搜索
固态相变理论陈业新上海大学材料研究所主要内容n第一章固态相变总论1.相变的分类；2.固态相变的特征；n第二章相变驱动力与形核驱动力n第二章相变驱动力与形核驱动力1.相变驱动力；2.形核驱动力；n第三章固态相变中的形核1.均匀形核；2.非均匀形核；n第四章新相的长大1.新相的长大方式及控制因素；2.界面过程控制的新相长大；3.长程扩散控制的新相长大主要内容n第五章新相的粗化1.弥散沉淀相的粗化;2.片状和纤维状组织的粗化;3.晶粒的粗化第六章固态相变动力学n第六章固态相变动力学1.约翰逊－迈尔－阿弗拉密方程;2.热激活速率方程式;3.时间－温度－转变量（TTT）图n第七章外能量场对相变的影响1.温度－时间－力对相变的综合作用;2.辐照条件下的相变;3.磁场条件下的相变;4.激光作用下的相变第一章固态相变总论图1-1一级相变(a)和二级相变(b)时m、V、S的变化(a)(b)第一章固态相变总论图1-2二级相变的定压比热随温度变化的示意图第一章固态相变总论(a)(b)图1-3一级相变(a)和二级相变(b)在相图上的特征第一章固态相变总论图1-4位移型和重构型相变示意图(a)原始的晶体结构；(b)正向位移型相变；第一章固态相变总论图1-4位移型和重构型相变示意图(a)原始的晶体结构；(d)逆向位移型相变第一章固态相变总论(a)(C)BB'CAB'CABB(b)图1-5β相结构在{111}面上的投影图(a);β相结构在{110}面上投影图(b)；ω相结构在(0001)面上的投影图(c)。图中符号ο表示图面上的原子；符号中有“＋”为高出图面的原子；符号中有“－”为低于图面的原子第一章固态相变总论图1-4位移型和重构型相变示意图(a)原始的晶体结构；(d)重构型相变第一章固态相变总论图1-6具有溶解度变化的合金平衡相图第一章固态相变总论αTT2α'+α''α'α''T1ABC1CmCnC2图1-7具有Spinodal分解的相图第一章固态相变总论有序相50%Cu+50%ZnZnCu无序相图1-8有序－无序合金的原子在晶胞中占位(CuZn合金)第一章固态相变总论无序相有序相25%Au+75%CuAuCu图1-8有序－无序合金的原子在晶胞中占位(CuAu合金)第一章固态相变总论a(100)(110)(111)(200)(210)(211)(220)(300)(310)(311)(222)(320)(321)(400)(410)(330)(331)(420)(421)(332)b图1-9AuCu3合金的粉末X-射线衍射谱示意图（a）无序相；（b）有序相第一章固态相变总论(oC)T50%αβ432块型Ms100%t1500图1-10T-T-T图中块型转变的温度范围示意图课程小结（1）热力学分类：1.一级相变：；Sa≠Sb；Va≠Vb2.二级相变：；Sa=Sb;Va=Vb;aa≠ab;ba≠bbiiabmm=iiabmm=3.n级相变：当化学位的（n-1）阶偏微商相等，而n阶偏微商不相等时的相变称为n阶相变。相结构变化分类：位移型相变：通过原子移动，产生形变和键角的改变，但价键不发生断裂（电子云不重新分布），原子近邻的拓扑关系保持不变。相变时所发生的原子位移很小，且新相与母相之间存在着明确的晶体学位向关系。位移型相变要克服的势垒甚小，相变潜热也较小或完全消失。位移型相变可能是二级相变或弱的一级相变。课程小结（1）重构型相变：涉及大量化学键的破坏，原子间近邻关系产生明显的变化，新相和母相之间没有明确的晶体学位向关系，而且原子近邻的拓扑关系也会发生显著的变化。这类相变要克服较高的势垒，相变潜热很大，因而相变这类相变要克服较高的势垒，相变潜热很大，因而相变的速率相当缓慢。原子迁移情况分类扩散型相变：1）脱溶沉淀；2）调幅分解；3）有序－无序转变；4）块型转变；5）贝氏体相变非扩散型相变：马氏体相变第一章固态相变总论表1-1固态相变的种类和特征固态相变的分类相变特征多型性转变温度或压力改变时，由一种晶体结构转变为另一种晶体结构是多型性转变(同素异构转变)温度或压力改变时，由一种晶体结构转变为另一种晶体结构是一个重新形核、长大的过程，如：α-Feγ-Fe；α-Coβ-Co以及Fe-Ni合金中γα，Ti-Zr合金中βα共析转变一相转变成结构、成分均不相同的两相，如：Fe-C合金中γ→α＋Fe3C，共析组织呈层、片状包析转变不同结构、成分的两相转变成另一新相，如：Ag-Al合金中α＋γ→β，转变一般不能进行到底，组织中有α相残余马氏体转变相变时，新相、母相成分不发生变化，不需要原子的扩散，原子只作有规则的重新排列（切变），新相和母相之间保持严格的位向关系，并呈共格，在磨光表面上可以看到浮凸效应。第一章固态相变总论块状转变金属和合金发生晶体结构改变时，新相和母相的成分不改变，相变具有形核、长大特点，只进行少量扩散，其生长速度甚快，借非共格界面的迁移而生成不规则的块状产物，在纯铁、低碳钢、Cu-Al合金、Cu-Ga等合金中有这种转变。表1-1固态相变的种类和特征在纯铁、低碳钢、Cu-Al合金、Cu-Ga等合金中有这种转变。贝氏体转变发生在钢和许多有色合金中，兼具马氏体转变和扩散型转变的特点，产物成分改变。钢中贝氏体转变通常认为借助于铁原子的共格切变和碳原子的扩散而进行，转变速度缓慢。调幅分解无核相变过程，固溶体分解成晶体结构相同但成分不同（在一定范围内连续变化）的两相。有序化转变合金元素原子从无规则排列到有规则排列，但结构不发生变化。第一章固态相变总论图1-11相变的分类(示意图)第一章固态相变总论图1-12共格晶界示意图。(a)理想的完全共格界面；(b)具有应变的完全共格界面第一章固态相变总论图1-13半共格界面示意图第一章固态相变总论ma2amma1b图1-14相间调配位错示意图第一章固态相变总论图1-5非共格界面示意图第一章固态相变总论图1-5’非共格界面示意图第一章固态相变总论表1-2不同界面的结构与性质界面错配度,d界面能组成界面能界面错配度,d界面能组成(J/m2)共格小于0.05应变能为主~0.1半共格0.05~0.25应变能＋化学键能0.2~0.5非共格大于0.25化学键能为主0.5~1.0第一章固态相变总论1.0球形针形0.00.51.01.52.02.53.00.00.5/ca=∞f(c/a)c/a碟形针形图1-16形状因子与轴比c/a的关系曲线第一章固态相变总论图1-17钴在加热和冷却过程中的热滞回线第一章固态相变总论0.0150.0200.0250246810120.0000.0050.0100.015ΔL/LP/MPa(x10-4)图1-18Ag2O在30oC时的压滞回线课程小结（2）界面类型错配度,d界面能组成界面能(J/m2)不同界面的结构与性质界面类型错配度,d界面能组成(J/m2)共格小于0.05应变能为主~0.1半共格0.05~0.25应变能＋化学键能0.2~0.5非共格大于0.25化学键能为主0.5~1.0第二章相变驱动力与形核驱动力图2-1纯组元相变驱动力示意图第二章相变驱动力与形核驱动力图2-2二元系脱溶反应驱动力的示意图。(a)A-B二元相图；第二章相变驱动力与形核驱动力T=T1KEβGαμαB(C0)图2-2二元系脱溶反应驱动力的示意图(b)T1温度时的自由能－成分图(b)BCΒμαB(Cα)=μαB(Cβ)CcJLFDAGGαCmCβCαC0GβαC第二章相变驱动力与形核驱动力HT=T1KEβGαμαB(C0)ONMIBCΒμαB(Cα)=μαB(Cβ)CcJLFDAμαA(C0)CmCβCαC0μαA(Cα)=μβA(Cβ)αC图2-2二元系脱溶反应驱动力的示意图第二章相变驱动力与形核驱动力GaIKC0BxBAbb'DECIJL图2-3由α相中析出稳定β相或亚稳定β′相的热力学示意图第三章固态相变中的形核1.0球形针形0.00.51.01.52.02.53.00.00.5/ca=∞f(c/a)c/a碟形针形图1-16形状因子与轴比c/a的关系曲线第三章固态相变中的形核ΔGηn2/3γ+_ΔG*n*nn(ΔGV+ΔGS)0图3-1ΔG及其中各项与n的关系第三章固态相变中的形核ΔGΔG*4πr2gab+图3-2临界形核功和临界晶核半径的关系曲线34π()3VSrGGΔ+ΔΔG_ΔG*r*r0第三章固态相变中的形核非共格共格*h2h3ΔG*hchh2图3-3共格与非共格析出相的形核功与片厚的关系曲线第三章固态相变中的形核ΔGηn2/3γ+_ΔG*n*nn(ΔGV+ΔGS)0图3-1ΔG及其中各项与n的关系第三章固态相变中的形核稳态形核初期形核颗粒数时间t图3-4新相粒子数与时间的关系的示意图第三章固态相变中的形核图3-5双凸透镜形状的晶核课程小结（3）相变驱动力：过冷度较小时：→a+bGGGabba→Δ=-0TGHTabab→→ΔΔ=Δa′GGGaababa′′→++Δ=-→a+b单位体积b相形成导致的体自由能变化为均匀形核形成一个含有n个原子的晶核时，系统自由焓的变化为a′GGGΔ=-011ln1mmCCCGFERTVVCCbaabbbaa-⎛⎞Δ=-⋅=-⋅⋅⎜⎟-⎝⎠23VSGnGnnGhgΔ=Δ++Δ33*2427()VSGGGhgΔ=Δ+Δ课程小结（3）在α→β的固态相变中，假定形成的晶核为半径为r的球体，则系统自由焓的变化为：()32443VSGrGGrabppg′′Δ=Δ+Δ+临界晶核的密度：形核率：()3VSab*2VSrGGabg=-′′Δ+Δ3*2163()VSGGGabgpΔ=′′Δ+Δ**expVGNNkT⎛⎞Δ=-⎜⎟⎝⎠*0expexpmVGGIZNAkTkTn⎛⎞ΔΔ⎛⎞=⋅⋅⋅--⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠课程小结（3）系统在t时刻的形核率：非均匀形核时体系自由能的变化为：：()expItItt⎛⎞=⋅-⎜⎟⎝⎠VSdGnGAnGGgΔ=Δ++Δ-Δ非晶界上形核时，系统中的自由焓变化为：q=0，ΔG=0；q=90o，q=60o，32324(23coscos)3VGrGrbbabppgqq⎛⎞Δ=Δ+-+⎜⎟⎝⎠*2VrGabbg=-Δ3*328(23coscos)3VGGabgpqqΔ=-+Δ3*2163VGGabgpΔ=Δ3*253VGGabgpΔ=Δ第三章固态相变中的形核0.81.001020304050607080900.00.20.40.6ΔG*非/ΔG*均θ(ο)接触角对非均匀形核功的影响第三章固态相变中的形核图3-6在非共格情况下，在界棱(a)和界隅(b)处形核时晶核的形状第三章固态相变中的形核0.60.81.0晶ΔG*均匀界图3-7相当于均匀形核过程，q对界面、界棱和界隅形核激活能的影响0.00.20.40.60.81.00.00.20.40.6cosq晶晶ΔG*非均匀/Δ棱隅第三章固态相变中的形核0.200.250.30aΔG*均匀界面均匀形核b图3-8卡恩的形核机制图0.00.51.01.52.00.000.050.100.15edckTln(L/g)/Δγαα/γαβ界隅界棱图3-8卡恩的形核机制图曲线abcde表示能够被探知的最小形核率发生的界限，在它的左下侧形核率太小，以致于无法探测到。第三章固态相变中的形核图3-9新相在晶界上形核示意图第三章固态相变中的形核图3-10在位错线上形核的示意图第三章固态相变中的形核1Z1Z图3-11位错线上形核ΔG与r的关系曲线1Z第三章固态相变中的形核0.60.81.0均匀图3-12的关系曲线**/ZGGΔΔ位错均匀与0.00.20.40.60.81.00.00.20.40.6ΔG*位错/ΔG*均匀Z第三章固态相变中的形核765BACBCA54321CACBAABCAB面心立方结构中(110)晶面上的层错示意图hcp第三章固态相变中的形核图3-13马氏体均匀形核及其造成的畸变区的示意图第四章新相的长大图4-1非协同型长大示意图(a)第四章新相的长大图4-1非协同型长大示意图(b)第四章新相的长大图4-2切变方式的