1-固态相变的基本原理(研究生)-201808

1晶胚（embryo）:在母相中形成的热力学不稳定的原子或分子集团。形核过程：以这些晶胚或新相的起伏为基础，依靠原子热激活的扩散迁移，形成尺寸最小的热力学稳定相原子集合体的过程。晶胚（embryo）→晶核（nuclei）第二章固态相变的基本原理§1固态相变的形核高分辨场粒子显微镜+原子探针+计算机数据处理21、均匀形核与凝固过程相比，增加了一项应变能∆G=V∆Gv+Sσ+εV(1-1)相变驱动力：V∆Gv，新旧相间自由能差相变阻力：Sσ+εV，界面能+应变能3设形成的新相晶核为球形对于r求导：球形晶核的自由能变化0)(drGd可得临界晶核尺寸：)21(2*VGr形成临界晶核的形核功)31()(31623*VGG形核功：晶核长大到r*所需克服的能垒或所做的功42、非均匀形核晶体缺陷储存的能量可使形核功降低，促进形核∆G=V∆Gv+Sσ+εV-∆Gd(1-5)-∆Gd----由于晶体缺陷消失所降低的能量经典的非均匀形核理论（复习）5)(4)cos1)(cos2()(316*223*fGGGrVLXhVLXGR3*2讨论：1）θ=0，cosθ=l，f(θ)=0，ΔGh*=0，不存在形核势垒；完全润湿2）θ=90，cosθ＝0时，形核势垒降低一半；3）θ=180，cosθ=-1，异相完全不被润湿时6无析出区（PFZ）的形成原因贫溶质理论：空位对脱溶沉淀有促进作用，是沉淀相非均匀形核的位置。贫空位理论：晶界附近的过饱和空位扩散到晶界而消失。（1）空位空位通过促进溶质原子扩散或利用本身能量提供形核驱动力。空位团可凝聚成位错而促进形核。7（2）位错位错从三方面促进形核：围绕位错形核后，位错消失，释放出畸变能。对于半共格晶核，原有的位错成为界面位错，补偿了错配，降低了形核功。溶质原子常在位错线上偏聚，容易满足新相成分上的要求。8形核时自由能变化（单位长度）A=Gb2/4πK讨论位错形核时形核自由能∆G与核半径的关系9位错类型对形核的影响：新相形成择优选择刃位错作为形核地点。因刃位错形核激活能低于螺位错。刃位错：BC；螺位错：AB、CD10（3）晶界大角晶界具有较高的界面能，在晶界上形核可利用晶界能量，使形核功降低。有三种位置：a)界面b)界棱c)界隅晶界形核时三种位置11界面形核时晶核形状三晶粒相交的界棱四晶粒相交的界隅12晶界不同位置形核功比较θ--接触角界隅形核的形核功比其他位置小界隅位置在多晶体中所占的体积分数最少形核位置的择优顺序：铁素体/奥氏体相界→晶界→非共格孪晶界→共格孪晶界133、形核率（1）定义：单位时间在单位体积母相中所形成的晶核数目（2）控制因素临界尺寸核胚的数目，它与获得能量涨落的几率因子有关临界核胚稳定成为晶核的速率，它受原子扩散的影响（3）表达式)41(expkTQGNN14)41(expkTQGNN（4）讨论：极大值修正：考虑时间15形核率的变化：相变过程中，形核率不是恒定的。随析出过程的进行，基体中过饱和度逐渐降低，形核率也降低。三个阶段：（1）形核过渡期：形核前通常存在一段孕育期。扩散聚集形成晶胚，原子扩散需要时间。（2）稳定形核期：形核驱动力保持不变，合金中的原子不断向晶胚聚集形成潜在的晶核。（3）驱动力下降阶段：随析出相的不断增多，固溶于基体内的溶质浓度不断下降，过饱和度降低，当基体浓度接近平衡浓度时，形核率趋近于0。16§2新相长大的基本原理1、长大类型（1）界面控制长大（成分不变的新相长大）对无成分变化的相变，新相的长大主要取决于靠近相界面的原子迁移来达到，而不涉及原子的长程扩散。（2）扩散控制长大（成分变化的新相长大）对有成分变化的相变，新相的长大主要取决于溶质原子的长程扩散。172、新相长大速度(1)界面控制长大无成分变化的新相长大激活能示意图18原子在母相α和新相β间往返的频率分别为:激活能激活能新旧相自由能差波尔兹曼常数原子振动频率，VVVGQQGkkTGQfkTQf)71(exp)61(exp19设单原子层厚度为δ，则界面迁移速率为：)81(exp1exp)(kTGkTQffVV可见：新相长大速率与驱动力之间不是简单的线性关系。20过冷度较小时，∆GV→0)91(exp1expkTQkTGVkTGkTGVVV温度一定，两相的自由能差增大，新相长大速率增加。21过冷度较大时，∆GVkT随温度降低，新相长大速率按指数函数减小。)101(exp0expkTQVkTGV22(2)扩散控制长大成分发生改变的相变，受传质过程，亦即扩散速度所控制。(a)平衡相图(b)界面附近浓度分布23两种情况：①富溶质相：新相溶质浓度高于母相②贫溶质相：新相溶质浓度低于母相无论哪种情况，新相一旦形成，母相中会产生浓度差，这一浓度差会造成溶质原子扩散，以降低浓度差，而这将使相界面的平衡状态受到破坏，引起相间扩散，以恢复相间处的平衡，因此新相长大速度受溶质的扩散速率所控制。24根据Fick第一定律，扩散通量为dxCDxx0)111()(00xxxxxCCCDddxVdxCDdxCC25代入η=vt，解出随着温度的下降，溶质在母相中的扩散系数急剧减小，故新相的长大速率降低。26新相长大速度与过冷度的关系27长大过程的界面失稳？典型析出相的长大速率？针状相、片状相：线性长大模型层片状：双相稳态协同生长-cooperativegrowth球状相（颗粒状相）283、长大机制(1)半共格界面的迁移要随界面移动，位错要攀移台阶侧向移动，位错可滑移台阶长大机制2930（2）非共格界面的迁移31（3）协同型长大机制无扩散型相变，原子通过切变方式协同运动，相邻原子的相对位置不变如马氏体相变，会发生外形变化，出现表面浮凸新相和母相间有一定的位向关系马氏体相变表面浮凸32§3固态相变动力学研究内容：新相形成量(体积分数)与时间、温度关系相关因素：形核速率、长大速率、新相形状动力学方程（1）Johnson-Mehl方程（2）Avrami方程（JMA方程）331.Johnson-Mehl方程（I、u不随时间而变）设新相β在母相α中成核，并经过一段孕育期τ以后长大成球状新相半径一个新相体积dτ时间间隔内成核的β相数目为：()rut33344()33rutVId则这些新相长大到时间t时的转变体积：∴不同时间内形核的β相在时间t的转变总体积：exdVIVd0texexVdV34为扩张体积，重复计算①已转变的体积不能再成核②新相长大到相互接触时，不能继续长大在dτ时间内有exV（真正的转变体积）exVVexVV为了校正与的偏差exdVdVVVVexVdVdVVV3340433texVIuVtdIVut353434ln131exp3exVVIutVVVIutV000extVV初始条件：当时，，lnCVVln1exVVVVlnexVVVVC积分得：36S曲线C曲线372.I随时间而变Avrami方程：1exp()nkt当I随t而减小，3≤n≤4当I随t而增大，n438C曲线相变综合动力学曲线等温转变动力学曲线，C曲线TTT曲线（Time-Temperature-Transformation）IT曲线（Isothermal–Transformation）39转变开始转变终了孕育期鼻子孕育期IncubationPeriod转变开始线与纵坐标轴之间的距离，表示在各不同温度下过冷奥氏体等温分解所需的准备时间。鼻子----C曲线上转变开始线的突出部，孕育期最短的部位。40金相硬度法奥氏体和转变产物的金相形态和硬度不同。膨胀法奥氏体和转变产物的比容不同。磁性法及电阻法奥氏体为顺磁性，转变产物为铁磁性。C曲线的测定方法41共析碳钢的C曲线42a)亚共析钢b)过共析钢具有先共析线的C曲线43（a）碳含量亚共析钢中，随碳含量的上升,C曲线右移；过共析钢中，随碳含量的上升，C曲线左移。影响C曲线的因素44（b）合金元素除Co、Al以外，合金元素均使C曲线右移，即增加过冷奥氏体的稳定性45奥氏体化温度越高，保温时间越长，则形成的奥氏体晶粒越粗大，相变阻力小。奥氏体化温度越高，保温时间越长，有利于难溶碳化物的溶解，成分也越均匀，相变阻力大。综合：降低奥氏体分解时的形核率，增加奥氏体的稳定性，使C曲线右移。（c）加热条件46C曲线的典型类型474849ContinuousCoolingTransformationCCT曲线过冷奥氏体连续冷却转变图(1)过冷奥氏体连续冷却转变图的建立一般采用快速膨胀仪测定50共析碳钢的CCT曲线珠光体转变中止线cc’线为珠光体转变中止线。转变并未最后完成，但过冷奥氏体已停止分解。临界冷却速度VC是使过冷奥氏体不发生分解，得到完全马氏体组织（包括AR）的最低冷却速度。51①共析、过共析钢的CCT图上无贝氏体转变区原因：由于碳含量较高，使贝氏体相变需要扩散更多的碳原子，转变速度太慢，从而在连续冷却条件下，转变难以实现。母相奥氏体的碳含量较高时，奥氏体的屈服强度也较高，导致切变阻力增大，难以按切变机制实现点阵改组。CCT图的特点分析52②MS线发生曲折有部分珠光体相变时，渗碳体是领先相，使A的C%↓，MS↑，向上曲折。向上曲折53有部分贝氏体相变时，贝氏体铁素体先析出，提高了A中的碳含量，MS↓，向下曲折。向下曲折54③CCT曲线位于C曲线的右下方连续冷却转变时转变温度较低，孕育期较长。C曲线应用：不同冷却条件下的相变产物等温退火P退火(炉冷)正火(空冷)S(油冷)T+M+A’等温淬火B下M+A’分级淬火M+A’淬火(水冷)A1MSMf时间温度淬火PP均匀A细A？？？5506502s10s5s2s5s10s30s40s本章完