组织转变动力学与显微组织.ppt

第8章 组织转变动力学与显微组织 问 题 相变如何开始的? 相变过程进行的速度有多快? 工艺因素和材料特性对相变有什么影响? 通过转变形成的相的稳定性如何? 相变机制是什么，其对材料的微观组织和性质有何影响? 第1节 引言 1. 基本概念 相：物理性质和化学性质完全相同且均匀的部分 在宏观尺寸范围内相是均匀的，具有一定的热力学性质(如内能、焓、熵等)；相间有界面；系统的热力学条件改变时，相的自由能会发生变化，相结构也相应发生变化。 组织：在光学显微镜下观察到的材料特征，包括晶粒和相的尺寸及形貌、晶界和相界等。 结构: 在XRD、TEM等仪器中观察到的原子排列特征 相变：随自由能变化而发生的相结构变化。 2. 相变的分类 按物质状态划分： 液相(liquid)→固相(solid) →气相(gas) 按热力学分类：一级相变和高级(二级、三级、…)相变，各有其热力学参数变化的特征。 按相变机理分类：扩散型相变和无扩散型相变 相变过程：近平衡相变和远平衡相变 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 按热力学分类 一级相变 按热力学分类 二级相变 按相变机理分类 扩散型相变， 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 无成份变化，无原子扩散，相变通过相界面的滑动或切变过程进行。新相长大速度是极快的，通常称这种相变为切变型相变，如马氏体相变。 半扩散型相变 介于扩散型和非扩散型之间的扩散(贝氏体转变等)。 大多数工业合金在铸造成形后的冷却过程都会发生固态转变。 很多工业合金通常要经过特定的热处理，在热处理过程中通过固态转变改变了组织和性能。 陶瓷和聚合物中也有相变现象。如Al2O3、SiC、Si3N4、ZrO2等。 第2节 组织转变的基本特征 一、相变的本质 相变涉及到原子排列方式的变化 相变时体系有体积变化，有时同一种相态(固相)内也会有体积变化(如Sn)，这会在固相内产生应变和内应力；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 二、相变的驱动力 三、相的均匀形核 1.液相中的均匀形核 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 三、非均匀形核 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。 共格界面 半共格界面 六、新相的长大 1. 形核速率 2.长大速率 晶核长大的本质 新相界面向母相的迁动过程 长大速率与相变类型有关 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。 扩散型相变，新型的长大速率取决于原子的扩散速率。 晶核长大的驱动力 新相和母相间自由能差?G。形成新相界面消耗的能量使长大驱动力减小。 当新/母相成分相同时，长大只涉及界面的最近邻的原子过程，称为界面过程控制长大，有同素异构转变、多型性转变、有序-无序转变等。 当新/母相成分不同时，涉及到原子的长程扩散过程，长大过程受界面过程控制或受扩散过程控制，也可能同时受界面过程和扩散过程控制。 3. 扩散型相变的特点 4. 体积转变速率 形核速率随时间而变，此时新相体积转变分量遵循Avrami方程。 七、固态相变的特点 晶体结构的变化: 如纯金属的同素异构转变、固溶体的多型性转变、马氏体相变； 化学成分变化: 如单相固溶体的调幅分解，其特点是只有成分转变而无相结构的变化； 有序程度的变化: 如合金的有序化转变，即点阵中原子的配位发生变化，以及与电子结构变化相关的转变(磁性转变、超导转变等)。 相变驱动力: 为新相与母相间的自由能差值 相变规律与液态和气态中的相变不同 固态相变阻力大 固态相变时形核的阻力，来自新相晶核与基体间形成界面所增加的界面能?以及弹性能E。 界面能?包括化学项和几何项。 应变能E产生的原因是新相和母相的比容差。 在相变过程中通过新相的析出位置、颗粒形状、界面状态等，相互调整，以使?+E为最小。 固态相变的阻力大一些。 原子迁移率低 固态金属中的原子扩散速度远比液