金属固态相变概论及热力学

4、晶体缺陷的影响
晶体中的缺陷：位错、空位、间隙原子、晶界等 缺陷处的特点：有大的能量、结构、成份起伏
形核功大小依次为： 均匀形核空位形核位错形核晶界形核
5、原子的扩散
随着过冷度增大，相变驱动力增大，相变速度增大，但 原子扩散能力减小。
三 金属固态相变的形核
1、金属固态相变的热力学条件 1.1、相变的驱动力（相变的热力学条件）
格方式以降低界面能，从而降低总的形核功，易于 形核。 6）过冷度小时界面能不起主导作用，易形成非共格界 面。
2、位相关系和惯习面（共格、半共格）
惯习面：在母相上开始形成新相的一定晶面。 表示：以母相的晶面指数。 结构：晶面上新相和母相原子排列相近，界面能小。
两相中存在着保持平行关系的密排晶面和晶向
新相与母相成分相同时：界面迁移通过点阵切变完成， 不需原子扩散，激活能为零，新相长大速度极快。 如马氏体相变。
新相与母相之间存在一定的晶体学位相关系时，长大时仍 保持此关系。
（1）半共格界面的迁移：
界面能较低，长大过程中界面为平面，机制有：
a.切变机制：以均匀切变方式进行的协同型长大，属无
扩散型相变，导致表面倾动。 特点：大量原子有规则的沿某一方向作小于一个原子间 距的迁移，并保持原有的相邻关系不变。
半共格界面：界面能较大，弹性应变能较小；
（3）非共格界面 当错配度大于0.25时，两相原子之间的匹 配关系便不再维持，变成非共格界面。
非格界面：界面能大，弹性应变能小。
结论： 1）金属固态相变时，两相之间将产生界面能和弹性应
变能。 2）金属固态相变的相变阻力：界面能和弹性应变能； 3）两相界面共格时，界面能最小、弹性应变能最大； 4）新相呈球状时，界面能最低，应变能最大。 5）过冷度大时，临界晶核尺寸很小，两相界面易取共
例如：K-S关系 {111}r//{110}a’ 〈110〉r//〈111〉a’
1）错配度小于0.05时两相完全共格，且有一定的位相关系； 2）错配度在0.05~0.25之间时两相为半共格，有一定的位相关
系； 3）错配度大于0.25时，两相之间易形成非共格，无位向关系。
3、过渡相的形成：
当新相、母相的晶体结构差异较大时，只能形成非共格 界面，使界面能和形核功升高，相变不易发生。此时往 往先形成晶体结构或成分与母相相近的亚稳定过渡相， 然后再继续转变直至平衡相。
1、相界面
（1）共格界面： 定义：
两相结构、点阵常数基本相同 或相近，两相原子之间完全匹配。 分类： 第一类共格，靠正应变维持 第二类共格，靠切应变维持
错配度： 错配度小于0.05 特点：共格界面界面能小，弹性应变能大。共格
界面必须依靠弹性畸变来维持。
（2）半共格界面
当错配度在0.05—0.25时，在界面上将产生一些 刃型位错，两相原子变成部分共格。
1）新旧两相的自由能之差 2）新相的自由能低于旧相
任何变化自发进行的条件都是：ΔG〈0 ， Δ G= Δ H - T Δ S
改变温度可获得相变热力学的条件。 对于固态相变，当驱动力Δ G 相变= G新 – G旧〈0 时，相 变将自发进行。
因为：
Δ G= Δ H - T Δ S
G随T增加而降低，S随T增加而增加
ΔG = –V·Δ G V + S + V 形核条件： 在一定的过冷、过热下，ΔG <0
➢ 临界晶核半径：
➢ 临界晶核的形核功： ➢ 临界晶核半径和形核功：与表面能和弹性应变
能成正比。 ➢ 临界晶核半径和形核功：随过冷度增大而减小
➢ 形核率：
➢ 与激活能、形核功成反比。均匀形核时的激活 能大、形核功大，所以形核率低。
温度越高，激活能越小， 相变阻力就越小，相变越 容易进行（指扩散型相变， 非扩散相变的激活能为 零）。
2、金属固态相变的形核
金属固态相变的方式：形核和核长大 形核种类：均匀形核和非均匀形核 形核位置：主要在母相的晶界、层错、位错等晶体缺陷处。 2.1. 均匀形核：
形核驱动力：新旧两相的自由能之差 形核阻力：界面能和弹性应变能 系统自由能的总变化：
分析图： a.产生相变的条件？ b.影响驱动力的因素？ c.相变进行的方向？
Δ G 相变= G新 – G旧〈0 过冷度、过热度
相变总是朝着自由能 降低的方向进行
1.2、金属固态相变的阻力 相变阻力：界面能和弹性应变能。
相变势垒：相变时晶格改组所必须克服的原子间引力。 势垒高低用激活能衡量
激活能Q：使晶体原子离 开平衡位置迁移到另一新 位置的能量，表示相变势 垒的高低。
2.2. 非均匀形核
形核部位：母相中的各种晶体缺陷或晶界处。
系统自由能的总变化：
ΔG = –V·ΔG V + S + V – ΔGd
特点：晶体缺陷消失或减少所降低的能量ΔGd将促进形核。
（1）晶界形核：
界面可以提供所储存的畸变能来促进形核。
（2）位错形核： 位错促进形核有三种形式：
新相在位错线上形核时此处位错线消失时促进形核； 位错线不消失，成为半共格界面中的位错部分，补偿
2. 新相长大速度
➢ 新相长大速度取决于相界面的移动速度 ➢ 无扩散型相变：新相长大速度很高， ➢ 扩散型相变：新相长大速度较低。
扩散型相变中新相长大分两种： （1）无成分变化的新相长大 实质：两相界面附近原子的短程扩散 长大速度：受界面扩散所控制
b.位错运动机制：半共格界面上的位错运动使界
面作法向迁移的长大
平界面沿法线方向迁移时， 位错 必须攀移，属扩散型相变，阻力大
阶梯界面位错的滑移使台阶侧向迁 移，造成界面沿法线方向推进，属 于无扩散型相变，相变阻散型相变，母相原子不断向新相转移， 界面本身便沿其法向推进。
了错配、降低了新相的形核功； 新相与基体成分不同时，溶质原子在位错线上偏聚形
成气团，有利于沉淀相晶核的形核。 （3）空位形核：
空位通过影响扩散或利用本身能量提供形核驱动力而 促进形核，空位群可凝聚成位错而促进形核。
四、金属固态相变的晶核长大
新相长大实质：界面向母相方向的迁移
1.新相长大机制：
新相与母相成分不同时：界面迁移靠原子的扩散，新相 长大速度较低。 如共析相变、脱溶转变、贝氏体转变、调幅分解。