当前课程知识点:材料科学基础 > 第七章 固态相变的基本原理 > 7.1 固态相变的特点分类 > 固态相变的特点分类
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
-绪论
-绪论
-讨论1
-讨论2
-2.1 原子结构与原子轨道
--原子结构与轨道
-2.2 电子排布规律
--电子排布规律
--电子排布规律
-2.3 晶体中的结合键
--晶体中的结合键
--原子结构与键合
-2.4 晶体结构与空间点阵
-2.5 晶系与布拉菲点阵
--晶系与布拉菲点阵
--晶系与布拉菲点阵
-2.6 晶向指数与晶面指数
-2.7 晶面间距与晶面夹角
-2.8 晶体的宏观对称性
--晶体的宏观对称性
--晶体的宏观对称性
-讨论1
-讨论2
-习题-第2章
-3.1 金属的晶体结构
--金属的晶体结构
--金属的晶体结构
-3.2 金属晶体的堆垛与间隙
-3.3 合金基本概念
--合金的基本概念
--合金的基本概念
-3.4 固溶体
--固溶体
--固溶体
-3.5 化合物
--化合物
--化合物
-3.6 陶瓷的晶体结构
--陶瓷的晶体结构
--陶瓷的晶体结构
-3.7 高分子的基本结构
--高分子的基本结构
--高分子的基本结构
-3.8 非晶、准晶和纳米晶
-讨论1
-讨论2
-习题-第3章
-4.1 扩散的宏观规律
--扩散的宏观规律
--扩散的宏观规律
-4.2 扩散的微观机制
--扩散的微观机制
--扩散的微观机制
-4.3 扩散与原子的随机行走
-4.4 扩散系数与扩散激活能
-4.5 扩散的影响因素
--扩散的影响因素
--扩散的影响因素
-4.6 反应扩散
--反应扩散
--反应扩散
-讨论1
-讨论2
-习题-第4章
-5.1 纯金属的结晶
--纯金属的结晶
--纯金属的结晶
-5.2 金属结晶的基本条件
-5.3 液态金属的结构
--液态金属的结构
--液态金属的结构
-5.4 均匀形核
--均匀形核
--均匀形核
-5.5 非均匀形核
--非均匀形核
--非均匀形核
-5.6 晶体长大的动力学条件和液固界面微观结构
-5.7 阶梯的长大机制和生长形态
-讨论1
-讨论2
-习题-第5章
-6.1 匀晶相图
--匀晶相图
--匀晶相图
-6.2 共晶相图
--共晶相图
--共晶相图
-6.3 共析相图与包晶相图
-6.4 其他二元相图
--其他二元相图
--其它二元相图
-6.5 铁碳合金的组元及基本相
-6.6 Fe-Fe3C相图分析与工业纯铁结晶过程
-6.7 钢的结晶过程
--钢的结晶过程
--钢的结晶过程
-6.8 白口铸铁的结晶过程
-6.9 碳对铁碳合金平衡组织的影响
-6.10 碳对Fe-C合金机械性能的影响
-6.11 三元相图的表示方法
-6.12 直线法则与杠杆定律
-6.13 重心法则
--重心法则
--重心法则
-6.14 三元匀晶相图与等温截面图
-6.15 变温截面与投影图
--变温截面与投影图
--变温截面与投影图
-6.16 具有共晶三相平衡的三元系相图概况
-6.17 具有共晶三相平衡的三元系相图分析
-6.18 具有共晶三相平衡的三元系相图截面图与投影图
-讨论1
-讨论2
-习题-第6章
-7.1 固态相变的特点分类
-7.2 固态相变的形核与生长
-7.3 成分保持不变的(无扩散)相变
-7.4 过饱和固溶体的分解
-7.5 共析转变
--共析转变
--共析转变
-7.6 马氏体转变(一)
--马氏体转变(一)
--马氏体转变(一)
-7.7 马氏体转变(二)
--马氏体转变(二)
--马氏体相变(二)
-7.8 贝氏体相变
--贝氏体相变
--贝氏体转变
-讨论1
-讨论2
-习题-第7章
-8.1 点缺陷
--点缺陷
--点缺陷
-8.2 位错的基本概念
--位错的基本概念
--位错的基本概念
-8.3 柏氏矢量
--柏氏矢量
--柏氏矢量
-8.4 位错的运动
--位错的运动
--位错的运动
-8.5 位错的弹性性质
--位错的弹性性质
--位错的弹性性质
-8.6 位错的交互作用
--位错的交互作用
--位错的交互作用
-8.7 位错的生成与增殖
--位错的生成与增殖
--位错的生成与增殖
-8.8 实际晶体中的位错
--实际晶体中的位错
--实际晶体中的位错
-8.9 位错反应
--位错反应
--位错反应
-8.10 晶界与相界
--晶界与相界
--晶界与相界
-讨论1
-讨论2
-习题-第8章
-9.1 金属的应力-应变曲线
-9.2 单晶体的塑性变形-滑移
-9.3 单晶体的塑性变形-孪生
-9.4 多晶体的塑性变形
--多晶体的塑性变形
--多晶体的塑性变形
-9.5 多相合金的塑性变形
-9.6 聚合物与陶瓷的塑性变形
-9.7 变形后的组织与性能
-9.8 晶体的断裂
--晶体的断裂
--晶体的断裂
-9.9 回复和再结晶
--回复和再结晶
--回复和再结晶
-9.10 再结晶形核和长大
--再结晶形核和长大
--再结晶形核和长大
-9.11 再结晶组织控制
--再结晶组织控制
--再结晶组织控制
-9.12 蠕变、超塑性变形
--蠕变、超塑性变形
--蠕变、超塑性变形
-讨论1
-讨论2
-习题-第9章