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1、耿 林 哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院,材料科学基础 （材料相变原理）,1.1 材料的定义及分类,绪论,材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其它产品的那些物质。材料是物质，但不是所有的物质都可以称为材料。材料是人类赖以生存和发展的物质基础。 按物理化学属性，材料可以分为：金属材料，无机非金属材料，有机高分子材料，以及不同类型材料组成的复合材料。 按应用领域，材料可以分为：电子材料，航空航天材料，核材料，建筑材料，能源材料，生物材料等。 按使用用途，材料可以分为：结构材料和功能材料。 按先进性，材料可以分为：传统材料和新材料（先进材料）。,1.2 材料的发展与人类的进步,绪论,材料的发
2、展是人类进步程度的重要标志，是人类社会发展的里程碑。 一百万年以前，人类开始进入旧石器时代，可以用石头作工具。 一万年以前，人类开始进入新石器时代，将石头加工成器皿和工具，在8000 年前，开始人工烧成陶器，用于器皿和装饰品。 五千年以前，人类开始进入青铜器时代，青铜浇铸成型，人类开始大量使用 金属，河南安阳的鼎，湖北隋县的编钟，西安的青铜车马等。 三千年以前，人类开始进入铁器时代，生铁冶炼及处理技术推动了农业、水 利和军事的发展和人类社会进步，直至18世纪进入近代工业快速发展时代。,1.2 材料的发展与人类的进步,绪论,金属材料的近代发展历程： 十八世纪发明了蒸汽机，十九世纪发明了电动机，对
3、金属材料要求提高。 1854年发明了转炉炼钢，1864年发明了平炉炼钢，1890年年产2800万吨钢。 十九世纪末开始电炉炼钢，各种特殊钢相继问世：1987年的高锰钢、1890年 的高速钢（W18Cr4V）、1903年的硅钢、1910年的奥氏体不锈钢（Cr18Ni8)。 二十世纪初铜和铝开始大量应用，二十世纪中叶镁和钛开始工业应用。 金属材料在整个二十世纪占据了结构材料的主体地位。,1.2 材料的发展与人类的进步,绪论,钢、铝、钛、镁、铜世界年产量和我国年产量的变化图（20世纪初至今）,1.2 材料的发展与人类的进步,绪论,其它材料的近代发展历程： 二十世纪初，人工合成有机高分子材料相继问世：
4、1909年的酚醛树脂（电 木）、1920年的聚苯乙烯、1931年的聚氯乙烯和1941年的尼龙。 二十世纪中叶，通合成及其它方法，制备出各种类型的先进陶瓷材料，如： Si3N4, SiC, ZrO2等。 二十世纪中叶开始出现先进复合材料：树脂基已经得到广泛应用，金属基复 合材料在汽车和航天航空领域开始应用，陶瓷基复合材料在10002000高 温环境得到应用，C/C和C/SiC复合材料在2000以上超高温环境得到应用。 功能材料近50年发展速度很快：磁性材料、半导体材料、光纤材料和硅材料 以硅片为代表的电子材料时代。 金属材料在整个二十世纪占据了结构材料的主体地位。,1.3 材料科学与工程的内涵,
5、绪论,材料科学与工程就是研究有关材料的组成、结构、制备与加工工艺、材料性能与使用效能以及他们之间的关系。,材料科学与工程要素图,(a) 四要素图 (b) 五要素图,1.3 材料科学与工程的内涵,绪论,材料科学的三个重要属性： 多学科交叉 它是物理学、化学、冶金学、金属学、陶瓷、高分子化学以及计算科学相互融合和交叉的结果。 与实际使用结合非常紧密 发展材料科学的目的在于开发新材料，提高材料的性能和质量，合理使用材料，同时降低材料成本和减少污染等。 正在发展中的科学 不像物理学和化学已经有一个很成熟的体系，材料科学将随各有关学科的发展而得到充实和完善。,1.4 材料科学技术发展的重点,绪论,开发先
6、进材料 材料制备新技术的开发；新材料的设计与制备； 改进现有材料 传统材料的改性；先进复合材料的研制。 材料的应用 材料的应用要考虑的主要因素有：材料的使用性能；材料的使用寿命及可靠性；材料制备、加工与使用期间与环境的适应性；价格。 科学仪器与检测装置,1.5 四个基本概念,绪论,成分组成材料的元素种类及其相对含量 相一种或几种元素组成的独立单元 结构每个相中原子排列规律 组织各个相的形状、大小、含量、分布，以及相中的晶粒尺寸,以45#钢为例：,成分99.55wt%的铁原子和0.45wt%的碳原子组成 相铁原子和碳原子组成的固溶体（铁素体）和Fe3C化合物（渗碳体） 结构铁素体结构：体心立方；
7、渗碳体结构：复杂斜方 组织先共析块状铁素体和铁素体与渗碳体组成的片层相间珠光体,固态相变可能包括的三种基本变化,绪论,晶体结构变化铁的同素异构转变 化学成分变化调幅分解 有序度的变化固溶体有序化程度变化 奥氏体向珠光体的转变： 晶体结构变化：面心立方体心立方复杂斜方 化学成分变化：0.77C%0.0218C%6.69C%,1.1 固态相变的特点,第1章 金属固态相变特征,1 共格界面：界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，界面上的原子为两相所共有。 2 半共格界面：界面上的两相原子部分共格，通过界面位错保持匹配。 3 非共格界面：界面上的原子位于一相晶格的节点上，不受另一相影响。,一、相界面,
8、界面两相原子错配度：a/a a：沿平行于界面晶向上一相的原子间距。 a：两相在此方向上的原子间距之差。 共格界面： 0.25,1.1 固态相变的特点,第1章 金属固态相变特征,一、相界面,相界面结构示意图,1.1 固态相变的特点,第1章 金属固态相变特征,一、相界面,Al-Ag合金中析出的富Ag G.P.区的高分辨透射电镜照片,在Al-Ag合金中析出的富Ag G.P.区与基体Al具有相同的晶体结构和不同的成分，它们组成了111完全共格界面,1.1 固态相变的特点,第1章 金属固态相变特征,一、相界面,Co-Ni合金马氏体相变界面的高分辨透射电镜照片,Co-Ni合金马氏体相变界面两侧晶体结构不同
9、但成分相同，它们也形成了111完全共格界面,1.1 固态相变的特点,第1章 金属固态相变特征,一、相界面,Cu-Ag界面两侧的晶体具有相同的晶体结构（面心立方）但不同的成分和点阵常数（Cu和Ag的点阵常数相差12%），形成了由111晶面构成的半共格异相界面。,Cu-Ag界面的高分辨透射电镜照片,1.1 固态相变的特点,第1章 金属固态相变特征,一、相界面,铝锗合金中，铝是由金属键组成的面心立方结构，而锗是共价键结构，并且两者的点阵常数相差30%以上，因此铝-锗界面为非共格界面，然而，高分辨透射电镜观察发现，铝-锗界面平行于铝和锗的111晶面。,锗析出相与铝基体界面的高分辨透射电镜照片,1.1
10、固态相变的特点,第1章 金属固态相变特征,二、位向关系,位向关系： 当两相界面为完全共格或半共格界面时，两相之间应该具有一定的晶体学位向关系。 在界面两侧的晶体中取相互平行的两个晶面(h1k1l1)和(h2k2l2)，使(h1k1l1)平行于(h2k2l2)；再在(h1k1l1)晶面上取晶向，在(h2k2l2)晶面上取晶向，使平行于。 则：该界面两相的晶体学位相关系可以表示为： (h1k1l1) (h2k2l2)， ,1.1 固态相变的特点,第1章 金属固态相变特征,二、位向关系,HREM image of the SiC-Al interface in the SiCw/Al composi
11、te,Atom matching model of the SiC-Al interface in the SiCw/Al composite,1.1 固态相变的特点,第1章 金属固态相变特征,三、惯习面,惯习面： 固态相变时，新相往往在母相的一定晶面上开始形成，这个晶面就称为新相形成的惯习面。 惯习面以母相的晶面指数表示。 在亚共析钢中，先共析铁素体沿奥氏体的111晶面析出，所以先共析铁素体的惯习面为111晶面。,1.1 固态相变的特点,第1章 金属固态相变特征,四、界面能,界面能 两相表面能产生界面能。对于确定两相界面组成的界面，总界面能的大小主要取决于界面面积。因此相界面应该为球状时界面
12、能最低。,界面应变能 两相共格界面处，由于界面原子同时受到两相的制约，原子所处的位置要偏离其平衡位置，产生额外应变能。非共格界面没有这样的应变能。 固态相变时，因新相和母相的比容不同，新相形成时的体积变化将受到周围母相的约束而产生应变能。 当只考虑界面应变能时，新相为盘状界面能量最低，球状界面能量最高。 母相中形成新相时，新相的形状取决于界面能和界面应变能的对比。,1.1 固态相变的特点,第1章 金属固态相变特征,五、晶体缺陷的影响,晶界、位错和空位等晶体缺陷对固态相变过程有促进作用。新相往往在晶体缺陷处优先形核，并对晶核的长大和组元扩散等有很大影响。,六、原子扩散,对于有成分变化的扩散型固态
13、相变，原子扩散是相变速度的主要控制因素。固态金属中原子的扩散系数一般为10-11-10-12cm/s，而金属中原子的扩散系数可达10-7cm/s。,七、过渡相的形成,固态相变过程初期，新相尺寸较小，界面能较大，往往先形成与母相共格、界面能较低的过渡相。过渡相是亚稳相，自由能高于平衡相，所以转变后期会发展为平衡相。,1.2 固态相变的形核,第1章 金属固态相变特征,一、均匀形核,G = Vgv + S + V,形核时体系自由能变化(G )为：,其中：G为体系自由能变化； V为新相体积； gv为新相和母相 单位体积自由能差（为负值）； S为新相表面积； 为单位面 积界面能； 为单位体积应变能。 假
14、设晶核为球形，半径为r，所以G是r的函数。形核初期，随r的增大， G先增大，达到极大值后开始下降。只有依靠外界能量使晶核长大到G达到极大值时，晶核才能继续长大。这时的晶核半径为临界核胚半径r*。,r* = (-2) / (gv +),临界形核功(G* )为：,G* = (16 3) / 3(gv + )2,1.2 固态相变的形核,第1章 金属固态相变特征,二、非均匀形核,G = V gv + S + V + gd,晶核在晶体缺陷处形成时，缺陷储存的能量可使形核功降低，这时形核的体系自由能变化(G )为：,其中：gd为非均匀形核时由于晶体缺陷消失或被破坏所降低的能量（为负值）。,晶体缺陷对形核的
15、作用： 1 空位：通过影响扩散或利用本身能量提供形核驱动力而促进形核。 2 位错：(1) 位错线形核，位错消失，释放能量，促进形核。 (2) 位错组成半共格界面，补偿错配，降低界面能，促进形核。 (3) 溶质原子在位错线偏聚，成分起伏，促进形核。 3 晶界：大角晶界能量高，晶核在晶界形成，晶界消失，释放能量， 促进形核。,1.3 固态相变的晶核长大,第1章 金属固态相变特征,一、晶核长大机制,1 半共格界面的长大机制,半共格界面能较低，界面保持平面。晶核长大时，界面作法向迁移，界面位错随之移动。,1.3 固态相变的晶核长大,第1章 金属固态相变特征,一、晶核长大机制,2 非共格界面的长大机制,
16、非共格界面处原子排列紊乱，可在任何位置接受或输出原子，通过界面原子扩散，界面作法向迁移，新相连续长大。,1.3 固态相变的晶核长大,第1章 金属固态相变特征,一、晶核长大机制,3 扩散型相变与非扩散型相变,扩散型相变与非扩散型相变的特点,1.3 固态相变的晶核长大,第1章 金属固态相变特征,二、新相长大速度,1 无成分变化的新相长大速度,相界面的移动实质是相界面近旁的原子短程扩散，长大速度受界面原子扩散控制。相为母相，相为新相。 g为相的一个原子跨越界面跳到相所需的激活能。若原子的振动频率为0，则相原子跳到相上的频率为：, = 0 exp(-g /kT),相原子跳到相上的频率为：, = 0 exp-(g + g ) /kT,其中：g 为相原子跳到相上 引起的自由能变化。,1.3 固态相变的晶
