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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

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

固态相变PPT课件

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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

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

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

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化学工业出版课件

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

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：

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*
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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。