材料科学基础知识总结

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1、第^一章固态相变与材料处理第一节固态相变总论一.固态相变的特点与分类I舌I态相变时至少存在以下变化之一：晶体结构的变化；化学成分的变化；有序度的变化，如合金的有序化转变，即点阵中原子的配位发牛变化相变的驱动力是新相和母相间的自由能之差驱动力靠过冷度来获得阻力：新和品核形成时引起的界面能和体积应变能，固态相变也符合最小自由能原理。1）固态相变的特点1•固态和变阻力人2.原子迁移率低3.非均匀形核4.新和有特定形状5.相界面结构关系6.存在一定的位向关系和惯习血2）固态相变的分类1.按热力学分类-•级相变：有体积变化，有相变潜热（放热或吸热），大多数相变属于一

2、级相变；二级相变：二级相变时仅有材料的压缩系数、比热容、热膨胀系数变化。如磁性转变、有序转化。2.按动力学分类：依据原子运动特征分扩散型相变：相变吋有原子长距离扩散（超过原子间距），导致成分变化，大多数相变属于扩散型；无扩散型相变：没有原子扩散，相变前后没有成分变化：（如马氏体相变）3.按相变方式分类：形核■长人型相变：新相与母相间有界面，人多数相变为此类；无核相变：新IH相Z间无明显界面，如调幅分解。二.相变的热力学1）相变时自由能的变化假设在均匀母相a中形成一个半径为r的球形新相P,则系统总自由能变化屋为：AGAG=G0・GaGa代表原始相（即母相）的

3、Gibbs自由能GB代表生成相（即新相）的Gibbs自由能固态相变时形成半径为r的球形晶胚所引起系统自由能的变化（AG）为：AG=-（4n/3）r3（AGV+AGE）+4^2yaPAGv—形成单位体积品核时的自由能变化，常为负值；AGE•…形成单位体积晶核时所产生的应变能；Y…•晶核与基体之间交界面的单位面积界面能化学自由能使系统的总自由能降低，是相变的驱动力；而界面能和应变能是相变的阻力。相变发生的条件是系统的总自由能的下降，即△©＜（）2）相变时临界形核条件形成临界品核必须首先克服形核势垒AG*,ZG*称为临界晶核的形核功AG*=16兀几03(AGV

4、+AGJ上式表明：形成临界晶核时要有AG*值的自由能增加。过冷度越大，形核功减小，新相易形核；当界面能和应变能增大时，临界晶核尺寸增大，形成功增高，新相生成困难。一.相变的动力学形核速率和长人速率共同控制形核速率…I_kexp(-°kt)式中，k-系数，AG*-临界形核功，Q-扩散激活能，K-玻尔兹曼常数，「热力学温度形核速率存在一个极大值，这是山于随着温度降低，一方而过冷度增人，形核及相变驱动力增大；那一方面扩散系数降低，原子的迁移率降低，扩散速度下降，不利于晶核的形成。在加热转变吋，随转变温度的升高，过热度和扩散系数同吋增大，因此形核速率呈单调迅速增加

5、的趋势。冷度的关系曲线长大速率“新相长大速率主要对扩散型相变冇实际意义。在扩散型相变中，一界而控制长人：新相形成吋没有成分的改变，只有结构或有序度的变化，如纯金属的同索异构转变，只要紧邻相界的母相原子作近程扩散越过相界，新相即长大。二扩散控制长人：新旧两相的成分不同，如过饱和固溶体的分解，需要溶质原子进行长程扩散迁移到新相，才能使新相长大。界面控制的新相长人速率u受相变驱动力AG和扩散系数D两个因数控制，扩散控制的新相长大速率与扩散系数及相界附近母相的浓度梯度成正比，与相界两侧的两相之成分浓度差成反比。第二节过饱和固溶体的分解必要条件是固溶体的溶解度随温度

6、的降低而减小1）脱溶分解从过饱和固溶体中析出第二相或形成溶质富集的亚稳定区过渡相的过程，称为脱溶分解Tr2r3固溶度线Bl%2）调幅分解调幅分解和形核长大方式分解的対比特点：新相的形成不经形核长人，而是通过自发的成分涨落，浓度的振幅不断增加特征：不经过形核，不出现另一种晶体结构，也不存在明显相界，直接通过扩散（上坡扩散）形成析出相产物：一种由溶质原子组成的共格贫、富区域，但在光学显微镜下难以分辨。两相成分不同,但晶体结构相同，并相互保持共格，组织细小，呈周期性图案。脱溶类型H由能■成分曲线特卢条件形核特点新相成分与结构界面特点扩散方式转变速率调幅分解凸口

7、发起伏非形核成分变化，结构不变宽泛上坡高形核长人凹过冷度，临界形核功形核成分、结构改变明晰下坡低第三节钢的加热及组织转变一•奥氏体的形成1）奥氏体化过程奥氏体形核奥氏体残余渗奥氏体(F/FesC相晶核长碳体溶成分均界）大解匀化F/Fe3C相界面处首先形核，形成A/F、A/Fe3C多个界面，长人过程为界面扩散过程F首先消失（加热温度越高，消失越快），此时A屮含碳量较低，Fe3C逐渐溶解，有一均匀化过程2）影响奥氏体转变速度的因素1.加热温度：Tf-A化f,（Dt-C浓度梯度人）2.加热速度：Vf-转变开始温度t,转变时间I3.钢屮含碳量：C%t-＞铁索体与渗

8、碳体的相界面増人一转变速度加快4.合金元素钢中加入合金元素显著影响