材料物理(下).pdf

固体材料中的扩散 扩散 由构成物质的微粒 离子 原子 分子 的热运动而产生的物质迁移现象称为扩散 扩散的宏观表现是物质的定向输送 稳态扩散 在一定区域内 浓度不随时间变化的扩散 非稳态扩散 浓度随时间变化的扩散 扩散分类 根据浓度变化分为 自扩散和互扩散 根据扩散方向分为 上坡扩散和下坡扩散 根据是否产生新相 原子扩散和反应扩散 根据原子扩散路径 体扩散和短路扩散 自扩散 原子经由自己元素的晶体点阵而迁移的扩散 互扩散 原子通过进入对方元素晶体点阵而导致的扩散 上坡扩散 顺扩散 原子由高浓度处向低浓度处进行的扩散 下坡扩散 逆扩散 原子由低浓度处向高浓度处进行的扩散 原子扩散 扩散过程中不发生化学反应 不生成第二相 反应扩散 扩散过程中发生化学反应而生成新的第二相 通过扩散使固溶体内的溶质组元 超过固溶极限而不断形成新相的扩散过程 亦称相变扩散 体扩散 扩散物质在晶粒点阵内部发生迁移 称为体扩散 短路扩散 沿线缺陷 位错 或面缺陷 晶界和自由表面等 所进行的扩散 扩散通量 单位时间内通过垂直于扩散方向的某一单位面积截面的扩散物质流量 扩散系数 表征气体或固体扩散程度的物理量 是指当浓度为一个单位时 单位时间内通过 单位面积的物质的量 菲克第一定律 单位时间内通过垂直于扩散方向的某一单位面积截面的扩散物质流量 扩散 通量 J 与此处的浓度梯度成正比 这一规律即为扩散第一定律 菲克第二定律 扩散中浓度变化率 dC dt 与沿着扩散方向上浓度梯度 dC dx 随扩散距 离 dx 的变化率成正比 柯肯达尔 Kirkendall 效应 两种扩散速率不同的金属在扩散过程中会形成缺陷 空位 这种现象称为 Kirkendall Effect baidu encyclopedia 固态相变 相 是指任一给定的物质系统中 具有同一化学成分 同一原子聚集状态和性质的均匀连续 组成部分 不同相之间由界面分开 相变 广义上 构成物质的原子 或分子 的聚集状态 相状态 发生变化的过程 狭义上 固态相变是指在转变过程中不仅有组织变化 而且有晶格类型变化 或有序度变化 或相组成物化学成分变化的固态转变 固态相变分类 根据相变前后热力学函数变化 一级相变和二级相变 根据材料平衡状态图 平衡相变和非平衡相变 根据原子迁移情况 扩散型相变和非扩散型相变 根据相变方式 有核相变和无核相变 一级相变 发生相变时 两相的化学势相等但化学势的一阶偏微分不相等 特点 熵和体积 会发生不连续的变化 即有相变潜热和体积的改变 二级相变 发生相变时 两相的化学势相等且其一阶偏微分相等 但二阶偏微分不相等 特 点 无熵和体积的变化 无热效应 热容 压缩系数和膨胀系数不连续变化 平衡相变 指在缓慢加热或冷却时所发生的能获得符合平衡状态图的平衡组织的相变 包括 同素异构转变 多型性转变 平衡脱溶沉淀 共析相变 调幅分解 有序化转变 同素异构转变 纯金属在温度和压力改变时 由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过 程称为同素异构转变 多型性转变 在固溶体中发生的同素异构转变称为多型性转变 平衡脱溶沉淀 在缓慢冷却条件下 由过饱和固溶体中析出过剩相的过程 共析转变 合金在冷却时由一个固相分解为两个不同固相的转变称为共析相变 调幅分解 过饱和固溶体在一定温度下分解成结构相同 成分不同的两相的过程 有序化转变 固溶体在缓慢冷却到有序化温度时 各组元的相对位置从无序过渡到有序的 过程 称为有序化转变 非平衡相变 若加热或冷却速度较快 平衡相变将被抑制 固态材料可能发生某些平衡状态 图上不能反映的转变 并获得不平衡或亚稳态组织 这种转变称为非平衡相变 包括 伪共析转变 马氏体相变 贝氏体相变 非平衡脱溶沉淀 块型转变 伪共析转变 接近共析点成分的合金 过冷到共析点以下发生共析转变的过程 马氏体相变 当钢的奥氏体以大于临界淬火速度冷却至 Ms 点以下时 钢中的奥氏体将转 变 成马氏体 这一过程称为马氏体相变 广义上 符合马氏体相变的基本特征的转变过程 均称为马氏体相变 贝氏体相变 当奥氏体被冷却至珠光体转变和马氏体相变之间的温度范围时 产生贝氏体 的相变过程即为贝氏体相变 亦称中温转变 非平衡脱溶沉淀 在等温条件下 从过饱和固溶体中析出第二相的过程 块型转变 相变时晶体结构改变 成分不变 相界附近原子以互不协作方式通过非共格界 面作短程快速迁移 相变产物为块型 这种转变称为块型转变 扩散型相变 非协同型 相变依靠原子 或离子 的扩散来进行的称为扩散型相变 非扩散型相变 协同型 原子 或离子 仅作有规则的迁移使点阵发生改组 相对移动距 离不超过原子间距 错配度 相邻两相在界面上原子间距的相对差值称为错配度 惯习面 固态相变时 新相往往在母相的一定晶面上开始形成 这个晶面称为惯习面 形核率 单位时间在单位体积母相中所形成的晶核数目 界面控制长大 新旧两相成分相同 母相一侧紧邻相界的原子作近程扩散使新相长大 这种 长大过程称为界面控制长大 扩散控制长大 新旧两相成分不同 新相长大需要依靠溶质原子的远程扩散 这种长大过程 称为扩散控制长大 TTT 曲线 即综合动力学曲线 它表示转变时间 转变温度 转变量 转变体积 三者之间 的关系的曲线 脱溶 从过饱和固溶体中析出一个成分不同的新相或形成溶质原子富集的亚稳区的过程 包括 连续脱溶 均匀脱溶和局部脱溶 不连续脱溶 连续脱溶 脱溶过程 固溶体基体的浓度和点阵常数发生连续的变化 均匀脱溶 普遍脱溶 在整个固溶体基本中普遍发生脱溶 并析出均匀分布的沉淀物 局部脱溶 沉淀相择优在晶界 亚晶界 位错等处析出的现象 称为局部脱溶 不连续脱溶 脱溶过程 固溶体基体的浓度和点阵常数不连续变化 产生胞状沉淀 这种脱 溶方式通常从晶界开始 故又称 晶界反应 无沉淀析出带 晶界处的局部脱溶往往在紧靠晶界附近形成一条无脱溶相区 即为无沉淀析 出带 产生机制 贫溶质理论和贫空位理论 GP 区 溶质原子的偏聚区 回归现象 将经过低温时效的合金放在较高温度 低于固溶化温度 下短期加热并迅速冷却 它的硬度将下降到和刚淬火时差不多 其它性质的变化亦相似 这种现象即为回归 不变平面应变 造成均匀切变且惯习面为不变平面的应变即为不变平面应变 Ms 点 奥氏体和马氏体两相自由能之差达到相变所需的最小驱动力时的温度 应变诱发马氏体 在 Ms 点以上一定温度范围内 因塑性变形而促发的马氏体 热稳定化 奥氏体在冷却过程中因等温住留而使其继续转变成马氏体时呈现迟滞现象 称为 奥氏体的 热稳定化 变温马氏体 在 Ms 点以下的一定温度只形成一定量的马氏体