第一章固態(tài)相變概論1第1頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月復習：相： 體系中具有相同的物理化學性質(zhì)，與其他部分以界面分開的均勻的組成部分。相變： 物質(zhì)的相狀態(tài)發(fā)生變化的過程。固態(tài)相變： 固態(tài)材料由于溫度、壓力的改變導致的相狀態(tài)變化。2第2頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1金屬固態(tài)相變概論1.1.1.分類（1）熱力學分類一級相變：結晶、熔化、同素異晶二級相變：有序化轉變、磁性轉變3第3頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月概念：一級相變

新母相化學勢相等，化學勢的一級偏微商不等

4第4頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月二級相變相變產(chǎn)生時化學勢及其一階偏微商均相等，其二階偏微商不等。5第5頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月6第6頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月一階相變時，伴隨體積、熵的突變二階相變時，無體積、熵的突變，其定壓比熱、等溫壓縮系數(shù)、等壓膨脹系數(shù)發(fā)生突變。7第7頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）按狀態(tài)圖分類平衡相變：

同素異晶、脫溶、共析、有序化、調(diào)幅分解非平衡相變:

偽共析、馬氏體及貝氏體轉變、非平衡脫溶8第8頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）按原子遷移分擴散型相變：脫溶、共析等特點：擴散速率控制相變速率； 合金有成分變化； 有體積改變無形狀改變。非擴散型相變：馬氏體相變等特點：表面產(chǎn)生浮凸； 無成分改變； 新母相間有特殊位向關系； 相變速率快。9第9頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）按相變方式分有核相變大部分相變無核相變調(diào)幅分解10第10頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.2金屬固態(tài)相變的主要特點1.相界面11第11頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月用錯配度δ定義三種界面：12第12頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月13第13頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2.位向關系與慣習面

慣習面：相變時新相常在母相一定晶面上開始形成，母相該特定晶面稱為慣習面，以母相晶面指數(shù)表示.位向關系：新母相之間的晶格聯(lián)系。14第14頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月3.彈性應變能原因：相變時的體積變化新相形狀影響彈性應變能：自大向?。呵蛐巍?、棒狀——盤片狀15第15頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月4.過渡相5.晶體缺陷作用形核功自大向?。?/p>

均勻形核——空位形核——位錯形核——晶界形核6.原子的擴散16第16頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2金屬固態(tài)相變熱力學——方向與限度1.2.1金屬固態(tài)相變的熱力學條件1.驅(qū)動力從何而來： 相變使系統(tǒng)的自由能降低。相變的熱力學條件： 新舊兩相存在自由能差 新相的自由能較低17第17頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月驅(qū)動力從何而來？故相變只能在特定條件下發(fā)生（如過熱、過冷等）隨ΔT增大，ΔGV增大18第18頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2.相變勢壘

指相變時必須具備的能量，用來克服原子間作用力而使晶格改組。勢壘越大，相變越難引發(fā)19第19頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月相變勢壘的表示： 激活能Q：

Q增大相變困難 原子擴散系數(shù)D： D增大相變?nèi)菀?/p>

高溫可使Q降低，D增大，利于相變20第20頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月克服勢壘的途徑： 能量起伏 機械應力21第21頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.2金屬固態(tài)相變的形核1.均勻形核（1）能量總的能量變化：

即：體積自由能的下降必須能克服界面能及彈性應變能的增加?！嘧冏枇υ龃?2第22頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月該能量變化可表示如圖：只有達到臨界晶核尺寸，才能克服形核的能量障礙。-ε）23第23頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月假設形成晶核為球形,其能量變化：固態(tài)相變時，臨界晶核的尺寸和臨界形核功相應增大（比液固相變）。24第24頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月討論：如何克服相變阻力i.固態(tài)相變的過冷度ii.固態(tài)相變的臨界晶核尺寸、臨界形核功新相的比表面能σ和單位體積的彈性應變能ε顯著影響臨界晶核。σ、ε增大將增加形核困難25第25頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)均勻形核率由于有晶體缺陷的存在，固態(tài)相變很難以均勻形核的方式進行。26第26頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2.非均勻形核——晶體缺陷形核

原理：晶體缺陷形核使缺陷消失，利用缺陷能量的釋放降低自由能?！诐M足結構、成分、能量條件27第27頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）晶界形核借助晶界形核的自由能變化：βα28第28頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月可以證明，臨界晶核半徑：臨界形核功：其中：非均勻形核更容易進行βα29第29頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月大角度晶界是形核的重要位置新相晶核與母相的界面可以是共格的或非共格的。i.一側共格的界面晶核各處界面不同時滿足與母相的晶體學關系30第30頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月ii.非共格晶界形核31第31頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月32第32頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月各類晶界非均勻形核的形核率33第33頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）位錯形核形核后位錯線消失位錯附于新相界面沉淀相在位錯處偏聚34第34頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）空位形核晶間“無析出帶”35第35頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月小結：晶體缺陷形核的難易：最難:均勻形核——空位——位錯——層錯——晶界/相界——自由表面：最易36第36頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.3金屬固態(tài)相變的晶核長大1.新相長大的機制相長大過程是界面不斷向母相遷移的過程。涉及或不涉及原子的擴散37第37頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）共格/半共格界面的遷移機制非擴散型（協(xié)同）長大機制

非熱激活過程對溫度不敏感可表現(xiàn)出兩類界面遷移形式切變臺階式長大38第38頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月切變原子有規(guī)則地沿一個方向產(chǎn)生小于一個原子間距的遷移。原子相鄰關系不變。39第39頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月FCC結構切變形成HCP結構的過程40第40頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月臺階式長大半共格界面可為平面或臺階面臺階式的半共格界面更容易遷移41第41頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月位錯滑移——臺階側向遷移——界面法向推進42第42頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）非共格界面的遷移機制擴散型（非協(xié)同）長大機制熱激活過程溫度影響顯著晶粒1的原子不斷向晶粒2轉移，晶粒2的界面臺階狀長大。臺階？43第43頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2.新相長大速度由界面遷移速度決定（1）無擴散相變切變機制長大速度極快，不受溫度、相成分的影響如馬氏體相變瞬間完成不討論其長大速度44第44頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月在整個相變溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出過冷度與新相長大速度有極大值。長大受界面擴散控制（2）無成分變化的擴散相變近程擴散

——如異晶轉變、再結晶、晶粒長大45第45頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月以純鐵的異晶轉變?yōu)槔?6第46頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）有成分變化的擴散相變長程擴散以鋼中的A——F的相變?yōu)槔恨D變時有碳的長程擴散，有成分改變。47第47頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月由質(zhì)量守恒與菲克第一定律：48第48頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月49第49頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3金屬固態(tài)相變動力學1.3.1金屬固態(tài)相變的速率（1）均勻形核的Johnson—Mehl方程J-M方程應用條件：均勻形核I、G均為常數(shù)相變孕育期τ短50第50頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月Avrami方程

非均勻形核形核率隨時間改變51第51頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月等溫相變動力學曲線52第52頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月等溫相變綜合動力學曲線53第53頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月作業(yè)：

假設在固態(tài)相變過程中新相形核率N及長大速率G均為常數(shù)，則經(jīng)t時間后所形成新相的體積分數(shù)可用Johnson-Mehl方程得到，已知形核率N=1000/cm3.s，G=3×10-5cm/s，試計算：(1)發(fā)生相變速度最快的時間；過程中的最大相變速度；（2）獲得50%轉變量所需的時間。54第54頁，課件共56頁，創(chuàng)作