相变1PPT(绪论、形核功计算)

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1、任课教师材料热力学与固态相变（固态相变部分）Transformationinsolids杨川材料学院金属材料系2014.12第2页，共19页绪论1.研究意义固相(solidphase):一定成分原子(分子)以特定排列构成的固态集合体固相特征:相内部成分结构处处均匀；有明显的界面与其他相分开；界面处出现成分与结构的不连续变化19世纪中期:钢铁大量代替铜制作重要部件问题:同一成分的钢性能完全不同，某些情况下钢使用过程中完全可靠，在另外情况下钢完全不能适用疑虑:能否继续用钢制作重要零件?工业危机（中国类同

2、）问题：十九世纪材料问题引起工业危机？切尔诺夫点？1868年切尔诺夫论文的主要结论第4页，共19页十九世纪金属材料史上最重要发现:1.成分确定情况下,组织结构决定材料性能2.固态相变规律是开发新工艺，提高材料性能、开发新材料的基本规律之一.现代翻译：质点=原子;重新改组=排列变化=固态相变主要结论“钢在固态下具有临界温度,在临界温度时能使钢中的质点发生改组,使钢具有新的特性”论文受到极高度评价；尤其在他逝世后切尔诺夫值得钦佩的三点第4页，共19页3.采用的研究方法：肉眼+放大镜进行断口与组织分析上世

3、纪宏观分析方法获得：马氏体最基本规律，宏观组织分析至今重要作用：钢材检测；酸浸、断口试验仍然是最重要检测手段之一2.预言“钢铁工业今后一定会不断的进步,但是绝不会离开今天我们所指出的道路”年仅29岁提示：在进行科学试验时注意宏观现象分析1.短时间内发现问题根源宏观分析重要性案例第4页，共19页例2：出口澳车风扇断裂Q345材料；设计计算最大应力157MPa2.主要讨论内容:第4页，共19页1.均匀形核基本规律与定量计算(热力学具体应用）2.马氏体相变基本规律及典型应用基本规律获得、马氏体定义、相变规

4、律应用；与基本规律相关理论问题(位向关系？标准投影图？）3.朗道理论与应用研究思路、相变热力学分类、二级相变郎道理论及应用、一级相变郎道理论及应用。3参考书第4页，共19页1.金属与合金中的相变李长海等译2.金属物理冯端等3.固态金属中的扩散与相变戚正风4.相变原理徐祖耀5.合金中扩散性相变与热力学李清斌译考试：闭卷（认真完成作业）上课时间：以讲完内容为标准一.均匀形核基本规律与定量计算1.1.均匀形核(homogenousnucleation)基本规律2）形核必须过冷（或过热）提供能量克服阻力1）

5、形核产生界面与应变；阻力来源界面能与应变能3）通过能量、结构、成分起伏形成临界晶核基本概念与试验依据：4)临界晶核（criticalnucleus)与形核功r*=2γ/(ΔGv-ΔGs)ΔG*=16πγ3/3(ΔGv-ΔGs)2晶界形试验依据：F沿晶界形成长大P沿A/F晶界形核长大；也有在晶内形核5）一般在晶界形核（非均匀形核）定性规律应用r*=2γ/(ΔGv-ΔGs)；ΔG*=16πγ3/3(ΔGv-ΔGs)26）r*、ΔG*定量计算？1.控制ΔT是细化晶粒有效手段2.减少γ、ΔGs；与界面类型有

6、关3.因为晶界形核，所以母相细化影响晶粒尺寸第2页，共19页基本规律与试验依据形核机理与界面有密切关系共格界面:新旧相原子在界面处一一对应.推论1.新相与母相如果形成共格界面，必存在位向关系。推论2.一定产生界面能与应变能界面能0.1-0.2J/平方米应变能最高第4页，共19页δ错配度：形成共格界面δ小于5%（经验数据）半共格界面:共格区+位错区;界面能0.2-0.5J/m2应变能居中非共格界面:界面原子完全不吻合;界面能0.5-1.0J/m2；应变能最低.形成共格界面条件1.2.临界晶核尺寸计算【

7、形核驱动力(DrivingForces)计算】固溶体自由能有两种计算方法方法1化学位法:G=UAXA+UBXBUA=GA+RTlnaAUB=GB+RTlnaB方法2混合自由能法:G=G1+ΔG混G1=XAGA+XBGBΔG混=ΔH混-TΔS混固溶体自由能曲线分析方法2混合自由能法:G=G1+ΔG混G1=XAGA+XBGB固溶体化学位法类似纯组元自由能代化学位ΔG混=ΔH混-TΔS混模型:α中析出β的形核驱动力分析当α中大量析出β相,α中成分降到平衡点时混合相自由能；由A点确定.β相形核时,过饱和固溶

8、体成分不会很大的改变,仅在微小区域发生浓度起伏,并没有达到平衡ΔG0=AB;相变驱动力;并非形核驱动力计算思路：形核分两步实现:1.α内微区浓度起伏达到形成β相的成分ΔG12.进行结构变化形成β相晶核ΔG2分析:浓度起伏区仅成分达到β,但结构还是α固溶体；此时α中平均成分不变,仅不均匀,所以ΔG1中A,B化学位由过X0处切线确定.ΔG1=UαA(x0)XAβ+UBα(x0)XBβ结论：ΔG1由X0切线P点纵坐标确定β相晶核摩尔自由能:ΔG2=UAβXAβ+UBβXBβ