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材料科学基础课件第八章_相变

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相变无机材料科学基础

相变无机材料科学基础


离子
G＝RTlnc0/c
c0―饱和溶液浓度；c―过饱和溶液浓度。
(8-7)
➢相变自发进行，须G＜0，则c>c0
即：过饱和浓度为相变过程的推动力。
综上所述，相变过程的推动力为：过冷度、过饱和蒸汽压差、 过饱和浓度，即相变时系统温度、压力和浓度与相平衡时温 度、压力和浓度之差值。
（三）晶核形成条件
当熔体冷却发生相变时，体系能量(G)变化有两个方面： ➢高自由能液体转变为低自由能固体，系统自由能减小(G1) ➢产生新相，形成新的界面，系统自由能增加(G2)
相变过程中，总自由能变化：
G ＝ G1＋ G2 ＝ VGV ＋A
V — 新相的体积 ； GV —单位体积中旧相和新相之间的自由能差G液-G固； A — 新相的总表面积； — 新相的界面能。
G = G1 + G2=VGV+A
第八章 相 变
➢ 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。
➢ 一般只是物理过程(晶型转变，固、液、气间转变，亚 稳分相)。
第一节 相变的分类
一、按热力学分类
根据相变前后热力学函数的变化，相变分为： 一级相变、二级相变。
一级相变
相变前后若两相的化学势相等，但化学势的一级偏微商（一阶导数）
主要应用于钢铁及合金的增强增韧。
有序-无பைடு நூலகம்转变
➢随温度升降而出现低温有序和高温无序的可逆转变称为有序-无序 转变。
➢只要在高于0K的温度下，质点 的热振动会使其位置与方向均 发生变化，从而产生位置与方 向的无序性。
位置有序 - 无序转变 方向有序 - 无序转变 电子核旋有序 - 无序转变
➢参数表示材料中的有序度，完全有序时=1，完全无序时=0。
材料科学基础第8章 铁碳相图PPT课件

材料科学基础第8章 铁碳相图PPT课件

4
§7.5 二元包晶相图
(1)
• 包晶转变：一定温度下，由特定成分的固相与确定成分 的液相发生反应生成另一种特定成分的固相的转变。
• 包晶相图：两组元液态无限互溶，固态有限互溶并具有 的相图。
• 图形特点：
L
α
β Lp+αc = βD
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31.10.2020
4
§7.5 二元包晶相图
(2)
31.10.2020
4 §7.6.3 具有无序-有序转变相图
(19)
有些二元系合金在一定成分和一定温度范围会发生有 序化转变，形成有序固溶体。
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31.10.2020
4 §7.5.4 具有同素异晶转变的相图
(20)
当组元具有同素异构转变 时，形成的固溶体也常有 异晶转变。
Fe和Ti 在固态均发生同 素异构转变，故形成相 图时，在近铁一边有
➢铁素体：碳溶解在α—Fe中的间隙固溶( F）。塑性 （δ=45-50%）、韧性好，强度、硬度低。
➢奥氏体：碳溶解在γ —Fe中的间隙固溶体（A）。塑 性好。
➢渗碳体：铁与碳形成的金属化合物（Fe3C）。硬度很 高（HBW=800），塑性、韧性几乎为零。
➢珠光体：是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体 与渗碳体的共析体（P）。
2 相图分析
点：14个。
线：两条磁性转变线；三条等温转变线；其余三条线：
GS,ES,PQ。
区：5个单相区，7个两相区，3个三相区。
相图标注：相组成物标注的相图; 组织组成物标注的相图。
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31.10.2020
4
(25)
2 相图分析
点：14个。
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材料科学基础第八章 三元相图

材料科学基础第八章 三元相图

材料科学基础 第八章 三元相图
1
本章章节结构 8.1 三元相图基础 8.2 固态互不溶解的三元共晶相图 8.3 固态有限互溶的三元共晶相图
2
内容预报
• 三元相图基础 • 三元相图有很多面
水平、垂直截面图 • 由平面回溯立体
3
8.1 三元相图基础
8.1.1 成分表示方法 1.成分三角形 2.成分三角形中的特殊线 3.杠杆定律及重心定律
49
典型合金的平衡结晶过程－3
3. 位于三相平衡共晶转变终了面及双析溶解度曲面 投影内的合金（图8.19中Ⅴ区）。 结晶过程：L→L+α初→α初+（α+β）共→α初+ （α+β）共+γⅡ
50
典型合金的平衡结晶过程－4
4. 位于三相平衡共晶转变终了面但不在双析溶解度 曲面投影内的合金Ⅳ(图8.19中)。 结晶过程：L→L+α初→α初+（α+β）共 可用同 样的方法分析其它合金的结晶过程，图8.19中所 标注的六个区域。
• 在垂直截面图中发生两相共晶转变的三相区为尖 点向上的曲边三角形。
43
投影图
44
45
相区接触法则
• 空间相图、水平截面、垂直截面相图。 • 相邻相区的相数差1； • 立体相图中在面两侧判断，截面图中在线两侧判
断； • 除截到的零变量点外，所有的点均有四条相界线
相交。
46
8.1 三元相图基础 8.2 固态互不溶解的三元共晶相图
B% 50
10
20
30
40 C%
50
40 30 20
AxC4x-B
60
70 80
10
90
A
90 80 70
西北工业大学材料考研材料科学基础PPT课件

西北工业大学材料考研材料科学基础PPT课件

2.力学性能：
（1）弹性模量是材料应力-应变曲线上弹性变 形段的斜率，在拉伸变形中通常称它为杨式模量， 以E表示。而结合键能是影响弹性模量的主要因 素，结合键能越大，则“弹簧”越“硬”，原子 之间距离的移动所需要的外力就越大，即弹性模 量越大。如金刚石具有最高的弹性模量值， E=1000GPa；其他一些工程陶瓷如碳化物、氧化 物等结合键能也较高，它们的弹性模量为250600GPa；由金属键结合的金属材料，弹性模量略 低些，一般约为70-350GPa；而聚合物由于二次 键的作用，弹性模量仅为0.7-3.5GPa。
质上是一个裸露的质子，对另一个电负性值较
大的原子Y表现出较强的吸引力，这样，氢原子
便在两个电负性很强的原子（或原子团）之间形
成一个桥梁，把二者结合。起来，成为氢键。所
以氢键可以表达为：X-H—Y。
氢与X原子
（或原子团）为离子键结合，与Y之间为氢键结
合，通过氢键将X、Y结合起来，X与Y可以相同或
不同。
正由于大多数工程材料的结合键是混合 的，混合的方式比例又随材料的组成而变， 因此材料的性能可在很广的范围变化。从
而满足工程实际各种不同的需要。
（4）结合键的本质及原子间距
固体中原子是依靠结合键力结合起来的
不论是何种类型的结合键，固体原子间 总 存在着两种力：一是吸引力，来源于电荷 间的静电吸引；二是同种电荷之间的排斥 力。当距离很远时，排斥力很小，只有当 原子间接近至电子轨道互相重叠时，排斥 与吸引力相等，两原子便稳定在此相对位 置上，这一距离r0相当于原子的平衡距离， 或称为原子间距。当原子距离被外力拉开 时，吸引力则力图使它们回到平衡距离r0
料硬而脆。原子排列不紧密，晶体结构复杂， 故共价键晶体陶瓷密度低。
材料科学基础第8章固态相变

材料科学基础第8章固态相变

促进扩散 （3）空位形核 新相生成处空位消失，提供能量 空位群可凝结成位错 （过饱和固溶体的脱溶析出过程中， 空位作用更明显。）
第二节 固态相变的形核与长大
二 非均匀形核（能量条件） 2 非均匀形核的能力变化 △ G＝-V△Gv+S+ V-△GD △GD－晶体缺陷导致系统降低的能量。
第三节 固态相变的晶核长大
三 常见固态相变类型 相变名称
同素异构转变 多型性转变 脱溶转变 共析转变 包析转变 马氏体转变 贝氏体转变 调幅分解 有序化转变
相变特征
同一种元素通过形核与长大发生晶体结构的变化 合金中晶体结构的变化 过饱和固溶体脱溶分解出亚稳定或稳定的第二相 一个固相转变为两个结构不同的固相 两个不同结构的固相转变为一个新的固相，组织中一般 有某相残余 新旧相之间成分不变、切变进行、有严格位向关系、有 浮凸效应 兼具马氏体和扩散转变的特点，借助铁的切变和碳的扩 散进行 非形核转变，固溶体分解成结构相同但成分不同的两相 合金元素原子从无规则排列到有规则排列，担结构不变。
3.惯习现象
* 新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成。
惯习方向 （母相） 惯习面
原因：沿应变能最小的方向和界面能最低的界 面发展。
4 母相晶体缺陷促进相变
缺陷类型
点… 线… 晶格畸变、自由能高，促进形核及相变。 面…
5 易出现过渡相
* 固态相变阻力大，直接转变困难 协调性中间产物（过渡相） ＋Fe3C +(3Fe+C) 例 M +Fe3C
第二节 固态相变的形核与长大
三 晶核的长大
（3）相变动力学 f第三节 过饱和固溶体的分解
一 脱溶（时效）转变
1 概念：脱溶转变 2 脱溶转变过程 相的名称－形貌－尺寸－结构－点阵常数－共格关系 －强化作用 3 脱溶动力学
八材料中的相变.ppt

八材料中的相变.ppt


西南科技大学
8.2 液相与固相的转变－成核－生长的相变
成核速率：单位时间、单位体积母相中形成的新相核 心的数目；
晶体长大速率：单位时间内新相线生长尺寸的增量； 总结晶速率：新相占母相的体积分数随温度、时间的
变化来表征。
材料科学基础（Fundamentals of Materials Science）
（1）按物态变化分类 狭义：同组成的两固相之间的结构变化，不 涉及化学反应。 广义：除上述情况之外，还包括相变前后相 组成变化的情况。
（2）按热力学分类
A、按转变方向分 ✓分为可逆 ✓不可逆相变
材料科学基础（Fundamentals of Materials Science）
西南科技大学
B、按热力学偏导数的连续性分类
不能稳定存在，而实际上却能稳定存在的区域；
B、在亚稳区内，物系不能自发产生新相，要产生新 相，必然要越过亚稳区，这就是必须过冷却的原 因；
C、在亚稳区内虽然不能自发产生新相，但是当有外 来杂质存在时，或在外界能量影响下，也有可能 在亚稳区内形成新相，此时使亚稳区缩小。
材料科学基础（Fundamentals of Materials Science）
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8.1.3 相变的条件
（1）相变过程的温度条件 由物理化学中热力学知识可推知：
D G = D H - TD H = D H T0 - T = D H D T
T0
T0
T0
若相变过程为放热过程 ΔH＜0，则ΔT＞0时， 才能自发进行，即体系必须“过冷”。
D
Ga + D kT
Gr*
材料科学基础固态相变PPT课件

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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)
材料科学基础第八章相变

材料科学基础第八章相变

三、学习相变理论的目的（或意义）
相变在硅酸盐工业中十分重要
本章内容：1.相变分类 2.液-固相变过程热力学 3.液-固相变过程动力学 4.液-液相变过程
重点： 1.相变过程的推动力及晶核形成条件 2.析晶过程
难点：液-液相变过程
第一节 相变的分类
分类方法有很多，目前有以几种： 一、按热力学分类 二、按相变方式分类 三、按质点迁移方式分类
连续型相变：由组成波动程度小、空间波动范围广 的起伏引起的相变，即起伏连续地生长而形成新相。
三.按质点迁移特征分类：
扩散型相变:相变过程依靠原子（或离子） 的扩散来进行的相变．
无扩散型相变：相变过程不存在原子（或离 子）的扩散，或虽存在扩散但不是相变所必 需的或不是主要过程的相变．
陶瓷材料相变综合分类：
第八章 相变
概述
一、几个概念 1.相
物理性质和化学性质完全相同且均匀的部分。 相与相之间有分界面，可用机械的方法将它们分开。系统
中存在的相可以是稳定的、亚稳的或不稳定的。系统在某一 热力学条件下，只有当能量具有最小值的相才是最稳定的。 系统的热力学条件改变时，自由能会发生变化，相的结构也 相应发生变化。
T T0 T 0 T0 T 过热
G 0
结论：相变驱动力可以表示为过冷度(过 热度)的函数，因此相平衡理论温度与系 统实际温度之差即为该相变过程的推动力。
2.相变过程的压力与浓度条件： 压力条件：
在恒温可逆不作有用功时：
dG VdP
对理想气体
G
VdP
RT P
dP
RT
ln
P2 P1
G H T S 0
若△H,△S不随T变化
G H T H H T0 T H T
《材料的相变》课件

《材料的相变》课件

液化天然气（LNG）的制备过程中，将天然气压 缩成液态。
固态二氧化硅（二氧化硅）在高温下可转化为气 态二氧化硅。
相变的需求和挑战
1 需求
相变技术在能源、材料制 备和环境等领域有着广泛 的应用需求。
2 挑战
相变材料的设计、制备和 控制是实现相变技术应用 的关键挑战之一。
3 最新进展
最新的研究着眼于开发新 型相变材料和改进相变过 程的控制方法。
《材料的相变》PPT课件
欢迎大家来到本次关于材料的相变的PPT课件！相变是材料科学中的重要概 念，通过本课件，我们将探索相变的定义、分类、应用以及未来的发展方向。
相变的定义和基本概念
相变是物质从一种相态到另一种相态的过程。它涉及物质的结构和性质的改变，以及能量的吸收或释放。
相变的分类和特点
分类
相变可以分为固液相变、液 气相变和固气相变。
液气相变的例子和应用
1
水的沸腾
水沸腾时，液冷却液在汽车的工作过程中发生液气相变，起到冷却发动机的 作用。
3
干冰的升华
干冰是固态二氧化碳，当它受热时会直接从固态升华为气态，无液态阶段。
固气相变的例子和应用
举例一： 举例二：
举例三：
干衣机中的水分从湿气中转化为水蒸气。
相变研究的最新进展和未来发展方向
相变材料
相变材料的研究方兴未艾，可以 用于储能、温控和智能传感等领 域。
纳米级相变
纳米级相变研究正探索小尺寸下 相变行为的特性与应用。
相变存储
相变存储作为一种新型存储技术， 展现出巨大的潜力和未来的发展 方向。
特点
相变具有温度、压力和物质 的影响。它还表现出各种物 理和化学性质的变化。
举例
举个例子，水从冰变为液态 时发生固液相变，这是我们 日常生活中常见的现象。
材料科学基础 第8章PPT课件

材料科学基础 第8章PPT课件

20
第20页/共34页
8.2.4.2 固相中的非均匀形核 固态相变时，各种晶体缺陷，如晶界、位错、
相界、空位、层错等都可以作为择优形核的位置， 这些晶体缺陷本身具有较高的能量，在这些位置 形核，可以降低形核功，因此非均匀形核比均匀 形核要容易得多，固态相变时的形核通常是非均 匀形核。
21
第21页/共34页
界面能和体积应变能是固态相变过程的阻力，但在不同条 件下，所起的主导作用不同。 当新旧两相形成共格界面或半共格界面时，相变阻力主要 是体积应变能。 当新旧两相形成非共格界面时，相变阻力主要是界面能。
15
第15页/共34页
8.2.4 相的非均匀形核 8.2.4.1 液相中的非均匀形核
液态金属过冷后，主要的形核障碍是晶核的液－固相 界面使系统自由能升高。
12
第12页/共34页
形核功因子
原子扩散几率因子
13
第13页/共34页
8.2.3.2 固相中的均匀形核
体积自由能差
界面能
体积应变能
14
第14页/共34页
界面能的大小取决于界面的结构和界面成分的变化。固态 相变中形成的界面结构有三种形式，即共格界面、半共格界 面和非共格界面。
固态相变中，体积应变能来自新旧两相的比容差和界面结 构两个因素。应变能由两项组成，一项是由新相和旧相比容 不同所产生的弹性应变能；另一项是由界面上两相晶格不匹 配而产生的弹性应变能。
数学表达式：X = 1 - exp[ - (kt)n ] （式8-12）
31
第31页/共34页
构造等温转变图 32 第32页/共34页
End
33
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感谢您的观看！
34
第34页量起伏
第八章 材料中的相变ppt课件

第八章 材料中的相变ppt课件


是指相变过程中不存在原子或离子的扩散，或 扩散不是主要过程的相变。比如合金中的马氏体转 变，也称为切变型相变。
2、按相变机理分类 （1）成核-生长相变 （Nucleation-growth transition） 成核-生长相变是指通过晶核的形成与 生长过程而进行的相变过程。这种相变机理 是最重要最普遍的机理。比如，溶液中结晶、 单晶硅的形成等。
2 2பைடு நூலகம்
2 2 1 2 T P T P
用自由能曲线描述 ：
可见：二级相变时，系统的体积、熵无突变。
（3）高级相变
如果在临界温度，临界压力时，化学位相等，
化学位的一阶，二阶偏导数也相等，而三阶偏导数
不相等，则称为三级相变。
液相或固相的转变称为凝聚，固相向气相的转变称
为升华。
（二）按热力学特点分类
1、根据转变方向分类
（1）可逆相变
可逆相变是指在加热或冷却时，相变过程可以
互为可逆的进行。
（2）不可逆相变
不可逆相变是指高能量的介稳相向能量较低的 物相之间的转变。
2、根据化学位偏导数的连续性分类
（1）一级相变
一级相变是指相变前后化学位的一阶偏导数不
对溶液而言，可以用浓度C代替压力P，则自由
依次类推，化学位的n-1阶偏导数连续，而n阶 偏导数不连续时称为n级相变。 通常，将二级以上的相变称为高级相变，将一 级相变和二级相变称为低级相变。一般高级相变很
少，大多数相变为低级相变。
（三）按动力学分类 1、根据原子迁移特征分类
（1）扩散型相变
扩散型相变是指依靠原子和离子的扩散而进行 的相变。比如晶型转变、熔体的结晶、有序－无序 转变 等。 （2）无扩散型相变（或非扩散型相变）

材料科学基础课件第八章 相变

3 3
球缺的表面积是： 与固体接触面的半径是：
ALX 2R (1 cos )
2
r R sin
将上式代入求d（ΔGk）/dR中，得出不均匀成核的临界半径
3 2 LX * R GV
同样将它处理后，得出
3 16 LX (2 cos )(1 cos ) 2 * Gk Gk f ( ) 2 3(GV ) 4
二、析晶相变过程的动力学 1、晶核形成过程动力学
晶核形成：均匀成核
非均匀成核：较常见。 (1). 均匀成核－－组成一定，熔 体均匀一相，在T0温度下析晶， 发生在整个熔体内部，析出物质 组成与熔体一致。 成核速率 IV ＝ .n i .nK
原子与晶核碰撞频率 临界晶核数 临界晶核
临界晶核周围原子数
3) 马 氏 体 转 变 速 度 很 快 ， 有 时 速 度 高 达 声 速 。 4)马氏体相变过程也包括成核和长大。由于相变时长大的速 率一般很大,因此整个动力学决定于成核过程，成核功也就 成为相变所必需的驱动力。也就是说，冷却时需过冷至一定 温度使具有足够的成核驱动力时，才开始相变。 四、按成核特点分类 均质转变：发生在单一均质中。
界面层的厚度
线性生长速率
u Q n 0 exp(
q G )[1 exp( )] RT RT
G HT / T0
0 exp( q / RT ) B n
HT G )] B [1 exp( )] T0 RT RT
线性生长速率 u B .[1 exp(
普遍类型：一般合金有序－无序转变、铁磁性－顺磁性转变、超 导态转变等。
T0
二级相变实例 特例 混合型相变： 特点： 同时具有一级相变 和二级相变的特征

材料科学基础完整材料的动力学部分ppt课件


.
6
第二节 宏观动力学方程
一、稳定扩散和不稳定扩散
稳定扩散： 扩散物质在扩散层内各处的浓度不
随时间而变化，即 dc/dt=0
不稳定扩散： 扩散物质在扩散层内各处的浓度随时
间而变化，即 dc/dt 0
.
7
二、扩散的动力学方程
1、菲克第一定律（Fick’s First Law）
在扩散体系中，参与扩散质点的浓度因位置而异、且可随 时间而变化。即浓度c是位置坐标（x、y、z）和时间（t）的 函数，表述为：原子的扩散通量与浓度梯度成正比。
.
3
二、从不同的角度对扩散进行分类
1、按浓度均匀程度分
互扩散：有浓度差的空间扩散； 自扩散：没有浓度差的扩散。
2、按扩散方向分 顺扩散：由高浓度区向低浓度区的扩散，又称下坡扩散; 逆扩散：由低浓度区向高浓度区的扩散，又称上坡扩散。
3、按原子的扩散方向分
体扩散：在晶粒内部进行的扩散；
表面扩散：在表面进行的扩散；
即 c＝Κ p
因此，可得出单位时间内球罐中氧气的泄漏量为：
.
15
不稳定扩散
不稳定扩散根据边界条件分为两种情况：
➢ 一是扩散物质浓度（C0）在晶体表面保持不变； ➢ 二是一定量（Q）的物质由表面向晶体内部扩散。
c c
c0
x
.
16 x
第一种情况
C(x,t)C0er(f2cxD)t
e( r) f 2e 2 d,e( r)f 1 c 2e 2 d
.
5
四、扩散的意义
➢ 材料制备工艺中很多重要的物理化学过程都与扩散有关 系。例如：固溶体的形成、离子晶体的导电性、材料的 热处理、相变过程、氧化、固相反应、烧结、金属陶瓷 材料的封接、金属材料的涂搪与耐火材料的侵蚀。

814材料科学基础-第八章 三元相图知识点+例题讲解

北京科技大学材料科学与工程专业814 材料科学基础主讲人：薛春阳第八章三元相图8.1三元相图基础三元相图的基本特点：完整的三元相图是三维立体模型；三元系中可发生四相平衡转变，四相平衡区是恒温水平面；三相平衡转变是变温过程，在相图上三相平衡区占有一定空间，不再是二元相图中的水平线。

8.1.1 成分表示法表示三元系成分的点位于两个坐标轴所限定的三角形内，这个三角形称为成分三角形或浓度三角形。

常用的成分三角形是等边三角形，有时也用直角三角形或等腰三角形。

1. 等边成分三角形B——浓度三角形等边三角型B%C%＋顺时针坐标CA← A%1）确定O点的成分Ba）过O作A角对边的平行线b）求平行线与A坐标的截距得组元A的含量B%C%c）同理求组元B、C的含量OA← A%C2）等边成分三角形中的特殊线 7ABC90 80 70 60 50 40 30 20 101020 30 4050 60 708090 10 2030 40 50 60 70 8090← A%B% C%II 点：20%A- 50%B- 30%CIII 点：20%A- 20%B- 60%CIV 点：40%A- 0%B- 60%C IIIIIIVa）与某一边平行的直线凡成分点位于与等边三角形某一边相平行的直线上的各三元相，所含的与此线对应顶角代表的组元的质量分数相等。

凡成分点位于通过三角形某一顶角的直线上的所有三元系，所含此线两旁另两顶点所代表的两组元的质量分数比值相等。

b ） 过某一顶点作直线常数=====22221111''%%Bc Ca Bc Ba Bc Ba Bc Ca C A练习1. 确定合金I、II、III、IV的成分I 点：A%=60%B%=30%C%=10%II点：A%=20% B%=50% C%=30%III 点：A%=20% B%=20% C%=60%IV 点：A%=40% B%=0% C%=60%2. 标出75%A+10%B+15%C的合金3. 标出50%A+20%B+30%C的合金4. 绘出A ＝40%的合金5. 绘出C ＝30%的合金6. 绘出C / B ＝1/3的合金 %75%2531==B C 7. 绘出A / C ＝1/4的合金2.其它成分三角形1）等腰成分三角形当三元系中某一组元含量较少，而另两个组元含量较多时，合金成分点将靠近等边三角形的某一边。

材料科学基础课件第八章 固态相变第一节第二节


扩散的宏观规律
则菲克第二定律表达式为：
若D为常数，则：
从形式上看，扩散中某点
与
成正比
扩散的宏观规律
本质上菲克第一定律和第二定律是一个定 律，都表明扩散过程总是使不均匀体系均匀化， 由非平衡逐渐达到平衡。
扩散的宏观规律
（2）三维扩散 采用不同坐标系有不同的形式。 1、直角坐标系
扩散系数若与浓度无关，也与空间位置无关时：
扩散的宏观规律
扩散的宏观规律
①求在T、t下，振幅
的衰减值。
②在一定T及振幅衰减值下，求所需时间，如：
t=0.1167(l2/D) l愈小、D愈大，则时间愈短，均化速度愈快。
第四章 晶态固体中的扩散
第二节 扩散的微观机制
• 教学内容： • 三种主要的扩散机制（间隙机制，填隙机制，空位机
制）溶质原子的跳动。晶态中原子的无规则行走及相 变效应，原子迁移的统计。原子跳动与扩散系数的微 观表达式。
扩散系数
在Cu-Ni、Cu-Sn、Ag-Au、Ni-Co、Ni-Au 等扩散偶中都有发现这种效应。 2、本征扩散系数、互扩散系数 产生原因：A、B作为溶质组元溶入对方一侧并
进行扩散时，各自扩散系数不同。 置换固溶体中溶质原子迁移时，溶剂原子
必须与之配合。 本征扩散系数：A、B各自的扩散系数DA、DB。 互扩散系数：实验测定的表观扩散系数。
方法、弛豫方法及核方法等。 １、稳态扩散过程中的扩散系数
薄壁金属管：Ｌ、r、t，两边浓度不变， 即 dC/dt=0，如碳在铁中的扩散系数的测定。
扩散系数
结合一定的试验条件，m、L、t均可测量出 来，用剥层分析的方法， 得出碳浓度沿管壁的径 向分布，做出C一1nr曲 线，便可求出扩散系数 D，D随浓度变化，只有 在稀薄固溶体或在较小 浓度范围内才为常数。

材料科学基础@八固态相变

0 1
相界面不但发生成分突变，且取向 也发生改变
29
非连续脱溶与共析转变（以钢为例）的区别： 共析转变形成的（珠光体中）的两相与母相在结构和 成分上完全不同。 非连续脱溶得到的胞状组织中的两相其中必有一相的 结构与母相相同，只是溶质原子的浓度不同于母相。
非连续脱溶与连续脱溶的主要区别： 连续脱溶属于长程扩散，非连续脱溶属于短程扩散。 非连续脱溶的产物主要集中于晶界上，并形成胞状物； 连续脱溶的产物主要集中于晶粒内部，较为均匀。
rK=2 /(△Gv-) △GK=16/3(△Gv-)2
12
晶核形态：
1）共格晶核：倾向于呈盘状或片状；
2）非共格晶核：呈球状或等轴状。若形核时因体积 胀大而引起应变能显著增加，其晶核趋势向于呈片 状或针状。
形核率：
I N e e Q / kT G* / kT
二、非均匀形核 固态相变中以非均匀形核（依靠晶体缺陷形核）为主。
脱溶过程中由于析出了弥散分布的强化相，导致强度 硬度显著升高的现象称沉淀强化（沉淀硬化），溶质 原子的沉淀需要时间，随着时间的延长强化效果明显， 又称为时效强化。
27
二、脱溶类型
脱溶过程分为连续和不连续脱溶两类，而连续脱溶又 可分细分作均匀脱溶和局部脱溶。
1 连续脱溶
脱熔是在母相中各处同时发生的，且随新相的形成母 相成分发生连续变化，但其晶粒外形及位向均不改变
{111}∥{110}M ;<211>∥<011> M
Nishiyama
Greninger和Troiaon精确测量了Fe-0.8%C-22%Ni合金的 奥氏体单晶中的马氏体位向关系，发现K-S关系中的平 行晶面和平行晶向之间实际上略有偏差。得到G-T关系

《材料的相变》课件


相变与材料性能的关系
01
相变可以改变材料的热学、电学、磁学和力学等性 能。
02
材料的相变点（如熔点、沸点、居里点等）对材料 的加工和使用具有重要影响。
03
通过控制材料的相变行为，可以实现对材料性能的 调控和优化。
02
常见材料的相变
金属的相变
01
金属的相变
金属在加热或冷却过程中，其内部原子或分子的排列会发生改变，导致
通过实验测定物质的性质，然后绘制出不同温度和压力下的相态 和相变。
相图的应用
用于指导工业生产和科学实验，预测物质在不同条件下的性质和 行为。
04
相变的动力学过程
相变的动力学模型
扩散模型
该模型认为相变是通过原子或分子的扩散实现的。在相变过程中 ，原子或分子的扩散速度决定了相变速率。
界面模型
该模型认为相变是通过新相与旧相之间的界面移动实现的。界面移 动的速度决定了相变速率。
THANKS
感谢观看
自由能
描述系统能量的状态变量，决定系统的相态和相 变。
相变的热力学条件
相变平衡条件
相变发生时，系统的自由能达到最小值。
相变温度
相变发生时的温度，与物质的性质和外界条件 有关。
相变压力
相变发生时的压力，与物质的性质和外界条件有关。
热力学相图
相图的概念
表示物质在不同温度和压力下的相态和相变。
相图的绘制方法
《材料的相变》ppt课 件
目录
• 相变的基本概念 • 常见材料的相变 • 相变的热力学基础 • 相变的动力学过程 • 相变的应用 • 相变研究的前沿与展望
01
相变的基本概念
什么是相变
01
相变是指物质从一种相转变为另一种相的过程，包括固相、液 相和气相之间的转变。
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*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。
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：
第 八 章
相 变
Chapter 8 phase 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。
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
狭义相变：过程前后相的化学组成不变，即不发生化学反应。 如：单元系统中。晶体I晶体II 广义相变：包括过程前后相组成的变化。
1) 母相和马氏体之间不改变结晶学方位的关系， 新相 总是沿着一定的晶体学面形成，新相与母相之间有严格 的取向关系，靠切变维持共格关系。 2) 相变时不发生扩散，是一种无扩散转变。马氏体相变 为一级相变。
3) 马 氏 体 转 变 速 度 很 快 ， 有 时 速 度 高 达 声 速 。 4)马氏体相变过程也包括成核和长大。由于相变时长大的速 率一般很大,因此整个动力学决定于成核过程，成核功也就 成为相变所必需的驱动力。也就是说，冷却时需过冷至一定 温度使具有足够的成核驱动力时，才开始相变。
(2) 相变过程的压力和浓度条件
G RT ln P0 P
P0：饱和蒸汽压 P:过饱和蒸汽压
G RT ln C0 C
RT. C
C
C0：饱和溶液浓度 C：过饱和溶液浓度
总结： 相变过程的推动力应为 过冷度、过饱和浓度、过饱和蒸汽压。
3、晶核形成条件 (1) 成核： 长大
消失
由晶核半径 r 与 rK 比较可知
P T P T
1
T
P
2
T
P
(-S1 S2 )
一般类型：晶体的熔化、升华；
液体的凝固、气化；
气体的凝聚以及晶体中的多数晶型转变等。
特 点：有相变潜热，并伴随有体积改变。
二级相变：特点： 相变时两相化学势相等，其一级偏微熵也 相等，而二级偏微熵不等。
即： 1＝2
S1＝S2
1 2(等压膨胀系数)
四、按成核特点分类 均质转变：发生在单一均质中。 非均质转变：有相界面存在。 五、按成分、结构的变化分
重构式转变 位移式转变
玻璃相变
析晶
分相
体积析晶
表面析晶
不均匀成核
均匀成核
亚稳分相
§7－2 液-固相变
一、析晶相变过程的热力学
1、相变过程的不平衡状态及亚稳区
Tg
A BX
C O
结论 a 亚稳区具有不平衡状态。 L b在亚稳区要产生新相必须
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 亚稳分相 (Spinodal分相)
§7－1 相变的分类
一、按热力学分类 (P，T) 一级相变和二级相变
一级相变：
1＝ 2
1 2 (V1 V2 )
例如：压电陶瓷BaTiO3 有居里点，理论上是二级相 变，但是也有较小的相变潜 热。
高级相变： 在临界温度，临界压力时，一阶，二阶偏导数
相等，而三阶偏导数不相等的相变成为三级相变。
实例：量子统计爱因斯坦玻色凝结现象为三级相变。
依次类推，自由焓的n-1阶偏导连续，n阶偏导不连 续时称为高级相变。二级以上的相变称为高级相变， 一般高级相变很少，大多数相变为低级相变。
临界晶胚半径：新相可以长大而不消失的最小晶胚半径
(2)推导 rK 假定在T0时， 相 相
表面积 界面能
系统自由焓的变化 假定晶核为球形
G＝ G1＋ G2 ＝V. GV＋A. ＝4/3.r3n. GV＋4 r2.n.
GV
H. T T0
＋ G
G G1 G2
0
4 r 3 .n. H .T 4r 2 .n.
3
T0
对于析晶 <0
>0 －
rK
r
结论：晶核较小时第二相占优势，晶核较大时第一相占优势.
求曲线的极值来确定 rK。即
(G) 0 r
4n. H .T .r 2 8n .r 0
T0
rK
2T0
H .T
2
GV
+ G
0
-
G2
rK -G1
T3 结论： 1、rK是临界晶胚半径。 rK愈小 ，愈易形成新相。
D
过冷。
E Z
s
说明：阴影区为亚稳区P/
c当加入杂质，可在亚稳区 V 形成新相，此时亚稳区
缩小。 P
原因：当发生相变时，是以微小液滴或晶粒出现，由于颗粒很小， 因此其饱和蒸汽压和溶解度>>平面态蒸汽压和溶解度，在相平衡温 度下，这些微粒还未达到饱和而重新蒸发和溶解。
2、相变过程推动力 (1) 温度条件
1 2(等温压缩系数)
C p1 C p2 (热容量)
V1＝V2 C
T0 T 结论：无相变潜热，无体积的不连续性，只有Cp、、的不连续。
有居里点或点 (二级相变的特征点)
普遍类型：一般合金有序－无序转变、铁磁性－顺磁性转变、超
导态转变等。
二级相变实例
特例
混合型相变：
特点： 同时具有一级相变
和二级相变的特征
马氏体相变最早在中，高碳钢冷淬火后被发现，将钢加热 到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火）即会使钢变 硬，增强。这种淬火组织具有一定特征，称其为马氏体。
最早把钢中的奥氏体转变为马氏体的相变称为马氏体相变 。后来发现纯金属和合金也具有马氏体相变。

马氏体相变的特点：
马氏体相变在动力学和热力学上都有自己的特征 ，但最主要的特征是在结晶学上，这种转变发生 时，新旧成分不变，原子只做有规则的重排而不 进行扩散。
T2 rK
T1 r
2、 rK与温度关系。要发生相变 必须 过冷。TT0时， T愈小， rK愈大，越不易形成新相。 (熔体析晶，一般rK ＝10～100nm) 3、 影响rK的因素分析。
GT，P 0
在等T，P下， G＝ H－T S
G=0
G0
H－T S＝0
G＝H－TS 0
H， S不随T变化
S＝ H/T0
G＝H－T. H＝H(T0 T )
T0
T0
讨论：
H. T T0
a. 若过程放热， H<0,则 T>0，即T <T0，必须过冷。 b.若过程吸热， H>0,则 T<0，即T > T0，必须过热。 结论：相变推动力可表示为过冷度(T)。