材料科學基礎第8章固態(tài)相變

第8章固態(tài)相變機電工程學院嚴芳芳固態(tài)相變——溫度、壓力、電場、磁場組織結構轉變?yōu)榱硪环N組織結構三種變化1.晶體結構2.化學成分3.有序度材料學習慣上分為：1.擴散型2.非擴散型驅動力：新相和母相的自由能差；過程：形核和核長大。第一節(jié)固態(tài)相變的特點

相變阻力大

界面能增加額外彈性應變能固態(tài)相變擴散困難（新、舊相化學成分不同時）原子做彈性位移所需要的能量化學鍵的數(shù)量和強度、化學成分界面能化學能：應變能：一固態(tài)相變的特點1.相界面共格界面半共格界面非共格界面共格界面：彈性應變能大，界面能最小半共格界面：居中非共格界面：彈性應變能小，界面能最大2.位向關系——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。非共格界面沒有確定位向關系。3.慣習現(xiàn)象*新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成。

慣習方向（母相）慣習面

原因：沿應變能最小的方向和界面能最低的界面發(fā)展。

4母相晶體缺陷促進相變點…缺陷類型線…晶格畸變、自由能高，促進形核及相變。面…

5易出現(xiàn)過渡相*固態(tài)相變阻力大，直接轉變困難協(xié)調性中間產物（過渡相）

＋Fe3C+(3Fe+C)例

M+Fe3C6.應變能比體積差應變能：盤狀＜針狀＜球狀相變阻力：界面能和應變能。共格和半共格：應變能非共格：界面能二固態(tài)相變的分類

1按相變過程中原子遷移情況（1）擴散型：依靠原子的長距離擴散；相界面非共格。（如珠光體、奧氏體轉變，F(xiàn)e,C都可擴散。（2）非擴散型：舊相原子有規(guī)則地、協(xié)調一致地通過切變轉移到新相中；相界面共格、原子間的相鄰關系不變；化學成分不變。（如馬氏體轉變，F(xiàn)e,C都不擴散。）（3）半擴散型：既有切變，又有擴散。（如貝氏體轉變，F(xiàn)e切變，C擴散。）

2按相變方式分類（1）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。大多數(shù)固態(tài)相變屬于此類。（2）無核相變：無形核階段，以成分起伏作為開端，新舊相間無明顯界面，如調幅分解。

二固態(tài)相變的分類

3按熱力學函數(shù)變化分類（1）一級相變：相變時兩相的化學位相等，而化學位對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。如蒸發(fā)、升華、熔化以及大多數(shù)固態(tài)晶型轉變屬于此類。（2）二級相變：相變時兩相的化學位相等，化學位的一階偏微分也相等，但二階偏微分不相等的相變。沒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，如磁性轉變、有序－無序轉變、超導轉變等屬于此類。三常見固態(tài)相變類型

相變名稱相變特征同素異構轉變同一種元素通過形核與長大發(fā)生晶體結構的變化多型性轉變合金中晶體結構的變化脫溶轉變過飽和固溶體脫溶分解出亞穩(wěn)定或穩(wěn)定的第二相共析轉變一個固相轉變?yōu)閮蓚€結構不同的固相包析轉變兩個不同結構的固相轉變?yōu)橐粋€新的固相，組織中一般有某相殘余馬氏體轉變新舊相之間成分不變、切變進行、有嚴格位向關系、有浮凸效應貝氏體轉變兼具馬氏體和擴散轉變的特點，借助鐵的切變和碳的擴散進行調幅分解非形核轉變，固溶體分解成結構相同但成分不同的兩相有序化轉變合金元素原子從無規(guī)則排列到有規(guī)則排列，擔結構不變。第二節(jié)

固態(tài)相變的形核與長大無擴散性相變：非熱形核或變溫形核擴散型相變：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)相變的形核與長大

一均勻形核（能量條件）

1形核時的能量變化相變驅動力（1）化學自由能（體積自由能，△Gv）△Gv～T曲線隨成分變化第二節(jié)

固態(tài)相變的形核與長大

一均勻形核（能量條件）

1形核時的能量變化

相變阻力（2）界面能（，S）取決于界面結構△T越大，晶核越小，共格/半共格:盤狀或片狀（與過冷度有關）△T越小，晶核越大，非共格：球狀或等軸狀第二節(jié)

固態(tài)相變的形核與長大

一均勻形核（能量條件）

2形核的能量條件△G＝－V△Gv+S+V<0第二節(jié)

固態(tài)相變的形核與長大

二非均勻形核（能量條件）

固態(tài)相變均勻形核的可能性很小，非均勻形核（依靠晶體缺陷）是主要的形核方式。第二節(jié)

固態(tài)相變的形核與長大

二非均勻形核（能量條件）1不同晶體缺陷對形核的作用能量高，降低△GK（1）晶界形核結構混亂，降低易擴散、偏析，利于擴散相變新相/母相形成共格、半共格界面降低界面能第二節(jié)

固態(tài)相變的形核與長大

1不同晶體缺陷對形核的作用（2）位錯形核新相生成處位錯消失，能力釋放，提高驅動力位錯不消失，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擴散，有利于發(fā)生擴散型相變第二節(jié)

固態(tài)相變的形核與長大

二非均勻形核（能量條件）1不同晶體缺陷對形核的作用

促進擴散（3）空位形核新相生成處空位消失，提供能量空位群可凝結成位錯（過飽和固溶體的脫溶析出過程中，空位作用更明顯。）第二節(jié)

固態(tài)相變的形核與長大

二非均勻形核（能量條件）

2非均勻形核的能力變化△

G＝-V△Gv+S+V-△GD△GD－晶體缺陷導致系統(tǒng)降低的能量。

第三節(jié)

固態(tài)相變的晶核長大

1長大機制切變長大（1）半共格界面臺階式長大

原子直接遷移（2）非共格界面原子遷移至新相臺階端部

第二節(jié)

固態(tài)相變的形核與長大

三晶核的長大

2新相長大速度新相生成時無成分變化（有結構、有序度變化）（1）界面控制長大

u=exp(-Q/kT)[1-exp(-△Gv/kT)]

新相生成時有成分變化（2）擴散控制長大u=dx/dt=(C/x)D/(C-C)

第二節(jié)

固態(tài)相變的形核與長大

三晶核的長大

（3）相變動力學

f=1-exp(-btn)2h第三節(jié)

過飽和固溶體的分解

一脫溶（時效）轉變1概念：脫溶轉變2脫溶轉變過程相的名稱－形貌－尺寸－結構－點陣常數(shù)－共格關系－強化作用3脫溶動力學

第三節(jié)

過飽和固溶體的分解

二調幅分解1概念：調幅分解2調幅分解的熱力學條件和決