材料热力学相变热力学PPT学习教案.pptx
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1、会计学1材料材料(cilio)热力学相变热力学热力学相变热力学第一页,共49页。参考书目参考书目 徐祖耀徐祖耀徐祖耀徐祖耀 主编,材料主编,材料主编,材料主编,材料(cilio)(cilio)(cilio)(cilio)热力学,高等教育出热力学,高等教育出热力学,高等教育出热力学,高等教育出版社,版社,版社,版社,2009.2009.2009.2009.赵乃勤赵乃勤赵乃勤赵乃勤 主编,合金固态相变,中南大学出版社,主编,合金固态相变,中南大学出版社,主编,合金固态相变,中南大学出版社,主编,合金固态相变,中南大学出版社,2008.2008.2008.2008.江伯鸿江伯鸿江伯鸿江伯鸿 编著,材
2、料编著,材料编著,材料编著,材料(cilio)(cilio)(cilio)(cilio)热力学,上海交通大热力学,上海交通大热力学,上海交通大热力学,上海交通大学出版社,学出版社,学出版社,学出版社,1999.1999.1999.1999.徐瑞等徐瑞等徐瑞等徐瑞等 主编,材料主编,材料主编,材料主编,材料(cilio)(cilio)(cilio)(cilio)热力学与动力学,哈热力学与动力学,哈热力学与动力学,哈热力学与动力学,哈尔滨工业大学出版社,尔滨工业大学出版社,尔滨工业大学出版社,尔滨工业大学出版社,2003.2003.2003.2003.第1页/共49页第二页,共49页。第四章第四章
3、 相变热力学相变热力学n n基本内容:基本内容:n n 计算相变驱动力,以相变驱动力大小计算相变驱动力,以相变驱动力大小决定相变的倾向,帮助判定相变机制,在能决定相变的倾向,帮助判定相变机制,在能够估算临界相变驱动力的条件下,可求得相够估算临界相变驱动力的条件下,可求得相变的临界温度。相变驱动力与相变阻力变的临界温度。相变驱动力与相变阻力(zl)(zl)的平衡。的平衡。第2页/共49页第三页,共49页。第四章第四章 相变热力学相变热力学n n相变的分类:相变的分类:n n1.1.按热力学分类:一级相变、二级相变按热力学分类:一级相变、二级相变n n2.2.按原子迁移特征分类(固态相变):扩按原
4、子迁移特征分类(固态相变):扩散散(kusn)(kusn)型型 n n 相变、无扩散相变、无扩散(kusn)(kusn)型相变。型相变。n n3.3.按相变方式分类:形核按相变方式分类:形核-长大型相变(不长大型相变(不连续连续n n 相变)、无核相变(连续相变)。相变)、无核相变(连续相变)。第3页/共49页第四页,共49页。第四章第四章 相变热力学相变热力学4.1 4.1 4.1 4.1 新相的形成和相变驱动力新相的形成和相变驱动力新相的形成和相变驱动力新相的形成和相变驱动力4.2 4.2 4.2 4.2 马氏体相变热力学马氏体相变热力学马氏体相变热力学马氏体相变热力学 4.3 4.3 4
5、.3 4.3 珠光体转变(共析分解珠光体转变(共析分解珠光体转变(共析分解珠光体转变(共析分解(fnji)(fnji)(fnji)(fnji))热力)热力)热力)热力学学学学4.4 4.4 4.4 4.4 脱溶分解脱溶分解脱溶分解脱溶分解(fnji)(fnji)(fnji)(fnji)热力学热力学热力学热力学4.5 4.5 4.5 4.5 调幅(调幅(调幅(调幅(SpinodalSpinodalSpinodalSpinodal)分解)分解)分解)分解(fnji)(fnji)(fnji)(fnji)热力学热力学热力学热力学第4页/共49页第五页,共49页。4.1 4.1 新相的形成新相的形成(x
6、ngchng)(xngchng)和相变驱动和相变驱动力力第四章第四章 相变热力学相变热力学新相的形成新相的形成 材料发生相变时,在形成新相前往往出现浓度材料发生相变时,在形成新相前往往出现浓度(nngd)(nngd)起伏,形成核胚再成为核心、长大。无论核胚起伏,形成核胚再成为核心、长大。无论核胚是稳定相还是亚稳相,只要符合热力学条件都可能成核是稳定相还是亚稳相,只要符合热力学条件都可能成核长大。因此,相变中可能出现一系列亚稳定的新相。长大。因此,相变中可能出现一系列亚稳定的新相。第5页/共49页第六页,共49页。具有几个具有几个(j)(j)亚稳相纯物质的亚稳相纯物质的 GibbsGibbs 自
7、由能自由能4.1 4.1 新相的形成新相的形成(xngchng)(xngchng)和相变驱动和相变驱动力力例:材料例:材料(cilio)(cilio)凝固凝固第四章第四章 相变热力学相变热力学新相的形成新相的形成 如过冷至Tm 以下,由液相l 凝 固为稳定相和亚稳定相、都是可能的,都引起Gibbs自 由能下降。在Tm 时,相变潜热所以有第6页/共49页第七页,共49页。4.1 4.1 新相的形成新相的形成(xngchng)(xngchng)和和相变驱动力相变驱动力第四章第四章 相变热力学相变热力学新相的形成新相的形成(xngchng)(xngchng)在略低于Tm的温度(wnd)T,液相凝固过
8、程为放热过程 ,当TTm 时,从热力学上讲,此时液相将有转变为相的趋势。称为相变的驱动力相变的驱动力。第7页/共49页第八页,共49页。4.1 4.1 新相的形成新相的形成(xngchng)(xngchng)和相变驱动和相变驱动力力第四章第四章 相变热力学相变热力学新相的形成新相的形成(xngchng)(xngchng)一般情况下,由理查德经验(jngyn)定律其中,R为通用气体常数 8.3 Jmol-1K-1因此,T 阻力(zl)时,相变才能发生第16页/共49页第十七页,共49页。4.2 4.2 马氏体相变热力学马氏体相变热力学第四章第四章 相变热力学相变热力学当只考虑应变能时,马氏体相变
9、总和的Gibbs自由(zyu)能变化为:应变(yngbin)能(切变应力切应变(yngbin)+正应力正应变(yngbin))马氏体相变的一般马氏体相变的一般(ybn)(ybn)特特征征化学Gibbs变化马氏体相变通常是冷却母相至Gc为负值以后的某个温度Ms(马氏体相变开始温度)而触发的。第17页/共49页第十八页,共49页。4.2 4.2 马氏体相变热力学马氏体相变热力学第四章第四章 相变热力学相变热力学 对于(duy)铁基合金的马氏体相变:非化学(huxu)Gibbs自由能项铁基合金马氏体相变热力学铁基合金马氏体相变热力学 母相P转变为马氏体M时的Gibbs自由(zyu)能变化可表示为:化
10、学Gibbs自由能的改变(化学驱动力)非化学Gibbs自由能的改变(相变阻力:界面能+应变能)由不同热力学模型求得第18页/共49页第十九页,共49页。4.2 4.2 马氏体相变热力学马氏体相变热力学铁基合金马氏体相变热力学铁基合金马氏体相变热力学 在马氏体相变开始(kish)温度Ms时,一般(ybn)称为相变所需的临界相变驱动力。马氏体相变的临界(ln ji)驱动力可表示为为应变能;为界面牵动摩擦能;为两相界面能。第四章第四章 相变热力学相变热力学第19页/共49页第二十页,共49页。4.2 4.2 马氏体相变热力学马氏体相变热力学铁基合金马氏体相变热力学铁基合金马氏体相变热力学 对于共格或
11、半共格界面(jimin),A可忽略。对于(duy)Fe-x-C合金,经估算其中,为奥氏体在Ms时的屈服强度(qingd),可由实验测得。可应用不同模型求出,令 化学驱动力即可求出马氏体转变起始温度Ms。第四章第四章 相变热力学相变热力学第20页/共49页第二十一页,共49页。4.2 4.2 马氏体相变热力学马氏体相变热力学铁基合金马氏体相变热力学铁基合金马氏体相变热力学 依据以上方法(fngf),计算求出的Fe-Ni-C合金Ms温度值与实验值符合较好。第四章第四章 相变热力学相变热力学第21页/共49页第二十二页,共49页。4.2 4.2 马氏体相变热力学马氏体相变热力学陶瓷陶瓷(toc)(t
12、oc)和有色金属中马氏体和有色金属中马氏体相变热力学相变热力学 第四章第四章 相变热力学相变热力学对于含ZrO2陶瓷(toc)中正方t单斜M马氏体相变,应变(yngbin)能项表面能项微裂纹形成能项化学Gibbs自由能差;可可由相图求得由相图求得经经估算求得估算求得GtM(T)=0 Ms 分别考虑相变所涉及的分别考虑相变所涉及的有序化转变有序化转变和和层错层错机制,热力学机制,热力学对相变对相变温度的预测温度的预测与实验结果符合较好,为材料设计提供了有效数据与实验结果符合较好,为材料设计提供了有效数据。第22页/共49页第二十三页,共49页。4.3 4.3 珠光体转变珠光体转变(zhunbin
13、)(zhunbin)(共析分解)(共析分解)热力学热力学u珠光体转变(zhunbin)(或共析分解)是Fe-C二元系中最基本的相变。u共析碳钢加热奥氏体(fcc固溶体,)化后缓慢冷却到临界温度,发生共析分解,即分解为铁素体(bcc固溶体,)和渗碳体(Fe3C,)组成的混合物。(0.77%C)(0.02%C)+(6.67%C)(面心立方)(体心立方)(复杂单斜)珠光体转变珠光体转变(zhunbin)(zhunbin)第四章第四章 相变热力学相变热力学第23页/共49页第二十四页,共49页。4.3 4.3 珠光体转变珠光体转变(zhunbin)(zhunbin)(共析分解)(共析分解)热力学热力学
14、u含碳量0.77%的奥氏体在近于平衡(pnghng)的缓慢冷却条件下形成的珠光体是由渗碳体和铁素体组成的片层相间的组织。共析碳钢的片状珠光体共析碳钢的片状珠光体组织组织(zzh)形貌形貌u珠光体的形成过程包含两个同时进行的过程:A.通过碳的扩散生成低碳的铁素体和高碳的渗碳体;B.晶体点阵的重构:由fcc的奥氏体转变为bcc的铁素体和复杂单斜的渗碳体。第四章第四章 相变热力学相变热力学第24页/共49页第二十五页,共49页。珠光体转变珠光体转变(zhunbin)(zhunbin)中的有效驱动力中的有效驱动力 4.3 4.3 珠光体转变珠光体转变(zhunbin)(zhunbin)(共析分(共析分
15、解)热力学解)热力学u珠光体转变需采用碳原子界面扩散与铁原子界面迁移的复合(fh)模型来分析。u珠光体转变过程的驱动力需要用于三个方面的能量消耗,即Fe-C珠光体转变机制珠光体转变机制 界面能碳原子界面扩散消耗的能量铁原子界面迁移过程消耗的能量 第四章第四章 相变热力学相变热力学第25页/共49页第二十六页,共49页。Fe-C珠光体转变的能珠光体转变的能量量(nngling)分配分配珠光体转变珠光体转变(zhunbin)(zhunbin)中的有效驱动力中的有效驱动力 4.3 4.3 珠光体转变珠光体转变(zhunbin)(zhunbin)(共析分解)(共析分解)热力学热力学u在过冷度很小的温度
16、范围内,相变驱动力主要消耗在/界面的形成和碳原子的界面扩散上,珠光体转变机制是碳原子的界面扩散控制。u过冷度很大的珠光体转变机过冷度很大的珠光体转变机制是铁原子界面迁移与制是铁原子界面迁移与碳原碳原子界面扩散的复合控制过程子界面扩散的复合控制过程。第四章第四章 相变热力学相变热力学第26页/共49页第二十七页,共49页。4.3 4.3 珠光体转变珠光体转变(zhunbin)(zhunbin)(共析分解)(共析分解)热力学热力学u片状珠光体转变(zhunbin)中形成/两相界面需要的摩尔能量为:/:界面(jimin)的能量;V:+层状组织的摩尔体积;=+为层状组织一个单位的间距。共晶、共析相变组
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