《固态转变绪论》课件.ppt

1、TRANSFORMATIONS IN SOLIDS主讲：刘国权教授Prof.Guoquan LIUProf.Guoquan LIU 使学生在材料的固态相变及组织演变的理论、研究方法以及应用等方面的相关知识获得进一步深入 在自学能力、阅读相关原始学术文献的能力以及独立思考分析材料相变问题等方面的能力亦获得一定程度的提高.Prof.Guoquan LIU 第一讲：绪论:3学时第二讲：经典形核理论:3学时第三讲：原始研究文献导读(I)及课内研讨:3学时第四讲：经典长大与转变动力学理论:3学时第五讲：扩散型固态转变分论(I):3学时第六讲：扩散型固态转变分论(II):3学时第七讲：贝氏体转变与马氏体转

2、变:3学时第八讲：原始研究文献导读(II)及课内研讨:3学时第九讲：材料固态转变计算机仿真研究进展:3学时第十讲：课堂研讨与复习(1.5小时)/课内考试(1.5小时)Prof.Guoquan LIU 1.R.W.卡恩 等主编,材料科学与技术丛书.第五卷:材料的相变(卷主编：P.哈森).科学出版社,1998 年。2.邓永瑞邓永瑞 等编著等编著.固态相变，冶金工业出版社，固态相变，冶金工业出版社，1996年。年。3.师昌绪主编，材料大辞典。化学工业出版社，1994年。4.徐祖耀 著.马氏体相变与马氏体，科学出版社，1999年。5.J.W.Christian.The Theory of Transf

3、ormations in Metals and Alloys.2nd edition,Pergmon Press,1975.或 3rd edition,Elsevier,2002 6.陈景榕,李承基编著。金属与合金中的固态相变，冶 金工业出版社，1997年。7.课内指定的原始学术研究文献。Prof.Guoquan LIU高级参考书Prof.Guoquan LIU初级参考书Prof.Guoquan LIU相变，常常赋予材料以技术上有用的形态和微观结构。相变，常常赋予材料以技术上有用的形态和微观结构。Prof.Guoquan LIUProf.Guoquan LIUCr18Ni8奥氏体不锈钢奥氏体不

4、锈钢ZMn13 亚稳奥氏体耐磨钢亚稳奥氏体耐磨钢Prof.Guoquan LIU 热力学 其他固态转变分类方法 动力学 晶体学 形态学 若干基本概念 转变机理Prof.Guoquan LIU 理解与判断物理冶金、化学冶金中诸多过程与现象的有力工具 仅能给出某种转变是否（可能）发生及转变方向以及限度；不能给出转变过程的速度与细节 例如等温等压条件下，系统内各种过程进行的方向及平衡状态可由下式判定：(dG)T,P 0Prof.Guoquan LIU 按相变时热力学参数变化的特征分类：一级相变，二级相变，,n级相变 定义：相变时两相的化学势的（n-1）阶偏微商相等，而n阶偏微商不等时，称为n级相变。

5、Prof.Guoquan LIU温度和压力对Gibbs自由能的偏导数：dG=Vdp-SdT 三个一阶偏导函数三个一阶偏导函数G:熵：熵：(G/T)p=S；体积：体积：(G/p)T=V；焓：焓：(G/T)(1/T)p=H 三个二阶偏导函数三个二阶偏导函数G“:(G2/T2)p=cp/T；(G2/p2)T=V；(H/T)p=cp 在在单元系一级相变单元系一级相变()相变点处相变点处：新旧相Gibbs自由能相等:G=G 焓有突变(有相变潜热):H H 熵有突变:S S 体积有突变:V V Prof.Guoquan LIU温度和压力对Gibbs自由能(化学位)的偏导数：dG=Vdp-SdT 三个一阶偏

6、导函数三个一阶偏导函数G:熵：熵：(G/T)p=S；体积：体积：(G/p)T=V；焓：焓：(G/T)(1/T)p=H 三个二阶偏导函数三个二阶偏导函数G“:(G2/T2)p=cp/T；(G2/p2)T=V；(H/T)p=cp 在在单元系二级相变单元系二级相变()相变点处相变点处：新旧相:G=G H H S S V V 新旧相:cp cp Prof.Guoquan LIUdG=SdT Vdp i dni 4 个化学位参量个化学位参量(G对摩尔数的偏导数对摩尔数的偏导数)：A B ,A B 12个一阶偏导函数个一阶偏导函数 ；12个二阶偏导函数个二阶偏导函数 “在在二元系二级相变二元系二级相变()

7、相变点处化学势有跳跃奇异性相变点处化学势有跳跃奇异性：A A B B A A B BProf.Guoquan LIU 形核长大型转变连续转变Prof.Guoquan LIU 扩散型无扩散型Prof.Guoquan LIU 位移转变重构转变Prof.Guoquan LIU 参见：D.A.Porter&K.E.Easterling.金属与合金中的固态相变。李长海，余永宁译。冶金工业出版社，1997年。第177页，表3.5。Prof.Guoquan LIU D.A.Porter&K.E.Easterling.金属与合金中的固态相变。李长海，余永宁译。冶金工业出版社，1997年。第177页，表3.5类

8、别队列型非队列型温度变化的影响非热学的热激活的界面类型滑动型非滑动型母相与生成相的成分成分相同成分相同成分不同扩散过程的本质无扩散短程扩散长程扩散(通过点阵)界面扩散或是混合控制界面控制界面控制主要是界面控制主要是扩散控制混合控制例 子马氏体转变块形转变多形性转变再结晶晶粒长大脱溶、溶解贝氏体转变凝聚气化脱溶、溶解凝固、熔化脱溶、溶解共析Prof.Guoquan LIU 转变、组织转变、相变 相、组织、组元；相组成物、组织组成物 稳定平衡、亚稳平衡Prof.Guoquan LIU 原子重新排列的两类情况 匀质转变、非匀质转变 位移转变、重构转变Prof.Guoquan LIU重点参考：第四章第

9、四章 固态相变机理学固态相变机理学 邓永瑞等编著，固态相变。冶金工业出版社，1996。pp.68-84 P.哈森主编.材料的相变.科学出版社,1998 年.pp.219-228Prof.Guoquan LIU 重点是研究核心形成和核心长大的机理 该类理论本质上源于“溶质集团”形成动力学：假设非平衡系统由分布于基体中的相应独立的溶质富集集团组成，二者之间存在明锐界面。这些集团分布的演化和介稳态合金的消亡过程系通过每一集团中单一溶质原子的“凝结”和“蒸发”而完成。Prof.Guoquan LIU 两个定量指标：形核率、长大线速度 实验与理论研究的困难 计算机仿真Prof.Guoquan LIU 从

10、气相中形成液滴核心 从液相中形成固相晶核 固相核心的非均匀形核 固态转变中的形核Prof.Guoquan LIU 临界（核）半径与临界形成功 p.69 Volmer形核理论 p.70 Becker-Dring形核理论 p.71Prof.Guoquan LIU 第一个有缺陷但已相当令人满意的经典形核理论 原始文献：Volmer M.&Weber A.Z.Phys.Chem.,Vol.119(1926)227 异相涨落及其分布规律:Eq.(4-7)不同原子个数的胚间相互转移规律 胚与核 单位时间内形成的核心数目：Eq.(4-12)形核率（单位时间单位体积内形成的核心数目）：Eq.(4-13)该理论

11、的主要缺陷Prof.Guoquan LIU 该理论几乎是所有后来的经典形核理论的基础 原始文献：Becker R.&Dring W.Ann.Phys.,Vol.24(1935)719 异相原子集团与晶胚 p.71 Eq.(4-14)该理论的一个核心点：集团间原子净转移量为常数但不为零 Eq.(4-16)单位时间内形成的核心数目公式：Eq.(4-27)该理论相对于Volmer形核理论的数值区别：Eq.(4-27)与 Eq.(4-12)的对比分析 该理论相对于Volmer形核理论的重大改进Prof.Guoquan LIU 基于B-D经典形核理论的T-F处理方法 原始文献：Turnbull D.&J

12、.C.Fisher.J.Chem.Phys.,Vol.17(1949)71 必须克服界面上的高能位能垒：p.74 图4-4 胚间原子净转移率（非零）：Eq.(4-32)单位时间内形成的核心数目公式：Eq.(4-36)当该式中N为单位体积内原子数，则成为形核率公式 三个理论模型所得核心数目公式比较：I=N q0 Ocexp(-Gc/kT)I=N q0 Ocexp(-Gc/kT)I=N(kT/h)Ocexp-(Gc+g)/kT Prof.Guoquan LIU 界面过程控制的长大 扩散过程控制的长大Prof.Guoquan LIUThank you!Prof.Guoquan LIU系统系统相变相变序参量序参量液气凝聚/蒸发密度差液态二元混合物分离浓度差