相变1PPT(绪论、形核功计算).ppt

任课教师 材料热力学与固态相变 固态相变部分 Transformationinsolids 杨川材料学院金属材料系2014 12 第2页 共19页 绪论 1 研究意义固相 solidphase 一定成分原子 分子 以特定排列构成的固态集合体固相特征 相内部成分结构处处均匀 有明显的界面与其他相分开 界面处出现成分与结构的不连续变化 19世纪中期 钢铁大量代替铜制作重要部件问题 同一成分的钢性能完全不同 某些情况下钢使用过程中完全可靠 在另外情况下钢完全不能适用疑虑 能否继续用钢制作重要零件 工业危机 中国类同 问题 十九世纪材料问题引起工业危机 切尔诺夫点 1868年切尔诺夫论文的主要结论 第4页 共19页 十九世纪金属材料史上最重要发现 1 成分确定情况下 组织结构决定材料性能2 固态相变规律是开发新工艺 提高材料性能 开发新材料的基本规律之一 现代翻译 质点 原子 重新改组 排列变化 固态相变 主要结论 钢在固态下具有临界温度 在临界温度时能使钢中的质点发生改组 使钢具有新的特性 论文受到极高度评价 尤其在他逝世后 切尔诺夫值得钦佩的三点 第4页 共19页 3 采用的研究方法 肉眼 放大镜进行断口与组织分析 上世纪宏观分析方法获得 马氏体最基本规律 宏观组织分析至今重要作用 钢材检测 酸浸 断口试验仍然是最重要检测手段之一 2 预言 钢铁工业今后一定会不断的进步 但是绝不会离开今天我们所指出的道路 年仅29岁 提示 在进行科学试验时注意宏观现象分析 1 短时间内发现问题根源 宏观分析重要性案例 第4页 共19页 例2 出口澳车风扇断裂 Q345材料 设计计算最大应力157MPa 2 主要讨论内容 第4页 共19页 1 均匀形核基本规律与定量计算 热力学具体应用 2 马氏体相变基本规律及典型应用基本规律获得 马氏体定义 相变规律应用 与基本规律相关理论问题 位向关系 标准投影图 3 朗道理论与应用研究思路 相变热力学分类 二级相变郎道理论及应用 一级相变郎道理论及应用 3参考书 第4页 共19页 1 金属与合金中的相变李长海等译2 金属物理冯端等3 固态金属中的扩散与相变戚正风4 相变原理徐祖耀5 合金中扩散性相变与热力学李清斌译 考试 闭卷 认真完成作业 上课时间 以讲完内容为标准 一 均匀形核基本规律与定量计算 1 1 均匀形核 homogenousnucleation 基本规律 2 形核必须过冷 或过热 提供能量克服阻力 1 形核产生界面与应变 阻力来源界面能与应变能 3 通过能量 结构 成分起伏形成临界晶核 基本概念与试验依据 4 临界晶核 criticalnucleus 与形核功r 2 Gv Gs G 16 3 3 Gv Gs 2 晶界形试验依据 F沿晶界形成长大P沿A F晶界形核长大 也有在晶内形核 5 一般在晶界形核 非均匀形核 定性规律应用 r 2 Gv Gs G 16 3 3 Gv Gs 2 6 r G 定量计算 1 控制 T是细化晶粒有效手段 2 减少 Gs 与界面类型有关 3 因为晶界形核 所以母相细化影响晶粒尺寸 第2页 共19页 基本规律与试验依据 形核机理与界面有密切关系共格界面 新旧相原子在界面处一一对应 推论1 新相与母相如果形成共格界面 必存在位向关系 推论2 一定产生界面能与应变能 界面能0 1 0 2J 平方米 应变能最高 第4页 共19页 错配度 形成共格界面 小于5 经验数据 半共格界面 共格区 位错区 界面能0 2 0 5J m2应变能居中 非共格界面 界面原子完全不吻合 界面能0 5 1 0J m2 应变能最低 形成共格界面条件 1 2 临界晶核尺寸计算 形核驱动力 DrivingForces 计算 固溶体自由能有两种计算方法 方法1化学位法 G UAXA UBXBUA GA RTlnaAUB GB RTlnaB 方法2混合自由能法 G G1 G混G1 XAGA XBGB G混 H混 T S混 固溶体自由能曲线分析 方法2混合自由能法 G G1 G混G1 XAGA XBGB固溶体化学位法类似纯组元自由能代化学位 G混 H混 T S混 模型 中析出 的形核驱动力分析 当 中大量析出 相 中成分降到平衡点时混合相自由能 由A点确定 相形核时 过饱和固溶体成分不会很大的改变 仅在微小区域发生浓度起伏 并没有达到平衡 G0 AB 相变驱动力 并非形核驱动力 计算思路 形核分两步实现 1 内微区浓度起伏达到形成 相的成分 G1 2 进行结构变化形成 相晶核 G2 分析 浓度起伏区仅成分达到 但结构还是 固溶体 此时 中平均成分不变 仅不均匀 所以 G1中A B化学位由过X0处切线确定 G1 U A x0 XA UB x0 XB 结论 G1由X0切线P点纵坐标确定 相晶核摩尔自由能 G2 UA XA UB XB 形核驱动力 Gn G2 G1 每摩尔 计算公式与相图关系 1 前一项仅与A组元相关 后一项仅B组元相关2 公式中分子均是析出后 中浓度 分母均是析出前母相 中的浓度 Gn RT XA ln aA 析出 aA 母相 XB ln aB 析出 aB 母相 例题 90 Al Ag合金固溶后300 时效 计算临界晶核的尺寸 GP区尺寸 合金按理想溶液处理 应变能忽略 分析 GP区球形 共格界面 0 2J m2 r 2 Gv Gs 确定公式中浓度值 Gn RT XA ln aA 析出后 aA 母相 XB ln aB 析出后 aB 母相 计算时应注意问题 1 浓度的单位换算 讨论 1 实验测定GP区尺寸约1 10nm与计算临界晶核值在数量积上一致 2 根据求出的 Gv与测定的晶核尺寸可以估计界面能 从而进一步判断界面类型 2 临界晶核公式中式体积自由能 Gv Gn Vm 新相摩尔体积 3 形核驱动力主要影响因素 1 相变温度2 母相固溶体中过饱和度 1 根据形核驱动力公式 Gn G2 G1证明例题中具体计算公式2 Pb Sn相图如下 计算10 Sn Pb合金固溶后在20度放置 析出 相摩尔驱动力 Gn与体积驱动力 Gv注 按理想溶液计算 相按纯Sn计算摩尔体积 Sn摩尔量118 6密度7 3g cm3 作业题 每周二下午前交试验室6 8份 3 根据固溶体自由能曲线图 见下图 证明