第二讲 金属固态相变概论及热力学.ppt

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1、界面能：界面处的原子结合键与两相内部原子键合的差别所导致的能量升高。（由界面上原子排列不规则产生点阵畸变，引起能量升高，这部分能量称为界面能）界面上原子排列不规则将导致两相界面能升高。两相界面有吸附溶质原子的作用。溶质原子趋向于在界面处偏聚，使总的能量降低。弹性应变能：新旧相比容不同、相界面原子排列差异而产生的应力、应变所引起的能量。(与新旧相的比容差、弹性模量、新相形状有关)固态相变的阻力：界面能，弹性应变能二、金属固态相变主要特点1、相界面（1）共格界面：定义：两相结构、点阵常数基本相同或相近，两相原子之间完全匹配。分类

2、：第一类共格，靠正应变维持第二类共格，靠切应变维持错配度：错配度小于0.05特点：共格界面界面能小，弹性应变能大。共格界面必须依靠弹性畸变来维持。（2）半共格界面当错配度在0.05—0.25时，在界面上将产生一些刃型位错，两相原子变成部分共格。半共格界面：界面能较大，弹性应变能较小；（3）非共格界面当错配度大于0.25时，两相原子之间的匹配关系便不再维持，变成非共格界面。非格界面：界面能大，弹性应变能小。结论：1）金属固态相变时，两相之间将产生界面能和弹性应变能。2）金属固态相变的相变阻力：界面能和弹性应变能；3）两相界面共

3、格时，界面能最小、弹性应变能最大；4）新相呈球状时，界面能最低，应变能最大。5）过冷度大时，临界晶核尺寸很小，两相界面易取共格方式以降低界面能，从而降低总的形核功，易于形核。6）过冷度小时界面能不起主导作用，易形成非共格界面。fcc{111}<110><111>ABC密排面密排方向堆垛方向堆垛次序bcc{110}<111><110>AB2、位相关系和惯习面（共格、半共格）惯习面：在母相上开始形成新相的一定晶面。表示：以母相的晶面指数。结构：晶面上新相和母相原子排列相近，界面能小。两相中存在着保持平行关系的密排晶面和晶向例如：

4、K-S关系{111}r//{110}a’〈110〉r//〈111〉a’1）错配度小于0.05时两相完全共格，且有一定的位相关系；2）错配度在0.05~0.25之间时两相为半共格，有一定的位相关系；3）错配度大于0.25时，两相之间易形成非共格，无位向关系。3、过渡相的形成：当新相、母相的晶体结构差异较大时，只能形成非共格界面，使界面能和形核功升高，相变不易发生。此时往往先形成晶体结构或成分与母相相近的亚稳定过渡相，然后再继续转变直至平衡相。4、晶体缺陷的影响晶体中的缺陷：位错、空位、间隙原子、晶界等缺陷处的特点：有大的能量、

5、结构、成份起伏形核功大小依次为：均匀形核空位形核位错形核晶界形核5、原子的扩散随着过冷度增大，相变驱动力增大，相变速度增大，但原子扩散能力减小。三金属固态相变的形核1、金属固态相变的热力学条件1.1、相变的驱动力（相变的热力学条件）1）新旧两相的自由能之差2）新相的自由能低于旧相任何变化自发进行的条件都是：ΔG〈0，ΔG=ΔH-TΔS改变温度可获得相变热力学的条件。对于固态相变，当驱动力ΔG相变=G新–G旧〈0时，相变将自发进行。分析图：a.产生相变的条件？b.影响驱动力的因素？c.相变进行的方向？ΔG相变=G新–G旧

6、〈0过冷度、过热度相变总是朝着自由能降低的方向进行因为：G随T增加而降低，S随T增加而增加ΔG=ΔH-TΔS激活能Q：使晶体原子离开平衡位置迁移到另一新位置的能量，表示相变势垒的高低。温度越高，激活能越小，相变阻力就越小，相变越容易进行（指扩散型相变，非扩散相变的激活能为零）。1.2、金属固态相变的阻力相变阻力：界面能和弹性应变能。相变势垒：相变时晶格改组所必须克服的原子间引力。势垒高低用激活能衡量2、金属固态相变的形核金属固态相变的方式：形核和核长大形核种类：均匀形核和非均匀形核形核位置：主要在母相的晶界、层错、位错等晶体

7、缺陷处。2.1.均匀形核：形核驱动力：新旧两相的自由能之差形核阻力：界面能和弹性应变能系统自由能的总变化：ΔG=–V·ΔGV+S+V形核条件：在一定的过冷、过热下，ΔG<0临界晶核半径：临界晶核的形核功：临界晶核半径和形核功：与表面能和弹性应变能成正比。临界晶核半径和形核功：随过冷度增大而减小形核率：与激活能、形核功成反比。均匀形核时的激活能大、形核功大，所以形核率低。2.2.非均匀形核形核部位：母相中的各种晶体缺陷或晶界处。系统自由能的总变化：ΔG=–V·ΔGV+S+V–ΔGd特点：晶体缺陷消失或减少所降低的能量Δ

8、Gd将促进形核。（1）晶界形核：界面可以提供所储存的畸变能来促进形核。（2）位错形核：位错促进形核有三种形式：新相在位错线上形核时此处位错线消失时促进形核；位错线不消失，成为半共格界面中的位错部分，补偿了错配、降低了新相的形核功；新相与基体成分不同时，溶质原子在位错线上偏聚形成气团，有利于