《材料科学基础教学课件》第13章 固态相变概论.ppt

第13章 相变概论 13.1显微结构的稳定性 一、组织稳定性 1. 激活能与驱动力 亚稳定： 不稳定： 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 . 不稳定状态则不用先增加能量就可直接进行 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： 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. 应变自由能:指由短或长范围的应变引起的自由能增量. 界面自由能:相界面或晶界处原子的额外自由能 . 2. Arrhenius方程 3. Gibbs－Thompson效应 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 )物质物理性能的突变。 2 按热力学分类 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 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 无扩散型相变 扩散型相变 无扩散型相变是通过切变方式使相界面迅速推进的 单个原子的移动小于一个原子间距 不破坏原子之间的化学键 仅做点阵的改变 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 5 ）同素异构转变 4 按相变方式 形核-长大型相变：形成新相核心；变化程度大，范围小。 连续型相变：连续长大（不形核）；变化程度小，范围大。 5 按原子迁动特征 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: 相变的进行过程有热力学、动力学及相变产物 1） 失稳条件 : 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 过程的进行总是选择阻力最小的途径，消耗的能量最少. 4、固态相变特点： 1.相界面及界面能 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:弹性应变能比完全共格的小. 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. 界面能主要来自 结构：界面上原子不规则排列引起的。 化学：两相成分差异或化学键不同所产生的化学能。 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 3 应变能 (1)两相非共格 Nabarro假定较硬的新相在较软的基体中析出，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；c／a很大，针状； c／a较小，片状或园盘状 片状的表面能最大，而球状的表面能最小。 当两相间的错配度δ很小、弹性应变能较小时，新相往往呈平直界面。 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 。 (3)脱溶物形状 主要取决于应变能ΔGs和界面能AiGi，各向异性等因素的影响 4 过渡相 5 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定性。 有些析出相的形核、长大过程中，界面性质是会变化。 丧失共格的条件 一个含有完全共格的球形脱溶相β的自由能由共格应变能和化学界面能Gc两部分组成： 非共格析出相的总能量： 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 ①基体与析出相具有相同的E ②基体为不可压缩，析出相承受所有应变 ③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。 符合最小自由能原理 * * 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。 变化率的对数随温度的倒数呈线性变化 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