固態(tài)相變基礎-(編輯修改稿)
2025-08-18 14:57 本頁面
【文章內容簡介】 ，從而產生 點陣錯配 (c)、 (d)： 新相與母相非共格，而比體 積不同，產生 體積錯配 非共格界面條件下， 比體積差應變能 與 新相幾何形狀 之間的關系： 新相呈 球狀 時應變能最大， 圓盤 (片 )狀最小， 針 (棒 )狀居中。 圖 14 新相形狀與比容差應變能 (相對值 )的關系 固態(tài)相變的阻力 ： 界面能 和 彈性應變能 與結晶相比， 增加彈性應變能 而變大 固態(tài)相變中究竟是 界面能為主？ 還是 彈性應變能為主 ？ 過冷度大： 新相臨界晶核尺寸很小，單位體積新相的界面積很大，則界面 能起主導作用，兩相界面易取共格方式以降低界面能，因界面能的降 低可以超過共格應變能的增加，總形核阻力降低。 過冷度?。?新相尺寸較大，界面能不起主要作用，易形成非共格界面。 兩者比體積差大：則彈性應變能 (比體積差應變能 )起主導作用，新相 為圓盤 (片 )狀以降低彈性應變能 兩相比體積差?。簭椥詰兡茏饔貌淮?，則形成球狀以降低界面能。 四、晶體缺陷 固態(tài)金屬中存在各種晶體缺陷 ：如位錯、空位、晶界或亞晶界。 新相晶核優(yōu)先在晶體缺陷處形成： 因為晶體缺陷是能量起伏、結構起伏和成分起伏最大的區(qū)域。 缺陷處形核，原子擴散激活能低，擴散速度快，相變應力易松弛。 五、形成過渡相 第三節(jié) 固態(tài)相變中的形核 絕大多數(shù)相變通過 形核和長大過程 。 形核： 過程往往是先在母相中某些微小區(qū)域內形成新相的結構和成 分，成為核胚；若核坯尺寸超過一定值，便能穩(wěn)定存在并自發(fā) 長大，成為新相的晶核。 均 勻 形核： 晶核在母相中無擇優(yōu)地任意均勻分布 非均勻形核： 晶核在母相的某些區(qū)域不均勻分布 一、均勻形核 均勻形核的驅動力 為兩相自由能差， 阻力 包括界面能和彈性應變能 系統(tǒng)自由能總變化 ?G = V ?GV + S ? + V ?Gs V：新相體積， ?GV ：新相與母相的單位體積自由能差； S：新相表面積； ?：新相與母相之間單位面積界面能； ?Gs：新相單位體積彈性應變能。 設界面能各向同性，且晶核是球形，半徑為 r： △ G有極大值存在，此時的核坯半徑稱為臨界晶核半徑 r*，對應的自由能稱為晶核的 形核功△ G*。只有核坯的半徑大于 r*時，體系自由能才能隨晶核的長大而降低，因此可以進一步長大，稱為晶核。 令 d(?G)/dr=0，則可求得新相的臨界晶核半徑 r*、臨界晶核的形核功 ?G* ??? 23 4)(34 rGGrG sV ???????sv GGr ???? ?2* 23)(316*sV GGG ????? ??ΔG Sγ∝ r2 V(ΔGVΔGS)∝ r3 ΔG* r VΔGV∝ r3 ΔG 固態(tài)相變增加彈性應變能 ，相變阻力增加， 臨界晶核直徑和形核功增大，固態(tài)相變中形核比液 →固相變困難。 臨界晶核半徑和形核功都是自由能差 ?GV的函數(shù)，也將隨 過冷度 （過熱度）而變化。 隨過冷度（過熱度）增大，臨界晶核半徑和形核功都減小，即相變容易發(fā)生。 由于固態(tài)相變中存在彈性應變能 ?Gs，因此只有當?GV?Gs時相變才能發(fā)生，亦即過冷度（過熱度）必須大于一定值，固態(tài)相變才能發(fā)生，這是與 液 → 固相變的一個根本區(qū)別 。 此外，當界面能 ?和彈性應變能 ?Gs增大時，臨界晶核半徑 r*增大，形核功 ?G*增高，形核困難。 )kT*G(e x p)kTG(e x pc m0????? ?均勻N臨界尺寸晶核的濃度 c* )*e x p (*kTGcco???k： Boltzmann常數(shù)， T： 絕對溫度 ?Gm： 每個原子的遷移激活能 f=ωexp ( ?Gm /kT ) 均勻形核時的形核率 ω： 包括原子振動頻率與臨界晶核面積的因子 C0： 單位體積的原子數(shù)， 每個臨界晶核的成核速率 f 隨著溫度的下降，代表晶核潛在密度的exp(?G*/kT)升高很快； 而原子遷移激活能 ?Gm幾乎不隨溫度變化， 所以 exp(?Gm/kT)隨溫度降低而減小。 N均勻 隨溫度下降先增加后降低，在某一溫度呈現(xiàn)極大值 。 溫度對形核率的影響 二、非均勻形核： 固相中的形核幾乎總是非均勻的 各種缺陷如空位、位錯、晶界、層錯、夾雜物和自由表面等都能提高材料的自由能，如果晶核的形成能使缺陷消失，就會釋放出一定的自由能 (?Gd)，與 ?GV一樣，成為轉變的驅動力，各種缺陷成為合適的形核位置。 形核方程為： ?G = V ?GV + S ? + V ?Gs ?Gd 晶界形核 如果基體和晶核相互適應以形成低能量界面，那么形核功可以
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