材料科学基础：第13章固态相变概论

1、第13章 相变概论13.1显微结构的稳定性一、组织稳定性一、组织稳定性1. 激活能与驱动力 亚稳定： 不稳定：v亚稳定，在系统达到相对稳定的低能量状态前，必须经过一个中间的较高能量的不稳定状态 .v不稳定状态则不用先增加能量就可直接进行 v原子迁移角度来说，需要有激活能才能使原子从原来位置移动到另一位置. 驱动力：v化学自由能:指一个相没有应变区，自由能随温度的变化比较大. v应变自由能:指由短或长范围的应变引起的自由能增量. v界面自由能:相界面或晶界处原子的额外自由能 .自然界事物变化都遵循最小自由能原理，其途径都遵循最小耗能原理。 2. Arrhenius方程)/exp(KTGAVKTG

2、KVln变化率的对数随温度的倒数呈线性变化3. GibbsThompson效应RTrVCrC2)()(ln其物理意义为：当半径为r的质点与表面张力平衡时， 球形质点内产生压强p=2r )21)()(RTrVCrCm数学近似：小质点的表面积与体积比比较大，有溶解的趋势13.2 相变1.相与相变 相：系统中均匀部分 组织：相的种类、形状、大小与分布的总和 相变：指当外界条件如温度、压力等发生变化时，物相在某一特定条件下发生的突变 相变表现为：1)点阵结构的变化，如金属及其合金的同素异构转变等。2)化学成分的变化，如固溶体均匀化、调幅分解等。3)有序化程度的变化，如合金的有序化。4 )物质物理性能的

3、突变。2 按热力学分类 v一级相变 ：临界点处新旧两相的自由焓相等，但自由焙的一次偏导不同 v二级相变： 自由焓相等，自由焓的一次偏导也相等，但其二次偏导不等。 3 按动力学分类 v无扩散型相变v扩散型相变v无扩散型相变是通过切变方式使相界面迅速推进的无扩散型相变是通过切变方式使相界面迅速推进的 v单个原子的移动小于一个原子间距单个原子的移动小于一个原子间距 v不破坏原子之间的化学键不破坏原子之间的化学键 v仅做点阵的改变仅做点阵的改变无扩散型相变无扩散型相变v扩散型相变1）脱溶沉淀 2 ）共析转变 单相分解为两相的混合物 两相产物的成分与母相成分有较大的差异 原子做长程扩散 3 ）有序化转变

4、4 ）块型转变母相转变为一种或多种成分相同而晶体结构不同的新相 5 ）同素异构转变4 按相变方式相变方式 形核形核-长大型相变长大型相变：形成新相核心；变化程度大，范围小。 连续型相变连续型相变：连续长大（不形核）；变化程度小，范围大。5 按原子迁动特征原子迁动特征 有序-无序相变：对称性改变（有序参数变化） 位移型相变： 原子位移 磁性相变： 仅电子旋转方向改变 扩散型相变： 靠原子（或离子）扩散进行 无扩散型相变：主要不靠原子（或离子）扩散进行2、相变问题的要点、相变问题的要点:相变的进行过程有热力学、动力学及相变产物热力学、动力学及相变产物 1） 失稳条件失稳条件 : G0 结晶或脱溶形

5、核时，当晶核达到临界晶核r*后，才可能长大。G有极大值,晶核只有越过此位垒后才能存在及长大。 绝大部分扩散控制的相变过程都是原子热激活运动的过程 2 ） 过程速率过程速率 根据激活能数据，可计算过程速率V，也可讨论长大机制。如对于扩散相变，由Q值可判断扩散是间隙型还是置换型， 是体扩散还是晶界扩散及其他因素的贡献 过程的进行总是选择阻力最小的途径，消耗的能量最少. 3 ） 过程竞择过程竞择 4 ）平衡结构）平衡结构 相变过程的限度限度问题 平衡状态: 在没有外界影响下，体系的各部分在长时间内不发生变化.平衡结构一般用能量分析法来研究 可分别用自由焙G、自由能F、热焓H及内能U作为平衡的能量判据

6、 相平衡时，每一组元在各相中的化学位都相等 4、固态相变特点：、固态相变特点：1.相界面及界面能相界面及界面能 共格界面共格界面:会产生弹性应变能，两相之间的界面能比较小. 半共格界面半共格界面:弹性应变能比完全共格的小. 非共格界面非共格界面:弹性应变能比前两种要小得多，总的界面能为最高. aa错配度越大，则应变能也越大 界面能界面能主要来自 结构：结构：界面上原子不规则排列引起的。 化学化学：两相成分差异或化学键不同所产生的化学能。sc相界2.位向关系和惯习面 新相往往在母相的一定结晶面上形成，这个晶面称为惯习面惯习面 3 应变能 (1)两相非共格 Nabarro假定较硬的新相在较软的基体

7、中析出，两相不共格时，基体承担全部的应变，析出相的形状由轴长a及c来描述。 a=c时，为球状；ca很大，针状； ca较小，片状或园盘状析出相为片状或针状时，应变能比较小 实际析出相的形状还应考虑表面能 v片状的表面能最大，而球状的表面能最小。v当两相间的错配度很小、弹性应变能较小时，新相往往呈平直界面。v共格、半共格新相晶核形成时，相变阻力主要是应变能，而非共格界面新相形核的阻力主要是界面能。(2)共格界面设设材料弹性为各向同性，立方晶系。材料弹性为各向同性，立方晶系。各向同性，均匀的膨胀或缩小，则应变能与析出物形状无关各向同性，均匀的膨胀或缩小，则应变能与析出物形状无关 。基体与析出相具有相同的E 基体为不可压缩，析出相承受所有应变 析出相为不可压缩，基体承受所有应变 有切应变时，应变能与析出物形状有关，薄片状析出物的应变能最小；析出物为球状时应变能贡献大。(3)脱溶物形状 主要取决于应变能Gs和界面能AiGi，各向异性等因素的影响 符合最小自由能原理 4 过渡相 5 共格相的稳定性 v界面能和应变能的相对大小决定了共格相的稳定性。界面能和应变能的相对大小决定了共格相的稳