材料科学基础固态相变ppt课件
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第二章相固态相变概论ppt课件
2.焓
焓是一个热力学系统中的能量参数。由dU=δQ –pdV，可 以导出δQ= dU+pdV=dU+d(pV)-VdP=d(U+pV)-VdP 焓定义式为：H=U+pV ; 则δQ=dH-VdP
3.比热容
比热容的定义是，当一个系统由于加给一微小的热量δQ而稳 定升高dT时δQ/dT这个量即是比热容。
2.5 相变驱动力与形核驱动力
相变驱动力：新旧两相的自由能之差 2.5.1 纯组元同素异构转变
G m
H
m
T
S
m
当T=T0时有：
Gm
H
m
T0Sm
0
S
m
H
m
T0
代入第一个式子 且令∆T=T0-T有：
G m
H
m
T T0
过冷度ΔT不大时， 相变驱动力随ΔT的
增大而线性增加
2.5.2 脱溶反应的相变驱动力
Phase transition 时，物质聚集状态的突变。
突变可以体现为：
（1）从一种结构变化为另一种结构。狭义上来讲是指物态或 晶型的改变。如，气相凝结为液相或是固相，液相凝固为固 相等。广义上讲，结构变化还包括分子取向或是电子态的改 变（2。）成分的连续或不连续变化，这种成分变化主要是指封闭 体系内部相间成分分布的变化。如，固溶体的脱溶分解或是 溶液的结晶析出。
物理意义：大量的成分为x0的 相取出少量的成 分为x的物质的摩 尔Gibbs自由能
2.5.3 形核驱动力：EF
可通过母相自由能-成分曲线上该 母相成分点切线与析出相自由能成分之间的垂直距离来量度
形核驱动力：EF
不同成分的合金形核驱动力将不同
确定具有最大形核驱动力的核心成分 xm
焓是一个热力学系统中的能量参数。由dU=δQ –pdV，可 以导出δQ= dU+pdV=dU+d(pV)-VdP=d(U+pV)-VdP 焓定义式为：H=U+pV ; 则δQ=dH-VdP
3.比热容
比热容的定义是，当一个系统由于加给一微小的热量δQ而稳 定升高dT时δQ/dT这个量即是比热容。
2.5 相变驱动力与形核驱动力
相变驱动力：新旧两相的自由能之差 2.5.1 纯组元同素异构转变
G m
H
m
T
S
m
当T=T0时有：
Gm
H
m
T0Sm
0
S
m
H
m
T0
代入第一个式子 且令∆T=T0-T有：
G m
H
m
T T0
过冷度ΔT不大时， 相变驱动力随ΔT的
增大而线性增加
2.5.2 脱溶反应的相变驱动力
Phase transition 时，物质聚集状态的突变。
突变可以体现为：
（1）从一种结构变化为另一种结构。狭义上来讲是指物态或 晶型的改变。如，气相凝结为液相或是固相，液相凝固为固 相等。广义上讲，结构变化还包括分子取向或是电子态的改 变（2。）成分的连续或不连续变化，这种成分变化主要是指封闭 体系内部相间成分分布的变化。如，固溶体的脱溶分解或是 溶液的结晶析出。
物理意义：大量的成分为x0的 相取出少量的成 分为x的物质的摩 尔Gibbs自由能
2.5.3 形核驱动力：EF
可通过母相自由能-成分曲线上该 母相成分点切线与析出相自由能成分之间的垂直距离来量度
形核驱动力：EF
不同成分的合金形核驱动力将不同
确定具有最大形核驱动力的核心成分 xm
固态相变PPT课件
Driin•vcoinrnegcaefsoneurccleeTattoedn,ugcrloewatuen
increases as we
til reach equilibrium
supercooling (eutectic, eutectoid)
Small supercooling few nuclei - large
②相变阻力使之无 法进行下去。
α+θ
Al
Cu
(a)过饱和固溶体 (b)GP区, θ′′ , θ′ (c)马氏体
α+Fe3C
Fe
Fe3C
8
第8页/共44页
金属材料热处理原理
3. 1 概述
➢新相/母相相界，类似于晶界，可分共格、部分共格、非 共格等三类
初生新相的相界面多为共格，而后逐渐向非共格界面发展.
crystals Large supercooling rapid nucleation - many
nuclei, small crystals
28
第28页/共44页
金属材料热处理原理
３. 2 新相形核
3. 3 新相形核
均匀形核（任意随机地形核）、不均匀形核（实际情况）
均匀形核(Homogeneous nucleation)
母相
溶质原子扩散
新相
26
第26页/共44页
金属材料热处理原理
3. 1 概述
非扩散型相变（移位、切变、军队）
在原子无法实现扩散的条件
下发生。新相生长时，母相
中原子不需扩散，只以小于
母相
新相
原子间距的距离相对位移，
实现晶体集体切变，新相成
分保留母相成分特点。
固态相变总论完整PPT
点阵畸变能。
界面能：共格界面<半共格界面<非共格界面！！！
（3）应变能 应变能包括共格应变能和体积应变能。
新相与母相点阵常数差异导致 新相与母相比容有所差异
TIP：单位体 积界面能分 布：球状<针 状<片状
当新相体积一定时，体积应变能的大小： 球状>针状>片状或盘状
思考题：是否 新相与母相的 比容差异越大， 体积应变能越 大呢？
固态相变表现为： 物质物理性能的突变。
因此，降低界面能和应变能以减小相变阻力是惯习现象出现的基本原因。
①非成扩n分 散不型从变相一协变同种型原长结子大（构；或离转子变）只为作有另规律一的种迁移结使点构阵。发生改组的相变。
②形核功取决于晶界的存在！
在界n棱或化界学隅处成形核分，的可以不进一连步续降低变形核化势。垒！
伸缩型半共格
切变型半共格
③ 非共格界面 由于δ（ δ﹥0.25）界面处两相原子无法配合。性质与大角度 晶界相似！
（2）界面能 ：由于新相与母相的点阵常数总会存在差异，在共格界面两侧必
然存在一定的弹性应力场。
①一部分同类键、异类键的结合强度和
固－固相界面能比液－固相界面高 数量变化引起的化学能；
②另一部分是由界面原子不匹配产生的
ห้องสมุดไป่ตู้
晶格畸变、自由能升高、促进形核及相变
界面形核时自由焓的变化：
通一过级②扩 相散变半偏：聚凡共进新格行旧的两界相相变的面，化相学δ变位大以相固等到溶，一体但中化定的学成位程分的度起一伏次时为偏开导，始不相，相通等界过的上相面坡变不扩。散能，使继浓续度差维越来持越完大。全共格学要一系列调
③配转变位温错度居来中时调，节扩散，速度0和.0驱5动≤力δ都≤较0大.，2此5；时转变速度最快——如T2.
材料科学基础课件第九章_相变
*二、按相变方式分类
成核－长大型相变：由程度大，但范围小的浓度起伏开始发生相变 ，并形成新相核心。如结晶釉。
连续型相变(不稳分相)：由程度小，范围广的浓度起伏连续长 大形成新相。 如微晶玻璃。硅胶 三、按质点迁移特征分类
扩散型：有质点迁移。
无扩散型：在低温下进行，如：同素异构转变、马氏体转变
马氏体转变：
如：单元系统中。晶体I晶体II,多晶转变
广义相变：包括过程前后相组成的变化。
g L (凝聚、蒸发) g S (凝聚、升华) L S (结晶、熔融、溶解)
S1 S2 (晶型转变、有序-无序转变) L1 L2 (液体) A＋BC （ 无公度相变） 亚稳分相 (Spinodal分相)
§9－1
一、按热力学分类
相变的分类
(P，T) 一级相变和二级相变
一级相变：两相化学势相等，其一级偏微熵不 1＝ 2 相等， 1 2 (V V ) 1 2 P T P T 1 2 (-S S ) 1 2 T P T P
第九章 固态相变
Chapter9phase transformation
基本概念
相变：指在一定外界条件下，体系中发生的从一相到另一 相的变化过程。即质点的重排为相变，
应用：相变可以控制材料的结构和性质。 相变开裂：石英质陶瓷 相变增韧：1）氧化锆陶瓷，如陶瓷剪刀，单 斜-四方体积增加7-9%。 狭义相变：过程前后相的化学组成不变，即不发生化学反应。
*
较小的过 冷度即可 以成核
( 2 cos )(1 cos )2 f ( ) 4
润湿 0～900 cos 1～0 f()
* G K
材料科学基础固态相变PPT课件
第四章
固态相变
《材料科学基础》第八章
固态相变 1
第四章第一节
固态相变总论
《材料科学基础》第八章 第一节
固态相变 2
固态相变的定义：
固体材料的组织、结构在温度、压力、成 分改变时所发生的转变统称为固态相变。
一、固态相变的特点
大多数固态相变是通过形核和长大完成的， 驱动力同样是新相和母相的自由焓之差。 阻力: 界面能和应变能
V
所以 Sα≠Sβ, Vα≠Vβ
一级相变有体积和熵的突变， △V≠0，△S≠0
固态相变
7
二级相变：
若相变时，Gα＝Gβ，μαi=μβi ，并且自由焓的 一阶偏导数也相等，但自由焓的二阶偏导数 不相等，称为二级相变。
G T
p
G T
p
G p
T
G p
T
固态相变
8
2TG2
p
2G T2
固态相变
19
3. 晶核长大控制因素
对于冷却过程中发生的相变，当相变 温度较高时原子扩散速率较快，但过 冷度和相变驱动力较小，晶核长大速 率的控制因素是相变驱动力；相变温 度较低时，过冷度和相变驱动力较大， 原子的扩散速率将成为晶核长大的控 制因素。
固态相变
20
<1>受界面过程控制的晶核长大 过冷度较小时，新相长大速率u与驱动力 △G成正比；过冷度较大时，长大速率随温 度下降而单调下降。
γαβ
θ β
rθ
△G=V△GV+Aαβγαβ +V△GE -Aααγαα
固态相变
界面形核示意图
16
推导出：
r* =-2γαβ/(△GV+△GE)
△G*非=△G*均 f( θ)
固态相变
《材料科学基础》第八章
固态相变 1
第四章第一节
固态相变总论
《材料科学基础》第八章 第一节
固态相变 2
固态相变的定义：
固体材料的组织、结构在温度、压力、成 分改变时所发生的转变统称为固态相变。
一、固态相变的特点
大多数固态相变是通过形核和长大完成的， 驱动力同样是新相和母相的自由焓之差。 阻力: 界面能和应变能
V
所以 Sα≠Sβ, Vα≠Vβ
一级相变有体积和熵的突变， △V≠0，△S≠0
固态相变
7
二级相变：
若相变时，Gα＝Gβ，μαi=μβi ，并且自由焓的 一阶偏导数也相等，但自由焓的二阶偏导数 不相等，称为二级相变。
G T
p
G T
p
G p
T
G p
T
固态相变
8
2TG2
p
2G T2
固态相变
19
3. 晶核长大控制因素
对于冷却过程中发生的相变，当相变 温度较高时原子扩散速率较快，但过 冷度和相变驱动力较小，晶核长大速 率的控制因素是相变驱动力；相变温 度较低时，过冷度和相变驱动力较大， 原子的扩散速率将成为晶核长大的控 制因素。
固态相变
20
<1>受界面过程控制的晶核长大 过冷度较小时，新相长大速率u与驱动力 △G成正比；过冷度较大时，长大速率随温 度下降而单调下降。
γαβ
θ β
rθ
△G=V△GV+Aαβγαβ +V△GE -Aααγαα
固态相变
界面形核示意图
16
推导出：
r* =-2γαβ/(△GV+△GE)
△G*非=△G*均 f( θ)
固态相变材料科学基础化学工业出版课件
（2）. 位错形核
❖ ①位错与溶质原子交互作用形成溶质原子气团，使溶 质原子偏聚在位错线附近，在成分上有利于形核。
❖ ②位错形核形成的新相如果能使原来的位错消失，可 降低成核功
❖ ③短路扩散作用，可降低原子的扩散激活能，有利于 晶胚长大到临界晶核。
❖ ④比容大和比容小的的新相可分别在刃型位错的拉应 力区和压应力区形核，降低弹性应变能。
单位质量的物质所占有的容积称为比容, 用符号"V"表示。其数值是密度的倒数。
度范围内，随着温度的降低，即过冷度的增大， 相变驱动力增大，相变速度加快；但是当过冷度 增大到一定程度，扩散称为决定性因素，进一步 增大过冷度，反而使得相变速度减小。
固态相变材料科学基础化学工业出版
2）.形核特点 （1）非均匀形核 • 存在各种点线面体结构缺陷，缺陷能量最高，越
能促进形核。 • 在固体的各种缺陷结构中，界面是能量最高的一
类，其次是位错，再次是空位和其他缺陷。 • 非均匀形核是固态相变按阻力最小进行的有效途
径之一
固态相变材料科学基础化学工业出版
（2）共格界面
（a）完全共格 （b）伸缩型半共格 （c）切变形半共格 （d）非共格
固态相变材料科学基础化学工业出版
• ①共格界面：当界面上的原子所占据的位置恰好 是两相点阵的共有位置时，两相在界面上的原子 可以一对一地相互匹配 。
两相的体积和熵发生连续变化，热熔、膨胀系数和 压缩系数发生不连续变化。
常见的二级相变有磁性转变、有序－无序转变、 超导转变等，大多伴随材料某种物理性能的变化。
固态相变材料科学基础化学工业出版
2. 按动力学分类
• 1).扩散型（非协同型）： • 新相的形成和长大都要依靠原子的长距离扩散，相
固态相变课件
第12页，此课件共31页哦
冷却过程中的几种转变的主要特征见下表。
珠光体、贝氏体、马氏体转变主要特征
内容
温度范围 转变上限温度
领先相 形核部位
转变时点阵切变 碳原子的扩散
铁及合金元素原子 的扩散
等温转变完全性 转变产物
珠光体转变
高温 A1
渗碳体或铁素体 奥氏体晶界
无 有
有
贝氏体转变
中温 BS
铁素体 上贝氏体在晶 界,下贝氏体大
(a) dT/dτ= 0， 为等温冷却; (b) dT/dτ= C， 为连续冷却;
(c) dT/dτ= f(τ)，为实际冷却。
一. 过冷奥氏体等温转变动力学图的基本形式
过冷奥氏体等温转变动力学图的基本形式，见图。纵 坐标为温度，横坐标为时间，以对数分度。
第19页，此课件共31页哦
• 图上部一条虚线表示临界点A1，下部一条实线表示马氏体转变开始点 • MS。两横线之间有三条C形曲线: 左边一条为转变开始线，右为转变 • 终了线，中间一条为转变量为50%的线. 纵坐标和转变开始线之间的 • 区域为孕育期。孕育期最短的部位，即转变开始线的突出部分，称为 • 鼻子。转变产物依等温温度不同，大体可分为三个温度区: • ● 高温区: 在临界点A1以下，珠光体型组织转变区，A→P； • ● 低温区: 在MS以下，发生马氏体转变的区域，A→M； • ● 中温区: 在A1以下、MS以上，发生贝氏体转变的区域，A→B。
在转变终了线右边，对A→P 而言，A全部转变为P；在转 变终了线左
边，对A→B而言，A不能 全部转变为B，会保留有未 转变的AR；在转 变开始线和终了线之间为二 相组织。
第20页，此课件共31页哦
• 由于形状的缘故，上述C形曲线也称为C曲线， 或TTT曲
冷却过程中的几种转变的主要特征见下表。
珠光体、贝氏体、马氏体转变主要特征
内容
温度范围 转变上限温度
领先相 形核部位
转变时点阵切变 碳原子的扩散
铁及合金元素原子 的扩散
等温转变完全性 转变产物
珠光体转变
高温 A1
渗碳体或铁素体 奥氏体晶界
无 有
有
贝氏体转变
中温 BS
铁素体 上贝氏体在晶 界,下贝氏体大
(a) dT/dτ= 0， 为等温冷却; (b) dT/dτ= C， 为连续冷却;
(c) dT/dτ= f(τ)，为实际冷却。
一. 过冷奥氏体等温转变动力学图的基本形式
过冷奥氏体等温转变动力学图的基本形式，见图。纵 坐标为温度，横坐标为时间，以对数分度。
第19页，此课件共31页哦
• 图上部一条虚线表示临界点A1，下部一条实线表示马氏体转变开始点 • MS。两横线之间有三条C形曲线: 左边一条为转变开始线，右为转变 • 终了线，中间一条为转变量为50%的线. 纵坐标和转变开始线之间的 • 区域为孕育期。孕育期最短的部位，即转变开始线的突出部分，称为 • 鼻子。转变产物依等温温度不同，大体可分为三个温度区: • ● 高温区: 在临界点A1以下，珠光体型组织转变区，A→P； • ● 低温区: 在MS以下，发生马氏体转变的区域，A→M； • ● 中温区: 在A1以下、MS以上，发生贝氏体转变的区域，A→B。
在转变终了线右边，对A→P 而言，A全部转变为P；在转 变终了线左
边，对A→B而言，A不能 全部转变为B，会保留有未 转变的AR；在转 变开始线和终了线之间为二 相组织。
第20页，此课件共31页哦
• 由于形状的缘故，上述C形曲线也称为C曲线， 或TTT曲
固态相变ppt课件
• 水平。β跃迁到α相需激活能
• Δg而相原子跃迁到相所需 • 激活能为Δg+ Δ gαβ • 则两相原子的跃迁频率 • 分别为
G
α λ
Δg β
Δ gαβ
• ν β α = ν0exp(- Δg /Kt) • ν α β = ν0exp【- (Δg+ Δ gαβ）/Kt】
26
• 这样β相原子跳到α中的净频率为
13
• 固态相变增加能量Eε2 ，即弹性应变能，比 液态结晶困难。必须增大ΔGv即过冷度来克 服。
• 弹性应变能是由于新相和母相比体积不同 引起的，它与新相的几何形状有关，圆盘 状新相引起的弹性应变能最小。
Es/E0
球状 1
针状 0.5
盘状
0
1
2
新相几何形状比容相对值与应变能的关系 Es—新相单位质量应变能，E0----球状新相单位质 量应变能
5
• （6）调幅分解 某些高温下形成的均一固溶体缓 冷到某一温度，分解为结构与母相相同但成分不 同的微区转变：
•
α α1 +α2
• （7）有序化转变 在平衡条件下，固溶体中原子
位置由无序到有序的转变.
• 1.2.1.2 非平衡转变 在快速加热或冷却的条件 下，平衡转变受到抑制所发生的不符合平衡相图 上转变类型的转变，获得不平衡或亚稳态组织。
变称为多形性转变，如：钢的铁素体向奥氏体的 转变。
4
• （3）共析转变 合金在冷却时，同时由一 种固溶体析出两种不同相的转变，如：
• γ α+β。 • （4）包析转变 合金在冷却时，由两个固
相合并转变成一个固相的转变，如：Fe-B 系合金中910发生的包析转变 • γ + Fe2B α • (5）平衡脱溶沉淀 固溶体在冷却时因为溶 解度的下降，由固溶体中析出新相的过程， 如奥氏体中析出二次渗碳体。
固态相变的基本原理 教学PPT课件
38
孕育期
Incubation Period
转变开始线与纵坐标轴 之间的距离，表示在各 不同温度下过冷奥氏体 等温分解所需的准备时 间。
鼻 子 ----C 曲 线 上 转 变开始线的突出部，孕 育期最短的部位。
孕育 期
鼻 子
转变开始 转变终 了
39
C 曲线的测定方法
金相硬度法 奥氏体和转变产物的金相形态和硬度不同。 膨胀法 奥氏体和转变产物的比容不同。 磁性法及电阻法 奥氏体为顺磁性，转变产物为铁磁性。
向上 曲折
52
有部分贝氏体相变时， 贝氏体铁素体先析出，提高了A中 的碳含量，MS ↓，向下曲折。
向下曲折
53
③ CCT曲线位于C曲线的右下方 连续冷却转变时转变温度较低，孕育期较长。
54
温 细A 度
P
C曲线应用：不同冷却条件下的相变产物
均匀A
A1
等温退火
退火
ห้องสมุดไป่ตู้
？ 淬火 (油冷)
正火 (空冷)
(炉冷)
奥氏体化温度越高，保温时间越长，则形成的奥氏体晶粒越粗大， 相变阻力小。
奥氏体化温度越高，保温时间越长，有利于难溶碳化物的溶解，成分也 越均匀，相变阻力大。
综合：降低奥氏体分解时的形核率，增加奥氏体的稳定性，使C曲 线右移。
45
C曲线的典型类型
46
47
48
过冷奥氏体连续冷却转变图
Continuous Cooling Transformation CCT 曲线
7
形核时自由能变化 （单位长度）
A=Gb2/4πK
位错形核时形核自由能 ∆G与核半径的关系
讨论
8
位错类型对形核的影响：
孕育期
Incubation Period
转变开始线与纵坐标轴 之间的距离，表示在各 不同温度下过冷奥氏体 等温分解所需的准备时 间。
鼻 子 ----C 曲 线 上 转 变开始线的突出部，孕 育期最短的部位。
孕育 期
鼻 子
转变开始 转变终 了
39
C 曲线的测定方法
金相硬度法 奥氏体和转变产物的金相形态和硬度不同。 膨胀法 奥氏体和转变产物的比容不同。 磁性法及电阻法 奥氏体为顺磁性，转变产物为铁磁性。
向上 曲折
52
有部分贝氏体相变时， 贝氏体铁素体先析出，提高了A中 的碳含量，MS ↓，向下曲折。
向下曲折
53
③ CCT曲线位于C曲线的右下方 连续冷却转变时转变温度较低，孕育期较长。
54
温 细A 度
P
C曲线应用：不同冷却条件下的相变产物
均匀A
A1
等温退火
退火
ห้องสมุดไป่ตู้
？ 淬火 (油冷)
正火 (空冷)
(炉冷)
奥氏体化温度越高，保温时间越长，则形成的奥氏体晶粒越粗大， 相变阻力小。
奥氏体化温度越高，保温时间越长，有利于难溶碳化物的溶解，成分也 越均匀，相变阻力大。
综合：降低奥氏体分解时的形核率，增加奥氏体的稳定性，使C曲 线右移。
45
C曲线的典型类型
46
47
48
过冷奥氏体连续冷却转变图
Continuous Cooling Transformation CCT 曲线
7
形核时自由能变化 （单位长度）
A=Gb2/4πK
位错形核时形核自由能 ∆G与核半径的关系
讨论
8
位错类型对形核的影响：
九 固态相变PPT课件
G n G V n 2 /3 n n G D r
σ αβ
β θ
n´为缺陷向晶核提供的原子数，△GD 为晶体缺陷内每个原子自由能的增加值
界面形核示意图
G n G V n 2 /3 n n G D
界面张力平衡时 σαα= 2 σαβcosθ
G [2r2 3 2r3 V G P V ]2 ( 3 co c s3 o)s
磁性转变、有序－无序转变多为二级相变。
2. 按结构变化分类
• 重构型相变
伴随原化合键的破坏，新键的形成，原子重新排 列，所以这类相变要克服较高的能垒，相变潜热很大， 相变进行缓慢，如金属材料中，过饱和固溶体的脱溶 分解、共析转变等。
• 位移型相变
前后不需要破坏化学键或改变其基本结构，相变 时所发生的原子位移很小，且新相和母相之间存在一 定晶体学位向关系，如金属材料中的马氏体相变等。
晶界
共格或半共格界面
晶界形核示意图
（2）位错形核
三种形式：(1)位错线上形核，位错消失，降低形核功。 (2)位错不消失，依附于新相晶界，补偿失配。 (3)溶质原子在位错线上偏聚，促进形核。
若在位错线L上形成一个单位长度的圆柱形晶核，假 定新旧两相为非共格界面，忽略体积变化引起的弹性应变 能，则自由能变和圆柱晶核半径r的关系为
△G与r的关系曲线
△G
4πr2 σ αβ
△G* 0
r*
4πr3(△GV+△GE)/3
r △G
△G在r＝r*时达到极大值，这里 r*＝-2σαβ/(△GV+△GE)
• 临界晶核原子数：对式（9.4）求导，并令其为零，可得
n* 287G V332
（9.5）
• 临界晶核形核功
G*
σ αβ
β θ
n´为缺陷向晶核提供的原子数，△GD 为晶体缺陷内每个原子自由能的增加值
界面形核示意图
G n G V n 2 /3 n n G D
界面张力平衡时 σαα= 2 σαβcosθ
G [2r2 3 2r3 V G P V ]2 ( 3 co c s3 o)s
磁性转变、有序－无序转变多为二级相变。
2. 按结构变化分类
• 重构型相变
伴随原化合键的破坏，新键的形成，原子重新排 列，所以这类相变要克服较高的能垒，相变潜热很大， 相变进行缓慢，如金属材料中，过饱和固溶体的脱溶 分解、共析转变等。
• 位移型相变
前后不需要破坏化学键或改变其基本结构，相变 时所发生的原子位移很小，且新相和母相之间存在一 定晶体学位向关系，如金属材料中的马氏体相变等。
晶界
共格或半共格界面
晶界形核示意图
（2）位错形核
三种形式：(1)位错线上形核，位错消失，降低形核功。 (2)位错不消失，依附于新相晶界，补偿失配。 (3)溶质原子在位错线上偏聚，促进形核。
若在位错线L上形成一个单位长度的圆柱形晶核，假 定新旧两相为非共格界面，忽略体积变化引起的弹性应变 能，则自由能变和圆柱晶核半径r的关系为
△G与r的关系曲线
△G
4πr2 σ αβ
△G* 0
r*
4πr3(△GV+△GE)/3
r △G
△G在r＝r*时达到极大值，这里 r*＝-2σαβ/(△GV+△GE)
• 临界晶核原子数：对式（9.4）求导，并令其为零，可得
n* 287G V332
（9.5）
• 临界晶核形核功
G*
固态相变材料科学基础课件西南石油大学08_PPT课件
3、应变能 应变能包括共格应变能和体积应变能。
4、取相关系 固态相变时，为了降低母相与新相之间 的界面能，新相的某些低指数晶面与母相的某些低指 数晶面平行。
5、惯习面 固态相变时，为了降低界面能和维持共 格关系，新相往往在母相的一定晶面上开始形成．这 个与所生成新相的主平面或主轴平行的母相品面称为 惯习面．
效；
（5）小角度晶界或亚晶界上惯习面选择性形核；
四、晶核的长大 1、晶核的长大方式 按原子的运动规律可分为： （1）非协同型长大 原子移动无序
（2）协同型长大 母相原子有规则的向新相运动
2、晶核长大的控制因素
根据晶核的长大方式及母相和新相的化学成分的变化情况， 可将固态相变长大分为4类： ①成分不变协同型长大；
f(θ)形状因子的表达式
由图8—5可知．晶核最易在界隅形成，其次是界棱，最后是界 面．
（2）沿位错形核
位错沿位错形核后，位错消失而释放出畸变能，为 形核提供能量。
沿位错形核的特点：
（1）刃型位错比螺型位错更为有利； （2）较大柏氏矢量的位错促进形核的作用更为
有效；
（3）在位错结和位错割阶处易于形核； （4）单独位错比亚晶界上的位错对形核更为有
1、有序度参量 （1）长程有序
（2）短程有序
2、有序化过程 ： 有序化过程需要原子的迁移，但不 引起宏观的成分改变，仅仅是邻近亚点阵上原子的换 位。
有序畴： 点阵上的原子交换位置，形成有序排列的微 小区域。
反相畴界：有序畴相遇时，若它们原子占据的亚点阵 在各自的有序区域中恰好相反的交界面。
2、按原子迁移情况分类，可将固态相变 分为扩散型相变和非扩散型相变
（1）扩散型相变 依靠原子（或离子）的扩 散的相变，例如脱溶沉淀、调幅分解、共析转 变等；
4、取相关系 固态相变时，为了降低母相与新相之间 的界面能，新相的某些低指数晶面与母相的某些低指 数晶面平行。
5、惯习面 固态相变时，为了降低界面能和维持共 格关系，新相往往在母相的一定晶面上开始形成．这 个与所生成新相的主平面或主轴平行的母相品面称为 惯习面．
效；
（5）小角度晶界或亚晶界上惯习面选择性形核；
四、晶核的长大 1、晶核的长大方式 按原子的运动规律可分为： （1）非协同型长大 原子移动无序
（2）协同型长大 母相原子有规则的向新相运动
2、晶核长大的控制因素
根据晶核的长大方式及母相和新相的化学成分的变化情况， 可将固态相变长大分为4类： ①成分不变协同型长大；
f(θ)形状因子的表达式
由图8—5可知．晶核最易在界隅形成，其次是界棱，最后是界 面．
（2）沿位错形核
位错沿位错形核后，位错消失而释放出畸变能，为 形核提供能量。
沿位错形核的特点：
（1）刃型位错比螺型位错更为有利； （2）较大柏氏矢量的位错促进形核的作用更为
有效；
（3）在位错结和位错割阶处易于形核； （4）单独位错比亚晶界上的位错对形核更为有
1、有序度参量 （1）长程有序
（2）短程有序
2、有序化过程 ： 有序化过程需要原子的迁移，但不 引起宏观的成分改变，仅仅是邻近亚点阵上原子的换 位。
有序畴： 点阵上的原子交换位置，形成有序排列的微 小区域。
反相畴界：有序畴相遇时，若它们原子占据的亚点阵 在各自的有序区域中恰好相反的交界面。
2、按原子迁移情况分类，可将固态相变 分为扩散型相变和非扩散型相变
（1）扩散型相变 依靠原子（或离子）的扩 散的相变，例如脱溶沉淀、调幅分解、共析转 变等；
材料科学基础第八章固态相变 ppt课件
节
成分和晶粒大小等；
n-常数，取决于相变类型和形核
形
位置；
核 长
t-时间。
大
TTT 曲线 24
第 八
第四节 扩散型相变示例
章
固
一 脱熔转变
态
脱熔转变概念：当固溶体因温度变化等而呈过
相
饱和状态时，将自发地发生分解过程，其所含的过
变
饱和溶质原子通过扩散而形成新相析出，此过程称
第
为脱溶。相图中具有溶解度变化的体系，从单相区
（2）半共格界面
形
台阶式长大（位错滑移）
核
长 大
21
第 八
第三节 固态相变的晶核长大
章
固
2 晶核生长速率
态
（1）界面控制长大 新相生成时无成分变化(只有结构、
相 变
有序度变化）短程输送 u=exp(-Q/kT)[1-exp(-△Gv/kT)]
第
二
节
形 核 长 大
晶核长大速率是扩散系数D和相变驱动力△Gv的综合影响。22
笨，没有学问无颜见爹娘 ……” • “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
第 八
第一节 概 述
章
固 态
一 固态相变的特点
相
界面能
变
固-固两相界面能远比液-固两相界面能高：
第
一部分是形成新相界面时，因同类键、异类键的结
一
合强度和数量变化引起的化学能；
节
另一部分是由界面原子的不匹配产生的点阵畸变能．
章
固 二 脱熔类型
态
不连续脱熔：多发生在过饱和度很大
相
的置换固熔体中，是从母相中同时析
变
出片层相间的两个相：α→α’+β，与共 析转变相类似。α是过饱和固溶体，α’
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二、非均匀形核 非均匀形核通常是固态相变的主要形核方式。
（1）晶界形核
设α为母相，β为新相， 两相邻α晶粒间界面能为 γαα ，α-β界面为非γ共αα α 格界面，界面能为γαβ。 α 球面半径为r，界面形核时 自由焓的变化为：
△G=V△GV+Aαβγαβ +V△GE -Aααγαα
固态相变
γαβ
固态相变
19
3. 晶核长大控制因素
对于冷却过程中发生的相变，当相变 温度较高时原子扩散速率较快，但过 冷度和相变驱动力较小，晶核长大速 率的控制因素是相变驱动力；相变温 度较低时，过冷度和相变驱动力较大， 原子的扩散速率将成为晶核长大的控 制因素。
固态相变
20
<1>受界面过程控制的晶核长大 过冷度较小时，新相长大速率u与驱动力 △G成正比；过冷度较大时，长大速率随 温度下降而单调下降。
临界晶核的形核功
△G*= 16
3
3 GV GE 2
γαβ、 △GE减小，
均可降低△G*，有
利于新相形核。
△G* 0
r*
4πr3(△GV+△GE)/3
r △G
临界形核功和临界晶核半径
形核率与临界晶核的形核功、相变温度之间 的函数关系：
I＝ηNexp(－ △G*/kT)
15 固态相变
1. 相界面
（1）共格界面 （2）半共格界面 （3）非共格界面
3 固态相变
2. 界面能
界面能依共格界面、半共格界面和非共格 界面的顺序递增。
3. 应变能
共格应变能 体积应变能
固态相变
4
4. 取向关系
界面结构为共格或半共格时，新相与母相 之间必须存在一定的晶体学取向关系，反 之不成立。
5. 惯习面
θ β
rθ
界面形核示意图
16
推导出：
r* =-2γαβ/(△GV+△GE)
△G*非=△G*均 f( θ)
f(θ) 是形状因子
非均匀形核时，临界晶核半径r*与晶界的存在 无关，但形核功△G*取决于θ，θ＝00时△G降 为0，θ＝900时，△G*非＝△G*均。在界棱或界 隅处形核还可以进一步降低形核势垒。
G T
p
G T
p
G p
T
G p
T
固态相变
8
2G T 2
p
ห้องสมุดไป่ตู้
2G T 2
p
2G p 2
T
2G p 2
晶核最易在界隅形成，其次在界棱，最后是界面。
固态相变
17
只有晶界两侧界面都不共 格时，晶核才类似球形。 通常新相在大角度晶界形 核时，一侧可能与母相具 有一定的取向关系形成平 直的共格或半共格界面， 以降低界面能、减少形核 功；另一侧必为非共格界 面，为减少相界面面积， 故呈球冠状。
新相 非共格界面
T
G p
T
固态相变
6
因为
G S T p
G p
T
V
所以
Sα≠Sβ, Vα≠Vβ
一级相变有体积和熵的突变， △V≠0，△S≠0
固态相变
7
二级相变：
若相变时，Gα＝Gβ，μαi=μβi ，并且自由焓的 一阶偏导数也相等，但自由焓的二阶偏导数 不相等，称为二级相变。
第四章
固态相变
《材料科学基础》第八章
固态相变 1
第四章第一节
固态相变总论
《材料科学基础》第八章 第一节
固态相变 2
固态相变的定义：
固体材料的组织、结构在温度、压力、成 分改变时所发生的转变统称为固态相变。
一、固态相变的特点
大多数固态相变是通过形核和长大完成的， 驱动力同样是新相和母相的自由焓之差。 阻力: 界面能和应变能
=(4π /3)r3(△GV+△GE)+4π r2γ α β
固态相变
13
△G与r的关系曲线
△G
4πr2γαβ
△G* 0
r*
4πr3(△GV+△GE)/3
r △G
△G在r＝r*时达到极大值，这里 r*＝－2γαβ/(△GV+△GE)
固态相变
14
形成临界晶核必须
△G
首先克服形核势垒
4πr2γαβ
△G*， △G*称为
二级相变时无体积效应和热效应，材料的压缩 系数、热膨胀系数及比定压热容均有突变。
磁性转变、有序－无序转变多为二级相变。
10 固态相变
2. 按原子迁移情况分类
扩散型相变, 非扩散型相变
扩散型相变
脱溶沉淀、调幅分解、共析转变等
非扩散型相变
原子（或离子）仅作有规则的迁移使点阵 发生改组。 马氏体转变
固态相变不一定都属于单纯的扩散型
<2>受扩散控制的晶核长大 β相半径r随时间τ按抛物线规律长大。
固态相变
21
五、固态相变动力学
固态相变速率决定于新相的形成速率和 长大速率。
1. 动力学方程 （给定温度下的等温转变）
或非扩散型。 见表8－1
固态相变
11
3. 按相变方式分类 有核相变和无核相变
无核相变
通过扩散偏聚的方式进行的相变，为无核相变。 调幅分解
固态相变
12
三、固态相变的形核
1. 均匀形核 形成半径为r的球形晶核时，系统自由焓 的变化为:
△G=(4π /3)r3△GV+4π r2γ α β + (4π /3) r3△GE
6. 晶体缺陷
新相极易在缺陷处非均匀形核
固态相变
5
二、固态相变的分类 1. 按热力学分类
一级相变和二级相变
一级相变 :
由α相转变为β相时，Gα=Gβ,μαi=μβi ，但 自由焓的一阶偏导数不相等，称为一级相变。
G T
p
G T
p
G p
T
2G Tp
2G Tp
固态相变
9
由于
2G T 2
p
S T
p
cp T
2G p 2
T
V
2G Tp
V
其中β为材料的压缩系数，α为材料的热膨胀系数
晶粒1 晶粒2
晶界
共格或半共格界面
晶界形核示意图
（2）沿位错形核
固态相变
18
四、晶核的长大
1. 晶核长大的方式
“平民式”散漫无序位移 大 2. “晶军核队长式大”类有型序位移
非协同型长 协同型长大
• 成分不变协同型长大 • 成分不变非协同型长大 • 成分改变协同型长大 • 成分改变非协同型长大 前两类无需溶质原子扩散，长大速度仅与界面 点阵重构过程有关，故晶核长大速度很快。