金属固态相变基础.ppt

18 09 10 第一章金属固态相变基础 18 09 10 第一章金属固态相变基础 相变 构成物质的原子 或分子 的聚合状态 相状态 发生变化的过程称为相变 固态相变 金属和陶瓷等固态材料在温度和压力改变时 其内部组织或结构会发生变化 即发生一种相状态到另一种相状态的转变 这种转变称为固态相变 相变前的相状态称为旧相或母相 相变后的相状态称为新相 18 09 10 第一章金属固态相变基础 新相与母相的差别相变发生后 新相与母相之间必然存在某些差别 这些差别或者表现在晶体结构上 如同素异构转变 化学成分上 如调幅分解 表面能上 如粉未烧结 应变能上 如形变再结晶 界面能上 如晶粒长大 兼而有之 如过饱和固溶体脱溶沉淀 18 09 10 第一节金属固态相变的主要类型 一 固态相变的分类 18 09 10 第一节金属固态相变的主要类型 一 固态相变的分类1 按热力学函数变化分类 一级相变 相变时两相的化学势相等 而化学势对温度及压力的一阶偏微分 S V 不等的相变 伴随潜热的释放和体积的改变 如蒸发 升华 熔化以及大多数固态晶型转变属于此类 18 09 10 第一节金属固态相变的主要类型 一 固态相变的分类1 按热力学函数变化分类 二级相变 相变时两相的化学势相等 化学势的一阶偏微分也相等 但二阶偏微分不相等的相变 没有相变潜热和体积改变 有比容 压缩系数 膨胀系数变化 如磁性转变 有序 无序转变 超导转变等属于此类 18 09 10 第一节金属固态相变的主要类型 一 固态相变的分类2 按平衡状态图分类 1 平衡相变 平衡脱溶沉淀 共析相变 调幅分解 有序化转变 2 非平衡相变 伪共析转变马氏体相变贝氏体相变非平衡脱溶沉淀 同素异构转变和多形性转变 18 09 10 第一节金属固态相变的主要类型 一 固态相变的分类2 按平衡状态图分类 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叫做同素异构转变 多形性转变 固溶体的同素异构转变称为多形性转变 平衡脱溶沉淀 在缓慢冷却的条件下 由过饱和固溶体析出过剩相的过程称为平衡脱溶沉淀 共析转变 冷却时由一个固相分解为两个不同固相的转变称为共析转变 包析转变 冷却时由两个固相合并为一个固相的转变称为包析转变 18 09 10 第一节金属固态相变的主要类型 一 固态相变的分类2 按平衡状态图分类 调幅分解 某些在高温下具有均匀单相固溶体组织的合金 冷却到某一温度范围内时 可分解为两种结构与原固溶体相同但成分有明显差别的微区的转变称为调幅分解 有序化转变 固溶体中 各组元原子的相对位置由无序到有序的转变过程称为有序化转变 18 09 10 第一节金属固态相变的主要类型 一 固态相变的分类2 按平衡状态图分类 铁碳合金的不平衡转变 主要包括 伪共析转变 马氏体转变 贝氏体转变 18 09 10 第一节金属固态相变的主要类型 一 固态相变的分类2 按平衡状态图分类 非平衡脱溶沉淀 18 09 10 第一节金属固态相变的主要类型 一 固态相变的分类3 按相变过程中原子迁移情况分类 扩散型 相变时 相界面的移动是通过原子的近程或远程扩散而进行的相变 也称非协同型转变 只有温度足够高 原子活动能力足够强时才能发生扩散型相变 包括同素异构转变 多形性转变 脱溶型相变 共析型相变 调幅分解和有序化转变等 如珠光体 奥氏体转变 Fe C都可扩散 18 09 10 第一节金属固态相变的主要类型 一 固态相变的分类3 按相变过程中原子迁移情况分类 非扩散型 旧相原子有规则地 协调一致地通过切变转移到新相中 相界面共格 原子间的相邻关系不变 化学成分不变 也称协同型转变 如马氏体转变 Fe C都不扩散 半扩散型 既有切变 又有扩散 如贝氏体转变 Fe切变 C扩散 18 09 10 第一节金属固态相变的主要类型 一 固态相变的分类4 按相变方式分类 有核相变 有形核阶段 新相核心可均匀形成 也可择优形成 大多数固态相变属于此类 无核相变 无形核阶段 以成分起伏作为开端 新旧相间无明显界面 如调幅分解 18 09 10 第一节金属固态相变的主要类型 二 常见固态相变类型 同素异构转变 同一种元素通过形核与长大发生晶体结构的变化 多型性转变 合金中晶体结构的变化 脱溶转变 过饱和固溶体脱溶分解出亚稳定或稳定的第二相 共析转变 一个固相转变为两个结构不同的固相 包析转变 两个不同结构的固相转变为一个新的固相 组织中一般有某相残余 马氏体转变 新旧相之间成分不变 切变进行 有严格位向关系 有浮凸效应 贝氏体转变 兼具马氏体和扩散转变的特点 借助铁的切变和碳的扩散进行 18 09 10 第一节金属固态相变的主要类型 二 常见固态相变类型 调幅分解 非形核转变 固溶体分解成结构相同但成分不同的两相 有序化转变 合金元素原子从无规则排列到有规则排列 但结构不变 18 09 10 第二节金属固态相变的主要特点 一 新相和母相间存在不同的界面 相界面特殊 1 共格界面 18 09 10 第二节金属固态相变的主要特点 一 新相和母相间存在不同的界面 相界面特殊 1 共格界面 18 09 10 第二节金属固态相变的主要特点 一 新相和母相间存在不同的界面 相界面特殊 2 半共格界面 18 09 10 第二节金属固态相变的主要特点 一 新相和母相间存在不同的界面 相界面特殊 3 非共格界面 18 09 10 第二节金属固态相变的主要特点 一 新相和母相间存在不同的界面 相界面特殊 一般认为 错配度小于0 05时两相可以构成完全的共格界面错配度大于0 25时易形成非共格界面错配度介于0 05 0 25之间 易形成半共格界面 18 09 10 第二节金属固态相变的主要特点 二 新相晶核与母相间的晶体学关系 有一定的位向关系 存在惯习面 在许多情况下 固态相变时新相与母相往往存在一定的位向关系 而且新相往往在母相一定的晶面上开始形成 这个晶面称为惯习面 通常以母相的晶面指数表示 例如K S关系 钢中发生由A向M转变时 A的密排面 111 与M的密排面 110 相平行 A的密排方向与M的密排方向相平行 这种位向关系称为K S关系 18 09 10 第二节金属固态相变的主要特点 二 新相晶核与母相间的晶体学关系 有一定的位向关系 存在惯习面 当新相与母相间为共格或半共格相界面时必然有一定的位向关系 若无一定的位向关系 则两相界面必定是非共格界面 但是 有时两相之间虽然有一定的位向关系 也未必都具有共格或半共格界面 这可能是在新相长大过程中其界面的共格或半共格性已遭破坏所致 18 09 10 第二节金属固态相变的主要特点 三 相变阻力大 应变能的产生 固态相变时 由于新相与母相的比体积不同 使新相形成时发生的体积变化受母相的约束而引起弹性畸变 产生畸变能 共格 半共格界面两侧原子的错配也会产生应变能 界面能和应变能均是相变的阻力 因此固态相变的相变阻力比较大 18 09 10 第二节金属固态相变的主要特点 三 相变阻力大 应变能的产生 新相形状与相对应变能的关系 18 09 10 第二节金属固态相变的主要特点 三 相变阻力大 应变能的产生 界面共格时 界面能 弹性应变能界面不共格时 盘 片 状新相 界面能 弹性应变能球状新相 界面能 弹性应变能 18 09 10 第二节金属固态相变的主要特点 三 相变阻力大 应变能的产生 由上述可知 固态相变时的相变阻力应包括界面能和弹性应变能两项 新相和母相的界面类型对界面能和弹性应变能的影响是不同的 当界面共格时 可以降低界面能 但使弹性应变能增大 当界面不共格时 盘 片 状新相的弹性应变能最低 但界面能较高 而球状新相的界面能最低 但弹性应变能却最大 18 09 10 第二节金属固态相变的主要特点 三 相变阻力大 应变能的产生 固态相变时究竟是界面能还是弹性应变能起主导作用取决于具体条件 过冷度大 临界晶核尺寸小 单位体积新相界面积大 界面能增加巨大 此时界面能起主导作用 两相界面易取共格方式以降低界面能 过冷度小 临界晶核尺寸大 界面能不起主导作用 易形成非共格界面 若两相比容差较大 弹性应变能起主导作用 则形成盘 片 状新相 若两相比容差较小 弹性应变能作用不大 则形成球状新相 18 09 10 第二节金属固态相变的主要特点 四 母相晶体缺陷的促进作用点 缺陷线 晶格畸变 自由能高 促进形核及相变 类型面 思考 晶粒细化对相变的影响 形核功的大小均匀形核最大 空位形核次之 位错形核更次之 晶界非均匀形核最小 18 09 10 第二节金属固态相变的主要特点 五 易出现过渡相 过渡相 中间亚稳相 的形成 固态相变阻力大 直接转变困难协调性中间产物 过渡相 18 09 10 第三节固态相变的形核 一 均匀形核 能量条件 1 形核时的能量变化相变驱动力 化学自由能 Gv Gv T曲线随成分变化 18 09 10 第三节固态相变的形核 一 均匀形核 能量条件 1 形核时的能量变化相变阻力 界面能 S 取决于界面结构 与过冷度有关 T越大 晶核越小 S 大 共格 半共格 T越小 晶核越大 S 小 非共格 18 09 10 第三节固态相变的形核 一 均匀形核 能量条件 1 形核时的能量变化 弹性应变能 V 相变阻力共格应变能 共格大 半共格小 非共格分类比体积差球状最大体积应变能新相几何形状片状最小针状居中 18 09 10 第三节固态相变的形核 一 均匀形核 能量条件 2 形核的能量条件形成球形晶核 18 09 10 第三节固态相变的形核 一 均匀形核 能量条件 2 形核的能量条件临界晶核半径和形核功都是自由能差的函数 也随过冷度 过热度 而变化 过冷度增大 临界晶核半径和形核功都减小 新相形核几率增大 新相晶核数量也增多 即相变容易发生 因此 只有在一定的温度滞后条件下系统才能发生相变 18 09 10 第三节固态相变的形核 二 非均匀形核 能量条件 固态相变均匀形核的可能性很小 非均匀形核 依靠晶体缺陷 是主要的形核方式 18 09 10 第三节固态相变的形核 二 非均匀形核 能量条件 1 不同晶体缺陷对形核的作用能量高 降低 Gmax 晶界形核结构混乱 降低 易扩散 偏析 利于扩散相变新相 母相形成共格 半共格界面降低界面能 18 09 10 第三节固态相变的形核 二 非均匀形核 能量条件 1 不同晶体缺陷对形核的作用 晶界形核非均匀形核类型 界面 界棱 界隅 18 09 10 第三节固态相变的形核 二 非均匀形核 能量条件 1 不同晶体缺陷对形核的作用 晶界形核非均匀形核类型 界面 界棱 界隅 界面 多晶体中两个相邻晶粒的边界 界面形核时一个界面提供给晶核 界棱 多晶体中三个晶粒的共同交界是一条线 界棱形核时三个界面提供给晶核 界隅 多晶体中四个晶粒的共同交界是一个点 界偶形核时六个界面提供给晶核 晶界形核时的能量 提供的能量 界面 界棱 界隅需要的形核功 界面 界棱 界隅 均匀形核 18 09 10 第三节固态相变的形核 二 非均匀形核 能量条件 1 不同晶体缺陷对形核的作用 晶界形核非均匀形核类型 界面 界棱 界隅 为了减小晶核表面积 降低界面能 非共格形核时各界面均呈球冠形 界面 界棱和界隅上的非共格晶核应分别呈双凸透镜片 两端尖的曲面三棱柱体和球面四面体等形状 18 09 10 第三节固态相变的形核 二 非均匀形核 能量条件 1 不同晶体缺陷对形核的作用 位错形核新相生成处位错消失 能量释放 提高驱动力 位错不消失 可作为半共格界面的形成部分易于发生偏聚 气团 有利于成分起伏易于扩散 有利于发生扩散型相变 18 09 10 第三节固态相变的形核 二 非均匀形核 能量条件 1 不同晶体缺陷对形核的作用 位错形核根据估算 当相变驱动力甚小而新相和母相之间的界面能约为2 10 5J cm2时 均匀形核的形核率仅为10 70 cm3 s 如果晶体中位错密度为108 cm 则由位错促成的非均匀形核形核率高达108 cm3 s 可见 当晶体中存在较高密度位错时 固态相变很难以均匀形核方式进行 18 09 10 第三节固态相变的形核 二 非均匀形核 能量条件 1 不同晶体缺陷对形核的作用促进扩散新相生成处空位消失 提供能量 空位形核空位群可凝结成位错 在过饱和固溶体的脱溶析出过程中 空位作用更明显 18 09 10 第三节固态相变的形核 二 非均匀形核 能量条件 2 非均匀形核的能量变化 Gd 晶体缺陷导致系统降低的能量 18 09 10 课后题 2 固态相变与液 固相变有何异同点 固态相变与液体凝固过程一样 也符合最小自由能差原理 相变的驱动力也是新相与母相间的体积自由能差 大多数固态相变也包括形核和生长 成长 长大 两个阶段 而且驱动力也是靠过冷度来获得 过冷温度对形核 生长的机制和速率都会发生重要影响 但是 与液 固相变 气 液相变 气 固相变相比 固态母相相变时的母相是晶体 其原子呈一定规则排列 而且原子的键合比液态时牢固 同时母相中还存在着空位 位错和晶界等一系列晶体缺陷