相變與擴(kuò)散課件第4章 擴(kuò)散性相變（3學(xué)時(shí)）

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1、第4章擴(kuò)散型相變4.1脫溶相的長(zhǎng)大晶界相的形成長(zhǎng)大;針狀(或片狀)析出物的晶內(nèi)長(zhǎng)大;Ostwald粗化;晶界無(wú)沉淀區(qū)的計(jì)算;中溫第二相的沉淀析出4.2第二相的溶解4.3有序化轉(zhuǎn)變UJS—DaiQX4.1脫溶相的長(zhǎng)大從顯微組織特征來(lái)分類，一般可分為三類：局部沉淀普遍沉淀不連續(xù)沉淀優(yōu)先在晶界、位錯(cuò)等缺陷處形成新相核心在晶粒內(nèi)部普遍發(fā)生均勻形核的沉淀不連續(xù)沉淀(DiscontinuousPrecipitation)的特征為：新、舊相之間無(wú)共格關(guān)系，新相自晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng)，基體內(nèi)溶質(zhì)元素的成分變化是不連續(xù)的。也稱為胞

2、狀沉淀（CellularPrecipitation）。UJS—DaiQX4.1.1晶界相的形成長(zhǎng)大1晶界薄膜相的增厚由于界面是原子快速擴(kuò)散通道的緣故，可假設(shè)在很短的時(shí)間內(nèi)形成了晶界薄膜析出相。設(shè)新相溶質(zhì)濃度>母相溶質(zhì)平均濃度，則在新相β附近的基體必然會(huì)產(chǎn)生溶質(zhì)的貧化區(qū)。β相的長(zhǎng)大決定于溶質(zhì)原子在α相中的擴(kuò)散.設(shè)在極短時(shí)間里，在相界上就建立了局部平衡。由Fick擴(kuò)散定律和質(zhì)量平衡原理可以得到：UJS—DaiQX過飽和度與過冷的關(guān)系長(zhǎng)大速率隨溫度的變化規(guī)律晶界相增厚速率在某T下得到最大值,類似于“C”曲線形狀U

3、JS—DaiQX擴(kuò)散長(zhǎng)大機(jī)理如圖所示，晶界相的長(zhǎng)大包括三個(gè)過程：（1）溶質(zhì)原子通過體擴(kuò)散到晶界上；（2）溶質(zhì)原子沿著晶界快速擴(kuò)散到析出相前端，沉淀、連接，使新相長(zhǎng)大；（3）溶質(zhì)原子還沿著相界面擴(kuò)散，使相增厚。對(duì)于置換型原子，這種擴(kuò)散機(jī)制是重要的.晶界薄膜相增長(zhǎng)模型晶界薄膜相擴(kuò)散長(zhǎng)大機(jī)理UJS—DaiQX圖單晶體與多晶體的自擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的變化UJS—DaiQX4.1.2針狀(或片狀)析出物的晶內(nèi)長(zhǎng)大析出物晶內(nèi)增長(zhǎng)時(shí)界面濃度分布情況有些界面析出物是向晶內(nèi)伸長(zhǎng)的。如鋼中的羽毛狀上貝氏體、魏氏體等。實(shí)驗(yàn)證明，向晶

4、內(nèi)伸長(zhǎng)的析出物，其伸長(zhǎng)速率是線性的；而晶內(nèi)析出物的增厚主要是界面控制機(jī)制。UJS—DaiQX討論正沉淀增長(zhǎng)情況。由于Gibbs-Thompson效應(yīng)，析出相頂端邊緣附近基體中的平衡濃度要比原來(lái)沒有效應(yīng)時(shí)的平衡濃度高，設(shè)為Cr。作為近似處理，可設(shè)S為有效擴(kuò)散距離,S=Kr，其中K為常數(shù)，隨析出相形狀而改變，一般均取1。設(shè)兩相的摩爾體積相等，由Fick定律得：濃度梯度決定于頂端半徑,Zener將其簡(jiǎn)化為：r*為臨界半徑UJS—DaiQX所以由上式可得：由此可知，析出相伸長(zhǎng)速率是一常數(shù)。式中的(1-r*/r)稱為

5、毛細(xì)效應(yīng)。生長(zhǎng)時(shí)根據(jù)最小能量原理，通常自動(dòng)地選擇使速度取得最大值的曲率半徑。求導(dǎo)可得到r=2r*.晶內(nèi)生長(zhǎng)的片狀析出物的增厚，其特點(diǎn)是片狀析出物的寬面是半共格界面，而不是非共格界面，即析出相與基體之間有一定的位向關(guān)系。寬面是半共格界面的增厚機(jī)制，也稱為突壁（Ledge）長(zhǎng)大。UJS—DaiQX半共格界面突壁長(zhǎng)大Al-Ag合金片狀γ相增厚與時(shí)間的規(guī)律特征:具有臺(tái)階式的時(shí)間間隔半共格界面非共格界面臺(tái)階在運(yùn)動(dòng)臺(tái)階掃過若干UJS—DaiQX設(shè)臺(tái)階之間的距離為恒定值λ,臺(tái)階高度也是恒為h,析出物增厚的速度為V.設(shè)u為

6、臺(tái)階側(cè)面移動(dòng)的速率，臺(tái)階側(cè)面是非共格的。在運(yùn)動(dòng)中，原子由基體向側(cè)面擴(kuò)散，顯然，側(cè)面移動(dòng)速率是由擴(kuò)散控制的。所以由擴(kuò)散可有：UJS—DaiQX4.1.3Ostwald粗化當(dāng)母相大致達(dá)到平衡濃度后，析出相以界面能為驅(qū)動(dòng)力緩慢長(zhǎng)大的過程稱為Ostwaldripeningprocess。這是典型的Gibbs-Thompson效應(yīng)的應(yīng)用。Gibbs-Thompson效應(yīng)產(chǎn)生的原子擴(kuò)散流UJS—DaiQX在距析出粒子R處單位體積內(nèi)的擴(kuò)散流量為：此流量是提供給析出粒子長(zhǎng)大的，析出粒子長(zhǎng)大所需流量為：根據(jù)質(zhì)量平衡UJS—D

7、aiQX從粒子半徑到距離R的最大值積分,設(shè)瞬時(shí)dr/dt是恒定的根據(jù)Gibbs-Thompson效應(yīng)的表達(dá)式可得到：聯(lián)立（5.21）和（5.22）得：（5.21）（5.22）UJS—DaiQX（3）當(dāng)質(zhì)點(diǎn)半徑r>時(shí)，質(zhì)點(diǎn)都長(zhǎng)大。這時(shí)dr/dt>0（2）當(dāng)質(zhì)點(diǎn)半徑r<時(shí)，質(zhì)點(diǎn)都會(huì)溶解。即dr/dt<0（1）當(dāng)r=，dr/dt=0；式中：D是溶質(zhì)原子擴(kuò)散系數(shù)，為析出相的比表面能，是摩爾體積，是系統(tǒng)中溶質(zhì)的平均濃度，r是粒子半徑，是系統(tǒng)中平均粒子半徑。UJS—DaiQX（5）在長(zhǎng)大過程中，當(dāng)增大時(shí)，所有粒子dr/

8、dt均降低；（6）溫度的影響是比較復(fù)雜。綜合效果T↑，dr/dt↑（7）體系過程剛開始時(shí)，稍大于的質(zhì)點(diǎn)長(zhǎng)大速度小于體系中粒子的平均長(zhǎng)大速度，有可能在后期可能重新被溶解。（8）使析出相穩(wěn)定的途徑：低σ；D??；C0要小。（4）對(duì)式求極值得到r=2，dr/dt為極大值。當(dāng)r>2時(shí)的質(zhì)點(diǎn)，其長(zhǎng)大速度逐漸降低；UJS—DaiQX擴(kuò)散控制的析出相粒子Ostwald長(zhǎng)大規(guī)律粒子體積分?jǐn)?shù)對(duì)分散度的影響UJS—DaiQX根據(jù)能量最