金属热处理-有序无序转变.ppt

有序无序转变,空间点阵与晶体结构（Spacelattice,Crystalstructure）,空间点阵（spacelattice）：在空间由点排列的无限阵列，其中所有的点都有相同的环境，这种点的排列称为空间点阵。每一个点周围的环境相同：物理和几何环境完全相同，这些点是等同点。,根据晶体点的对称特征可以粗略地把晶体划分成七种晶系；根据阵点的平移特性可以把点阵划分成14种布拉菲点阵，归属32种不同的点群，有230种空间群。,晶体结构点阵结构单元晶体结构是具有物质内容的空间点阵结构。,一些简单的金属和合金，晶体结构和点阵没有区别，例如：Cu,Ag,Au,Al,Ni,-Fe,Pd晶体结构和点阵都是面心立方（fcc），Ta,Cr,Mo,W,Nb,V,-Fe晶体结构和点阵都是体心立方（bcc）。有些金属，点阵和晶体结构不同，Zn,Cd,Mg,-Ti,Hf属于简单六方点阵、密排六方晶体结构（hcp）。,点阵与晶体结构的关系,晶体结构点阵结构单元,Zn,Cd,Mg,-Ti,Hf等金属具有简单六方点阵属于密排六方晶体结构,-U具有低心斜方点阵阵点是一对U原子,有序固溶体（超结构）,某些固溶体，当其成分接近一定的原子比（AB,AB2,AB3），在低于一定温度（临界温度Tc）时，可以转换成长程有序固溶体（超结构）。有序固溶体在X射线衍射图上会出现附加线条，称为超结构线，所以有序固溶体又称为超结构或超点阵。,有序固溶体（超结构）,Cu3Au的德拜相示意图（a）有序（b）无序,形成有序固溶体的必要条件,形成有序固溶体的必要条件：异类原子的相互吸引大于同类原子（或：异类原子间的相互作用能小于同类原子）。,二元固溶体有序无序转变相图示意图,A,B,T,(无序),(有序),AB,Tc,L,驱动力：原子混合能,阻力项：组态熵降低（-TSm）,（1）面心立方结构为基的超结构,高温时Au,Cu原子随机均匀分布在面心立方点阵上，390以下，Au位于顶角，Cu位于面心，变成简单立方点阵，但还属于fcc晶体结构。,Cu3Au2型近60种合金具有这种结构Ni3Al,Ni3Fe,Ni3Si,Ni3Mn,Zr3Al,Au3Cu,CoPt3,Cr3Pt,Fe3Ga,（2）CuAu型(L0型),385以上属于面心立方点阵，fcc晶体结构，385以下变成正方点阵。Cu,Au分层在(002)面上排列。转变成简单正方（四方）点阵。类似结构：TiAl,AgTi,NiPt,-MnNi,Tetragonal正方晶系,Au,Cu(002)面,（3）CuAu型超结构（Long-periodSuperlattice）,正交点阵，10个CuAu晶胞沿b方向并列在一起，（001）面上原子经5个小晶胞后类别发生变化，产生的界面称为反相畴界。,（4）CuPt型,想像成面心立方点阵中，Cu和Pt原子在（111）面上相间排列。由于Cu和Pt原子尺寸不同，使原来的面心立方点阵变成菱形点阵。,CuPt超结构,Cu3Pt5成分时Cu原子（111）面的原子分布,体心立方结构为基的超结构（1）CuZn型（B2型,黄铜，470以下）,在体心立方点阵中Cu原子占据体心位置，Zn原子占据顶角位置。属于CsCl型结构。有序结构变成简单立方点阵。属于这种类型的合金有：-NiAl、FeAl、FeCo、FeTi、FeV、NiTi、FeSi、AgZn、AgMg。,CsCl（简单立方点阵）,（2）Fe3Al型（DO3型）,8个体心立方晶胞堆成的大立方体。12个Fe原子，4个Al原子。这类超结构还有：Fe3Si、Cu3Al、Mn3Si、Ni3Sn、Cu2MnAl、Cu2MnGa、Ni2TiAl点阵类型：体心立方点阵,当Al的成分超过25%（原子）后，多余的Al占据d位置，当成分达到50%时，d位置全部被Al原子占据，形成B2型FeAl超结构。,Fe,Al,有序参数,长程有序参数S(Long-rangeOrderParameter),设：A原子占据的位置为；B原子占据的位置为；PA原子占据位置的概率；完全有序，p=1，S=1。完全无序，位置是A原子的概率是A原子的摩尔分数，p=XA，S=0。,短程有序参数,qr最大无序时，最邻近异类原子的摩尔分数；qm最大有序时，最邻近异类原子的摩尔分数；q给定温度下，最邻近异类原子的摩尔分数。S是针对整个点阵排列的，是针对近邻原子排列的。,有序无序转变的两种机制,（1）先形成小的有序区域（有序畴），然后这些畴逐渐长大成有序结构。随着温度升高并接近Tc，S长程有序参数只是少许减少，一旦温度升高到Tc，长程有序度突然变为零，对应组态熵出现不连续变化，是一级相变。实验表明，密排结构金属fcc、hcp结构，多是一级相变。,形核长大型，长程有序参数S和短程有序参数随温度在临界温度发生不连续变化,形核长大型相变，一级相变,1,S,S,Tc,(短程有序参数),（2）在整个晶体内均匀地出现局部性重新排列，使短程有序度不断提高，最终导致长程有序。属于二级相变。实验表明，合金有序或无序相之一为体心立方结构(bcc)，一般是二级相变。,连续型转变，长程有序参数S和短程有序参数随温度连续变化,连续型相变，属于二级相变,S,1,Tc,S,T,有序无序转变的两种机制,(a)连续型转变，长程有序参数S和短程有序参数随温度连续变化，属于二级相变；(b)形核长大型，长程有序参数S和短程有序参数随温度在临界温度发生不连续变化，属于一级相变。,反相畴(AntiphaseDomain)反相畴界(AntiphaseBoundary),反相畴：固溶体中同一位相的有序区域称为反相畴，有时也称为有序畴(OrderedDomain)。反相畴界：两个不同位相反相畴的界面称为反相畴界(AntiphaseBoundary,APB)。,反相畴形成示意图,从100面看Cu3Au的两个不同相位的有序畴长大相遇形成的反相畴界,Cu3Au反相畴界的透射电镜照片，32600倍,有序化对合金性能的影响,（1）有序化使Cu-Au合金的电阻率急剧降低，是无序状态的1/2或1/3；（2）有序化时原子结合力加强，点阵畸变和反向畴界的存在，增加位错移动的阻力，提高合金的屈服强度和硬度。例如，CuPt合金，无序时硬度为HB130，有序后硬度提高到HB260。（3）有序化对合金磁性能有很大影响。例如，Ni3Mg合金无序时呈顺磁性，有序化后呈铁磁性。,（4）镍基高温合金，强化相Ni3Al(Ti)，有序面心立方结构，与基体共格。共格界面能约为0.2J/m2，而它的反向畴界能约为2J/m2，高温时因其高的反向畴界能阻碍颗粒合并，提高合金高温性能。同时高的反向畴界能也能够阻止位错移动，提高其高温强度。,课堂练习题,1.设某金属的剪切模量G为200GPa，其中位错的伯氏矢量数值为0.3nm，如果金属中的析出相平均间距是1m，求位错绕过析出相颗粒的临界切应力。,2.成分为X0（摩尔浓度）的固溶体（由A、B两组元组成，A、B两组元原子数之和为摩尔）经高温固溶处理后冷却到T1温度（T1=600K）时效处理，从相中析出平衡成分为X的相，T1温度平衡时相的成分变为X。设、两相都为理想固溶体，X0=0.1，X=0.02，X=0.95，相长大完全受扩散过程控制。、两相间的界面能=0.5J/m2。,（1）求形核驱动力（以J/mol表示）。（2）求均匀形核（球形核心）的临界核心尺寸。（3）时效20分钟时测得相的直径为2m，求时效1小时后相的直径。,马氏体相变,马氏体原先只是指钢加热到奥氏体区淬火后得到的组