第二講金屬固態(tài)相變概論及熱力學(xué)第1頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月1、相界面（1）共格界面：定義：兩相結(jié)構(gòu)、點陣常數(shù)基本相同或相近，兩相原子之間完全匹配。分類：第一類共格，靠正應(yīng)變維持第二類共格，靠切應(yīng)變維持第2頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月錯配度：錯配度小于0.05特點：共格界面界面能小，彈性應(yīng)變能大。共格界面必須依靠彈性畸變來維持。第3頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）半共格界面當(dāng)錯配度在0.05—0.25時，在界面上將產(chǎn)生一些刃型位錯，兩相原子變成部分共格。半共格界面：界面能較大，彈性應(yīng)變能較??；第4頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）非共格界面當(dāng)錯配度大于0.25時，兩相原子之間的匹配關(guān)系便不再維持，變成非共格界面。非格界面：界面能大，彈性應(yīng)變能小。第5頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論：1）金屬固態(tài)相變時，兩相之間將產(chǎn)生界面能和彈性應(yīng)變能。2）金屬固態(tài)相變的相變阻力：界面能和彈性應(yīng)變能；3）兩相界面共格時，界面能最小、彈性應(yīng)變能最大；4）新相呈球狀時，界面能最低，應(yīng)變能最大。5）過冷度大時，臨界晶核尺寸很小，兩相界面易取共格方式以降低界面能，從而降低總的形核功，易于形核。6）過冷度小時界面能不起主導(dǎo)作用，易形成非共格界面。第6頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月fcc{111}<110><111>ABC密排面密排方向堆垛方向堆垛次序bcc{110}<111><110>AB第7頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月2、位相關(guān)系和慣習(xí)面（共格、半共格）慣習(xí)面：在母相上開始形成新相的一定晶面。表示：以母相的晶面指數(shù)。結(jié)構(gòu)：晶面上新相和母相原子排列相近，界面能小。兩相中存在著保持平行關(guān)系的密排晶面和晶向例如：K-S關(guān)系{111}r//{110}a’〈110〉r//〈111〉a’1）錯配度小于0.05時兩相完全共格，且有一定的位相關(guān)系；2）錯配度在0.05~0.25之間時兩相為半共格，有一定的位相關(guān)系；3）錯配度大于0.25時，兩相之間易形成非共格，無位向關(guān)系。第8頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月3、過渡相的形成：當(dāng)新相、母相的晶體結(jié)構(gòu)差異較大時，只能形成非共格界面，使界面能和形核功升高，相變不易發(fā)生。此時往往先形成晶體結(jié)構(gòu)或成分與母相相近的亞穩(wěn)定過渡相，然后再繼續(xù)轉(zhuǎn)變直至平衡相。4、晶體缺陷的影響晶體中的缺陷：位錯、空位、間隙原子、晶界等缺陷處的特點：有大的能量、結(jié)構(gòu)、成份起伏形核功大小依次為：均勻形核

空位形核

位錯形核

晶界形核5、原子的擴散隨著過冷度增大，相變驅(qū)動力增大，相變速度增大，但原子擴散能力減小。第9頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月

三金屬固態(tài)相變的形核1、金屬固態(tài)相變的熱力學(xué)條件1.1、相變的驅(qū)動力（相變的熱力學(xué)條件）

1）新舊兩相的自由能之差2）新相的自由能低于舊相任何變化自發(fā)進行的條件都是：ΔG〈0，ΔG=ΔH-TΔS改變溫度可獲得相變熱力學(xué)的條件。

對于固態(tài)相變，當(dāng)驅(qū)動力ΔG相變=G新–G舊〈0時，相變將自發(fā)進行。第10頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月分析圖：

a.產(chǎn)生相變的條件？

b.影響驅(qū)動力的因素？

c.相變進行的方向？ΔG相變=G新–G舊〈0過冷度、過熱度相變總是朝著自由能降低的方向進行因為：G隨T增加而降低，S隨T增加而增加ΔG=ΔH-TΔS第11頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月激活能Q：使晶體原子離開平衡位置遷移到另一新位置的能量，表示相變勢壘的高低。溫度越高，激活能越小，相變阻力就越小，相變越容易進行（指擴散型相變，非擴散相變的激活能為零）。1.2、金屬固態(tài)相變的阻力相變阻力：界面能和彈性應(yīng)變能。相變勢壘：相變時晶格改組所必須克服的原子間引力。勢壘高低用激活能衡量第12頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月2、金屬固態(tài)相變的形核金屬固態(tài)相變的方式：形核和核長大形核種類：均勻形核和非均勻形核形核位置：主要在母相的晶界、層錯、位錯等晶體缺陷處。2.1.均勻形核：形核驅(qū)動力：新舊兩相的自由能之差形核阻力：界面能和彈性應(yīng)變能系統(tǒng)自由能的總變化：

ΔG=–V·ΔGV+S+V形核條件：在一定的過冷、過熱下，ΔG<0第13頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月臨界晶核半徑：臨界晶核的形核功：臨界晶核半徑和形核功：與表面能和彈性應(yīng)變能成正比。臨界晶核半徑和形核功：隨過冷度增大而減小形核率：與激活能、形核功成反比。均勻形核時的激活能大、形核功大，所以形核率低。第14頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.非均勻形核形核部位：母相中的各種晶體缺陷或晶界處。系統(tǒng)自由能的總變化：ΔG=–V·ΔGV+S+V–ΔGd

特點：晶體缺陷消失或減少所降低的能量ΔGd將促進形核。（1）晶界形核：

界面可以提供所儲存的畸變能來促進形核。第15頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）位錯形核：位錯促進形核有三種形式：新相在位錯線上形核時此處位錯線消失時促進形核；位錯線不消失，成為半共格界面中的位錯部分，補償了錯配、降低了新相的形核功；新相與基體成分不同時，溶質(zhì)原子在位錯線上偏聚形成氣團，有利于沉淀相晶核的形核。（3）空位形核：空位通過影響擴散或利用本身能量提供形核驅(qū)動力而促進形核，空位群可凝聚成位錯而促進形核。第16頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月四、金屬固態(tài)相變的晶核長大新相長大實質(zhì)：界面向母相方向的遷移1.新相長大機制：新相與母相成分不同時：界面遷移靠原子的擴散，新相長大速度較低。如共析相變、脫溶轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變、調(diào)幅分解。新相與母相成分相同時：界面遷移通過點陣切變完成，不需原子擴散，激活能為零，新相長大速度極快。如馬氏體相變。新相與母相之間存在一定的晶體學(xué)位相關(guān)系時，長大時仍保持此關(guān)系。第17頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）半共格界面的遷移：界面能較低，長大過程中界面為平面，機制有：a.切變機制：以均勻切變方式進行的協(xié)同型長大，屬無擴散型相變，導(dǎo)致表面傾動。特點：大量原子有規(guī)則的沿某一方向作小于一個原子間距的遷移，并保持原有的相鄰關(guān)系不變。第18頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月平界面沿法線方向遷移時，位錯必須攀移，屬擴散型相變，阻力大階梯界面位錯的滑移使臺階側(cè)向遷移，造成界面沿法線方向推進，屬于無擴散型相變，相變阻力小。b.位錯運動機制：半共格界面上的位錯運動使界面作法向遷移的長大第19頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）非共格界面的遷移特點：屬擴散型相變，母相原子不斷向新相轉(zhuǎn)移，界面本身便沿其法向推進。第20頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月2.新相長大速度新相長大速度取決于相界面的移動速度無擴散型相變：新相長大速度很高，擴散型相變：新相長大速度較低。擴散型相變中新相長大分兩種：（1）無成分變化的新相長大實質(zhì)：兩相界面附近原子的短程擴散長大速度：受界面擴散所控制第21頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)過冷度很小時，新相長大速度為：新相長大速度隨溫度降低而增大當(dāng)過冷度很大時，新相長大速度為：新相長大速度隨溫度降低而減小無成分變化的新相長大第22頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）有成分變化的新相長大一定溫度下相界面上兩相的成分由平衡狀態(tài)圖所確定新相長大通過溶質(zhì)原子的長程擴散來實現(xiàn)，長大速度取決于溶質(zhì)原子的擴散速度。第23頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月新相的長大速度：

與擴散系數(shù)和相界面附近母相中的濃度梯度成正比，與兩相在相界面上的平衡濃度差成反比。溫度下降時，D下降，新相長大速度亦降低溫度不變時，新相長大速度隨時間延長而降低有成分變化的新相長大第24頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié)：金屬固態(tài)相變的驅(qū)動力：新舊兩相的自由能之差自發(fā)進行的條件是：Δ