相特點(diǎn):界面能小,彈性畸變能大(2)半共格界面新、舊相之間存在少量位錯(cuò),除此之外的晶體結(jié)構(gòu)和點(diǎn)陣常數(shù)均能使兩相原子之間產(chǎn)生完全匹配。新、舊相間錯(cuò)配度δ=|αβ-αα|/αα小(<0.05),共格關(guān)系大(0.05-025).,半共格關(guān)系很大(>0.25),非共格關(guān)系

1.相界面特殊(新相和母相間存在不同的界面)(3)非共格界面新、舊相界面處原子排列差別很大,兩原子之間匹配關(guān)系不再維持,為非共格界面。

1.相界面特殊(新相和母相間存在不同的界面)特點(diǎn):界面能大,彈性畸變能小界面能:非共格>半共格>共格彈性畸變能:非共格<半共格<共格7共格相界Daa半共格相界非共格相界半共格相界上位錯(cuò)間距取決于相界處兩相匹配晶面的錯(cuò)配度。2.新舊相之間存在一定位向關(guān)系與慣習(xí)面新、舊相之間存在一定位向關(guān)系,并且新相往往在舊相的一定晶面上開始形成,這個(gè)晶面稱為慣習(xí)面.慣習(xí)面和位向關(guān)系的區(qū)別:慣習(xí)面指母相的某一主平面;位向關(guān)系指新相的某些晶面、晶向∥舊相的某些晶面、晶向若兩相間為(半)共格界面→

若無取向關(guān)系→

金屬固態(tài)相變主要特點(diǎn)

有取向關(guān)系必為非共格界面降低界面能和應(yīng)變能以減小相變阻力是慣習(xí)現(xiàn)象出現(xiàn)的原因。金屬固態(tài)相變主要特點(diǎn)

3.相變阻力大相界面上原子強(qiáng)制匹配引起的彈性應(yīng)變能共格>半共格>非共格新、舊相比容差彈性應(yīng)變能彈性應(yīng)變能和界面能共同構(gòu)成金屬發(fā)生固態(tài)相變的阻力(彈性應(yīng)變能作用)新相形狀與彈性應(yīng)變能之間關(guān)系4.易出現(xiàn)過渡相(降低形核功)在有些情況下,固態(tài)相變不能直接形成自由能最低的穩(wěn)定相,而是經(jīng)過一系列的中間階段,先形成一系列自由能較低的過渡相(又稱中間亞穩(wěn)相),然后在條件允許時(shí)才形成自由能最低的穩(wěn)定相.相變過程可以寫成:母相―→較不穩(wěn)定過渡相―→較穩(wěn)定過渡相―→穩(wěn)定相應(yīng)特別指出:溫度越低時(shí),固態(tài)相變的上述特點(diǎn)越顯著。

過渡相的出現(xiàn)有利于減小固態(tài)相變的阻力。如:鐵碳合金中γ分解時(shí)

γ→M→α+Fe3CFe3C→Fe+C

M,F(xiàn)e3C為過渡相金屬固態(tài)相變主要特點(diǎn)

5.母相晶體缺陷的促進(jìn)作用晶態(tài)固體中的空位、位錯(cuò)、晶界等缺陷周圍因點(diǎn)陣畸變而儲(chǔ)存一定的畸變能。新相極易在這些位置非均勻形核。它們對(duì)晶核的長(zhǎng)大過程也有一定的影響。通常,固態(tài)相變時(shí),母相中晶體缺陷起促進(jìn)作用。新相優(yōu)先在晶體缺陷處形核。

金屬固態(tài)相變主要特點(diǎn)

(提供驅(qū)動(dòng)力)

6.原子的擴(kuò)散(原子遷移率低)固態(tài)相變中,成分的改變必須通過組元的擴(kuò)散才能完成,此時(shí)擴(kuò)散成為相變的控制因素,而固態(tài)金屬中原子的擴(kuò)散系數(shù),即使在熔點(diǎn)附近也僅為液態(tài)的十萬分之一,所以固態(tài)相變的轉(zhuǎn)變速率很慢,可以有很大的過冷度。隨著溫度降低,過冷度增大,形核率增高,相變驅(qū)動(dòng)力增大,但同時(shí)原子擴(kuò)散系數(shù)降低。這一對(duì)矛盾運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,就有可能使相變后得到的組織變細(xì)。金屬固態(tài)相變主要特點(diǎn)

金屬固態(tài)相變主要特點(diǎn)

1.相界面特殊

2.新舊相之間存在一定位向關(guān)系與慣習(xí)面

3.相變阻力大(彈性應(yīng)變能作用)

4.易于形成過渡相

5.母相晶體缺陷對(duì)相變起促進(jìn)作用

6.原子的擴(kuò)散(擴(kuò)散控制相變過程)(提供驅(qū)動(dòng)力)(降低形核功)(不同類型,具有不同界面能和應(yīng)變能)3.2金屬固態(tài)相變熱力學(xué)一、相變驅(qū)動(dòng)力γ→α轉(zhuǎn)變,只有在T<T0時(shí)才能夠進(jìn)行,即過冷。(問題,α→γ相變?cè)诤螚l件下方可進(jìn)行?)GT℃T0GαGγGγ→α>0Gγ→α<0αγ

∵Gγ→α

=Gα-Gγ

<0過熱二、相變勢(shì)壘要使γ向α轉(zhuǎn)變能夠進(jìn)行還必須越過△g的勢(shì)壘

因此相變條件:

△G<0克服△g的勢(shì)壘(能量起伏)返回下一頁(yè)上一頁(yè)

本章首頁(yè)金屬熱處理原理及工藝,SMSE,CUMTG狀態(tài)Ⅰ狀態(tài)ⅡΔgγαGγ→α——原子間的引力3.3金屬固態(tài)相變的形核一、均勻形核金屬結(jié)晶均勻形核>>形核自由能變化臨界晶核半徑:臨界形核功形核率假設(shè)晶核為球形自由能差界面能應(yīng)變能3.3金屬固態(tài)相變的形核二、非均勻形核①界面形核②位錯(cuò)形核③空位形核缺陷提供的相變驅(qū)動(dòng)力固態(tài)相變中均勻形核幾乎不可能,大多為非均勻形核。1.晶界形核晶界類型:界面、界棱、界隅晶界形核時(shí)的能量變化提供的能量:需要的形核功:界隅形核的最容易,但界隅占的體積分?jǐn)?shù)最小,數(shù)量最多的界面形核的貢獻(xiàn)最大。二、非均勻形核Ⅳ界面<界棱<界隅界隅<界棱<界面<均勻形核圖晶界形核時(shí)晶核的形狀

2.位錯(cuò)形核位錯(cuò)促進(jìn)形核。位錯(cuò)線上形核,位錯(cuò)線消失釋放能量,降低形核功。位錯(cuò)線不消失,成為半共格界面中的位錯(cuò)部分,降低形核功。溶質(zhì)原子在位錯(cuò)上偏聚,滿足新相形核的成分起伏。擴(kuò)散的短路通道,↘Q,加速形核。二、非均勻形核3.空位及空位集團(tuán)形核空位及空位集團(tuán)促進(jìn)形核。釋放能量提供成核驅(qū)動(dòng)力凝聚成位錯(cuò)加速擴(kuò)散過程(空位機(jī)制)二、非均勻形核3.4金屬固態(tài)相變的晶核長(zhǎng)大一、長(zhǎng)大機(jī)制

新相晶核的長(zhǎng)大,實(shí)質(zhì)是界面向母相方向的遷移。成分變化結(jié)構(gòu)變化——擴(kuò)散——界面過程γαα/γ——界面附近原子調(diào)整位置,使晶核得以長(zhǎng)大的過程。1、半共格界面的遷移(1)均勻切變特點(diǎn):大量的原子有規(guī)律地沿某一方向作小于一個(gè)原子間距的遷移,遷移后原子保持原有的相鄰關(guān)系不變。是無擴(kuò)散型相變。右下圖為馬氏體轉(zhuǎn)變的表面傾動(dòng)。一、長(zhǎng)大機(jī)制(2)臺(tái)階機(jī)制

(相界面上位錯(cuò)的滑動(dòng))特點(diǎn):通過半共格界面上的界面位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),使界面作法線方向遷移,從而實(shí)現(xiàn)晶核的長(zhǎng)大。1、半共格界面的遷移一、長(zhǎng)大機(jī)制3.4金屬固態(tài)相變的晶核長(zhǎng)大一、長(zhǎng)大機(jī)制2、非共格界面的遷移:

通過界面擴(kuò)散進(jìn)行紊亂排列臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)3.4金屬固態(tài)相變的晶核長(zhǎng)大二、長(zhǎng)大速度(擴(kuò)散型)1、無成分變化時(shí):GΔgγαGγ→αλ過冷度很小時(shí),兩相自由能差極小。界面遷移速率與兩相的自由能差成正比,隨溫度降低,兩相的自由能差增大,新相長(zhǎng)大速率增加;3.4金屬固態(tài)相變的晶核長(zhǎng)大二、長(zhǎng)大速度(擴(kuò)散型)1、無成分變化時(shí):GΔgγαGγ→α過冷度很大時(shí)λ取決于△g,隨溫度降低,界面遷移速率減小,新相長(zhǎng)大速率隨之下降。3.4金屬固態(tài)相變的晶核長(zhǎng)大二、長(zhǎng)大速度(擴(kuò)散型)1、無成分變化時(shí):GΔgγαGγ→αλ在整個(gè)相變范圍內(nèi),新相長(zhǎng)大速度隨溫度降低,先增后減。3.4金屬固態(tài)相變的晶核長(zhǎng)大二、長(zhǎng)大速度2、有成分變化時(shí):是擴(kuò)散控制型長(zhǎng)大長(zhǎng)大速率與原子的擴(kuò)散系數(shù)、新相/母相界面上母相一側(cè)的濃度梯度成正比,與新相與母相間的濃度差成反比。T↘,擴(kuò)散系數(shù)急劇↘,新相的長(zhǎng)大速率降低。

3.5金屬固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)T1等溫動(dòng)力學(xué)曲線轉(zhuǎn)變體積分?jǐn)?shù)xt0T1>T2>T3T2T3100%

在一定過冷度下的等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)可用阿弗拉密方程描述:3≤n≤4n>4等溫轉(zhuǎn)變曲線:將不同

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