固态相变基础-1

三、弹性应变能
弹性应变能： 弹性应变能：新相与母相间存在点阵错配和体积错配时引起的应变能 点阵错配： 点阵错配：两相在界面上原子间距不同，在共格界面附近产生应变能， 称为共格应变能，共格界面最大，半共格界面次之，非共格 界面为零。 体积错配：新相和母相的比体积不同，新相受到周围母相的约束以致不 体积错配 能自由胀缩，产生比体积差应变能。
α = β =V P T
三、按热力学分类
根据相变前后热力学函数的变化，可将固态相变分为一级相变 和二级相变 一级相变 相变时新旧两相的化学势相等，但一级偏微商不等的相变称 设α代表旧相，β代表新相，为化学势、T为温度、P为压力，则有
α = β
已知
= -S T P
β α ≠ T P T
新相与母相间为共格或半共格界面时，两相间必然存在一定的晶体学位向关系； 新相与母相间为共格或半共格界面时，两相间必然存在一定的晶体学位向关系； 两相间无一定的位向关系，则其界面必定为非共格的。 两相间无一定的位向关系，则其界面必定为非共格的。 存在晶体学位向关系，未必具有共格或半共格界面，因为新相在长大过程中， 存在晶体学位向关系，未必具有共格或半共格界面，因为新相在长大过程中，其界 面的共格性已被破坏。 面的共格性已被破坏。
多形性转变：纯金属中晶体结构的转 变，如纯铁中δ→γ→α转变。这种 转变本身在生产上没有多少实际意 义，但以此转变为基础的Fe的固 溶体发生的固态相变是钢的热处理 的基础。 调幅分解：某些合金在高温下具有均 匀单相固溶体，但冷却到某一温度 范围时可分解成为与原固溶体结构 相同但成分不同的两个微区 如α→α1+α2 特点：在转变初期形成的两个微区 之间并无明显界面和成分突 变，但通过扩散，最终使原 来的单相固溶体分解成两个 共格相。
L
α α+ β A B A β α
γ β α+ β B
有序化转变：是指固溶体组元 有序化转变 原子从无序排列到有序排列 的转变过程， α(无序)→α′(有序) 块状转变： 块状转变：新相的成分与母相 一样，但晶体结构不同。例 如，纯铁或低碳钢在一定的 冷却速度下γ相可以转变为 与之具有相同成分而形貌 呈块状的α相。新相的长大 是通过原子的短程扩散而实 现的。 纯铁、铜锌等合金中发 生块状转变。
第二节 金属固态相变的基本特征
与液态金属结晶一样， 相变驱动力也来自新相与母相的自由能差， 与液态金属结晶一样，其相变驱动力也来自新相与母相的自由能差，也 也来自新相与母相的自由能差 通过形核与长大过程来完成。但因相变前后均为固态，故有以下几个特点。 形核与长大过程来完成 通过形核与长大过程来完成。但因相变前后均为固态，故有以下几个特点。
四、晶体缺陷
固态金属中存在各种晶体缺陷：如位错、空位、晶界或亚晶界。 固态金属中存在各种晶体缺陷：如位错、空位、晶界或亚晶界。 新相晶核优先在晶体缺陷处形成： 新相晶核优先在晶体缺陷处形成： 因为晶体缺陷是能量起伏、结构起伏和成分起伏最大的区域。 因为晶体缺陷是能量起伏、结构起伏和成分起伏最大的区域。 缺陷处形核，原子扩散激活能低，扩散速度快，相变应力易松弛。 缺陷处形核，原子扩散，原子的运动不超过一个原子间距。 非扩散型相变：相变不需原子扩散，原子的运动不超过一个原子间距。 非扩散型相变是在足够快的冷却速度下(即淬火 由于原子没有时间进 非扩散型相变是在足够快的冷却速度下 即淬火)由于原子没有时间进 即淬火 行扩散型相变引起的。钢淬火，转变产物称为马氏体 马氏体， 行扩散型相变引起的。钢淬火，转变产物称为马氏体，这种非扩散型相变 则称为马氏体转变 马氏体转变。 则称为马氏体转变。 许多有色金属， 许多有色金属，如Ti-Ni、Cu-Zn-Si、Cu-Zn、Cu-Mn、Ni-Mn-Ga等 、 、 、 、 等 合金系， 合金系，也发生马氏体转变 半扩散型相变: 半扩散型相变 贝氏体转变：钢中还有一种介于马氏体转变和珠光体转变之间的转变。 贝氏体转变：钢中还有一种介于马氏体转变和珠光体转变之间的转变。此 时铁原子扩散已经极其困难，但碳原子还能扩散，其转变产物也是α 时铁原子扩散已经极其困难，但碳原子还能扩散，其转变产物也是α 相和碳化物的混合物，称为贝氏体，但形态和分布与珠光体不同。 相和碳化物的混合物，称为贝氏体，但形态和分布与珠光体不同。有 优异的强度和突出的韧性。 优异的强度和突出的韧性。
固态相变的阻力：界面能和 固态相变的阻力：界面能和弹性应变能 与结晶相比，增加弹性应变能而变大 与结晶相比，增加弹性应变能而变大 固态相变中究竟是界面能为主 还是弹性应变能为主 界面能为主？ 弹性应变能为主？ 固态相变中究竟是界面能为主？还是弹性应变能为主？ 过冷度大：新相临界晶核尺寸很小，单位体积新相的界面积很大， 过冷度大：新相临界晶核尺寸很小，单位体积新相的界面积很大，则界面 能起主导作用，两相界面易取共格方式以降低界面能， 能起主导作用，两相界面易取共格方式以降低界面能，因界面能的降 低可以超过共格应变能的增加，总形核阻力降低。 低可以超过共格应变能的增加，总形核阻力降低。 过冷度小：新相尺寸较大，界面能不起主要作用，易形成非共格界面。 过冷度小：新相尺寸较大，界面能不起主要作用，易形成非共格界面。 两者比体积差大：则弹性应变能(比体积差应变能 起主导作用， 比体积差应变能)起主导作用 两者比体积差大：则弹性应变能 比体积差应变能 起主导作用，新相 为圆盘(片 状以降低弹性应变能 为圆盘 片)状以降低弹性应变能 两相比体积差小：弹性应变能作用不大，则形成球状以降低界面能。 两相比体积差小：弹性应变能作用不大，则形成球状以降低界面能。
第一节 金属固态相变的主要类型
原子运动特点： 原子运动特点：扩散型相变和非扩散型相变 平 衡 状 态：平衡相变和非平衡相变 热 力 学：一级相变和二级相变
一、按相变过程中原子的运动特点分类
1. 扩散型相变 扩散型相变：相变借助原子热激活运动进行，原子运动大于原子间距。 长程扩散： 短程扩散： 脱溶分解：由过饱和固溶体中析出新相的过程，α′→(α + β) 脱溶分解 共析转变：冷却时一个固相(γ)分解为结构不同的两个新相α和β混合物的相 共析转变 变，γ →(α + β) 钢在冷却时由奥氏体转变为珠光体(铁素体与渗碳体的混合物) 即属于共析转变。
热处理原理： 热处理原理： 温 热处理工艺： 热处理工艺： 度 热处理的重要意义： 热处理的重要意义： 课程内容： 课程内容： 学习：理解概念，理论、 学习：理解概念，理论、实际结合
保温 冷却 时间
第一编 热处理原理
第一章 金属固态相变基础
固态相变：固态金属加热、 固态相变：固态金属加热、冷却中发生的各种相转变 金属热处理：固态金属通过特定的加热和冷却，使之发生相、 金属热处理：固态金属通过特定的加热和冷却，使之发生相、 组织转变， 组织转变，获得所需组织性能的一种工艺过程 两者关系：金属固态相变是金属热处理的理论基础。 两者关系：金属固态相变是金属热处理的理论基础。
一、界面和界面能
固/固相界面可按结构特点分为： 固相界面可按结构特点分为： 固相界面可按结构特点分为 共格界面：界面两侧的两个相的原子能一一对应，相互保持匹配。 共格界面：界面两侧的两个相的原子能一一对应，相互保持匹配。 半共格界面：由于界面两侧的原子间距不同， 半共格界面：由于界面两侧的原子间距不同，界面上只有部分原子能够依 靠弹性畸变保持匹配，在不能匹配的位置将形成刃型位错。 靠弹性畸变保持匹配，在不能匹配的位置将形成刃型位错。 非共格界面：两相的原子间距差别太大， 非共格界面：两相的原子间距差别太大，在界面上两侧原子不能保持匹 配。 界面能：界面上原子排列的不规则性将导致界面能的升高， 界面能：界面上原子排列的不规则性将导致界面能的升高，因此非共格界 面能最高，半共格界面次之，共格界面能最低。 面能最高，半共格界面次之，共格界面能最低。
P
β α ≠ P T P
T
所以Sα≠Sβ，Vα≠Vβ。 因此，在一级相变时，熵S和体积V将发生不连续变化，即一 一 级相变有相变潜热和体积改变。材料的凝固、熔化、升华以及同 级相变有相变潜热和体积改变 素异构转变等均属于一级相变。几乎所有伴随晶体结构变化的金属 固态相变都是一级相变。
二、惯习面和新、旧两相间的位向关系 惯习面和新、
惯习面：针状新相的长轴或片状新相的主平面常平行于母相的某一晶 惯习面： 面，或者说新相在母相一定晶面族上形成，用母相的晶面指数表 或者说新相在母相一定晶面族上形成， 示。如高碳钢中透镜马氏体的主平面与奥氏体的{225}γ或{259}γ平行。 如高碳钢中透镜马氏体的主平面与奥氏体的 γ γ平行。 原因：减小两相的界面能 原因： 对组织影响：由于一个晶面族包括若干在空间互成一定角度的晶面，故沿惯 对组织影响：由于一个晶面族包括若干在空间互成一定角度的晶面， 习面形成的针状及片状新相将成一定角度或相互平行。 习面形成的针状及片状新相将成一定角度或相互平行。 位相关系：惯习面存在表明新相与母相存在一定晶体学位向关系。因为两相 位相关系：惯习面存在表明新相与母相存在一定晶体学位向关系。 的晶体各自相对于惯习面的位向关系是确定的，彼此间位向关系确定： 的晶体各自相对于惯习面的位向关系是确定的，彼此间位向关系确定： 两相的某些低指数晶向和某些低指数晶面相互平行。例如，低碳钢发生 两相的某些低指数晶向和某些低指数晶面相互平行。例如， 马氏体转变时，马氏体总是在奥氏体的{111}γ上形成， 马氏体转变时，马氏体总是在奥氏体的 γ上形成， {110} α // {111} γ ；<111> α // <110> γ
=V P T
2，二级相变 ，
相变时新旧两相的化学势相等，其一级偏微商也相等，即Sα＝Sβ， Vα＝Vβ，但二级偏微商不等， 2 2β 2 α 2β 2 α 2 α β ≠ P 2 ≠ P 2 T 2 ≠ T 2 T TP TP T P P 说明在二级相变时，无相变潜热和体积改变，但比热、压缩系数和膨胀系 数有突变。 材料的部分有序化转变、磁性转变以及超导体转变均属于二级相变。