相變與位錯(cuò)及擴(kuò)散

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1、1相變規(guī)律、位錯(cuò)及擴(kuò)散相變基本規(guī)律位錯(cuò)簡介擴(kuò)散簡介2相變的分類(1)按相變時(shí)熱力學(xué)參數(shù)變化的特征分類。分為一級和高級相變。(2)按相變方式分類形核長大型：在很小范圍(很小體積)中原子發(fā)生相當(dāng)強(qiáng)烈重排的漲落；形成新相核心，然后向周圍長大。核心和母相間有界面存在，因而引入了不連續(xù)區(qū)域，就這個(gè)意義看，相變是非均勻的、不連續(xù)的（也稱為非均勻或不連續(xù)相變）。連續(xù)型：大體積范圍原子發(fā)生輕微重排的漲落。3擴(kuò)散型相變：依靠原子擴(kuò)散進(jìn)行；無擴(kuò)散型相變：無原子擴(kuò)散，或雖存在擴(kuò)散，但不是相變所必需的或不是主要過程。(3)按原子遷移特征分類4相變驅(qū)動(dòng)力定義為在恒溫恒壓條件下，摩爾吉布斯自由能的凈降低量（與再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力

2、比較）。純組元多形性相變的驅(qū)動(dòng)力摩爾轉(zhuǎn)變熵摩爾轉(zhuǎn)變焓若過冷度不大，和可近似看作常數(shù)。這時(shí)：5脫溶轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力反應(yīng)式：aa’+β相變時(shí)自由能變化按熱力學(xué)關(guān)系式有：按定義得到：若a相是理想溶體，活度和成分相等。6相變的形核固態(tài)相變形核過程的多樣性：可是擴(kuò)散的或無擴(kuò)散的；可同時(shí)完成晶體結(jié)構(gòu)和成分的變化，也可使成分不變僅使晶體結(jié)構(gòu)改變（如塊形相變）或使結(jié)構(gòu)不變僅成分改變。注意點(diǎn)：形核驅(qū)動(dòng)力不同于相變總驅(qū)動(dòng)力。形核的驅(qū)動(dòng)力和核心成分驅(qū)動(dòng)力考察：成分為Xβ的少量物質(zhì)由α相移至β相的自由能變化形核驅(qū)動(dòng)力形成/阻力能量漲落7核心成分按最大形核驅(qū)動(dòng)力的條件：=當(dāng)已知純組元相變的熱焓變化和熵變化時(shí)，可用試探解法求

3、核心成分Ｘm。問題：因界面能的存在，使a相和β相的自由能都會(huì)改變，這會(huì)引起核心的成分改變。8亞穩(wěn)平衡過渡相的形成從相變的總體看，相變應(yīng)以轉(zhuǎn)變成最穩(wěn)定相告終，這是因?yàn)檫@個(gè)過程的總吉布斯自由能降低是最多的。右圖卻說明亞穩(wěn)相析出的形核驅(qū)動(dòng)力可能更大。在轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶庀嘀暗囊环N過渡性產(chǎn)物稱為過渡亞穩(wěn)相。這種過渡亞穩(wěn)相能夠存在多久，還要看相變的動(dòng)力學(xué)條件。鐵-碳合金中的Fe3C相是亞穩(wěn)定相的典型例子，石墨是穩(wěn)定相，但由于它形成十分緩慢，以至我們?？吹降氖莵喎€(wěn)定的Fe3C相而不是石墨。9形核理論經(jīng)典形核理論是由Volmer和Weber以及Becker和Doring對汽-液和汽-固相變提出的，并且由Becke

4、r首先將其應(yīng)用于固態(tài)相變。固態(tài)相變形核時(shí)最重要的是應(yīng)變能項(xiàng)。形成一晶胚的自由能變化：臨界半徑形核功10界面能的作用界面能是形核的阻力。固態(tài)相變中，新相和母相均是晶體，因此新/母相界面可能共格、半共格或非共格。兩相間界面能隨界面兩側(cè)原子排列匹配程度加大而減小。形核時(shí)總希望有最低的總表面能。非共格界面能很高，若調(diào)整核心和母相的取向關(guān)系，使核心出現(xiàn)盡量多的共格或半共格界面，就會(huì)減小形核功，形核過程便易于進(jìn)行。11若母相和穩(wěn)定的新相的晶體結(jié)構(gòu)差異很大，以至于不管新／母相如何調(diào)整取向關(guān)系也不可能形成共格的低能界面，則有可能形成與母相呈共格界面關(guān)系的另一種亞穩(wěn)定相。對共格界面，界面兩側(cè)原子排列的間距差異是

5、由兩相的彈性應(yīng)變能承擔(dān)的。當(dāng)新相長大時(shí)，彈性應(yīng)變能加大，將會(huì)在界面上引入位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)來降低彈性應(yīng)變能，變成半共格界面。新相長大到更大尺寸時(shí)，共格關(guān)系使總界面能的減少不足以補(bǔ)償維持共格所引起的彈性能或結(jié)構(gòu)能，新相和母相間就失去共格關(guān)系。12應(yīng)變能的作用抵消形核驅(qū)動(dòng)力（是阻力）。分兩類：?共格界面引起；?體積不同引起或擴(kuò)散速度不同引起；多數(shù)情況是核心中原子數(shù)目和形成核心前原來這個(gè)區(qū)域中母相的原子數(shù)目相同，但新相和母相的每一個(gè)原子所占據(jù)的體積不同。另一種途徑是由于母相中各組元的擴(kuò)散速度有顯著差別，使得形成的核心中包含的原子數(shù)和形成核心前這個(gè)區(qū)域的母相的原子數(shù)目不相同。如Cu-Zn合金中從b相中析出富鋅的

6、g相（鋅擴(kuò)散速度快）。影響應(yīng)變能的因素和應(yīng)變能大小數(shù)量級：新相形狀；彈性性質(zhì)；應(yīng)變能隨應(yīng)變的平方增加。如鋁的E為70GPa，1%的應(yīng)變就會(huì)引起3.5MJ×m-3的應(yīng)變能，若5%應(yīng)變則引起25×3.5MJ×m-3的應(yīng)變能。13共格時(shí)：應(yīng)變能是由共格應(yīng)變引起的。若母相是各向同性、且母/新相的彈性模量相等，則總應(yīng)變能和析出物形狀無關(guān)。可表達(dá)為：三個(gè)影響因素當(dāng)新相彈性模量不同于母相時(shí)，則應(yīng)變能與形狀有關(guān)。新相彈性模量大時(shí)，呈球狀時(shí)應(yīng)變能最?。蝗粜孪鄰椥阅Ａ啃r(shí)，呈圓片狀時(shí)應(yīng)變能最小。一般母相都不是各向同性的，析出的新相往往以它引起最大應(yīng)變的方向和母相低彈性模量方向平行以使總的應(yīng)變能最低。當(dāng)析出新相是圓

7、片狀時(shí)，在片面方向的錯(cuò)配度較小，在垂直于片方向的錯(cuò)配比較大。14非共格時(shí)，應(yīng)變能：受體積變化和新相形狀影響，f(c/a)隨c/a的變化核心總是傾向于以使其總的表面能和應(yīng)變能最小的方式形成，對于共格的析出物，從總界面能看，一般以球狀的最低，但從應(yīng)變能看，一般以片狀最低。當(dāng)錯(cuò)配度比較低時(shí)（d<5%），應(yīng)變能的影響不如界面能重要，析出物以球狀存在可達(dá)最小的自由能；當(dāng)錯(cuò)配度比較高時(shí)（d>5%），析出物呈圓