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1、第一章第一章 固态相变概论固态相变概论1本讲稿第一页，共五十六页复习：复习：相：相：体系中具有相同的物理化学性质，与其他体系中具有相同的物理化学性质，与其他部分以界面分开的均匀的组成部分。部分以界面分开的均匀的组成部分。相变：相变：物质的相状态发生变化的过程。物质的相状态发生变化的过程。固态相变：固态相变：固态材料由于温度、压力的改变导致的相固态材料由于温度、压力的改变导致的相状态变化。状态变化。2本讲稿第二页，共五十六页1.1金属固态相变概论金属固态相变概论1.1.1.分类（1）热力学分类）热力学分类一级相变一级相变：结晶、熔化、同素异晶：结晶、熔化、同素异晶二级相变：有序化转变、磁性转变二
2、级相变：有序化转变、磁性转变3本讲稿第三页，共五十六页概念：一级相变概念：一级相变 新母相化学势相等，化学势的一级偏微商不等新母相化学势相等，化学势的一级偏微商不等 4本讲稿第四页，共五十六页二级相变二级相变 相变产生时化学势及其一阶偏微商均相等，相变产生时化学势及其一阶偏微商均相等，其二阶偏微商不等。其二阶偏微商不等。5本讲稿第五页，共五十六页6本讲稿第六页，共五十六页一阶相变时，伴随体积、熵一阶相变时，伴随体积、熵的突变的突变 二阶相变时，无体积、熵的二阶相变时，无体积、熵的突变，其定压比热、等温压缩突变，其定压比热、等温压缩系数、系数、等压膨胀系数发生突变。等压膨胀系数发生突变。7本讲稿
3、第七页，共五十六页（2）按状态图分类）按状态图分类平衡相变：平衡相变：同素异晶、脱溶、共析、有序化、调幅分解非平衡相变非平衡相变:伪共析、马氏体及贝氏体转变、非平衡脱溶8本讲稿第八页，共五十六页（3）按原子迁移分扩散型相变：扩散型相变：脱溶、共析等脱溶、共析等 特点：扩散速率控制相变特点：扩散速率控制相变 速率；速率；合金有成分变化；合金有成分变化；有体积改变无形状有体积改变无形状 改变。改变。非扩散型相变：非扩散型相变：马氏体相变等马氏体相变等 特点：表面产生浮凸；特点：表面产生浮凸；无成分改变；无成分改变；新母相间有特殊新母相间有特殊 位向关系；位向关系；相变速率快。相变速率快。9本讲稿第
4、九页，共五十六页（4）按相变方式分）按相变方式分 有核相变有核相变 大部分相变大部分相变 无核相变无核相变 调幅分解调幅分解10本讲稿第十页，共五十六页1.1.2 金属固态相变的主要特点金属固态相变的主要特点1.相界面11本讲稿第十一页，共五十六页用错配度定义三种界面：12本讲稿第十二页，共五十六页13本讲稿第十三页，共五十六页2.位向关系与惯习面惯习面：惯习面：相变时新相常在母相一定晶面上开始形成，相变时新相常在母相一定晶面上开始形成，母相该特定晶面称为惯习面，以母相晶面指母相该特定晶面称为惯习面，以母相晶面指数表示数表示.位向关系：位向关系：新母相之间的晶格联系。新母相之间的晶格联系。14
5、本讲稿第十四页，共五十六页3.弹性应变能原因：相变时的体积变化原因：相变时的体积变化新相形状影响弹性应变能：新相形状影响弹性应变能：自大向小：自大向小：球形球形针、棒状针、棒状盘片状盘片状15本讲稿第十五页，共五十六页4.过渡相过渡相5.晶体缺陷作用晶体缺陷作用 形核功自大向小：形核功自大向小：均匀形核均匀形核空位形核空位形核位错形核位错形核晶界形核晶界形核6.原子的扩散原子的扩散16本讲稿第十六页，共五十六页1.2金属固态相变热力学金属固态相变热力学方向与限度方向与限度1.2.1 金属固态相变的热力学条件金属固态相变的热力学条件1.驱动力驱动力 从何而来：从何而来：相变使系统的自由能降低。相
6、变使系统的自由能降低。相变的热力学条件：相变的热力学条件：新旧两相存在自由能差新旧两相存在自由能差新相的自由能较低新相的自由能较低17本讲稿第十七页，共五十六页驱动力从何而来？驱动力从何而来？故相故相变只能在特定条件下只能在特定条件下发生（如生（如过热、过冷冷等）等）随随T增大，增大，GV增大增大18本讲稿第十八页，共五十六页2.相变势垒相变势垒 指相变时必须具备的能量，用来克服原子间作用力而使指相变时必须具备的能量，用来克服原子间作用力而使晶格改组。晶格改组。势垒越大，相变越难引发势垒越大，相变越难引发19本讲稿第十九页，共五十六页相变势垒的表示：相变势垒的表示：激活能激活能 Q：Q增大相增
7、大相变困困难原子原子扩散系数散系数D：D增大相增大相变容易容易 高温可使高温可使Q降低，降低，D增大，利于相增大，利于相变20本讲稿第二十页，共五十六页克服势垒的途径：克服势垒的途径：能量起伏能量起伏机械应力机械应力21本讲稿第二十一页，共五十六页1.2.2 金属固态相变的形核金属固态相变的形核1.均匀形核均匀形核 （1）能量）能量 总的能量变化：总的能量变化：即：体积自由能的下降必须能克服界面能及弹性应即：体积自由能的下降必须能克服界面能及弹性应变能的增加。变能的增加。相变阻力增大相变阻力增大22本讲稿第二十二页，共五十六页该能量变化可表示如图：该能量变化可表示如图：只有达到临界晶核尺寸，只
8、有达到临界晶核尺寸，才能克服形核的能量障碍。才能克服形核的能量障碍。-）23本讲稿第二十三页，共五十六页假设形成晶核为球形假设形成晶核为球形,其能量变化：其能量变化：固态相变时，临界晶核的尺寸和临界形核功相应固态相变时，临界晶核的尺寸和临界形核功相应增大（比液固相变）。增大（比液固相变）。24本讲稿第二十四页，共五十六页讨论：如何克服相变阻力i.固态相变的过冷度固态相变的过冷度ii.固态相变的临界晶核尺寸、临界形核功固态相变的临界晶核尺寸、临界形核功新相的比表面能和单位体积的弹性应变能显著影响临界晶核。、增大将增加形核困难增大将增加形核困难25本讲稿第二十五页，共五十六页(2)均匀形核率均匀形
9、核率由于有晶体缺陷的存在，固态相变很难以均匀形核的方式由于有晶体缺陷的存在，固态相变很难以均匀形核的方式进行。进行。26本讲稿第二十六页，共五十六页2.非均匀形核非均匀形核晶体缺陷形核晶体缺陷形核原理：晶体缺陷形核使缺陷消失，利用原理：晶体缺陷形核使缺陷消失，利用缺陷能量的释缺陷能量的释放降低自由能。放降低自由能。易满足结构、成分、能量条件易满足结构、成分、能量条件27本讲稿第二十七页，共五十六页（1）晶界形核）晶界形核借助晶界形核的自由能变化：借助晶界形核的自由能变化：28本讲稿第二十八页，共五十六页o可以证明，临界晶核半径：可以证明，临界晶核半径：o临界形核功：临界形核功：其中：其中：非均
10、匀形核更容易进行非均匀形核更容易进行29本讲稿第二十九页，共五十六页大角度晶界是形核的重要位置大角度晶界是形核的重要位置新相晶核与母相的界面可以是共格的或非共格的。新相晶核与母相的界面可以是共格的或非共格的。i.一侧共格的界面晶核一侧共格的界面晶核各处界面不同时满足与母相的各处界面不同时满足与母相的晶体学关系晶体学关系30本讲稿第三十页，共五十六页ii.非共格晶界形核非共格晶界形核31本讲稿第三十一页，共五十六页32本讲稿第三十二页，共五十六页各类晶界非均匀形核的形核率各类晶界非均匀形核的形核率33本讲稿第三十三页，共五十六页（2）位错形核）位错形核形核后位错线消失形核后位错线消失位错附于新相
11、界面位错附于新相界面沉淀相在位错处偏聚沉淀相在位错处偏聚34本讲稿第三十四页，共五十六页（3）空位形核）空位形核 晶间晶间“无析出带无析出带”35本讲稿第三十五页，共五十六页o小结：小结：晶体缺陷形核的难易：晶体缺陷形核的难易：最难最难:均匀形核均匀形核空位空位位错位错层错层错晶界晶界/相界相界自由表面自由表面：最易：最易36本讲稿第三十六页，共五十六页1.2.3 金属固态相变的晶核长大金属固态相变的晶核长大1.新相长大的机制新相长大的机制相长大过程是界面不断向母相迁移的过程。相长大过程是界面不断向母相迁移的过程。涉及或不涉及原子的扩散涉及或不涉及原子的扩散37本讲稿第三十七页，共五十六页（1
12、）共格）共格/半共格界面的迁移机制半共格界面的迁移机制o非扩散型（协同）长大机制非扩散型（协同）长大机制 非热激活过程非热激活过程 对温度不敏感对温度不敏感o可表现出两类界面迁移形式可表现出两类界面迁移形式n切变切变n台阶式长大台阶式长大38本讲稿第三十八页，共五十六页切变切变o 原子有规则地沿一个方向产生小于一个原子原子有规则地沿一个方向产生小于一个原子间距的迁移。原子相邻关系不变。间距的迁移。原子相邻关系不变。39本讲稿第三十九页，共五十六页FCC结构切变形成结构切变形成HCP结构的过程结构的过程40本讲稿第四十页，共五十六页台阶式长大台阶式长大o半共格界面可为平面或台阶面半共格界面可为平
13、面或台阶面o台阶式的半共格界面更容易迁移台阶式的半共格界面更容易迁移41本讲稿第四十一页，共五十六页o位错滑移位错滑移台阶侧向迁移台阶侧向迁移界面法向推进界面法向推进42本讲稿第四十二页，共五十六页（2）非共格界面的迁移机制）非共格界面的迁移机制扩散型（非协同）长大机制扩散型（非协同）长大机制热激活过程热激活过程温度影响显著温度影响显著晶粒晶粒1的原子不断向晶粒的原子不断向晶粒2转移，晶粒转移，晶粒2的界面台的界面台阶状长大。阶状长大。台台阶阶？43本讲稿第四十三页，共五十六页2.新相长大速度新相长大速度由界面迁移速度决定由界面迁移速度决定（1）无扩散相变）无扩散相变 切变机制长大速度极快，不
14、受温度、相成分切变机制长大速度极快，不受温度、相成分的影响的影响如马氏体相变瞬间完成如马氏体相变瞬间完成不讨论其长大速度不讨论其长大速度44本讲稿第四十四页，共五十六页在整个相变温度范围内表现出在整个相变温度范围内表现出过冷度与新相长大速度有极大过冷度与新相长大速度有极大值。值。长大受长大受界面扩散界面扩散控制控制（2）无成分变化的扩散相变）无成分变化的扩散相变 近程扩散近程扩散 如异晶转变、再结晶、晶粒长大如异晶转变、再结晶、晶粒长大45本讲稿第四十五页，共五十六页o以纯铁的异晶转变为例：以纯铁的异晶转变为例：46本讲稿第四十六页，共五十六页（3）有成分变化的扩散相变）有成分变化的扩散相变
15、长程扩散长程扩散以钢中的以钢中的AF的相变为例：转变时有碳的长程扩的相变为例：转变时有碳的长程扩散，有成分改变。散，有成分改变。47本讲稿第四十七页，共五十六页由质量守恒与菲克第一定律：由质量守恒与菲克第一定律：48本讲稿第四十八页，共五十六页49本讲稿第四十九页，共五十六页1.3 金属固态相变动力学金属固态相变动力学1.3.1 金属固态相变的速率金属固态相变的速率（1）均匀形核的）均匀形核的JohnsonMehl方程方程J-M方程应用条件：均匀形核I、G均为常数相变孕育期短50本讲稿第五十页，共五十六页Avrami方程方程 非均匀形核非均匀形核 形核率随时间改变形核率随时间改变51本讲稿第五
16、十一页，共五十六页等温相变动力学曲线等温相变动力学曲线52本讲稿第五十二页，共五十六页等温相变综合动力学曲线等温相变综合动力学曲线53本讲稿第五十三页，共五十六页作业：作业：o 假假设设在在固固态态相相变变过过程程中中新新相相形形核核率率N及及长长大大速速率率G均均为为常常数数，则则经经t时时间间后后所所形形成成新新相相的的体体积积分数可用分数可用Johnson-Mehl方程得到，方程得到，o已已知知形形核核率率N=1000/cm3.s，G=310-5cm/s，试计试计算：算：(1)发发生生相相变变速速度度最最快快的的时时间间；过过程程中中的的最最大大相相变变速速度度；（2）获获得得50%转转
17、变变量量所所需需的的时时间。间。54本讲稿第五十四页，共五十六页组织粗化组织粗化o沉淀弥散相的粗化沉淀弥散相的粗化奥斯瓦尔德奥斯瓦尔德（Ostwald）熟化）熟化o后面讲后面讲55本讲稿第五十五页，共五十六页本章重点内容本章重点内容n概念：扩散型相变概念：扩散型相变 非扩散型相变非扩散型相变 平衡相变平衡相变 非平衡相变非平衡相变 一级相变一级相变 二级相变二级相变 弹性应变能弹性应变能错配度错配度n固态相变的特点固态相变的特点n固态相变驱动力与阻力固态相变驱动力与阻力n固态相变时的非均匀形核方式固态相变时的非均匀形核方式n相变动力学方程与应用相变动力学方程与应用n界面扩散控制型的新相长大速度界面扩散控制型的新相长大速度56本讲稿第五十六页，共五十六页