02第二章__金属固态相变基础(1).ppt

新相形状与弹性应变能之间关系 4.晶体缺陷的作用 晶态固体中的空位、位错、晶界等缺陷周围因点阵畸变而储存一定的畸变能。新相极易在这些位置非均匀形核。它们对晶核的长大过程也有一定的影响。 通常，固态相变时，母相中晶体缺陷起促进作用。新相优先在晶体缺陷处形核。 （提供驱动力） 5.形成过渡相（降低形核功） 在有些情况下，固态相变不能直接形成自由能最低的稳定相，而是经过一系列的中间阶段，先形成一系列自由能较低的过渡相（又称中间亚稳相），然后在条件允许时才形成自由能最低的稳定相．相变过程可以写成：母相―→较不稳定过渡相―→较稳定过渡相―→稳定相 6. 原子的扩散（原子迁移率低） 固态相变中，成分的改变必须通过组元的扩散才能完成，此时扩散成为相变的控制因素，而固态金属中原子的扩散系数，即使在熔点附近也仅为液态的十万分之一，所以固态相变的转变速率很慢，可以有很大的过冷度。随着温度降低，过冷度增大，形核率增高，相变驱动力增大，但同时原子扩散系数降低。这一对矛盾运动的结果，就有可能使相变后得到的组织变细。 金属固态相变主要特点 1. 相界面特殊 2.新旧相之间存在一定位向关系与惯习面 3. 相变阻力大（弹性应变能作用） 4. 易于形成过渡相 5. 母相晶体缺陷对相变起促进作用 6. 原子的扩散（扩散控制相变过程） （提供驱动力） （降低形核功） （不同类型，具有不同界面能和应变能） 3.3 金属固态相变热力学 一、相变驱动力 γ→α转变，只有在T ＜ T0 时才能够进行，即过冷。 （问题， α → γ相变在何条件下方可进行？） G T℃ T0 Gα Gγ Gγ→α >0 Gγ→α <0 α γ ∵Gγ→α = Gα - Gγ ＜0 过热 二、相变势垒 要使γ向 α转变能够进行 还必须越过△g的势垒 因此相变条件：　　 △G＜0 克服△g的势垒 （能量起伏) G 状态Ⅰ 状态Ⅱ Δg γ α Gγ→α ——原子间的引力 3.4 金属固态相变的形核 一、均匀形核 金属结晶均匀形核 ＞ ＞ 形核自由能变化 临界晶核半径： 临界形核功 形核率 假设晶核为球形 自由能差 界面能 应变能 二、非均匀形核 ①界面形核 ②位错形核 ③空位形核 缺陷提供的相变驱动力 固态相变中均匀形核几乎不可能，大多为非均匀形核。 1.空位及空位集团形核 空位及空位集团促进形核。 释放能量提供成核驱动力 凝聚成位错 加速扩散过程（空位机制） 二、非均匀形核 2.位错形核 位错促进形核。 位错线上形核，位错线消失释放能量，降低形核功。 位错线不消失，成为半共格界面中的位错部分，降低形核功。 溶质原子在位错上偏聚，满足新相形核的成分起伏。 扩散的短路通道，↘Q，加速形核。 二、非均匀形核 3.晶界形核 大角晶界具有高的界面能，在晶界形核时可使界面能释放出来作为相变驱动力，以降低形核功。固态相变时晶界往往是形核的重要基地。 二、非均匀形核 3.5 金属固态相变的晶核长大 一、长大机制 新相晶核的长大，实质是界面向母相方向的迁移。 成分变化 结构变化 ——扩散 ——界面过程 γ α α/γ ——界面附近原子调整位置， 使晶核得以长大的过程。 1、半共格界面的迁移 (1)均匀切变 特点：大量的原子有规律地沿某一方向作小于一个原子间距的迁移，迁移后原子保持原有的相邻关系不变。是无扩散型相变。 右下图为马氏体转变的表面倾动。 （2）台阶机制 （相界面上位错的滑动） 特点：通过半共格界面上的界面位错的运动，使界面作法线方向迁移，从而实现晶核的长大。 2、非共格界面的迁移： 通过界面扩散进行 紊乱排列 台阶状结构 二、长大速度（扩散型） 1、无成分变化时： G Δg γ α Gγ→α λ 过冷度很小时，两相自由能差极小。 界面迁移速率与两相的自由能差成正比，随温度降低，两相的自由能差增大，新相长大速率增加； G Δg γ α Gγ→α 过冷度很大时 λ 取决于△g，随温度降低，界面迁移速率减小，新相长大速率随之下降。 G Δg γ α Gγ→α λ 在整个相变范围内，新相长大速度随温度降低，先增后减。 2、有成分变化时： 是扩散控制型长大 长大速率与原子的扩散系数、新相/母相界面上母相一侧的浓度梯度成正比， 与新相与母相间的浓度差成反比。 T↘，扩散系数急剧↘， 新相的长大速率降低。 3.6 金属固态