固态相变的特点分类在线视频

同学们

这节课我们开始学习固态相变

我们这节课主要学习固态相变总论

那么在学习固态相变之前

我们先认识一位科学家叫徐祖耀院士

那么徐祖耀院士在相变热力学

马氏体 贝氏体相变等领域

做出了卓越的学术贡献

那么他的贡献主要集中在

揭示了无扩散的马氏体相变中

存在间隙原子的扩散

创建了铜基合金贝氏体的相变热力学

建立了形状记忆合金的物理数学模型

发现了形状记忆材料

倡导先进高强度钢的研究

那么徐先生在有生之年

不仅在科学研究方面

做出了卓越的学术贡献

那么他本人也多次无私捐赠

先后在上海交通大学

材料科学与工程学院设立徐祖耀基金

在上海市闵行区慈善基金分会

设立徐祖耀慈善爱心专项基金

徐院士一生治学严谨

孜孜不倦 淡泊名利

他不仅在学问上给学生以自学之道

那么更重要的他以身作则

授之以为人之道

徐先生慧眼识才

先后发掘和培养了一代又一代

我国材料科学发展的领军人才

所以同学们我们在学习知识的同时

我们也要学习徐先生在学问

在做人 在培养学生

在为社会为祖国贡献方面的

这样一些美好的品德

学习徐先生治学严谨

孜孜不倦的这样一种科学精神

学习徐先生为人自尊的这样一种精神

那么好 我们说固态相变

首先我们要了解什么是固态相变

那么固态相变

我们说固体材料的组织

结构在温度 压力 成分改变的时候

所发生的转变

我们称为固态相变

在材料科学研究中的固态相变

主要是指温度改变而产生的相变

固态相变主要包括下列三种基本的变化

晶体结构的变化

化学成分的变化

有序程度的变化

一种固态相变可以包括一种两种

甚至是三种变化

首先我们来看一下固态相变的特点

大多数的固态相变是通过形核和长大完成的

驱动力是新相和母相的自由焓之差

固态相变的阻力是界面能和应变能

我们首先来看一下相界面

在固态相变中

新旧两相之间总是要形成界面

根据界面的结构

我们把界面分为以下三种界面

一共格界面

共格界面讲的是两相的点阵结构相同

点阵常数相等

或者是晶体结构和点阵常数虽然有差异

但是呢两相存在

一组特定的结晶学平面

可以使原子间完全产生匹配

那么这样的结构

可以使界面上的原子

同时位于两相的晶格的结点上

为两相共有

事实上在完全共格界面的条件下

应变能和界面能都可能接近0

那么事实上共格界面十分少见

两相在界面上的原子总会有适配

我们可以借助界面上

原子的横向应变来得到调整

使两相呢仍然维持共格关系

那么我们把界面上原子适配的大小

用错配度δ来表示

δ越大 造成界面上的弹性应变能越大

第二种界面是半共格界面

那么当这样一个错配度δ大到

不能借助于弹性应变

保持界面上的共格关系的时候

某些界面区域的适配

就可以借助形成位错来调整

比如说δ等于0.05的时候

那么就是有大约间隔20个原子

会出现1个位错

使得界面的弹性应变能降低到最小

这样就使得界面上的原子部分共格

也就是半共格界面或者部分共格界面

第三种界面叫非共格界面

那么在错配度δ很大的情况下

界面上的适配既不能通过弹性应变来调整

也不能用形成位错来调整

那么界面就是非空格的

这个时候界面能很大

但是适配的应变能为0

新相粒子在母相基体上完全是杂乱取向的

弹性应变仅仅是由新旧两相的比体积差造成的

那么这样三种界面的错配度和界面能的大概关系

在这个表里面大家可以看到

界面上的原子排列不规则会导致界面能升高

界面能的大小除了与界面结构有关以外

还与界面成分变化有关

那么新旧两相化学成分的改变会引起化学能的增加

导致界面能的提高

二我们看一下界面能

那么固固两相界面能

远比液相固相两相的界面能要高

我们这儿说的界面能

我们认为它由两部分组成

一部分是形成新相界面时

由于同类键 异类键的结合强度

和数量变化引起的化学能

这样一部分呢

主要与化学键的数量和强度有关系

那么与化学成分有关

另外一部分界面能

来源于界面原子的不匹配产生的点阵畸变能

那么对于上面三种界面的界面能的排列顺序

是共格界面界面能最小

非共格界面界面能最大

半共格界面界面能居于中间

那么第三应变能

新相和母相建立界面的时候

由于相界面原子排列的差异

会引起弹性应变能

这样一种弹性应变能

我们通常归到界面能

以共格界面最大

半共格界面次之

非共格界面为0

但是呢非共格界面的化学能最大

所以总体的表面能非共格界面最大

由于新相和母相比体积往往不同

新相形成的时候

体积的变化会受到周围母相的约束

也会引起弹性应变能

也就是我们说的体积应变能

或者比体积差应变能

这种由比体积引起的应变能的大小

与新相的几何形状有关

在固态相变时的应变能和界面上的化学能

是固态相变的阻力

共格和半共格界面

新相形核形成时的相变阻力

主要是应变能

非共格新相形成时的相变阻力主要是化学能

那么在非共格界面的情况下

由新旧两相比体积差引起的应变能

和新相几何形状有关系

我们通过图我们可以看到

圆盘形状的新相引起的比体积差应变能最小

针状次之

而球状的比体积差应变能最大

四取向关系

在固态相变中

我们常常以低指数原子密度大

而且彼此匹配较佳的晶面互相平衡

借以减小新相和母相之间的界面能

那么在界面结构为共格或者半共格时

新相和母相之间

必然存在着一定的晶体学关系

反过来

如果新相和母相之间存在着一定的取向关系

并不意味着界面结构为共格或者半共格界面

非空格界面两相之间没有明确的取向关系

五惯习面

固态相变时

新相往往在母相的一定的晶面族的晶面上形成

这样一种晶面称为惯习面

我们通常用母相的晶面指数来表示

那么六晶体缺陷

晶态固体中的空位

位错 晶界等缺陷周围

因为点阵畸变而储存了一定的畸变能

新相的形成

往往容易在这样一些位置优先非均匀成核

他们对晶核的长大过程也有一定的影响

接下来我们看一下固态相变的分类

固态相变按照热力学分类

我们可以给它分为一级相变

二级相变 高级相变

那么由α相转变为β相的时候

如果两相的吉布斯自由能相等

化学位相等

但是自由焓的一阶偏导数不相等

这个时候我们称之为一级相变

我们通过这样一个转换

我们可以发现

一级相变有体积和熵的突变

表明相变伴随着体积的膨胀或收缩

潜热的放出或吸收

我们大多数相变均为一级相变

那么如果相变时

两项的自由能相等

化学位相等

并且自由焓的一阶偏导数也相等

但是自由焓的二阶偏导数不相等

我们把这样一种相变称为二级相变

通过一系列的变换

我们可以发现二级相变时

没有体积效应和热效应

材料的压缩系数

热膨胀系数以及定压热容有突变

那么我们的磁性转变

有序 无序转变为二级相变

同样的我们可以得到高级相变

如果相变时两相的自由焓相等

其一阶二阶偏导数连续

但三阶偏导数不连续时为三级相变

以此类推

自由焓的n减1阶偏导数连续

n阶偏导数不连续时

我们称为n级相变

我们把n大于2的相变都称为高级相变

那么按照原子迁移的情况来分类

我们有扩散型相变和非扩散型相变

对于扩散型相变来说

相变依靠原子或者离子的扩散来进行

温度足够高

原子或者离子活动能力足够强时

才能发生扩散型相变

比如说我们后面将要学习的脱溶沉淀

调幅分解 共析转变等

对于非扩散型相变而言

原子或者离子仅做有规律的前移

使得点阵发生改组

前移时相邻原子相对移动距离

不超过原子间距

相邻原子的相对位置也没有发生变化

比如说马氏体转变

属于我们的非扩散型相变

那么固态相变并不一定都属于

单纯的扩散型或者非扩散型相变

比如说贝氏体相变过程中

既有原子的扩散

也有非扩散型相变的特征

按照相变方式来分类

相变可以分为有核相变和无核相变

相变通过形核 长大两个阶段

进行的称为有核相变

新相和母相之间有明显的界面

大部分的固态相变都属于有核相变

那么相变通过扩散偏聚的方式

进行的称为无核相变

相变以固溶体中的成分起伏为开端

通过上坡扩散使浓度差越来越大

这个时候成分由高浓度区连续过渡到低浓度区

二者之间没有清晰的相界面

我们将要学习的调幅分解属于这一类相变

那么按照相变过程来分

我们可以分为平衡相变和非平衡相变

平衡相变包括同素异构体的转变

多型性转变 平衡脱溶沉淀

共析转变 调幅分解

有序化转变 非平衡相变

包括伪共析转变 马氏体转变

块状转变 贝氏体转变

不平衡脱溶沉淀

好

这就是我们这节课的内容

谢谢大家