固态相变第五章选编.ppt

第5章 相变后的组织粗化 相变结束后，材料系统中形成了大量的界面。 当母相不能全部转变为新相时 如相变系由过饱和α固溶体中析出β相，将存在大量α/β相界面。 设β相体积分数为V β，以球状颗粒分布在母相α中，颗粒平均半径均为r,可以下述方式计算α/β相界面积： 每个β新相颗粒的体积 v= 4π r3 /3 (m3) 每m3材料中存在β相颗粒的数目 n=1·Vβ / v = 3Vβ / 4 π r3;每m3材料中存在α/β界面积 S α/β =4 π r2· n= 4 π r2x3Vβ / 4 π r3 = 3Vβ / r （5-1） 显然，颗粒尺寸越小，界面积越大。 若β相体积分数为5 %，其颗粒平均半径为15nm，代入上式可求得，每m3材料中α/β界面积为1x107m2。 在材料系统中贮存着大量界面能，使材料处于热力学不稳定状态。 热力学稳定状态应当是所有的β相都聚结成一个颗粒，从而使新相/母相界面积及界面能最小化。;图 5-1 降低相界能的方向;如果母相能全部转变为新相 则将存在大量β/β界面（晶界）。 ; 晶界或相界处的原子排列不同于正常晶体中的原子的排列。正常晶体中的原子的排列方式使原子处于最低能量状态，晶界或相界处原子较高能量状态。 晶界或相界实际上有一个厚度，有大量的原子分布于其间，并且排列处于较高能量状态。如果晶界或新相颗粒尺寸很小，界面积很大，界面区域的体积占整个材料的体积分数很大，材料处于不稳定状态。 ; 图 5-3 晶界的体积分数与晶粒大小间的关系 ;图 5-4 降低晶界能与表面能的终极方向; 为了降低界面能以使体系趋于更稳定的状态，必将发生新相颗粒的粗化。 在有限的时间内，不可能出现如图5－4所示的终极变化，但可以使新相颗粒平均粒径增加。 若新相平均颗粒半径由30nm增至300 nm，则总界面能可以下降为原来的百分之一，材料会因此更为稳定。 如相变为胞状分解 α→β+γ 则除了存在大量的β/γ界面外，还存在胞区界面。它们都会导致材料的不稳定。;5.1 弥散新相的粗化机制（Ostwald熟化） 由Ostwald在1900年首先提出，故习惯上称此为Ostwald熟化。 5.1.1 粗化的基本原理 固态相变结束后，新形成的β相以球状颗粒分布在连续的α相基体上；β相总量不多，故β相颗粒间的平均距离远大于其本身直径;又因各颗粒形核时间不同，故β相颗粒大小不等。 ;图 5-5 两个半径不等的β相颗粒之间的α相中有浓度梯度; α相与β相相平衡时，α相中溶质B的含量与α/β界面的曲率半径r有关，两者之间的关系满足由Gibbs-Thomson方程： ln[Cα(r)/Cα(∞)]=2γαβVB/kTr （5-2） 式中， Cα(r)及Cα(∞) 分别为当α/β界面的曲率半径为r 及∞时α相含有溶质B的浓度；VB为溶质原子B的体积。 显然，β相颗粒的半径r越小，即α/β界面的曲率半径越小，与之平衡的α相含B组元的浓度Cα(r) 越大。也即在两个相邻的、半径不等的β相颗粒之间的α相中将出现浓度梯度。; 在此浓度梯度作用下，B原子将发生从小颗粒侧向大颗粒侧的扩散。而扩散的结果会破坏β相与α相界面间平衡。为了维持该平衡，在小颗粒处，β相要溶解到α相中去，以增加α相中的B原子的浓度；在大颗粒处，一部分α相要转化为β相，以减小α相中的B原子的浓度；而系统中，α相与β相的相对含量始终不变。这样会导致β相小颗粒溶解直至消失，而β相大颗粒将长大；最终使 β相颗粒数减少、尺寸增大、间距增大。 上图仅给出了两个相邻β相颗粒的兼并过程。在众多大小不等的β相颗粒均匀分布在α相基底的情况下，问题就比较复杂。 5.1.2定量计算 1) Greenwood模型 在α相基底上分布着大小不等的β相球形颗粒，相邻β相;颗粒之间的距离远大于β相颗粒半径；设β相颗粒的平均半径为r ，则α 相的平均浓度应为Cα(r)。