材料科学基础第8章.ppt
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1、第第8章章 组织转变动力学与显微组织组织转变动力学与显微组织8.1 引引 言言8.1.1 相变的分类相变的分类l按物态划分:按物态划分:液相(液相(liquid)固相(固相(solid)气相(气相(gas)l热力学分类:一级相变和高级(二级,三级,热力学分类:一级相变和高级(二级,三级,)相变,各有其热力学参数改变的特征。相变,各有其热力学参数改变的特征。l按相变机理分类:扩散型相变、无扩散型相变等按相变机理分类:扩散型相变、无扩散型相变等l相变过程:近平衡相变和远平衡相变相变过程:近平衡相变和远平衡相变8.1.1.1 物态之间的相变物态之间的相变l固相固相 液相液相(熔化)(熔化)l固相固相
2、 气相气相(升华)(升华)l液相液相 固相固相(凝固)(凝固)l液相液相 气相气相(蒸发)(蒸发)l气相气相 液相液相(凝聚)(凝聚)l气相气相 固相固相(凝聚)(凝聚)此外还有:液相此外还有:液相A 液相液相B 固相固相A 固相固相B8.1.1.2 按热力学分类按热力学分类l 一级相变一级相变 晶体的熔化、凝固、液相沉积、升华等。晶体的熔化、凝固、液相沉积、升华等。大部分的固态相变为一级相变。大部分的固态相变为一级相变。l二级相变二级相变超导态相变、磁性转变、部分无序有序转变等为二级相变。超导态相变、磁性转变、部分无序有序转变等为二级相变。8.1.1.3 按相变机理分类按相变机理分类l扩散型
3、相变扩散型相变 在在相相变变过过程程,发发生生成成份份变变化化,两两相相中中的的原原子子要要进进行行长长程程扩扩散散(如如固固溶溶体体脱脱溶溶反反应应、共共析析转转变变、沉沉淀淀析析出出反反应应等)。等)。l非扩散型相变非扩散型相变 在在相相变变过过程程,没没有有成成份份变变化化,没没有有原原子子扩扩散散,相相变变是是通通过过相相界界面面的的滑滑动动过过程程进进行行的的。新新相相的的长长大大速速度度极极快快,通通常常称称这这种种相相变变为为切切变变型型相相变变,如如马马氏氏体体相相变变、低低温温进进行的纯金属同素异构转变等。行的纯金属同素异构转变等。l半扩散型相变半扩散型相变 介介于于扩扩散散
4、型型和和非非扩扩散散型型之之间间的的扩扩散散(例例如如钢钢中中贝贝氏氏体体转变等)。转变等)。8.2 组织转变的基本特征组织转变的基本特征8.2.1 相变的本质相变的本质l相变涉及到原子排列方式的变化;相变涉及到原子排列方式的变化;l新相与旧相之间存在界面;新相与旧相之间存在界面;l相变时存在阻力;相变时存在阻力;l为了促进相变的进行,需要足够的驱动力。为了促进相变的进行,需要足够的驱动力。8.2.2 相变的驱动力(以凝固相变为例)相变的驱动力(以凝固相变为例)8.2.3 相的均匀形核相的均匀形核8.2.3.1 液相中的均匀形核液相中的均匀形核均均匀匀形形核核:在在均均一一的的液液相相中中依依
5、靠靠自自身身的的结结构构起起伏伏和和能能量量起起伏形成新相核心的过程,也称为自发形核。伏形成新相核心的过程,也称为自发形核。假设条件:固相与液相的界面能是各向同性的;假设条件:固相与液相的界面能是各向同性的;单位面积的界面能与固相尺寸无关。单位面积的界面能与固相尺寸无关。体积自由能差体积自由能差界面能界面能 过过冷冷度度 T越越大大则则r*(临临界界晶晶核核 半半 径径)和和 G*(形形核核功功)越越小小,形形核核势势垒垒越越小小,形形核核速率相对越大。速率相对越大。r*G*结结论论:形形成成临临界界晶晶核核时时,体体积积自自由由能能的的下下降降值值只只能能补补偿偿表表面面能能的的2/3,还还
6、有有1/3的的表表面面能必须从能量起伏中获得。能必须从能量起伏中获得。晶胚晶胚晶核晶核表面自由能表面自由能体积自由能体积自由能能量起伏系统的能量分布有起伏,呈正态分布形式。系统的能量分布有起伏,呈正态分布形式。能量起伏能量起伏的含义:的含义:l 在瞬时各微观体积的能量不同;在瞬时各微观体积的能量不同;l 某一微观体积不同瞬间的能量分布不同。某一微观体积不同瞬间的能量分布不同。在在具具有有高高能能量量的的微微观观区区域域形形核核,可可以以全全部部补补偿偿表表面能,使面能,使G0。结结 论:论:只只有有在在一一定定过过冷冷度度下下、在在高高能能区区、尺尺寸寸大大于于r*的的近近程程排排列列的的原原
7、子子集集团团可可以以形形成成固固相相的的稳稳定定核核心心(晶晶核核),使使系系统统吉吉布布斯斯自自由由能能降降低低,满满足足 G0的热力学条件。的热力学条件。形核功因子形核功因子原子扩散几率因子原子扩散几率因子8.2.3.2 固相中的均匀形核固相中的均匀形核体积自由能差体积自由能差界面能界面能体积应变能体积应变能 界界面面能能的的大大小小取取决决于于界界面面的的结结构构和和界界面面成成分分的的变变化化。固固态态相相变变中中形形成成的的界界面面结结构构有有三三种种形形式式,即即共共格格界界面面、半半共共格格界界面和非共格界面。面和非共格界面。固固态态相相变变中中,体体积积应应变变能能来来自自新新
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