第五章相变热力学讲解.pptVIP

Yuxi Chen Hunan Univ. * 令 WBC=(?BC??AB??AC) 则 式中 ?AB、?AC：A-B二元固溶体及A-C二元固溶体 中组元之间的相互作用参数； ?BC：A-B-C三元固溶体中B原子和C原 子之间的相互作用参数。 Yuxi Chen Hunan Univ. * 以GCr15轴承钢作为例子，Fe-Cr-C奥氏体及液相的吉布斯自由能表达式为 Yuxi Chen Hunan Univ. * GCr15的铬含量为1.5%，只要知道组元在标准状态下的吉布斯自由能G0和相互作用参数?FeC、 ?FeCr 和?CrC，就可根据上式求出不同温度的自由能－成份曲线。 T=14500C T=14000C T=13500C Yuxi Chen Hunan Univ. * §5.7.2 结构起伏对生核过程影响的热力学分析 外来颗粒在钢液中熔化后，形成了不能稳定存在的原子团，构成钢液中的结构起伏现象。 这些原子集团能否稳定存在并成为钢液凝固的结晶核心，取决于钢液通过这些原子集团形核长大所需的能量是否小于钢液单独生核长大所需的能量。 根据结晶学理论，外来颗粒与钢液结晶相之间需满足界面共格的原则： 1）外来颗粒与钢液结晶相具有相同或相近的晶体结构； 2）外来颗粒与钢液结晶相的错配度? 小于5％。 Yuxi Chen Hunan Univ. * 式中 a：钢液结晶相的原子间距； a’：外来颗粒的原子间距。 不同生核衬底的晶体结构类型、晶格常数和最近邻原子间距 Yuxi Chen Hunan Univ. * 生核剂的不同晶面与新析出相不同晶面的错配度? Yuxi Chen Hunan Univ. * §5.7.3 生核过程的能量计算 一般认为，系统自由能的变化由两部分组成： 1）液相与固相的自由能之差V?GV，构成相变驱 动力； 2）由于出现了固－液界面，使系统增加了界面能 A?LS，构成相变阻力。 系统总的自由能变化为 ?G = ?V?GV + A?LS 式中 为凝固驱动力。 Yuxi Chen Hunan Univ. * 当引入生核剂后，总的自由能变化除上述两项外，还应包括成份起伏的热力学驱动力。总的自由能可表示为： ?G = ?V?GV + A?LS? ?GC 式中 ??GC 是由于成份起伏而引起的能量变化，是生核的驱动力。 如果要充分发挥生核剂的作用，则 1）要从结构选择上使生核阻力A?LS 最小； 2）从成份起伏??GC 和温度起伏??GV 上为生核 提供最大驱动力。 Yuxi Chen Hunan Univ. * 以立方晶系为例，假设晶胚原子团与新相都是各向同性材料，且晶胚原子团和新相都是铁基材料，只是含碳量不同，所以可以认为两者具有相同的弹性模量。此时，单位体积应变能为， 摩尔体积应变能为 ?11T：相变不受约束时的应变，即无应力下相变造成 的一维方向上的应变，其大小＝?＝ Yuxi Chen Hunan Univ. * 不同成份生核剂对生核过程能量的影响 Yuxi Chen Hunan Univ. * 生核剂对金属液的生核作用表现在两方面： 1）外来颗粒熔化后，由于改变了其周围金属液微区的化学成份，从而改变了体系的热力学条件，促使金属液生核，这就是成份起伏作用； 2）外来颗粒被完全熔化后，在金属液中留下大量具有外来颗粒晶体结构的原子集团，这些集团随着金属液温度的降低而稳定存在并长大成金属液结晶的核心，这就是结构起伏作用。 Yuxi Chen Hunan Univ. * 2. 液固界面曲率和压力对凝固的影响 1）液固界面曲率对凝固的影响 纯金属 平均曲率半径 曲率较大的粒子其蒸汽压更高，自由能更大 这里?：界面张力；V：摩尔体积。 Yuxi Chen Hunan Univ. * 当?T 较小时，可近似为 因此可得到 由此可见，晶体曲率为正值时，将引起熔点降低。 Yuxi Chen Hunan Univ. * 合金 固相曲率