材料科学基础 第8章PPT课件

1 第8章组织转变动力学与显微组织 8 1引言8 1 1相变的分类 按物态划分 液相 liquid 固相 solid 气相 gas 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 按相变机理分类 扩散型相变 无扩散型相变等相变过程 近平衡相变和远平衡相变 2 8 1 1 1物态之间的相变 固相 液相 熔化 固相 气相 升华 液相 固相 凝固 液相 气相 蒸发 气相 液相 凝聚 气相 固相 凝聚 此外还有 液相A 液相B固相A 固相B 3 8 1 1 2按热力学分类 一级相变 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 4 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 5 8 1 1 3按相变机理分类 扩散型相变在相变过程 发生成份变化 两相中的原子要进行长程扩散 如固溶体脱溶反应 共析转变 沉淀析出反应等 非扩散型相变在相变过程 没有成份变化 没有原子扩散 相变是通过相界面的滑动过程进行的 新相的长大速度极快 通常称这种相变为切变型相变 如马氏体相变 低温进行的纯金属同素异构转变等 半扩散型相变介于扩散型和非扩散型之间的扩散 例如钢中贝氏体转变等 6 8 2组织转变的基本特征 8 2 1相变的本质相变涉及到原子排列方式的变化 新相与旧相之间存在界面 相变时存在阻力 为了促进相变的进行 需要足够的驱动力 7 8 2 2相变的驱动力 以凝固相变为例 8 9 8 2 3相的均匀形核8 2 3 1液相中的均匀形核 均匀形核 在均一的液相中依靠自身的结构起伏和能量起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 单位面积的界面能与固相尺寸无关 体积自由能差 界面能 10 过冷度 T越大则r 临界晶核半径 和 G 形核功 越小 形核势垒越小 形核速率相对越大 r G 11 结论 形成临界晶核时 体积自由能的下降值只能补偿表面能的2 3 还有1 3的表面能必须从能量起伏中获得 12 能量起伏 系统的能量分布有起伏 呈正态分布形式 能量起伏的含义 在瞬时各微观体积的能量不同 某一微观体积不同瞬间的能量分布不同 在具有高能量的微观区域形核 可以全部补偿表面能 使 G 0 13 结论 只有在一定过冷度下 在高能区 尺寸大于r 的近程排列的原子集团可以形成固相的稳定核心 晶核 使系统吉布斯自由能降低 满足 G 0的热力学条件 14 形核功因子 原子扩散几率因子 15 8 2 3 2固相中的均匀形核 体积自由能差 界面能 体积应变能 16 界面能的大小取决于界面的结构和界面成分的变化 固态相变中形成的界面结构有三种形式 即共格界面 半共格界面和非共格界面 固态相变中 体积应变能来自新旧两相的比容差和界面结构两个因素 应变能由两项组成 一项是由新相和旧相比容不同所产生的弹性应变能 另一项是由界面上两相晶格不匹配而产生的弹性应变能 界面能和体积应变能是固态相变过程的阻力 但在不同条件下 所起的主导作用不同 当新旧两相形成共格界面或半共格界面时 相变阻力主要是体积应变能 当新旧两相形成非共格界面时 相变阻力主要是界面能 17 8 2 4相的非均匀形核8 2 4 1液相中的非均匀形核 液态金属过冷后 主要的形核障碍是晶核的液 固相界面使系统自由能升高 如果晶核依附于已存在的界面上形成时 就有可能使界面能降低 从而使形核功降低 非均匀形核 依附于液相中某些固体表面 外来夹杂表面或容器壁 上形核的过程 也称为非自发形核 18 19 20 讨论 0时 完全润湿 G 非 0 固体表面相当于现成的晶核 不需要临界形核功 图a 时 完全不润湿 G 非 G 均 固体表面对晶胚成核没有促进作用 图c 0 时 0 G 非 G 均 非均匀形核需要的临界形核功小于均匀形核 且随着 的减小而下降 图b 21 铝合金铸棒的横截面组织右侧的铸棒中加入了晶粒细化剂 变质剂 全部都是细的等轴晶粒 22 8 2 4 2固相中的非均匀形核 固态相变时 各种晶体缺陷 如晶界 位错 相界 空位 层错等都可以作为择优形核的位置 这些晶体缺陷本身具有较高的能量 在这些位置形核 可以降低形核功 因此非均匀形核比均匀形核要容易得多 固态相变时的形核通常是非均匀形核 23 晶界形核 设核心界面是非共格的 核心表面能与取向和自身曲率无关 并忽略应变能 那么在晶界上形成的核心是球冠状 这时在晶界上形成晶胚的能量变化 Gb为 24 位错形核 位错促进形核的主要原因有三方面 非共格形核时 可使位错的能量释放 而使形核功减小 共格或半共格形核时 作为界面位错补偿两相界面晶格失配 使所需消耗的界面能降低 母相中溶质原子在位错线上偏聚 形成柯氏气团 当新相成分不同于母相时 溶质的偏聚则有利于新相在位错线上沉淀而析出 25 26 空位形核 空位及空位群对形核的促进作用通过两个途径 一是促进溶质原子的扩散 二是作为形核位置促进新相的沉淀析出 层错形核 促进形核的原因 高能区 富集溶质 27 8 2 5基体 析出物的内界面 8 2 5 1共格界面 共格相界面存在着一定的晶格畸变 只是这种畸变不大 还不足以破坏其共格的形式 28 8 2 5 2半共格界面 在界面上形成一系列刃型位错 以补偿界面上原子间的不匹配性 使界面上的畸变和弹性应变能降至最低 29 30 8 2 5 3非共格界面 两相点阵类型或点阵常数具有很大差别时易出现 界面上的晶格畸变很小 但界面能较高 表8 1 31 8 2 6新相的长大 新相长大的本质 新相界面向母相的迁动过程 新相长大速率与相变类型有关 对于非扩散型相变 新相的长大速率通过原子协调的整体运动使界面迁移 速度接近声速 对于扩散型相变 新相的长大速率取决于原子的扩散速率 32 扩散型相变的特点 新相形核要求称为孕育期的一段时间 孕育时间是过冷度的函数 在孕育期内测不出相变发生 核心一旦形成 新相开