[工学]第八章组织转变动力学与显微组织

[工学]第八章组织转变动力学与显微组织第8章组织转变动力学与显微组织问题相变如何开始的?相变过程进行的速度有多快?工艺因素和材料特性对相变有什么影响?通过转变形成的相的稳定性如何?相变机制是什么，其对材料的微观组织和性质有何影响?1.基本概念相：物理性质和化学性质完全相同且均匀的部分在宏观尺寸范围内相是均匀的，具有一定的热力学性质(如内能、焓、熵等)；相间有界面；系统的热力学条件改变时，相的自由能会发生变化，相结构也相应发生变化。组织：在光学显微镜下观察到的材料特征，包括晶粒和相的尺寸及形貌、晶界和相界等。结构:在XRD、TEM等仪器中观察到的原子排列...

第8章组织转变动力学与显微组织问题相变如何开始的?相变过程进行的速度有多快?工艺因素和材料特性对相变有什么影响?通过转变形成的相的稳定性如何?相变机制是什么，其对材料的微观组织和性质有何影响?1.基本概念相：物理性质和化学性质完全相同且均匀的部分在宏观尺寸范围内相是均匀的，具有一定的热力学性质(如内能、焓、熵等)；相间有界面；系统的热力学条件改变时，相的自由能会发生变化，相结构也相应发生变化。组织：在光学显微镜下观察到的材料特征，包括晶粒和相的尺寸及形貌、晶界和相界等。结构:在XRD、TEM等仪器中观察到的原子排列特征相变：随自由能变化而发生的相结构变化。第1节引言举例：2.相变的分类按物质状态划分：液相(liquid)→固相(solid)→气相(gas)按热力学分类：一级相变和高级(二级、三级、…)相变，各有其热力学参数变化的特征。按相变机理分类：扩散型相变和无扩散型相变相变过程：近平衡相变和远平衡相变物态之间的相变固相液相(熔化)固相气相(升华)液相固相(凝固)液相气相(蒸发)气相液相(凝聚)气相固相(凝聚)此外还有：液相A液相B固相A固相B按热力学分类一级相变晶体的熔化、凝固、液相沉积、升华等。金属及合金中的多数固态相变都属一级相变。二级相变超导态相变、磁性转变、部分无序-有序转变都为二级相变S1=S2V1=V2按热力学分类按相变机理分类扩散型相变，发生成份变化，两相中的原子要进行长程扩散(如固溶体脱溶反应、共析转变、沉淀析出反应等)。非扩散型相变无成份变化，无原子扩散，相变通过相界面的滑动或切变过程进行。新相长大速度是极快的，通常称这种相变为切变型相变，如马氏体相变。半扩散型相变介于扩散型和非扩散型之间的扩散(贝氏体转变等)。两种典型的扩散性相变金属中的相变大多数工业合金在铸造成形后的冷却过程都会发生固态转变。很多工业合金通常要经过特定的热处理，在热处理过程中通过固态转变改变了组织和性能。陶瓷和聚合物中也有相变现象。如Al2O3、SiC、Si3N4、ZrO2等。3.材料相变的实际意义第2节组织转变的基本特征一、相变的本质相变涉及到原子排列方式的变化相变时体系有体积变化，有时同一种相态(固相)内也会有体积变化(如Sn)，这会在固相内产生应变和内应力；新相与旧相之间存在界面。相变时存在阻力为了促进相变的进行，需要足够的驱动力二、相变的驱动力三、相的均匀形核1.液相中的均匀形核假设条件：固相与液相的界面能是各向同性的单位面积的界面能与固相尺寸无关过冷度T越大则r*和G*越小，形核势垒越小，形核速率相对越大。形成临界晶核时，∆Gv的下降值只能补偿表面能的2/3，还有1/3的∆Gs必须从能量起伏中获得。形核功:∆G=4/3r3∆GV+∆Gs(∆Gs=4r2）熔体中的能量起伏问题系统的能量分布有起伏，呈正态分布形式。能量起伏的含义：在瞬时各微观体积的能量不同某一微观体积不同瞬间的能量分布不同。在高能微区形核(ΔGV的绝对值很大)，可以全部补偿表面能。只有在一定过冷度下、在高能区、具有大于r*的近程排列的原子集团可以形成固相的稳定核心，使系统吉布斯自由能降低，满足△G 方法电阻法、硬度法、磁性能测定法…七、固态相变的特点晶体结构的变化:如纯金属的同素异构转变、固溶体的多型性转变、马氏体相变；化学成分变化:如单相固溶体的调幅分解，其特点是只有成分转变而无相结构的变化；有序程度的变化:如合金的有序化转变，即点阵中原子的配位发生变化，以及与电子结构变化相关的转变(磁性转变、超导转变等)。相变驱动力:为新相与母相间的自由能差值相变规律与液态和气态中的相变不同固态相变阻力大固态相变时形核的阻力，来自新相晶核与基体间形成界面所增加的界面能以及弹性能E。界面能包括化学项和几何项。应变能E产生的原因是新相和母相的比容差。在相变过程中通过新相的析出位置、颗粒形状、界面状态等，相互调整，以使+E为最小。固态相变的阻力大一些。原子迁移率低固态金属中的原子扩散速度远比液态的为低，因此原子的迁移率低。固态更易于过冷，相变也就在很大的过冷度下发生。随着过冷度的增大，相变驱动力增大，同时由于转变温度降低，引起扩散系数降低。由于过冷度增大，形核率高，相变组织变细。在过冷度大到一定程度后，扩散系数降低的影响将超过相变驱动力增大的效果，导致扩散型相变速度减小。非均匀形核固相中的形核几乎总是非均匀的。固体中的缺陷如非平衡空位、位错、晶粒边界、堆垛层错、夹杂物和自由表面等非平衡缺陷都提高了材料的自由能，它们都是合适的形核位置。如果晶核的产生结果是使缺陷消失，就会释放出一定的自由能，因此减少了(甚至可以消除)激活能势垒。母相的晶粒愈细，缺陷的密度愈高，则形核愈多，相变速度愈大。新相往往都有特定的形状液一固相变一般为球形晶核，其原因在于界面能是晶核形状的主要(甚至是唯一)控制因素。固态相变中体积应变能和界面能的共同作用，决定了析出物的形状。在新相与母相保持弹性联系的情况下，取相同体积的晶核来比较：新相呈碟形(片状)时应变能最小，呈针状时次之，呈球形时应变能最大。而界面积却按上述次序递减。当应变能为主要控制因素时，析出物多为碟形或针状按新相一母相界面原子的排列情况不同，存在共格、半共格、非共格等多种结构形式的界面新相与母相之间存在一定的位向关系目的在于降低新相与母相间的界面能。通常是以低指数的、原子密度大的匹配较好的晶面彼此平行，构成确定位向关系的界面。例如碳钢中的-aM转变，{111}//{110}aM，<110>//<111>aM。通常，当相界面为共格或半共格时，新相与母相必定有位向关系；如果没有确定的位向关系，则两相的界面肯定是非共格的。为了维持共格，新相往往在母相的一定晶面上开始形成这也是降低界面能的又一结果。母相中的这个晶面称为惯析面，一般为母相中表面能最低的晶面。例如0.4％C的碳钢，aM的惯析面是奥氏体的{111}，表示为{111}。总结结束！

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