相变与位错及扩散

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1、1相变规律、位错及扩散相变基本规律位错简介扩散简介2相变的分类(1)按相变时热力学参数变化的特征分类。分为一级和高级相变。(2)按相变方式分类形核长大型：在很小范围(很小体积)中原子发生相当强烈重排的涨落；形成新相核心，然后向周围长大。核心和母相间有界面存在，因而引入了不连续区域，就这个意义看，相变是非均匀的、不连续的（也称为非均匀或不连续相变）。连续型：大体积范围原子发生轻微重排的涨落。3扩散型相变：依靠原子扩散进行；无扩散型相变：无原子扩散，或虽存在扩散，但不是相变所必需的或不是主要过程。(3)按原子迁移特征分类4相变驱动力定义为在恒温恒压条件下，摩尔吉布斯自由能的净降低量（与再结晶驱动力

2、比较）。纯组元多形性相变的驱动力摩尔转变熵摩尔转变焓若过冷度不大，和可近似看作常数。这时：5脱溶转变的驱动力反应式：aa’+β相变时自由能变化按热力学关系式有：按定义得到：若a相是理想溶体，活度和成分相等。6相变的形核固态相变形核过程的多样性：可是扩散的或无扩散的；可同时完成晶体结构和成分的变化，也可使成分不变仅使晶体结构改变（如块形相变）或使结构不变仅成分改变。注意点：形核驱动力不同于相变总驱动力。形核的驱动力和核心成分驱动力考察：成分为Xβ的少量物质由α相移至β相的自由能变化形核驱动力形成/阻力能量涨落7核心成分按最大形核驱动力的条件：=当已知纯组元相变的热焓变化和熵变化时，可用试探解法求

3、核心成分Ｘm。问题：因界面能的存在，使a相和β相的自由能都会改变，这会引起核心的成分改变。8亚稳平衡过渡相的形成从相变的总体看，相变应以转变成最稳定相告终，这是因为这个过程的总吉布斯自由能降低是最多的。右图却说明亚稳相析出的形核驱动力可能更大。在转变为平衡相之前的一种过渡性产物称为过渡亚稳相。这种过渡亚稳相能够存在多久，还要看相变的动力学条件。铁-碳合金中的Fe3C相是亚稳定相的典型例子，石墨是稳定相，但由于它形成十分缓慢，以至我们常看到的是亚稳定的Fe3C相而不是石墨。9形核理论经典形核理论是由Volmer和Weber以及Becker和Doring对汽-液和汽-固相变提出的，并且由Becke

4、r首先将其应用于固态相变。固态相变形核时最重要的是应变能项。形成一晶胚的自由能变化：临界半径形核功10界面能的作用界面能是形核的阻力。固态相变中，新相和母相均是晶体，因此新/母相界面可能共格、半共格或非共格。两相间界面能随界面两侧原子排列匹配程度加大而减小。形核时总希望有最低的总表面能。非共格界面能很高，若调整核心和母相的取向关系，使核心出现尽量多的共格或半共格界面，就会减小形核功，形核过程便易于进行。11若母相和稳定的新相的晶体结构差异很大，以至于不管新／母相如何调整取向关系也不可能形成共格的低能界面，则有可能形成与母相呈共格界面关系的另一种亚稳定相。对共格界面，界面两侧原子排列的间距差异是

5、由两相的弹性应变能承担的。当新相长大时，弹性应变能加大，将会在界面上引入位错网络来降低弹性应变能，变成半共格界面。新相长大到更大尺寸时，共格关系使总界面能的减少不足以补偿维持共格所引起的弹性能或结构能，新相和母相间就失去共格关系。12应变能的作用抵消形核驱动力（是阻力）。分两类：•共格界面引起；•体积不同引起或扩散速度不同引起；多数情况是核心中原子数目和形成核心前原来这个区域中母相的原子数目相同，但新相和母相的每一个原子所占据的体积不同。另一种途径是由于母相中各组元的扩散速度有显著差别，使得形成的核心中包含的原子数和形成核心前这个区域的母相的原子数目不相同。如Cu-Zn合金中从b相中析出富锌的

6、g相（锌扩散速度快）。影响应变能的因素和应变能大小数量级：新相形状；弹性性质；应变能随应变的平方增加。如铝的E为70GPa，1%的应变就会引起3.5MJ×m-3的应变能，若5%应变则引起25×3.5MJ×m-3的应变能。13共格时：应变能是由共格应变引起的。若母相是各向同性、且母/新相的弹性模量相等，则总应变能和析出物形状无关。可表达为：三个影响因素当新相弹性模量不同于母相时，则应变能与形状有关。新相弹性模量大时，呈球状时应变能最小；若新相弹性模量小时，呈圆片状时应变能最小。一般母相都不是各向同性的，析出的新相往往以它引起最大应变的方向和母相低弹性模量方向平行以使总的应变能最低。当析出新相是圆

7、片状时，在片面方向的错配度较小，在垂直于片方向的错配比较大。14非共格时，应变能：受体积变化和新相形状影响，f(c/a)随c/a的变化核心总是倾向于以使其总的表面能和应变能最小的方式形成，对于共格的析出物，从总界面能看，一般以球状的最低，但从应变能看，一般以片状最低。当错配度比较低时（d<5%），应变能的影响不如界面能重要，析出物以球状存在可达最小的自由能；当错配度比较高时（d>5%），析出物呈圆