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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.

金属固态相变特征讲解

金属固态相变特征讲解
动力 阻力 当温度低于转变温度， △gv为负值。 只有|V △gv |> Aσ ＋εV △ G<０
形核可能
• 临届晶胚尺寸：r*=2 σ/ (△gv—ε) 形核功： △ G*=16π σ 3/3 (△gv—ε)2 2.非均匀形核 △ G=V △gv+Aσ ＋εV —△gd
动力 阻力
3.晶体缺陷对形核的作用： １）空位
第一章 金属固态相变特征
basic features of metallic solid-state phase transformation
§1 固态相变的特点
• 驱动力：新相与母相的自由能差 • 阻力:界面能和应变能 • 基本过程：成核（nucleation） • 长大(growing)
一、相界面（phase interface ）
四、应变能
• 1.盘状最小，其次是针状，球形最大。 • ２.主导作用：具体分析。
五、晶体缺陷的影响
• 缺陷的促进作用。
• 思考：晶体中常见的缺陷有哪些？
六、原子的扩散 七、过渡相的形成
§２ 固态相变的形核
• 成核主要在母相的晶界、层错、位错等 晶体缺陷处形成。是非均匀形核。 一、均匀形核 １.形核功： △ G=V △gv+Aσ ＋εV
• 1.弹性应变能:随错配度变化 • 2.错配度:δ= Δa/a
δ<0.05 δ=0.05-0.25 δ >0.25
完全共格 半共格 非共格
一、相界面（phase interface ）
金属界面结构示意图---非共格界面
金属界面结构示意图---半共格界面
半共格界面
金属界面结构示意图---共格界面
• 二、新相长大速度：界、新相形成的转变速度与过冷度的关 系

固态相变理论(研究生课程课件)

固态相变理论(研究生课程课件)

Cu
无序相
Zn
50%Cu+50%Zn
有序相
图1-8 有序－无序合金的原子在晶胞中占位(CuZn合金)
第一章 固态相变总论
Cu
无序相
Au
25%Au+75%Cu
有序相
图1-8 有序－无序合金的原子在晶胞中占位(CuAu合金)
b a
(332) (421) (420) (331) (330) (410) (400) (321) (320) (222) (311) (310) (300) (220) (211) (210) (200) (111) (110) (100)
图1-9 AuCu3合金的粉末X-射线衍射谱示意图 （a）无序相；（b）有序相
第一章 固态相变总论
第一章 固态相变总论
T o ( C)
β
α
50%
500
块型
100%
Ms 4
2
1
3
t
图1-10 T-T-T图中块型转变的温度范围示意图
课程小结（1）
热力学分类：
α β α β α β µ = µ 1. 一级相变： i i ；S ≠ S ；V ≠ V 2. 二级相变： µiα = µiβ ；Sα = Sβ; Vα = Vβ;
课程小结（3）
在α→β的固态相变中，假定形成的晶核为半径为r的球体，则 系统自由焓的变化为：
4 3 ′ + ∆GS ′ ) + 4π r 2γ αβ ∆G = π r ( ∆GV 3 3 γ 16π 2γ αβ αβ * * ∆ G = r =− ′ + ∆GS ′ )2 3 (∆GV ′ + ∆GS ′ ∆GV * ∆ G * 临界晶核的密度： N = NV exp − kT

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.ppt

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MMSCE2000057
菲克第二定律 实际中大多数重要的扩散都是不稳定扩散，
即扩散物质浓度分布随时间而变化。为了研究 这类情况，根据扩散物质的质量平衡，在第一 定律的基础上导出菲克第二定律，用以分析不 稳定扩散。
在一维情况下，菲克第二定律表示为：
MMSCE2000057
当扩散系数D为常数（即与浓度无关），则 菲克第二定律可表示为： 在三维扩散的情况下，菲克第二定律的表达式为：
因此在相变过程中，新相总是倾向于形成具 有一定形状并具有一定界面结构的晶核，以尽量 降低界面能和应变能，从而使形核功降低。
MMSCE2000057
b.非均匀形核 由于绝大多数的固体都包含有各种缺陷，如
空位、杂质、位错、晶界等，因此，实际上很难 出现理想的均匀形核，而相反倒是在上述缺陷处 优先形核，即发生非均匀形核。由于上述缺陷处 具有较高的能，在这些部位形核可以降低形核功， 所以非均匀形核要比均匀形核容易得多。
结果：有相变潜热，并伴随有体积改变。
MMSCE2000057
*二级相变：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。
在转变温度Tc下其吉布斯自由能可
连续变化，又叫连续相变。
即： 1＝2
S1＝S2
1 2(等压膨胀系数)
1 2(等温压缩系数)
C p1 C p2 (热容量)
V1＝V2
MMSCE2000057
1 2
1 2
T P T P
1 2
P T P T

21
T 2
P


22
T 2
P

2
T 2
P
（3） 相变过程的浓度条件 对于溶液中析出固体的相变而言，为使相变

固态相变的特点

固态相变的特点

马氏体转变
贝氏体转变 调幅分解 相 有序化转变
第二节 固态相变的形核与长大
一 均匀形核（能量条件）
1 形核时的能量变化 相变驱动力 △Gv～T曲线 随成分变化
（1）化学自由能（体积自由能，△Gv）
第二节 固态相变的形核与长大
一 均匀形核（能量条件）
1 形核时的能量变化
（2）界面能（，S） /半共格 大， 格
第一节 概
述
第一节 概
二 固态相变的分类
述
2 按相变方式分类 （1）有核相变：有形核阶段，新相核心可均匀形成， 也可择优形成。大多数固态相变属于此类。 （2）无核相变：无形核阶段，以成分起伏作为开端， 新旧相间无明显界面，如调幅分解。
第一节
概
述
二 固态相变的分类 3 按热力学函数变化分类 （1）一级相变：相变时两相的化学位相等， 而化学位对温度及压力的一阶偏微分（－S,V） 不等的相变。伴随潜热的释放和体积的改变。如 蒸发、升华、熔化以及大多数固态晶型转变属于 此类。 （2）二级相变：相变时两相的化学位相等， 化学位的一阶偏微分也相等，但二阶偏微分不相 等的相变。没有相变潜热和体积改变，有比容、 压缩系数、膨胀系数变化，如磁性转变、有序－ 无序转变、超导转变等属于此类。
促进扩散 新相生成处空位消失，提供能量 空位群可凝结成位错 （在过饱和固溶体的脱溶析出过程中， 空位作用更明显。）
（3）空位形核
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。
第二节 固态相变的形核与长大
第九章 固态相变
第一节 概

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*

金属固态相变基础课件


THANKS
感谢观看
在工程领域中的应用
机械制造
金属固态相变在机械制造中发挥 着重要作用，如模具制造、切削
工具、耐磨件等。
航空航天
在航空航天领域，金属固态相变 对于提高飞行器的轻量化、强度
和耐高温性能具有重要意义。
建筑和土木工程
在建筑和土木工程领域，利用金 属固态相变原理制备的钢筋和高 强度钢可以提高结构的强度和耐
久性。
相变过程中的晶体缺陷
晶体缺陷可以作为相变过程中的形核 位置，影响新相的形核和长大过程。
晶体学对称性与相变关系
对称性破缺
在金属固态相变过程中，晶体对称性可能会发生破缺，导致新相的形成。
对称性破缺与物理性质变化
对称性破缺会导致金属的物理性质发生变化，如磁性、电导率等。
PART 04
金属固态相变的动力学基 础
金属固态相变的热力学基 础
热力学基本概念
01
02
03
热力学第一定律
能量守恒定律，表示系统 能量的变化等于系统与环 境之间交换的热量与功的 和。
热力学第二定律
熵增加原理，表示自发过 程总是向着熵增加的方向 进行，即系统总是向着更 加混乱无序的状态发展。
状态函数
描述系统状态的物理量， 其值只取决于系统的状态， 而与达到该状态所经历的 过程无关。
在扩散型相变中，原子通过热激活或 应力驱动，从一个位置移动到另一个 位置，从而在固态中形成新的相。
无扩散型相变
无扩散型相变是指原子不通过 扩散迁移到新相中的过程。
在无扩散型相变中，原子通过 快速重新排列或重组来形成新 的相，而不需要原子进行长距 离的迁移。
无扩散型相变通常在较低的温 度下发生，并且可以在短时间 内完成，因为原子不需要克服 势垒进行迁移。

金属固态相变的分类.ppt

（1）温度足够高，相变过程中有原子扩 散运动，相变速率受原子扩散速度控制；
（2）新相和母相的成分不同； （3）因新相和母相的比容不同而引起一
定的体积变化，但无宏观形状的改变。
无扩散型相变
指转变前后未破坏原有原子的邻居关系， 组元原子的位移不超过一个原子间距， 仅作有规则的切变使晶格改组的转变。 通常是在足够快的冷却速度下（即淬火） 由于原子没来得及进行扩散型相变而引 起的，如马氏体相变。
第一节：金属固态相变的主要类型
按原子的迁移特征分类，可分为扩散型 相变和无扩散型相变。
按相变的平衡状态可以分为平衡相变和 非平衡相变；
按热力学分类，可分为一级相变和二级 相变；
按相变方式分类，可分为有核相变和无 核相变。
1．按热力学分类
相变的热力学分类是按温度和压力对自由焓的 偏导函数在相变点（To，Po）的数学特征—— 连续或非连续，将相变分为一级相变、二级相 变或更高级的相变。
按相变的平衡状态可以分为平衡相变和 非平衡相变。
2.1平衡相变：在极为缓慢的加热或冷却的 条件下获得符合平衡相图的平衡组织的 相变。同素异构转变、多形性转变、平 衡脱溶分解、共析转变、调幅分解、有 序化转变等均属于平衡转变。
（1）同素异构转变和多形性转变
纯金属在一定的温度和压力下，由一种 结构转变为另一种结构的现象称为同素 异晶转变。
2.2非平衡转变
在非平衡加热或冷却条件下，平衡转变 受到抑制，将发生平衡图上不能反映的 转变类型，获得不平衡组织或亚稳状态 的组织。钢及有色合金中都能发生不平 衡转变。如钢中可以发生伪共析转变， 马氏体相变，贝氏体相变、非平衡脱溶 分解等。
(1)伪共析转变
某些成分的钢，当非 共析成分的奥氏体快 冷 到 ES 线 和 GS 线 的 延长线以下阴影区时， 如图所示。同时析出 铁素体和渗碳体，但 二者的相对量随奥氏 体的含碳量而变，故 称为伪共析体。

2.金属固态相变

温 A1 度 过 冷
奥 氏 体
转变开始线
变开始线以左的 区域为过冷奥氏
A
A→P
转变终了线
P B
体区。

转变终了线以
A→B
右及Mf以下为转
变产物区。

MS
两线之间及Ms
Mf
A→M
与Mf之间为转变 区。
M 时间
C 曲线的分析

⑴ 转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。


孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小.
正火 油淬
连续冷却转 变曲线 完全退火
冷却速度.
水淬
等温转 变曲线

Vk’ 为TTT曲线的
200
临界冷却速度.
Vk’ 1.5 Vk 。
100
Vk’Vk
M+A’ M+T+A’ S P
共析钢的CCT图
时间/s

2）过共析钢CCT曲线也无贝氏体转变区, 但比共析
钢CCT曲线多一条A→Fe3C转变开始线。由于Fe3C的 析出, 奥氏体中含碳量下降, 因而Ms 线右端升高.
第一章金属固态相变
概述：固态相变---金属性能的多样性：例： ---应用范围广。“变”---就可利用之， “不变”-此材料难堪大用。---各种强化手 段：位错、第二相、固溶、细晶加之金属 的性能均衡---金属材料广泛应用。 本章简介固态相变的特点、类型、过程； 主要介绍钢的热处理原理

第1节 固态相变的特点
第3节 固态相变的形核与长大

不讲。基本概念略提。
第4节 钢的固态转变 （钢的热处理原理）

1、热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，
以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺.
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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。
第二节 固态相变的形核与长大
三 晶核的长大
1 长大机制 （1）半共格界面
（2）非共格界面
切变长大 台阶式长大
原子直接迁移 原子迁移至新相台阶端部
切变转移到新相中；相界面共格、原子间的相邻 关系不变；化学成分不变。
（如马氏体转变，Fe,C都不扩散。） （3）半扩散型：既有切变，又有扩散。
（如贝氏体转变，Fe切变，C扩散。）
第一节 概 述
二 固态相变的分类
2 按相变方式分类 （1）有核相变：有形核阶段，新相核心可均匀形成，
也可择优形成。大多数固态相变属于此类。 （2）无核相变：无形核阶段，以成分起伏作为开端，
（3）相变动力学
f=1-exp(-btn)
2h
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
第三节 过饱和固溶体的分解
二 调幅分解 1 概念：调幅分解 2 调幅分解的热力学条件和决定因素 3 调幅分解的特点
第二节 固态相变的形核与长大
三 晶核的长大
2 新相长大速度 变化） （1） 界面控制长大
（2）扩散控制长大
新相生成时无成分变化（有结构、有序度
u=exp(-Q/kT)[1-exp(-△Gv/kT)]
新相生成时有成分变化 u=dx/dt=( C/x)D/(C-C)
第二节 固态相变的形核与长大
三 晶核的长大
新旧相间无明显界面，如调幅分解。
第一节 概 述
二 固态相变的分类 3 按热力学函数变化分类
（1）一级相变：相变时两相的化学位相等， 而化学位对温度及压力的一阶偏微分（－S,V） 不等的相变。伴随潜热的释放和体积的改变。如 蒸发、升华、熔化以及大多数固态晶型转变属于 此类。
（2）二级相变：相变时两相的化学位相等， 化学位的一阶偏微分也相等，但二阶偏微分不相 等的相变。没有相变潜热和体积改变，有比容、 压缩系数、膨胀系数变化，如磁性转变、有序－ 无序转变、超导转变等属于此类。
（1）化学自由能（体积自由能，△Gv）
相变驱动力 △Gv～T曲线
随成分变化
第二节 固态相变的形核与长大
一 均匀形核（能量条件）
1 形核时的能量变化
（2）界面能（，S） /半共格 大， 格
相变阻力 取决于界面结构 △T越大，晶核越小，
S 大 共格
（与过冷度有关） △T越小，晶核越
S小 非共
第二节 固态相变的形核与长大
第二节 固态相变的形核与长大
二 非均匀形核（能量条件）
固态相变均匀形核的可能性很小，非均匀形核 （依靠晶体缺陷）是主要的形核方式。
第二节 固态相变的形核与长大
二 非均匀形核（能量条件）
1 不同晶体缺陷对形核的作用
能量高，降低△GK （1）晶界形核 结构混乱，降低
易扩散、偏析，利于扩散相 变
格界面降
第一节 概 述
一 固态相变的特点
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
第一节 概 述
二 固态相变的分类 1 按相变过程中原子迁移情况 （1）扩散型：依靠原子的长距离扩散；相界面非共格。
（如珠光体、奥氏体转变，Fe,C都可扩散。） （2）非扩散型：旧相原子有规则地、协调一致地通过
第一节 概 述
一 固态相变的特点
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。
第一节 概 述
一 固态相变的特点
4 母相晶体缺陷促进相变 点…
缺陷类型 线… 晶格畸变、自由能高，促进形核及相变。 面… （思考：晶粒细化对相变的影响）
三 常见固态相变类型 第一节 概 述
相变名称
相变特征
同素异构转变
同一种元素通过形核与长大发生晶体结构的变化
多型性转变
合金中晶体结构的变化
脱溶转变
过饱和固溶体脱溶分解出亚稳定或稳定的第二相
共析转变
一个固相转变为两个结构不同的固相

包析转变
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
马氏体转变
一 均匀形核（能量条件）
1 形核时的能量变化
（3）应变能(,V)
相变阻力
共格应变能：共格大，半共格小，非共 格0
分类 球状最大
比体积差
状最小
体积应变能
新相几何形状
片
针状居中
第二节 固态相变的形核与长大
一 均匀形核（能量条件）
2 形核的能量条件 △G＝－V△Gv+S+ V<0 rK=2 /(△Gv-) △GK=16/3(△Gv-)2
第九章 固态相变
第一节 概 述
一 固态相变的特点
1 相变阻力大
界面能增加 额外弹性应变能：比体积差
扩散困难（新、旧相化学成分不同时）
固态相变 困难
第一节 概 述
一 固态相变的特点
2 新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系 * 新相的某一晶面和晶向分别与母相的某一晶面、晶向平行。 共格…
界面类型 半共格… 降低界面能,形成共格、半共格界面 位向关系 非共格…
高驱动力
（2）位错形核 形成部分
新相生成处位错消失，能力释放，提
……位错不消失，可作为半共格界面的
易于发生偏聚，有利于成分起伏 易于扩散，有利于发生扩散型相变
第二节 固态相变的形核与长大
二 非均匀形核（能量条件） 1 不同晶体缺陷对形核的作用
（3）空位形核
促进扩散 新相生成处空位消失，提供能量
空位群可凝结成位错 （在过饱和固溶体的脱溶析出过程中，
新相/母相形成共格、半共
低界面能
第二节 固态相变的形核与长大
二 非均匀形核（能量条件）
1 不同晶体缺陷对形核的作用
能量高，降低△GK （1）晶界形核 结构混乱，降低
易扩散、偏析，利于扩散相 变
格界面降
新相/母相形成共格、半共
低界面能
第二节 固态相变的形核与长大
二 非均匀形核（能量条件） 1 不同晶体缺陷对形核的作用
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
贝氏体转变
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
调幅分解
非形核转变，固溶体分解成结构相同但成分不同的两相
有序化转变
合金元素原子从无规则排列到有规则排列，担结构不变。
第二节 固态相变的形核与长大
一 均匀形核（能量条件）
1 形核时的能量变化