固态转变原理.ppt

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1、2 0 0 9 2 0 0 9 年年 11 11 月月固 态 转 变 学材料科学和固态相变的基础知识走进材料科学走进材料科学固态相变理论在材料科学与工程中的作用固态相变理论在材料科学与工程中的作用固 态 转 变 学走进材料科学走进材料科学材料人类文明和进步的支柱石器时代石器时代青铜时代青铜时代钢铁时代钢铁时代固 态 转 变 学你想知道你想知道？为什么有些钢铁在空气中会生锈，而有些钢铁不生锈为什么有些钢铁在空气中会生锈，而有些钢铁不生锈为什么有些钢铁在空气中会生锈，而有些钢铁不生锈为什么有些钢铁在空气中会生锈，而有些钢铁不生锈？为什么在制造工具和刀具时往往要把成品烧红了之后扔进水里？为什么在制造

2、工具和刀具时往往要把成品烧红了之后扔进水里？为什么在制造工具和刀具时往往要把成品烧红了之后扔进水里？为什么在制造工具和刀具时往往要把成品烧红了之后扔进水里？为什么钢可以进行大应变量轧制变形，而镁就不行？为什么钢可以进行大应变量轧制变形，而镁就不行？为什么钢可以进行大应变量轧制变形，而镁就不行？为什么钢可以进行大应变量轧制变形，而镁就不行？为什么金属可以导电，而陶瓷就不导电？为什么金属可以导电，而陶瓷就不导电？为什么金属可以导电，而陶瓷就不导电？为什么金属可以导电，而陶瓷就不导电？为什么同是钢铁材料却有硬有软？为什么同是钢铁材料却有硬有软？为什么同是钢铁材料却有硬有软？为什么同是钢铁材料却有硬有

3、软？材料都是怎样设计来满足使用性能要求的？材料都是怎样设计来满足使用性能要求的？材料都是怎样设计来满足使用性能要求的？材料都是怎样设计来满足使用性能要求的？,走进材料科学与工程走进材料科学与工程固 态 转 变 学材料科学与工程新材料的开发已有材料的性能改善科学工程怎么做怎么做固 态 转 变 学ABCP/CA:A:材料的材料的成分成分（合金元素的作用等）（合金元素的作用等）Composition CompositionB:B:材料的材料的组织组织（材料的相组成，尺寸和其它的微观特（材料的相组成，尺寸和其它的微观特征等）征等）MicrostructureMicrostructureC:C:材料的制

4、备材料的制备工艺工艺（连接，热处理，成型，铸造，冶（连接，热处理，成型，铸造，冶炼等）炼等）ProcessingProcessingP/C:P/C:材料的材料的使用使用和和成本成本（力学性能，物理性能，对环（力学性能，物理性能，对环境的作用，成本境的作用，成本/能源）能源）Performance and costPerformance and cost固 态 转 变 学固 态 转 变 学固 态 转 变 学固 态 转 变 学固 态 转 变 学相、组织、结构固 态 转 变 学固 态 转 变 学固 态 转 变 学材料的成分和工艺材料的使用性能固态转变固态转变固 态 转 变 学 请根据大学结业的课题从

5、材料科学与工程四要素阐述固态相变学在材料科学中的应用和地位第一专题完第一专题完第一专题完第一专题完固 态 转 变 学固态转变的基本热力学原理固 态 转 变 学热力学函数热力学热力学平衡状态固 态 转 变 学固态转变的基本热力学原理固态转变的基本热力学原理GibbsGibbs自由能和平衡自由能和平衡相平衡关系的描述相平衡关系的描述相图相图固 态 转 变 学 相相图图是是在在给给定定条条件件下下体体系系中中各各相相之之间间建建立立平平衡衡后后的的几几何何表表达。严格来说，相图应称之为达。严格来说，相图应称之为相平衡图相平衡图，而相图是习惯的简称。，而相图是习惯的简称。采采用用的的热热力力学学变变量

6、量不不同同，可可以以构构成成不不同同类类型型的的相相图图，所所以以相图的类型可以有很多。相图的类型可以有很多。对对于于材材料料科科学学工工作作者者来来说说，最最关关心心的的是是凝凝聚聚态态。压压力力变变化化不不大大的的情情况况下下，压压力力对对凝凝聚聚态态相相平平衡衡的的影影响响可可以以忽忽略略。所所以以，除除了了特特殊殊情情况况，通通常常使使用用以以温温度度T T和和成成分分x xi i（第第i i组组元元的的摩摩尔尔分分数）或数）或wwi i（第（第i i组元的质量分数）为坐标的相图。组元的质量分数）为坐标的相图。由两个组元构成的合金的相图，称之为由两个组元构成的合金的相图，称之为二元相图

7、二元相图。固 态 转 变 学相律相律 若若选选取取温温度度T T、压压力力P P和和组组元元成成分分x xi i（或或wwi i）作作为为独独立立变变量量，体体系系中中各各相达到平衡时，相律的形式为相达到平衡时，相律的形式为 式中，式中，C C 是相所含的组元数，是相所含的组元数，是平衡相的数目，是平衡相的数目，F F 是是自由度自由度数。数。对对于于凝凝聚聚态态系系统统中中的的相相平平衡衡，通通常常每每改改变变10105 5PaPa压压力力，其其平平衡衡温温度度改改变变约约1010-2-2 的的数数量量级级。因因此此，在在压压力力变变化化不不大大的的情情况况下下，压压力力的的影影响响可可以忽

8、略，把系统看做是恒压的。这时相律的形式变为以忽略，把系统看做是恒压的。这时相律的形式变为 固 态 转 变 学固溶体的固溶体的GibbsGibbs自由能自由能固 态 转 变 学从从 相转变成相转变成 相转变的热力学驱动力相转变的热力学驱动力二元合金中第二相析出的热力学驱动力二元合金中第二相析出的热力学驱动力公切线法则公切线法则固 态 转 变 学x0为什么两相平衡时，为什么两相平衡时，为什么两相平衡时，为什么两相平衡时，相和相和相和相和 相的平衡成分是两条曲线公切线切点的成分？相的平衡成分是两条曲线公切线切点的成分？相的平衡成分是两条曲线公切线切点的成分？相的平衡成分是两条曲线公切线切点的成分？x

9、xP PE EP P P P点和点和点和点和E E E E点的含义是什么？点的含义是什么？点的含义是什么？点的含义是什么？固 态 转 变 学相图的热力学来源相图的热力学来源固 态 转 变 学固态转变的一些基本概念 稳定的和不稳定的自由能曲线稳定的和不稳定的自由能曲线Spinodal Spinodal 分解分解固 态 转 变 学 两类两类GibbsGibbs转变转变形核与长大形核与长大（不连续转变）（不连续转变）调幅分解调幅分解（连续转变）（连续转变）固 态 转 变 学 相变的分级 根根根根据据据据相相相相变变变变过过过过程程程程中中中中GibbsGibbsGibbsGibbs自自自自由由由由能

10、能能能随随随随外外外外界界界界条条条条件件件件变变变变化化化化的的的的几几几几阶阶阶阶导导导导数数数数发发发发生生生生了了了了不不不不连连连连续续续续变变变变化化化化，则则则则成成成成为为为为几几几几级级级级相相相相变变变变。例例例例如如如如如如如如果果果果在在在在相相相相变变变变过过过过程程程程中中中中随随随随温温温温度度度度变变变变化化化化，相相相相变变变变前前前前后后后后由由由由于于于于结结结结构构构构改改改改变变变变导导导导致致致致系系系系统统统统的的的的熵熵熵熵发发发发生生生生了了了了改改改改变变变变则则则则为为为为一一一一级级级级相相相相变变变变。如如如如果果果果随随随随压压压压力

11、力力力变变变变化化化化相相相相变变变变发发发发生生生生了了了了体体体体积积积积的的的的变变变变化化化化则则则则为为为为一一一一级级级级相相相相变变变变。一一一一般般般般金金金金属属属属中中中中发发发发生生生生的的的的固固固固态态态态相相相相变变变变为为为为一一一一级相变。级相变。级相变。级相变。固 态 转 变 学 短程和长程扩散 界界界界面面面面控控控控制制制制的的的的过过过过程程程程新新新新相相相相形形形形成成成成过过过过程程程程中中中中随随随随界界界界面面面面迁迁迁迁移移移移，原子跃过界面的迁移过程原子跃过界面的迁移过程原子跃过界面的迁移过程原子跃过界面的迁移过程 当当当当新新新新相相相相

12、和和和和母母母母相相相相成成成成份份份份不不不不同同同同时时时时，除除除除了了了了原原原原子子子子越越越越过过过过界界界界面面面面的的的的迁迁迁迁移移移移过过过过程程程程外外外外，往往往往往往往往需需需需要要要要长长长长距距距距离离离离（数数数数倍倍倍倍的的的的原原原原子子子子间间间间距距距距）的的的的原子输送来满足新相的成分要求原子输送来满足新相的成分要求原子输送来满足新相的成分要求原子输送来满足新相的成分要求相变动力学相变动力学相变的速度相变的速度固 态 转 变 学讨论讨论根据前面的分析系统的根据前面的分析系统的GibbsGibbs自由能定义为：自由能定义为：忽略压力的变化，则忽略压力的变

13、化，则在在一一个个封封闭闭系系统统中中，系系统统的的熵熵永永远远为为正正。则则表表明明随随着着温温度度的的增增加加，系系统统的的自自由由能能减减少少。那那么么根根据据热热力力学学判判据据，一一个个系系统统的的温温度度似似乎乎应应该该自自动动升升高高，这这与与实实际际不不合合，请请分分析析上上述述分分析析错错误误的原因。的原因。为什么为什么Fe-CFe-C平衡相图在平衡相图在Fe-FeFe-Fe3 3C C平衡平衡相图的左上方？相图的左上方？固 态 转 变 学固态转变动力学形核和长大固 态 转 变 学扩散型转变的相变形核理论扩散型转变扩散型转变扩散型转变扩散型转变相变的发生是通过相变的发生是通过

14、相变的发生是通过相变的发生是通过原子的热运动原子的热运动原子的热运动原子的热运动来完成的来完成的来完成的来完成的新相和母相往往具有不同的结构或新相和母相往往具有不同的结构或新相和母相往往具有不同的结构或新相和母相往往具有不同的结构或/和成分和成分和成分和成分讨论的重点形核过程中形核过程中GibbsGibbs自由能的变化自由能的变化固 态 转 变 学固态相变的经典形核理论固态相变新相核心形成过程的能量变化固态相变新相核心形成过程的能量变化母相形成新相母相形成新相母相形成新相母相形成新相体积自由能体积自由能体积自由能体积自由能 G GG GV V V V的减少的减少的减少的减少母相和新相之间的界面

15、母相和新相之间的界面母相和新相之间的界面母相和新相之间的界面增加的界面能增加的界面能增加的界面能增加的界面能 /母相和新相的比容不同母相和新相的比容不同母相和新相的比容不同母相和新相的比容不同受约束的体积膨胀受约束的体积膨胀受约束的体积膨胀受约束的体积膨胀/收缩收缩收缩收缩造成的弹性应变能造成的弹性应变能造成的弹性应变能造成的弹性应变能 G GG GE E E E固 态 转 变 学固 态 转 变 学问题问题形核的过程是热力学自发的过程吗形核的过程是热力学自发的过程吗形核的过程是热力学自发的过程吗形核的过程是热力学自发的过程吗？具有临界核心半径的新相核心是如何形成的？具有临界核心半径的新相核心是

16、如何形成的？具有临界核心半径的新相核心是如何形成的？具有临界核心半径的新相核心是如何形成的？那有没有直接形成半径大于那有没有直接形成半径大于那有没有直接形成半径大于那有没有直接形成半径大于r r r r0 0 0 0的核心的可能？的核心的可能？的核心的可能？的核心的可能？临界核心半径与过冷度的关系如何？临界核心半径与过冷度的关系如何？临界核心半径与过冷度的关系如何？临界核心半径与过冷度的关系如何？固 态 转 变 学形成一个具有临界半径的新相的核心形成一个具有临界半径的新相的核心形成一个具有临界半径的新相的核心形成一个具有临界半径的新相的核心需要外界做功多少？需要外界做功多少？需要外界做功多少？

17、需要外界做功多少？忽略弹性应变能的影响忽略弹性应变能的影响忽略弹性应变能的影响忽略弹性应变能的影响 G GG GE E E E=0=0=0=0这种外界所需要做的功从何而来？这种外界所需要做的功从何而来？这种外界所需要做的功从何而来？这种外界所需要做的功从何而来？固 态 转 变 学从母相形成新相的核心时，两相的成分差异如何解决从母相形成新相的核心时，两相的成分差异如何解决从母相形成新相的核心时，两相的成分差异如何解决从母相形成新相的核心时，两相的成分差异如何解决？新相核心形成的必要条件必须具有形核的必须具有形核的必须具有形核的必须具有形核的驱动力驱动力驱动力驱动力过冷度过冷度过冷度过冷度需要需要

18、需要需要结构起伏结构起伏结构起伏结构起伏提供具有临界核心半径的原子集团提供具有临界核心半径的原子集团提供具有临界核心半径的原子集团提供具有临界核心半径的原子集团需要需要需要需要能量起伏能量起伏能量起伏能量起伏提供形成新相核心的超额能量提供形成新相核心的超额能量提供形成新相核心的超额能量提供形成新相核心的超额能量需要需要需要需要成分起伏成分起伏成分起伏成分起伏提供形成新相核心所具有的成分提供形成新相核心所具有的成分提供形成新相核心所具有的成分提供形成新相核心所具有的成分固 态 转 变 学形核的速度单位时间在单位体积的母相中形成新单位时间在单位体积的母相中形成新相核心的数目相核心的数目在在在在一一

19、一一定定定定的的的的过过过过冷冷冷冷度度度度条条条条件件件件下下下下，母母母母相相相相中中中中具具具具有有有有临临临临界界界界核核核核心心心心半半半半径径径径的的的的新新新新相相相相的的的的原子集团的数目原子集团的数目原子集团的数目原子集团的数目设单位体积中所有的各种尺寸的原子集团的数目为设单位体积中所有的各种尺寸的原子集团的数目为设单位体积中所有的各种尺寸的原子集团的数目为设单位体积中所有的各种尺寸的原子集团的数目为N NN NV V V V这是新相核心的数目吗这是新相核心的数目吗这是新相核心的数目吗这是新相核心的数目吗？固 态 转 变 学固 态 转 变 学原子在原子在原子在原子在 0 0

20、0 0次的热运动中，能够跃迁到新相核心的几率：次的热运动中，能够跃迁到新相核心的几率：次的热运动中，能够跃迁到新相核心的几率：次的热运动中，能够跃迁到新相核心的几率：所有这些条件具备之后才形成了实际意义上的新相的核心所有这些条件具备之后才形成了实际意义上的新相的核心所有这些条件具备之后才形成了实际意义上的新相的核心所有这些条件具备之后才形成了实际意义上的新相的核心近似地利用单位体积中的原子数代替近似地利用单位体积中的原子数代替近似地利用单位体积中的原子数代替近似地利用单位体积中的原子数代替N NV V固 态 转 变 学问题加加加加热热热热时时时时奥奥奥奥氏氏氏氏体体体体形形形形成成成成和和和和

21、过过过过冷冷冷冷奥奥奥奥氏氏氏氏体体体体转转转转变变变变的的的的动动动动力力力力学学学学（TTTTTTTTTTTT）曲曲曲曲线线线线的的的的基本形状？为什么？基本形状？为什么？基本形状？为什么？基本形状？为什么？在在在在实实实实际际际际相相相相变变变变过过过过程程程程中中中中，相相相相变变变变发发发发生生生生时时时时为为为为什什什什么么么么往往往往往往往往优优优优先先先先形形形形成成成成的的的的是是是是亚亚亚亚稳相，而不是稳定相？稳相，而不是稳定相？稳相，而不是稳定相？稳相，而不是稳定相？在在在在实实实实际际际际相相相相变变变变过过过过程程程程中中中中，相相相相变变变变发发发发生生生生时时时时

22、新新新新相相相相经经经经常常常常不不不不是是是是球球球球状状状状而而而而是是是是片片片片状状状状等一些特别的形状？等一些特别的形状？等一些特别的形状？等一些特别的形状？固 态 转 变 学界面结构与界面能量界面结构与界面能量对于晶体对于晶体对于晶体对于晶体-晶体型的界面晶体型的界面晶体型的界面晶体型的界面共格型界面共格型界面共格型界面共格型界面相相相相界界界界面面面面中中中中原原原原子子子子排排排排列列列列完完完完全全全全有有有有序序序序，两相原子排列方式完全适配两相原子排列方式完全适配两相原子排列方式完全适配两相原子排列方式完全适配界面能量？界面能量？固 态 转 变 学错配度错配度带有晶格畸变

23、的共格界面带有晶格畸变的共格界面带有晶格畸变的共格界面带有晶格畸变的共格界面界面能量？界面能量？固 态 转 变 学半共格界面半共格界面半共格界面半共格界面界界界界面面面面上上上上原原原原子子子子间间间间距距距距的的的的失失失失配配配配通通通通过过过过弛弛弛弛豫豫豫豫使使使使失失失失配配配配局局局局限限限限在在在在失失失失配配配配位位位位错错错错处处处处，其其其其余余余余大大大大部部部部分分分分区区区区域域域域仅仅仅仅有有有有很很很很小小小小弹弹弹弹性性性性畸变畸变畸变畸变界面能量？界面能量？固 态 转 变 学非共格界面非共格界面非共格界面非共格界面完全无序的界面完全无序的界面完全无序的界面完全

24、无序的界面界面能量？界面能量？固 态 转 变 学两两两两相相相相间间间间界界界界面面面面能能能能随随随随界界界界面面面面两两两两侧侧侧侧原原原原子子子子排排排排列列列列匹匹匹匹配配配配程程程程度度度度加加加加大大大大而而而而减减减减小小小小。形形形形核核核核时时时时总总总总希希希希望望望望有有有有最最最最低低低低的的的的总总总总表表表表面面面面能能能能。非非非非共共共共格格格格界界界界面面面面能能能能很很很很高高高高，若若若若调调调调整整整整核核核核心心心心和和和和母母母母相相相相的的的的取取取取向向向向关关关关系系系系，使使使使核核核核心心心心出出出出现现现现尽尽尽尽量量量量多多多多的的的的

25、共共共共格格格格或或或或半半半半共共共共格格格格界界界界面面面面，就就就就会会会会减减减减小小小小形形形形核核核核功功功功，形核过程便易于进行。形核过程便易于进行。形核过程便易于进行。形核过程便易于进行。若若若若母母母母相相相相和和和和稳稳稳稳定定定定的的的的新新新新相相相相的的的的晶晶晶晶体体体体结结结结构构构构差差差差异异异异很很很很大大大大，以以以以至至至至于于于于不不不不管管管管新新新新母母母母相相相相如如如如何何何何调调调调整整整整取取取取向向向向关关关关系系系系也也也也不不不不可可可可能能能能形形形形成成成成共共共共格格格格的的的的低低低低能能能能界界界界面面面面，则则则则有有有有

26、可可可可能能能能形形形形成成成成与与与与母母母母相相相相呈呈呈呈共共共共格格格格界界界界面面面面关关关关系系系系的另一种亚稳定相的另一种亚稳定相的另一种亚稳定相的另一种亚稳定相。形核时界面结构和界面能量的一般规律形核时界面结构和界面能量的一般规律固 态 转 变 学对对对对共共共共格格格格界界界界面面面面，界界界界面面面面两两两两侧侧侧侧原原原原子子子子排排排排列列列列的的的的间间间间距距距距差差差差异异异异是是是是由由由由两两两两相相相相的的的的弹弹弹弹性性性性应应应应变变变变能能能能承承承承担担担担的的的的。当当当当新新新新相相相相长长长长大大大大时时时时，弹弹弹弹性性性性应应应应变变变变能

27、能能能加加加加大大大大，将将将将会会会会在在在在界界界界面面面面上上上上引引引引入入入入位位位位错错错错网网网网络络络络来来来来降降降降低低低低弹弹弹弹性性性性应应应应变变变变能能能能，变变变变成成成成半半半半共共共共格格格格界界界界面面面面。新新新新相相相相长长长长大大大大到到到到更更更更大大大大尺尺尺尺寸寸寸寸时时时时，共共共共格格格格关关关关系系系系使使使使总总总总界界界界面面面面能能能能的的的的减减减减少少少少不不不不足足足足以以以以补补补补偿偿偿偿维维维维持持持持共共共共格格格格所所所所引引引引起起起起的的的的弹弹弹弹性性性性能或结构能，新相和母相间就失去共格关系能或结构能，新相和母

28、相间就失去共格关系能或结构能，新相和母相间就失去共格关系能或结构能，新相和母相间就失去共格关系固 态 转 变 学新相的形貌新相的形貌新相总在母相的某一特定晶面上析出。这时两相会新相总在母相的某一特定晶面上析出。这时两相会新相总在母相的某一特定晶面上析出。这时两相会新相总在母相的某一特定晶面上析出。这时两相会有一定的有一定的有一定的有一定的取向关系取向关系取向关系取向关系。如如如如：Al-CuAl-CuAl-CuAl-Cu合合合合金金金金中中中中的的的的AlAlAlAl（母母母母相相相相），（析析析析出出出出相相相相），它它它它们们们们间间间间取取取取向向向向关关关关系系系系是是是是(001)(

29、001)(001)(001)fccfccfccfcc(001)(001)(001)(001)tettettettet；tettettettet,惯惯惯惯习面习面习面习面是是是是(100)(100)(100)(100)fccfccfccfcc。这时往往形成。这时往往形成。这时往往形成。这时往往形成片状片状片状片状的新相。的新相。的新相。的新相。有一些体系它们之间仅有匹配好的方向，例如有一些体系它们之间仅有匹配好的方向，例如有一些体系它们之间仅有匹配好的方向，例如有一些体系它们之间仅有匹配好的方向，例如Fe-CuFe-CuFe-CuFe-Cu系，系，系，系，fccfccfccfccbccbccbc

30、cbcc，析出相是，析出相是，析出相是，析出相是针状针状针状针状的。的。的。的。固 态 转 变 学Gibbs-WulffGibbs-Wulff判据判据析析析析出出出出相相相相与与与与母母母母相相相相间间间间界界界界面面面面的的的的 图图图图（界界界界面面面面能能能能与与与与取取取取向向向向变变变变化化化化的的的的关关关关系），新相为片状时，总界面能最低。系），新相为片状时，总界面能最低。系），新相为片状时，总界面能最低。系），新相为片状时，总界面能最低。固 态 转 变 学问题：问题：当当当当新新新新相相相相在在在在惯惯惯惯习习习习面面面面上上上上形形形形成成成成片片片片状状状状形形形形貌貌貌貌

31、后后后后，在在在在长长长长大大大大过过过过程程程程中中中中形状会发生什么样的变化？形状会发生什么样的变化？形状会发生什么样的变化？形状会发生什么样的变化？在什么情况下，析出的新相可以具有球状的特征？在什么情况下，析出的新相可以具有球状的特征？在什么情况下，析出的新相可以具有球状的特征？在什么情况下，析出的新相可以具有球状的特征？又为什么是球状？又为什么是球状？又为什么是球状？又为什么是球状？固 态 转 变 学小结：小结：小结：小结：仅仅仅仅从从从从界界界界面面面面能能能能考考考考虑虑虑虑，当当当当界界界界面面面面能能能能随随随随取取取取向向向向改改改改变变变变而而而而表表表表现现现现为为为为各

32、各各各向向向向异异异异性性性性时时时时，从从从从形形形形核核核核的的的的阻阻阻阻力力力力分分分分析析析析，新新新新相相相相将将将将以以以以片片片片状状状状或或或或针针针针状状状状的的的的形形形形式式式式从从从从母母母母相相相相的的的的惯惯惯惯习习习习面面面面或或或或惯惯惯惯习习习习方方方方向向向向形形形形成成成成来来来来降降降降低低低低形形形形核核核核功功功功而而而而提提提提高高高高形形形形核核核核的的的的速速速速度度度度。但但但但是是是是当当当当界界界界面面面面能能能能不不不不随随随随取取取取向向向向位位位位置置置置的的的的改改改改变变变变而而而而改改改改变变变变（各各各各向向向向同同同同性

33、性性性），也也也也就就就就是是是是说说说说新新新新相相相相和和和和母母母母相相相相在在在在任任任任何何何何方方方方向向向向上上上上都都都都能能能能够够够够保保保保证证证证原原原原子子子子排排排排列列列列能能能能够够够够很很很很好好好好的的的的匹匹匹匹配配配配，或或或或者者者者新新新新相相相相和和和和母母母母相相相相在在在在任任任任何何何何方方方方向向向向上上上上都都都都不不不不能能能能匹匹匹匹配配配配，这这这这时析出的新相往往表现出球状的形貌。时析出的新相往往表现出球状的形貌。时析出的新相往往表现出球状的形貌。时析出的新相往往表现出球状的形貌。固 态 转 变 学应变能对形核的作用应变能对形核的

34、作用新相形成时应变能的来源新相形成时应变能的来源新相形成时应变能的来源新相形成时应变能的来源新、母相比容差别引起；新、母相比容差别引起；新、母相比容差别引起；新、母相比容差别引起；核心共格界面引起；核心共格界面引起；核心共格界面引起；核心共格界面引起；各组元扩散速度不同，使得形成的核心中包含的各组元扩散速度不同，使得形成的核心中包含的各组元扩散速度不同，使得形成的核心中包含的各组元扩散速度不同，使得形成的核心中包含的原子数和形成核心前这个区域的母相的原子数目原子数和形成核心前这个区域的母相的原子数目原子数和形成核心前这个区域的母相的原子数目原子数和形成核心前这个区域的母相的原子数目不相同而引起

35、体积不同。不相同而引起体积不同。不相同而引起体积不同。不相同而引起体积不同。固 态 转 变 学由于金属材料往往具有由于金属材料往往具有由于金属材料往往具有由于金属材料往往具有较大的弹性模量较大的弹性模量较大的弹性模量较大的弹性模量，因此即使很，因此即使很，因此即使很，因此即使很小的弹性应变也会造成很大的弹性应变能，而对相变小的弹性应变也会造成很大的弹性应变能，而对相变小的弹性应变也会造成很大的弹性应变能，而对相变小的弹性应变也会造成很大的弹性应变能，而对相变过程发生形成的影响过程发生形成的影响过程发生形成的影响过程发生形成的影响例例例例如如如如AlAlAlAl，弹弹弹弹性性性性模模模模量量量量

36、为为为为70GPa70GPa70GPa70GPa，1%1%1%1%的的的的弹弹弹弹性性性性变变变变形形形形就就就就会会会会形形形形成成成成3.5MJ/m3.5MJ/m3.5MJ/m3.5MJ/m3 3 3 3的弹性应变能。的弹性应变能。的弹性应变能。的弹性应变能。但但但但是是是是当当当当两两两两相相相相之之之之间间间间的的的的弹弹弹弹性性性性应应应应变变变变能能能能形形形形成成成成的的的的应应应应力力力力大大大大于于于于材材材材料料料料的的的的屈屈屈屈服服服服应应应应力力力力时时时时，就就就就会会会会发发发发生生生生塑塑塑塑性性性性变变变变形形形形来来来来松松松松弛弛弛弛弹弹弹弹性性性性应应应

37、应变变变变，但同时会造成界面能的增加。但同时会造成界面能的增加。但同时会造成界面能的增加。但同时会造成界面能的增加。固 态 转 变 学固 态 转 变 学界面能界面能应变能应变能新相的形貌新相的形貌核核核核心心心心总总总总是是是是倾倾倾倾向向向向于于于于以以以以使使使使其其其其总总总总的的的的表表表表面面面面能能能能和和和和应应应应变变变变能能能能最最最最小小小小的的的的方式形成方式形成方式形成方式形成当当当当 V V V V/V V V V很很很很小小小小时时时时，界界界界面面面面能能能能起起起起主主主主要要要要作作作作用用用用，新新新新相相相相往往往往往往往往呈呈呈呈球球球球状；若状；若状；

38、若状；若 V V V V/V V V V较大，则新相可能是针状或圆盘状较大，则新相可能是针状或圆盘状较大，则新相可能是针状或圆盘状较大，则新相可能是针状或圆盘状固 态 转 变 学固态相变中的非均匀形核固态相变中的非均匀形核非均匀形核非均匀形核非均匀形核非均匀形核 在在发发生生相相变变的的过过程程中中，新新相相形形核核的的位位置置在在母母相相中中并并不不是是随随机机均均匀匀地地分分布布，而而是是在在某某些特定的位置些特定的位置上优先形核。上优先形核。特定的位置特定的位置特定的位置特定的位置 母母相相的的晶晶界界、其其他他各各类类晶晶体体缺缺陷陷（如如位位错、堆垛层错等）。错、堆垛层错等）。固 态

39、 转 变 学为什么会发生非均匀形核为什么会发生非均匀形核 形形核核可可以以抵抵消消部部分分缺缺陷陷，消消失失的的那那一一部部分分缺缺陷陷的的自自由由能能可可提提供供克克服服形形核核位位垒垒，从从而而降降低低形核功。形核功。固 态 转 变 学在母相晶界上形核在母相晶界上形核 假设条件：假设条件：新相核心的界面能是各向同性新相核心的界面能是各向同性 忽略应变能的影响忽略应变能的影响固 态 转 变 学界面张力之间存在有力学上的平衡界面张力之间存在有力学上的平衡界面张力之间存在有力学上的平衡界面张力之间存在有力学上的平衡 称之为浸润角或润湿角称之为浸润角或润湿角称之为浸润角或润湿角称之为浸润角或润湿角

40、非均匀形核过程中的能量变化非均匀形核过程中的能量变化固 态 转 变 学根据如图的几何关系根据如图的几何关系根据如图的几何关系根据如图的几何关系 如果把相变非均匀形核的自由能随半径的变化关如果把相变非均匀形核的自由能随半径的变化关如果把相变非均匀形核的自由能随半径的变化关如果把相变非均匀形核的自由能随半径的变化关系作图，仍然与均匀形核类似会出现一个极大值，所系作图，仍然与均匀形核类似会出现一个极大值，所系作图，仍然与均匀形核类似会出现一个极大值，所系作图，仍然与均匀形核类似会出现一个极大值，所对应的新相原子集团的半径同样称为对应的新相原子集团的半径同样称为对应的新相原子集团的半径同样称为对应的新

41、相原子集团的半径同样称为“临界核心半径临界核心半径临界核心半径临界核心半径”固 态 转 变 学临界核心半径的大小临界核心半径的大小临界核心半径的大小临界核心半径的大小问题：问题：问题：问题：对于非均匀形核其临界核心半径与均匀形核相对于非均匀形核其临界核心半径与均匀形核相对于非均匀形核其临界核心半径与均匀形核相对于非均匀形核其临界核心半径与均匀形核相比减小了吗？比减小了吗？比减小了吗？比减小了吗？如如如如果果果果没没没没有有有有减减减减小小小小，那那那那么么么么非非非非均均均均匀匀匀匀形形形形核核核核对对对对形形形形核核核核过过过过程程程程的的的的促促促促进作用又体现在哪里？进作用又体现在哪里？

42、进作用又体现在哪里？进作用又体现在哪里？固 态 转 变 学如何去理解非均匀形核对新相形成的促进作用？如何去理解非均匀形核对新相形成的促进作用？如何去理解非均匀形核对新相形成的促进作用？如何去理解非均匀形核对新相形成的促进作用？新相形核的位置对形核的影响新相形核的位置对形核的影响 在在在在晶晶晶晶粒粒粒粒棱棱棱棱边边边边和和和和角角角角隅隅隅隅上上上上的的的的形形形形核核核核形形形形核核核核功功功功更更更更低低低低。其其其其形形形形核核核核功的形式和晶界表达式相似，都是功的形式和晶界表达式相似，都是功的形式和晶界表达式相似，都是功的形式和晶界表达式相似，都是coscoscoscos 的函数。的函

43、数。的函数。的函数。固 态 转 变 学 把把把把在在在在晶晶晶晶界界界界面面面面，晶晶晶晶粒粒粒粒棱棱棱棱边边边边和和和和角角角角隅隅隅隅的的的的临临临临界界界界核核核核心心心心的的的的形形形形成成成成功和均匀形核的临界核心形成功的比值统一写成功和均匀形核的临界核心形成功的比值统一写成功和均匀形核的临界核心形成功的比值统一写成功和均匀形核的临界核心形成功的比值统一写成下标下标下标下标i(=0i(=0，1,2,3)1,2,3)表示形核地点的维数。表示形核地点的维数。表示形核地点的维数。表示形核地点的维数。固 态 转 变 学问问问问题题题题：那那那那么么么么是是是是否否否否新新新新相相相相在在在在

44、晶晶晶晶界界界界的的的的角角角角隅隅隅隅最最最最有有有有最最最最快快快快的的的的形形形形核核核核速速速速度？度？度？度？固 态 转 变 学 在在在在实实实实际际际际的的的的形形形形核核核核过过过过程程程程中中中中形形形形核核核核率率率率的的的的大大大大小小小小不不不不仅仅仅仅取取取取决决决决于于于于形形形形核核核核势势势势垒垒垒垒的的的的大大大大小小小小，同同同同时时时时也也也也与与与与母母母母相相相相中中中中的的的的可可可可供供供供形形形形核核核核的的的的位位位位置置置置的的的的数数数数目目目目有有有有关关关关。从从从从可可可可供供供供形形形形核核核核的的的的位位位位置置置置考考考考虑虑虑虑

45、，实实实实际际际际材材材材料料料料中中中中的的的的均均均均匀匀匀匀形形形形核核核核位位位位置置置置，界界界界面面面面形形形形核核核核位位位位置置置置，棱棱棱棱边边边边形形形形核核核核位位位位置置置置和和和和角角角角隅隅隅隅形形形形核核核核位位位位置置置置依依依依次次次次递递递递减减减减，而而而而且且且且与与与与材材材材料料料料的的的的晶晶晶晶粒粒粒粒尺尺尺尺寸寸寸寸有有有有关关关关。设设设设L L L L为为为为晶晶晶晶粒粒粒粒尺尺尺尺寸寸寸寸，为为为为晶晶晶晶界界界界的的的的“有有有有效效效效厚厚厚厚度度度度”，晶晶晶晶界界界界形形形形核核核核位位位位置置置置，棱棱棱棱边边边边形形形形核核核

46、核位位位位置置置置以以以以及及及及角角角角隅隅隅隅形形形形核核核核位位位位置置置置与与与与均均均均匀匀匀匀形形形形核核核核位位位位置置置置的的的的比比比比值值值值分分分分别别别别为为为为(/L)/L)/L)/L)，(/L)/L)/L)/L)2 2 2 2，(/L)/L)/L)/L)3 3 3 3。根根根根据据据据上上上上面面面面的的的的分分分分析析析析，显显显显然然然然当当当当形形形形核核核核位位位位置置置置的的的的维维维维数数数数降降降降低低低低时时时时，形形形形核核核核功功功功显显显显著著著著降降降降低低低低，然然然然而而而而同同同同时时时时形形形形核核核核的的的的位位位位置置置置也也也也

47、显显显显著著著著降降降降低低低低。假假假假设设设设晶晶晶晶粒粒粒粒的的的的尺尺尺尺寸寸寸寸为为为为50505050微微微微米米米米，晶晶晶晶界界界界的的的的厚厚厚厚度度度度为为为为0.50.50.50.5纳纳纳纳米米米米，则则则则上上上上述述述述的的的的比比比比例为例为例为例为1010101015151515：1010101010101010：101010105 5 5 5：1,1,1,1,表现出很大的降低。表现出很大的降低。表现出很大的降低。表现出很大的降低。固 态 转 变 学 因因因因此此此此实实实实际际际际形形形形核核核核过过过过程程程程中中中中新新新新相相相相形形形形核核核核的的的的位

48、位位位置置置置是是是是形形形形核核核核功功功功 G*G*和和和和可可可可能能能能的的的的形形形形核核核核的的的的位位位位置置置置N NV V共共共共同同同同作作作作用用用用的的的的结结结结果果果果。当当当当驱驱驱驱动动动动力力力力很很很很大大大大，界界界界面面面面能能能能降降降降低低低低时时时时，形形形形核核核核可可可可以以以以由由由由均均均均匀匀匀匀形形形形核核核核来来来来完完完完成成成成，得得得得到到到到高高高高密密密密度度度度的的的的晶晶晶晶内内内内析析析析出出出出物物物物；当当当当驱驱驱驱动动动动力力力力较较较较小小小小而而而而界界界界面面面面能能能能较较较较高高高高时往往会依附于一切

49、可能的非均匀形核的位置来形核。时往往会依附于一切可能的非均匀形核的位置来形核。时往往会依附于一切可能的非均匀形核的位置来形核。时往往会依附于一切可能的非均匀形核的位置来形核。当新相在晶界形核时，往往观察到的结果在两侧当新相在晶界形核时，往往观察到的结果在两侧当新相在晶界形核时，往往观察到的结果在两侧当新相在晶界形核时，往往观察到的结果在两侧新相并不对称，这又是什么原因？新相并不对称，这又是什么原因？新相并不对称，这又是什么原因？新相并不对称，这又是什么原因？固 态 转 变 学 实实实实际际际际第第第第二二二二相相相相在在在在晶晶晶晶界界界界形形形形成成成成时时时时，新新新新相相相相的的的的析析

50、析析出出出出往往往往往往往往与与与与一一一一侧侧侧侧的的的的母母母母相相相相构构构构成成成成共共共共格格格格或或或或半半半半共共共共格格格格的的的的低低低低能能能能界界界界面面面面，而而而而与与与与另另另另一一一一侧侧侧侧的的的的母母母母相相相相形形形形成成成成了了了了非非非非共共共共格格格格的的的的高高高高能能能能界界界界面面面面，这这这这种种种种析析析析出出出出与与与与界界界界面面面面两两两两侧侧侧侧界界界界面面面面的的的的差差差差异异异异不不不不仅仅仅仅对对对对于于于于析析析析出出出出的的的的形形形形核核核核过过过过程程程程非非非非常常常常重重重重要要要要，而而而而且显著影响析出相的长大