相变1PPT(绪论、形核功计算)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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？,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.,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,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*=16,3,/3(,Gv-,Gs),2,晶界形试验依据：,F,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*=16,3,/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）,半共格界面,:,共格区,+,位错区,;,界面能,m,2,应变能居中,非共格界面,:,界面原子完全不,吻合,;,界面能,m,2,；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=U,A,X,A,+U,B,X,B,U,A,=G,A,+RTlna,A,U,B,=G,B,+RTlna,B,方法,2,混合自由能法,:,G=G,1,+,G,混,G,1,=X,A,G,A,+X,B,G,B,G,混,=,H,混,-T,S,混,固溶体自由能曲线分析,方法,2,混合自由能法,:,G=G,1,+,G,混,G,1,=X,A,G,A,+X,B,G,B,固溶体化学位法类似,纯组元自由能代化学位,G,混,=,H,混,-T,S,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,G,0,=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,G,1,2.,进行结构变化,形成,相晶核,G,2,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,.,G,1,=U,A(x0),X,A,+U,B,(x0),X,B,结论：,G,1,由,X0,切线,P,点纵坐标确定,相晶核摩尔自由能,:,G,2,=U,A,X,A,+U,B,X,B,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,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=RTX,A,ln(a,A,(,析出,),/a,A,(,母相,),)+X,B,ln(a,B,(,析出,),/a,B,(,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/,m,2,r*=2,/(,Gv-,Gs,),确定公式中浓度值,Gn=RTX,A,ln(a,A,(,析出后,),/a,A,(,母相,),)+X,B,ln(a,B,(,析出后,),/a,B,(,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=,G,2,-,G,1,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/cm,3,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,:,G,n,=,G,2,-,G,1,(,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,cm,3,/mol,作业题,:,