近代物理冶金学(5).相变动力学.2006.9.1.pdf

1 材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 第五章 相变动力学第五章 相变动力学 2 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 一、匀相与非匀相转变的比较一、匀相与非匀相转变的比较一、匀相与非匀相转变的比较一、匀相与非匀相转变的比较 二、非匀相转变动力学二、非匀相转变动力学二、非匀相转变动力学二、非匀相转变动力学 具体内容具体内容具体内容具体内容 三、匀相转变动力学三、匀相转变动力学三、匀相转变动力学三、匀相转变动力学 四、现代相变动力学四、现代相变动力学四、现代相变动力学四、现代相变动力学 3 材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 第一节 匀相与非匀相转变的比较第一节 匀相与非匀相转变的比较 4 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 涨落与自由能的关系决定自发形核条件涨落与自由能的关系决定自发形核条件涨落与自由能的关系决定自发形核条件涨落与自由能的关系决定自发形核条件 两类涨落程度与范围对应二种新相形成方式，两类涨落程度与范围对应二种新相形成方式，两类涨落程度与范围对应二种新相形成方式，两类涨落程度与范围对应二种新相形成方式， 划分为划分为划分为划分为匀相与非匀相转变匀相与非匀相转变匀相与非匀相转变匀相与非匀相转变＝第一类涨落和第二＝第一类涨落和第二＝第一类涨落和第二＝第一类涨落和第二 类涨落类涨落类涨落类涨落 本节思路本节思路 5 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 自由能条件自由能条件自由能条件自由能条件 6 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 浓度剖面示意图浓度剖面示意图 7 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 比较比较比较比较 类型类型匀相匀相非匀相非匀相 涨落特 点 涨落特 点 第二类大程度、小 范围 第二类大程度、小 范围 第一类小程度、大范围第一类小程度、大范围 新相形 成方式 新相形 成方式 无明显界面，整体中 均匀进行。 无明显界面，整体中 均匀进行。 有界面，形核－长大方式有界面，形核－长大方式 新相形 成条件 新相形 成条件 无限小涨落导致失 稳，形成新相。 无限小涨落导致失 稳，形成新相。 形核的能量条件（起伏＝ 涨落）、结构条件（起 伏） 、成分条件（起伏） 形核的能量条件（起伏＝ 涨落）、结构条件（起 伏） 、成分条件（起伏） 典型相 变 典型相 变 失稳分解＝调幅分解 （失波K＝0） 失稳分解＝调幅分解 （失波K＝0） 失稳有序化（失波 K 失稳有序化（失波 K≠≠0）0） 大多数相变大多数相变 8 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 Ni--Al合金早期沉淀机制Ni--Al合金早期沉淀机制 ab 9 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 Ni--Al合金早期沉淀机制Ni--Al合金早期沉淀机制 b a 10 材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 第二节 非匀相转变动力学第二节 非匀相转变动力学 11 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 本节思路本节思路 形核经典、非经典、离散格点理论形核经典、非经典、离散格点理论形核经典、非经典、离散格点理论形核经典、非经典、离散格点理论 长大新母相成分差、扩散距离、界面类型、长大新母相成分差、扩散距离、界面类型、长大新母相成分差、扩散距离、界面类型、长大新母相成分差、扩散距离、界面类型、 界面浓度场的关系界面浓度场的关系界面浓度场的关系界面浓度场的关系 奥斯瓦尔粗化大、小颗粒的浓度梯度导致溶奥斯瓦尔粗化大、小颗粒的浓度梯度导致溶奥斯瓦尔粗化大、小颗粒的浓度梯度导致溶奥斯瓦尔粗化大、小颗粒的浓度梯度导致溶 质扩散，导致粗化质扩散，导致粗化质扩散，导致粗化质扩散，导致粗化 12 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 成核-生长机理是最重要最普遍的机理，成核-生长机理是最重要最普遍的机理，两 个过程都需活化能。如，单晶硅的形成、溶 液中析晶等。 两 个过程都需活化能。如，单晶硅的形成、溶 液中析晶等。 nucleation-growth transition 13 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 非非非非 匀匀匀匀 相相相相 转转转转 变变变变 动动动动 力力力力 学学学学 基于扩散理基于扩散理基于扩散理基于扩散理 论的长大动论的长大动论的长大动论的长大动 力学力学力学力学 经典连续介质形核经典连续介质形核经典连续介质形核经典连续介质形核 理论、非经典连续理论、非经典连续理论、非经典连续理论、非经典连续 介质形核理论、离介质形核理论、离介质形核理论、离介质形核理论、离 散格点模型。散格点模型。散格点模型。散格点模型。 奥斯瓦尔的奥斯瓦尔的奥斯瓦尔的奥斯瓦尔的 熟化（粗化熟化（粗化熟化（粗化熟化（粗化 ）理论）理论）理论）理论 形核形核形核形核 经典非匀相转变理论经典非匀相转变理论经典非匀相转变理论经典非匀相转变理论 长大长大长大长大 第一类涨落第一类涨落第一类涨落第一类涨落 分阶段动力学理论分阶段动力学理论分阶段动力学理论分阶段动力学理论 粗化粗化粗化粗化 14 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 经典连续介经典连续介经典连续介经典连续介 质形核理论质形核理论质形核理论质形核理论 形核形核形核形核理论理论理论理论 非经典连续介非经典连续介非经典连续介非经典连续介 质形核理论质形核理论质形核理论质形核理论 连续介质形核理论连续介质形核理论连续介质形核理论连续介质形核理论 弥散界面理论，弥散界面理论，弥散界面理论，弥散界面理论， 体自由能和界面体自由能和界面体自由能和界面体自由能和界面 自由能不分开处自由能不分开处自由能不分开处自由能不分开处 理，理，理，理， 明锐界面假定明锐界面假定明锐界面假定明锐界面假定 ，体自由能和，体自由能和，体自由能和，体自由能和 界面自由能分界面自由能分界面自由能分界面自由能分 开处理。开处理。开处理。开处理。 离散格点模型离散格点模型离散格点模型离散格点模型 原子（粒子原子（粒子原子（粒子原子（粒子 ）学理论）学理论）学理论）学理论 有序化、原子有序化、原子有序化、原子有序化、原子 排列等排列等排列等排列等 15 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 新母相成分相同新母相成分相同新母相成分相同新母相成分相同 ，穿越界面的短，穿越界面的短，穿越界面的短，穿越界面的短 程扩散控制。程扩散控制。程扩散控制。程扩散控制。 经典长大经典长大经典长大经典长大理论理论理论理论 新母相成分不同新母相成分不同新母相成分不同新母相成分不同 ，母相中的长程，母相中的长程，母相中的长程，母相中的长程 扩散控制。扩散控制。扩散控制。扩散控制。 原子扩散原子扩散原子扩散原子扩散 着重考虑界面着重考虑界面着重考虑界面着重考虑界面 附近浓度场对附近浓度场对附近浓度场对附近浓度场对 扩散的影响扩散的影响扩散的影响扩散的影响 着重考虑界面类着重考虑界面类着重考虑界面类着重考虑界面类 型（光滑、粗糙型（光滑、粗糙型（光滑、粗糙型（光滑、粗糙 ）对扩散的影响）对扩散的影响）对扩散的影响）对扩散的影响 驱动力驱动力驱动力驱动力 新母相自新母相自新母相自新母相自 由能差由能差由能差由能差 16 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 界面能下降为驱动力，受扩散控制，实现小界面能下降为驱动力，受扩散控制，实现小界面能下降为驱动力，受扩散控制，实现小界面能下降为驱动力，受扩散控制，实现小 颗粒溶解，大颗粒长大。颗粒溶解，大颗粒长大。颗粒溶解，大颗粒长大。颗粒溶解，大颗粒长大。 大、小颗粒的大、小颗粒的大、小颗粒的大、小颗粒的浓度梯度浓度梯度浓度梯度浓度梯度导致溶质扩散导致溶质扩散导致溶质扩散导致溶质扩散 奥斯瓦尔的熟化（粗化）理论奥斯瓦尔的熟化（粗化）理论奥斯瓦尔的熟化（粗化）理论奥斯瓦尔的熟化（粗化）理论 界面平衡关系破坏界面平衡关系破坏界面平衡关系破坏界面平衡关系破坏导致小颗粒溶解和大导致小颗粒溶解和大导致小颗粒溶解和大导致小颗粒溶解和大 颗粒长大颗粒长大颗粒长大颗粒长大 重新出现重新出现重新出现重新出现界面平衡界面平衡界面平衡界面平衡，即大、小颗粒的浓，即大、小颗粒的浓，即大、小颗粒的浓，即大、小颗粒的浓 度梯度度梯度度梯度度梯度 17 材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 第三节 匀相转变动力学第三节 匀相转变动力学 18 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 特殊的一级相变特殊的一级相变特殊的一级相变特殊的一级相变 匀相转变动力学匀相转变动力学匀相转变动力学匀相转变动力学 失稳有序化（失稳有序化（失稳有序化（失稳有序化（ 失波失波失波失波K K K K≠≠≠≠0 0 0 0）））） 失稳分解＝调幅失稳分解＝调幅失稳分解＝调幅失稳分解＝调幅 分解（失波分解（失波分解（失波分解（失波K K K K＝＝＝＝ 0 0 0 0）））） 连续相变连续相变连续相变连续相变 第二类涨落－小程度、大范围，无明显界第二类涨落－小程度、大范围，无明显界第二类涨落－小程度、大范围，无明显界第二类涨落－小程度、大范围，无明显界 面，整体中均匀进行。无限小涨落导致失面，整体中均匀进行。无限小涨落导致失面，整体中均匀进行。无限小涨落导致失面，整体中均匀进行。无限小涨落导致失 稳，形成新相。稳，形成新相。稳，形成新相。稳，形成新相。 19 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 Spinodal分解Spinodal分解 又称为不稳定分解，拐点分解或旋 节分解，是由于组成起伏引起的热力 学上的不稳定性而产生的。 又称为不稳定分解，拐点分解或旋 节分解，是由于组成起伏引起的热力 学上的不稳定性而产生的。 20 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 Spinodal 分解分解 21 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 两种相变机理的主要差别两种相变机理的主要差别 亚亚稳稳不不稳稳 成成分分第二相组成不随时间变化第二相组成不随时间变化第二相组成随时间而连续向两个极端组成第二相组成随时间而连续向两个极端组成 变化，直至达到平衡组成变化，直至达到平衡组成 形形貌貌第二相分离成孤立的球形颗粒第二相分离成孤立的球形颗粒第二相分离成有高度连续性的非球形颗粒第二相分离成有高度连续性的非球形颗粒 有有序序颗粒尺寸和位置在母液中是无序的颗粒尺寸和位置在母液中是无序的第二相分布在尺寸上和间距上均有规则第二相分布在尺寸上和间距上均有规则 界界面面在分相开始界面有突变在分相开始界面有突变分相开始界面是弥散的逐渐明显分相开始界面是弥散的逐渐明显 能能量量分相需要位垒分相需要位垒不存在位垒不存在位垒 扩扩散散正扩散正扩散负扩散负扩散 时时间间分相所需时间长分相所需时间长 动力学障碍大动力学障碍大 分相所需时间极短分相所需时间极短 动力学障碍小动力学障碍小 22 材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 第四节 现代相变动力学第四节 现代相变动力学 23 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 本节思路本节思路 在同一理论框架（模型）包容匀相与非在同一理论框架（模型）包容匀相与非在同一理论框架（模型）包容匀相与非在同一理论框架（模型）包容匀相与非 匀相、形核－长大－粗化匀相、形核－长大－粗化匀相、形核－长大－粗化匀相、形核－长大－粗化 24 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 一、统一理论一、统一理论一、统一理论一、统一理论 二、形核－长大－粗化作为伴随过程的数值二、形核－长大－粗化作为伴随过程的数值二、形核－长大－粗化作为伴随过程的数值二、形核－长大－粗化作为伴随过程的数值 理论理论理论理论 现代相变动力学现代相变动力学现代相变动力学现代相变动力学 25 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 平均场理论划分出亚稳区和失稳区，并分别按集团动力学平均场理论划分出亚稳区和失稳区，并分别按集团动力学平均场理论划分出亚稳区和失稳区，并分别按集团动力学平均场理论划分出亚稳区和失稳区，并分别按集团动力学 和失稳分解处理，跨越边界，结构函数将出现不连续，研和失稳分解处理，跨越边界，结构函数将出现不连续，研和失稳分解处理，跨越边界，结构函数将出现不连续，研和失稳分解处理，跨越边界，结构函数将出现不连续，研 究证明此不连续并不存在。究证明此不连续并不存在。究证明此不连续并不存在。究证明此不连续并不存在。 集团变分法（集团变分法（集团变分法（集团变分法（CVCVCVCV））））在很大程度可避免临界失效，但不能在很大程度可避免临界失效，但不能在很大程度可避免临界失效，但不能在很大程度可避免临界失效，但不能 直接用于有连续自由度的过程。直接用于有连续自由度的过程。直接用于有连续自由度的过程。直接用于有连续自由度的过程。 一、统一理论一、统一理论一、统一理论一、统一理论 统一理论在同一模型下包容了失稳分解和形核长大统一理论在同一模型下包容了失稳分解和形核长大统一理论在同一模型下包容了失稳分解和形核长大统一理论在同一模型下包容了失稳分解和形核长大 26 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 沉淀包括形核长大和失稳分解两种机制。失稳分解的成分沉淀包括形核长大和失稳分解两种机制。失稳分解的成分沉淀包括形核长大和失稳分解两种机制。失稳分解的成分沉淀包括形核长大和失稳分解两种机制。失稳分解的成分 波周期很短，约为波周期很短，约为波周期很短，约为波周期很短，约为5 5 5 5- - - -10101010纳米，与基体共格，直上世纪五十纳米，与基体共格，直上世纪五十纳米，与基体共格，直上世纪五十纳米，与基体共格，直上世纪五十 年代末，将浓度波和梯度能的概念引入非均匀系统，成功年代末，将浓度波和梯度能的概念引入非均匀系统，成功年代末，将浓度波和梯度能的概念引入非均匀系统，成功年代末，将浓度波和梯度能的概念引入非均匀系统，成功 解释了失稳分解。解释了失稳分解。解释了失稳分解。解释了失稳分解。 一、统一理论一、统一理论一、统一理论一、统一理论 平均场理论处理沉淀动力学，将亚稳区和失稳区分开。线平均场理论处理沉淀动力学，将亚稳区和失稳区分开。线平均场理论处理沉淀动力学，将亚稳区和失稳区分开。线平均场理论处理沉淀动力学，将亚稳区和失稳区分开。线 性失稳分解理论和线性非经典形核理论都预言跨越失稳性失稳分解理论和线性非经典形核理论都预言跨越失稳性失稳分解理论和线性非经典形核理论都预言跨越失稳性失稳分解理论和线性非经典形核理论都预言跨越失稳 线时分解动力学出现突变。线时分解动力学出现突变。线时分解动力学出现突变。线时分解动力学出现突变。 27 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 一、统一理论一、统一理论一、统一理论一、统一理论 没有任何证据表明随合金初始过饱和度变化，结没有任何证据表明随合金初始过饱和度变化，结没有任何证据表明随合金初始过饱和度变化，结没有任何证据表明随合金初始过饱和度变化，结 构函数随时间演化发生突变。构函数随时间演化发生突变。构函数随时间演化发生突变。构函数随时间演化发生突变。 统一理论（广义形核理论）包容了亚稳区形核和统一理论（广义形核理论）包容了亚稳区形核和统一理论（广义形核理论）包容了亚稳区形核和统一理论（广义形核理论）包容了亚稳区形核和 失稳区失稳分解机制，跨越过亚稳态区和失稳区失稳区失稳分解机制，跨越过亚稳态区和失稳区失稳区失稳分解机制，跨越过亚稳态区和失稳区失稳区失稳分解机制，跨越过亚稳态区和失稳区 边界时不存在分解机制和动力学的不连续性。边界时不存在分解机制和动力学的不连续性。边界时不存在分解机制和动力学的不连续性。边界时不存在分解机制和动力学的不连续性。 28 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 沉淀包括形核长大和失稳分解两种机制。失稳分解的成分沉淀包括形核长大和失稳分解两种机制。失稳分解的成分沉淀包括形核长大和失稳分解两种机制。失稳分解的成分沉淀包括形核长大和失稳分解两种机制。失稳分解的成分 波周期很短，约为波周期很短，约为波周期很短，约为波周期很短，约为5 5 5 5- - - -10101010纳米，与基体共格，直上世纪五十纳米，与基体共格，直上世纪五十纳米，与基体共格，直上世纪五十纳米，与基体共格，直上世纪五十 年代末，将浓度波和梯度能的概念引入非均匀系统，成功年代末，将浓度波和梯度能的概念引入非均匀系统，成功年代末，将浓度波和梯度能的概念引入非均匀系统，成功年代末，将浓度波和梯度能的概念引入非均匀系统，成功 解释了失稳分解。解释了失稳分解。解释了失稳分解。解释了失稳分解。 一、统一理论一、统一理论一、统一理论一、统一理论 平均场理论处理沉淀动力学，将亚稳区和失稳区分开。线平均场理论处理沉淀动力学，将亚稳区和失稳区分开。线平均场理论处理沉淀动力学，将亚稳区和失稳区分开。线平均场理论处理沉淀动力学，将亚稳区和失稳区分开。线 性失稳分解理论和线性非经典形核理论都预言跨越失稳性失稳分解理论和线性非经典形核理论都预言跨越失稳性失稳分解理论和线性非经典形核理论都预言跨越失稳性失稳分解理论和线性非经典形核理论都预言跨越失稳 线时分解动力学出现突变。线时分解动力学出现突变。线时分解动力学出现突变。线时分解动力学出现突变。 29 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 分阶段动力学理论将形核、长大、粗化分成顺序 发生的独立阶段，然而，上述阶段是重叠并相互 竞争的。 分阶段动力学理论将形核、长大、粗化分成顺序 发生的独立阶段，然而，上述阶段是重叠并相互 竞争的。 相变可能经历了多个非平衡阶段，因条件不同而沿 不同路径，分阶段动力学理论不能应对其复杂性。 相变可能经历了多个非平衡阶段，因条件不同而沿 不同路径，分阶段动力学理论不能应对其复杂性。 二、形核－长大－粗化作为伴随过程的数值 理论 二、形核－长大－粗化作为伴随过程的数值 理论 形核－长大－粗化作为伴随过程的数值理论是最重 要进展，现有计算机能力，不存在计算能力障碍。 形核－长大－粗化作为伴随过程的数值理论是最重 要进展，现有计算机能力，不存在计算能力障碍。 30 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 分阶段动力学理论将沉淀过程分为形核、长大、分阶段动力学理论将沉淀过程分为形核、长大、分阶段动力学理论将沉淀过程分为形核、长大、分阶段动力学理论将沉淀过程分为形核、长大、 粗化三个独立的阶段，对应不同的物理模型和假粗化三个独立的阶段，对应不同的物理模型和假粗化三个独立的阶段，对应不同的物理模型和假粗化三个独立的阶段，对应不同的物理模型和假 设。设。设。设。 二、形核、长大、粗化当作伴随过程的数值二、形核、长大、粗化当作伴随过程的数值二、形核、长大、粗化当作伴随过程的数值二、形核、长大、粗化当作伴随过程的数值 理论理论理论理论 实验研究证实，成核、长大、粗化是相互竞争和实验研究证实，成核、长大、粗化是相互竞争和实验研究证实，成核、长大、粗化是相互竞争和实验研究证实，成核、长大、粗化是相互竞争和 重叠的，形核、长大和粗化当作伴随过程的理论重叠的，形核、长大和粗化当作伴随过程的理论重叠的，形核、长大和粗化当作伴随过程的理论重叠的，形核、长大和粗化当作伴随过程的理论 可应对沉淀动力学全过程。可应对沉淀动力学全过程。可应对沉淀动力学全过程。可应对沉淀动力学全过程。 31 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 引用声明引用声明 本课件的基本内容引用国内外学者的专著、 教材、论文、课件、报告等，没有逐一注释，向 相关学者表示感谢。同时，请课件学习者注意， 十分谨慎使用引用声明而不逐一注释的方式。 本课件的基本内容引用国内外学者的专著、 教材、论文、课件、报告等，没有逐一注释，向 相关学者表示感谢。同时，请课件学习者注意， 十分谨慎使用引用声明而不逐一注释的方式。 陈铮陈铮 32 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 谢谢大家 谢谢大家 ----Thanks for your attention