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1、任 课 教 师,材料热力学与固态相变（固态相变部分）Transformation in solids,杨 川 材料学院金属材料系 2014.12,第2页，共 19页,绪 论,1.研究意义 固 相(solid phase):一定成分原子(分子)以特定排列构成的固态集合体 固相特征:相内部成分结构处处均匀；有明显的界面与其他 相分开；界面处出现成分与结构的不连续变化,19世纪中期:钢铁大量代替铜制作重要部件问题:同一成分的钢性能完全不同，某些情况下钢使用过程中完全可靠，在另外情况下钢完全不能适用疑虑:能否继续用钢制作重要零件?工业危机（中国类同）,问题：十九世纪材料问题引起工业危机？切尔诺夫点？,
2、1868年切尔诺夫论文的主要结论,第4页，共 19页,十九世纪金属材料史上最重要发现:1.成分确定情况下,组织结构决定材料性能 2.固态相变规律是开发新工艺，提高材料性能、开发新材料的基本规律之一.,现代翻译：质点=原子;重新改组=排列变化=固态相变,主要结论“钢在固态下具有临界温度,在临界温度时能使钢中的质点发生改组,使钢具有新的特性”,论文受到极高度评价；尤其在他逝世后,切尔诺夫值得钦佩的三点,第4页，共 19页,3.采用的研究方法：肉眼+放大镜进行 断口与组织分析,上世纪宏观分析方法获得：马氏体最基本规律，,宏观组织分析至今重要作用：钢材检测；酸浸、断口试验仍然是最重要检测手段之一,2.
3、预言“钢铁工业今后一定会不断的进步,但是绝不会离开今天我们所指出的道路”年仅29岁,提示：在进行科学试验时注意宏观现象分析,1.短时间内发现问题根源,宏观分析重要性案例,第4页，共 19页,例2：出口澳车风扇断裂,Q345材料；设计计算最大应力157MPa,2.主要讨论内容:,第4页，共 19页,1.均匀形核基本规律与定量计算(热力学具体应用）,2.马氏体相变基本规律及典型应用 基本规律获得、马氏体定义、相变规律应用；与基本规律相关理论问题(位向关系？标准投影图？）,3.朗道理论与应用 研究思路、相变热力学分类、二级相变郎道理论及应用、一级相变郎道理论及应用。,3 参考书,第4页，共 19页,
4、1.金属与合金中的相变 李长海等译2.金属物理 冯端等3.固态金属中的扩散与相变 戚正风4.相变原理 徐祖耀5.合金中扩散性相变与热力学 李清斌译,考试：闭卷（认真完成作业）,上课时间：以讲完内容为标准,一.均匀形核基本规律与定量计算,1.1.均匀形核(homogenous nucleation)基本规律,2）形核必须过冷（或过热）提供能量克服阻力,1）形核产生界面与应变；阻力来源界面能与应变能,3）通过能量、结构、成分起伏形成临界晶核,基本概念与试验依据：,4)临界晶核（critical nucleus)与 形核功 r*=2/(Gv-Gs)G*=163/3(Gv-Gs)2,晶界形试验依据：F
5、沿晶界形成长大P沿A/F晶界形核长大；也有在晶内形核,5）一般在晶界形核（非均匀形核）,定性规律应用,r*=2/(Gv-Gs)；G*=163/3(Gv-Gs)2,6）r*、G*定量计算？,1.控制T是细化晶粒有效手段,2.减少、Gs；与界面类型有关,3.因为晶界形核，所以母相细化影响晶粒尺寸,第2页，共 19页,基本规律与试验依据,形核机理与界面有密切关系 共格界面:新旧相原子在界面处一一对应.,推论1.新相与母相如果形成共格界面，必存在位向关系。,推论2.一定产生界面能与应变能,界面能0.1-0.2J/平方米,应变能最高,第4页，共 19页,错配度：形成共格界面小于5%（经验数据）,半共格界
6、面:共格区+位错区;界面能m2应变能居中,非共格界面:界面原子完全不吻合;界面能m2；应变能最低.,形成共格界面条件,1.2.临界晶核尺寸计算【形核驱动力(Driving Forces)计算】,固溶体自由能有两种计算方法,方法1 化学位法:G=UAXA+UBXBUA=GA+RTlnaA UB=GB+RTlnaB,方法2 混合自由能法:G=G1+G混 G1=XAGA+XBGBG混=H混-TS混,固溶体自由能曲线分析,方法2 混合自由能法:G=G1+G混 G1=XAGA+XBGB固溶体化学位法类似 纯组元自由能代化学位 G混=H混-TS混,模型:中析出的形核驱动力分析,当中大量析出相,中成分降到平
7、衡点时混合相自由能；由A点确定.,相形核时,过饱和固溶体成分不会很大的改变,仅在微小区域发生浓度起伏,并没有达到平衡,G0=AB;相变驱动力;并非形核驱动力,计算思路：形核分两步实现:,1.内微区浓度起伏达到形成相的成分G1,2.进行结构变化 形成相晶核G2,分析:浓度起伏区仅成分达到,但结构还是固溶体；此时中平均成分不变,仅不均匀,所以G1中 A,B化学位由过X0处切线确定.,G1=UA(x0)XA+UB(x0)XB,结论：G1由X0切线P点纵坐标确定,相晶核摩尔自由能:G2=UAXA+UBXB,形核驱动力Gn=G2-G1(每摩尔),计算公式与相图关系,1.前一项仅与A组元相关,后 一 项仅
8、B组元相关 2.公式中分子均是析出后 中浓度；分母均是析出前母相 中的浓度。,Gn=RTXAln(aA(析出)/aA(母相)+XBln(aB(析出)/aB(母相),例题：90%Al-Ag合金固溶后300时效.计算临界晶核的尺寸(GP区尺寸).合金按理想溶液处理;应变能忽略;,分析:GP区球形;共格界面=0.2J/m2,r*=2/(Gv-Gs),确定公式中浓度值,Gn=RTXAln(aA(析出后)/aA(母相)+XBln(aB(析出后)/aB(母相),计算时应注意问题,1）浓度的单位换算,讨论:1.实验测定GP区尺寸约1-10nm与计算临界晶核值在数量积上一致。2.根据求出的Gv与测定的晶核尺寸
9、可以估计界面能,从而进一步判断界面类型.,2）临界晶核公式中式体积自由能 Gv=Gn/Vm(新相摩尔体积）,3.形核驱动力主要影响因素：1）相变温度 2）母相固溶体中过饱和度,1.根据形核驱动力公式Gn=G2-G1证明 例题中具体计算公式2.Pb-Sn相图如下.计算10%Sn-Pb合金固溶后在20度放置,析出相摩尔驱动力Gn与体积驱动力Gv注:按理想溶液计算;相按纯Sn计算摩尔体积;Sn摩尔量118.6 密度 7.3g/cm3,作业题(每周二下午前交试验室6-8份）,3.根据固溶体自由能曲线图（见下图）证明图中PQ段的长度代表形核驱动力4.计算20钢碳的摩尔浓度与 体积浓度（克/厘米3）,作业题:,Gn=G2-G1(每摩尔),5.计算化合物Fe2N的摩尔体积 已知：Fe2N正交晶系 a=0.552nm b=0.483nm c=0.442nm 一个晶胞内有4个化学式。单位用 cm3/mol,作业题:,
