chapter24材料科学基础.ppt
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1、Four Types of Transformations in Solids,2-7 固体中的转变 Transformations in Solids,Phase , Types of Transformations,Phase Rule,Phase Diagram, components,2-7 固体中的转变 Transformations in Solids 2-7-1 固体结构的稳定性 (Stability of Structures in Solids) 能量趋于越低,体系越稳定,扩散和转变: 均涉及体系热力学状态(自由能变化); 和动力学因素(变化速率)。,扩散 : 一般由于原子的
2、热振动 分为自扩散和互扩散,转变 : 不稳态,亚稳态(Metastable State): 可持续很长时间的非平衡态,1 热力学因素 G = H - TS G 与温度相关。 G 0, 不稳态,扩散和转变会自发进行; 是扩散和结构转变的推动力。,2 动力学因素 转变的能垒(活化能Ea)。 外界提供能量。 温度、压力。,密排六方 面心立方 体心立方 Ca 室温 447C Co 室温 427C Na - 223C 室温 Ti 室温 883C Fe 9121400C(-Fe) 912C(-Fe) 1400C(-Fe),4. 相分离(Separation of Phase) 当温度、压强等外界条件变化时
3、,多组元体系有时会分离成具有不同组份和结构的几个相,这就是相分离。 例如,从熔体中冷却,高温的稳定态,在降温过程中可能是不稳态或亚稳态,它们会分离成不同成分和结构的相。 相分离过程的两种机制: 一种经过成核及晶核长大过程; 一种不经过成核 。 拐点分解 (Inflexion Decomposition):不经过成核的相分离过程,从热力学角度看,是不稳态向亚稳态或稳定态的转变,这与结晶过程不同,结晶是由亚稳态向稳定态的转变。 由于相分离出现的不均匀性的尺寸,大的可用肉眼观察到,小的可用电子显微镜观察。,化学成分变化,平衡和相变,当合力为零,系统处于机械平衡 当温度差消失,系统达到热平衡 当各区域
4、化学势相等,组元浓度不再变化,系统达到化学平衡 如果同时达到这三种平衡,则系统到达热力学平衡 材料通常在恒温恒压条件下进行相变和化学反应,要用吉布斯自有能作为判据。根据最小自有能原理,唯有使G减小的过程才能自发进行,达到最小值时就处于平衡状态。,2-7-3 相变类型 (Types of Phase Transformations) 1 从热力学角度 一级相变: 化学势相等 但化学势的一阶偏微商不相等 相变前后两相的体积和熵(及焓)发生突变 即: G = 0 S 0 V 0,焓的突变表示相变潜热的吸收和释放,二级相变: 化学势相等 化学势的一阶偏微商也相等 但化学势的二阶偏微商不相等 即在相变温
5、度,体积和熵均无突变, 等压热容和压缩系数、膨胀系数有突变 S = 0 V = 0 CP 0 0 k 0,具体推导过程见课本第115页,一级相变:晶体的凝固、沉淀、升华和熔化,金属及合金中的多数固态相变都属于一级相变; 二级相变:超导态相变、磁性相变以及合金中部分的无序有序相变都为二级相变; 三级相变:量子统计爱因斯坦玻璃凝结现象,二级以上的高级相变很少。,2 按相变方式 形核-长大型相变:形成新相核心;由变化程度大,范围小的起伏开始发生相变。(非均匀形核过程) 连续型相变:连续长大(不形核);由变化程度小,范围大的起伏连续长大形成新相。(均匀形核过程),2-7-4 相图(Phase Diag
6、ram),相图是用来表示材料相的状态和温度及成分关系的综合图形,其所表示的相的状态是平衡状态,因而是在一定温度、成分下热力学的最稳定且自由焓最低的状态。 相图是材料科学的基础内容。在材料工程中有重要意义: (1)研制、开发新材料,确定材料成分; (2)利用相图制订材料生产和处理工艺; (3)利用相图分析平衡态的组织和推断不平衡态可能的组织; (4)利用相图与性能关系预测材料性能; (5)利用相图进行材料生产过程中的故障分析,自由度数 F:相平衡系统中可独立改变而不引起相变的变量数 (F=0为无变量系统;F=1为单变量系统) 相律: 由吉布斯导出的多相平衡系统的普遍规律相律 F = C p n
7、n 为影响系统平衡状态的外界因素的数目 一般(仅考虑温度和压力): n = 2 凝聚系统(仅考虑温度): n = 1 由相律可知,系统的自由度数,在相数一定时随着独立组分数的增加而增加;在独立组分数一定时,随着相数的增加而减少。,2一元相图(Unitary Phase Diagram) 分别以温度、压力为两坐标 (F=1-p+2,p1,F2),纯铁相图,水的相图,有多晶转变的某物质单元系统相图,稳定区: CD:液体的蒸发曲线 AB:晶型的升华曲线 BC:晶型的升华曲线 CE:晶型的熔融曲线 BF:晶型和晶型之间的转变曲线 ECD:液相区 ABF:晶型的相区 FBCE:晶型的相区 ABCD以下:
8、气相区 B、C:两个三相点 介稳态: ECGH: 过冷液体的介稳状态区 BCG: 过冷蒸汽的介稳状态区 FBGH: 过热晶型的介稳状态区 KBF: 过冷晶型的介稳状态区 KB: 过冷晶型的升华曲线 BG: 过热晶型的升华曲线 GH: 过热晶型的熔融曲线 CG: 过冷液态和蒸汽之间的介稳平衡曲线 G点:过热晶型与过冷液体和蒸汽之间的介稳无变量平衡,从热力学观点来看,多晶转变可分为可逆的(双向的)转变和不可逆的(单向的)转变两种类型,可逆,点1:多晶转变点 点2:晶型的熔点 点3:晶型的熔点 晶型 晶型 溶液 晶型和都有各自稳定存在的温度范围;同一温度下,蒸汽压小的晶型稳定,蒸汽压大的晶型介稳,介
9、稳晶型可自发转变为稳定晶型。 特点:多晶转变的温度低于两种晶型的熔点。,不可逆,点1:晶型的熔点 点2:晶型的熔点 点3:多晶转变点(实际上得不到) 晶型的蒸汽压始终高于晶型,晶型处于介稳状态,随时都有转变为晶型的倾向,但晶型不能由晶型直接加热得到。要获得晶型,必须将晶型熔融,然后使它过冷。 晶型 溶液 晶型 特点:多晶转变的温度高于两种晶型的熔点。,在图中选择某一个任意的温度Tx,在此温度时,真正稳定的应该是具有最小蒸汽压的晶型,但是在Tx温度结晶时,并不是从过冷液体中直接结晶出晶型,而是先结晶出处于介稳状态的晶型,最后才有晶型转变成相同温度下稳定晶型。如果晶型转变成晶型的速度很慢,则晶型
10、来不及在冷去速度很快的过程中转变成晶型,而被过冷,并在常温下保持在介稳状态。这也就是在硅砖中常含有鳞石英和方石英等介稳相。,匀晶相图:液态及固态均无限溶解,3二元相图(Binary Phase Diagram) 温度纵轴、成分横轴,杠杆法则(Lever Rule): QL / QS = l (cb) / l (ac),S,液固两平衡相在整个合金中所占的分数:,具有最低点和最高点的匀晶相图,共晶相图:液态完全溶解,固态部分溶解并具有共晶转变,从一个液相中同时结晶出两个以上固相的混合物。,共晶转变点(Invariant Point) : E,EXAMPLE PROBLEM 10.2 For a 4
11、0 wt% Sn60 wt% Pb alloy at 150 (300F), (a) What phase(s) is (are) present? (b) What is (are) the composition(s) of the phase(s)?,10%,98%,40%,EXAMPLE PROBLEM 10.3 For the leadtin alloy in Example Problem 10.2, calculate the relative amount of each phase present in terms of (a) mass fraction and (b) v
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