材料科学基础_第6章_固态相变的基本原理

1）原子的扩散速度 ➢ 由于新旧两相的化学成分不同，相变时必须有原子的扩散 ➢ 原子扩散速度成为相变的控制因素。 ➢ 当相变温度较高时，即扩散不是决定性因素的温度范围内
，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 。
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➢ 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 。
➢ ②半共格界面：如果一相的某一晶面上的原子排列和另一 相的某晶面的原子排列不能达到完全相同，但相近，这样 形成的界面在小区域内可以利用少量得到弹性变形来维持 共格关系，适当利用位错的半原子面来进行补偿，达到能 量较低。
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2）. 非扩散型（位移型）： 在相变过程中没有原子的扩散运动，相变前后没有成分
的变化，原子以切变的方式，即相对周围原子发生有规律 的少量的偏移，基本维持原来的相邻关系，而发生晶体结 构的改变。
新旧相的界面有共格 马氏体相变就是属于非扩散型相变。
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3）.过度型相变： 介于二者之间的，具有扩散型和非扩散型的综合特征Hale Waihona Puke 2T 2P
( S T
)P
CP T
CP等压热容
2 1
P 2
T
22
P 2
T
2
P2
T
V V
V ( P )T
VB
B压缩系数
2 1
TP
22
TP
2
TP
V V
( V T
)P
VA
A膨胀系数
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二级相变
V V ,S S CP CP , B B , A A
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。
面只需部分重建。在晶界上形核时，晶核的形状应满足其 表面积与体积比最小。
晶核为透 镜状
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（2）. 位错形核
➢ 什么是位错 实际晶体在结晶时受到杂质、温度变化或振动产生的
应力作用，或由于晶体受到打击，切削，研磨等机械应力 作用，使晶体内部质点排列变形。
原子行列间相互滑移，而不再符合理想晶格的有序排 列形成现状的缺陷称为位错
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共格应变能
➢ 因相界面共格引起的，并且仅限制在相界面附近的弹性应 变能，称为共格应变能。
➢ 共格界面，两相的错配度越大，共格应变能越大。 共格界面的应变能最高 非共格界面的最低 半共格界面介于两者之间
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界面能和共格应变能
➢ 相变时，形成何种界面决定于界面能和共格应变能。 ➢ 当形成共格界面使界面能的降低超过了所引起的共格应变
材料科学基础
第6章 固态相变的基本原理
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概述
固态相变：固态物质内部的组织结构的变化称为固态相变。 相是成分相同、结构相同、有界面同其他部分分隔的物质均 匀组成部分，相变是从已存的相中生成新的相。 新相，生成部分与原有部分存在着或成分不同、或相结构不 同、或有序度不同、或兼而有之，并且和原来部分有界面分隔。 原来的部分称为母相或反应相，在转变过程中数量减少，生 成部分称为新相或生成相，在转变过程中数量增加。
δ＜0.05 相界面为共格界面 0.05＜δ＜0.25 为半共格界面 δ＞0.25 为非共格界面
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界面能
共格界面的原子匹配性最好，界面能最低 非共格界面的原子匹配性最差，界面能最高 半共格界面能介于两者之间
为最大限度的降低固态相变的形核功，最有效的 途径就是形成界面能最低的晶核。
在相变的形核初期形成共格或半共格界面，是固 态相变按阻力最小进行的有效途径之一
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固态相变与液态相变相比的的特点 ➢ 1.相变阻力大。 固态相变的驱动力也是新旧两相的自由能
差，这个差值越大，越有利于相变的进行 ➢ 2.新相与母相界面上原子排列易保持一定的匹配。新相与
母相界面上原子排列易保持一定的匹配的根本原因就在于 它有利于相变阻力的降低 ➢ 3.新相与母相之间存在一定的晶体学位向关系。
1 2
1 2
T P T P
S
T P
1 2
P T P T
V
P T
6
二级相变：两平衡相的化学势相等，及一阶偏导
数相等，但是二阶偏导数不相等。
1 2
1 2 1 2
T P T P P T P T
21
T 2
P
22
T 2
P
➢ ③非共格界面：当两相在界面上的晶体 结构或晶格参数差 别很大时，界面原子完全不匹配。
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界面错配度 ➢ 界面上弹性应变能的大小取决于两相界面上原子间距的相
对差值，这种相对差值又称为错配度并以δ 表之
aa a
aa
αα、αβ分别是α、β相沿平行于界面的晶向上的原子 间距，δ越大，弹性应变能越大。
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➢ 4.新相习惯在母相的一定晶面上形成。(惯习现象) ➢ 5.母相的晶体缺陷对相变起促进作用。缺陷处形核可得到
附加能量补充，同时缺陷的存在可加快扩散过程，有利于 新相晶体的生长。 ➢ 6.易出现过渡相，有些反应不能进行到底，过渡相可以长 期保留。
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6.2 相变热力学 6.2.1 热力学基本原理 6.2.2 固态相变时的形核 ➢ 热激活形核：通过原子热运动使晶胚达到临界尺寸，特点
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（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。
是温度和时间对形核都有影响，晶核可以在等温过程中形 成。 ➢ 非热激活形核：通过快速冷却在变温过程中形核，是变温 形核。马氏体相变
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1. 均匀形核 系统自由能变化
自由能差
应变能
G 4πr3Gv 4πr 2 4πr3
3
3
界面能
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令 G 0
r
临界晶核半径为
2 rc GV
成核位垒（成核功）
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。
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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，相界面进
行扩散移动， ➢ 转变的速度由原子扩散迁移速度控制，相界面是非共格。 ➢ 脱溶、共析、增幅分解属于这种类型。
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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
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（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
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4) 过渡相
➢ 易出现过渡相，有些反应不能进行到底，过渡相可以 长期保留。
➢ 这种情况通常发生在稳定相的成分与母相相差较远，转变 温度较低，原子扩散慢，稳定相的形核困难。钢中的渗碳 体其实也是铁碳平衡中的一过渡相。
➢ 过渡相从热力学来说不利，但从动力学来说有力，也 是减小相变阻力的重要途径之一
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。
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➢ 与液态结晶相比，固态相变在形核方面有如下特点。 (1) 固态相交主要依靠非均匀形核。这是由固态介质在结构
组织方面先天的不均匀性所决定的。固态介质具有各种 点、线、面等缺陷，这些缺陷分布不均匀，具有的能量 高低不同，这就给非均匀形核创造了条件。 (2) 新相与母相之间存在一定的位向关系。常以低指数且原 子密度较大而又匹配较佳的易面互相平行，构成确定位 向关系的界面借以减小新相与母相之间的界面能。 (3) 相界面易成共格或半共格界面。这是因为以形成共格界 面而进行相变其阻力最小，半共格界面次之，非共格界 面阻力最大。
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6.1 固态相变的分类与特征 6.1.1 固态相变的分类
1.按热力学分类 按照自由能对温度和压力的偏导函数在相
变点的数学特征——连续或非连续，将相变分 为一级相变和高级相变（二级或二级以上的相 变）。
n级相变：在相变点系统的化学势的第（n1）阶导数保持连续，而其n阶导数不连续。
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一级相变的特点是，相变发生时，两平衡相的 化学势相等，但化学势的一阶偏导数不相等。
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（2）共格性长大和非共格性长大 ➢ 扩散相变：新相长大是通过非共格相界面的扩散性移动。
即使在形核阶段形成了界面能低的共格界面，从而促进了 形核，但是共格界面扩散性移动困难，最后演变为非共格 界面。 ➢ 非扩散相变：新相长大是依靠相界面按切边方式进行的， 只有在维持两相的共格关系时才能长大，在形核和长大阶 段都必须维持界面的共格性。只有当新相长大到一定程度 ，由于共格应变能扩大，引起两相中较软的一相发生塑性 变形，共格性就会遭到破坏，长大停止。
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固态相变
三种基本变化： ①晶体结构的变化。
纯金属的同素异构转变、固溶体的多形性转变、 马氏体相变 ②化学成分的变化。 只有成分转变而无相结构的变化 ③有序程度的变化。 合金的有序化转变，以及与电子结构变化相关的 转变
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相变：指当外界条件如温度、压力等发生变化 时，物相在某一特定条件下发生的突变。 相变表现为： 1）从一种结构转变为另一种结构。 2）化学成分的不连续变化。 3）物质物理性能的突变。
形核时两相保持一定的位相关系，是固态相变按 阻力最小进行的有效途径之一
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3）.长大特点