《合金固态相变》教学大纲
《金属固态相变》课程教学大纲
《金属固态相变》课程教学大纲课程名称：金属固态相变英文名称：Phase Transformation of Metal课程代码：MEME 1011课程类别：①专业教学课程；②考试；授课对象：金属材料工程专业；开课学期：第6学期；学分：2学分；学时：36学时；主讲教师：指定教材：徐洲，赵连城：《金属固态相变原理》，科学出版社，2004年；一、教学目的合金固态相变是金属材料专业的四年制本科生必修的一门专业基础课。
通过本课程的学习，使学生了解常用材料固态相变的种类，材料在不同条件下会发生的相变行为。
掌握材料固态相变的规律，在实际工作中能根据相变规律，采取措施（如特殊的加热和冷却工艺）控制相变过程，以期获得预期的组织和结构，使之具有预期的性能，最大限度的满足其使用性能。
熟练准确地选用材料结构分析手段开展相关科学研究，并能够与专门从事材料结构分析工作的实验人员共同设计试验方案，正确解析试验结果，解决如何在材料成分基本固定的情况下，通过组织调控有效地提高材料性能。
二、课程内容第一章金属固态相变基础1、教学内容掌握合金固态相变的相关概念；了解固态相变的分类；理解固态相变的一般特征；理解固态相变的形核和长大。
2、教学要点教学重点：①固态相变的驱动力和阻力；②均匀形核和非均匀形核。
教学难点及要求：①固态相变的形核和长大（正确理解）第二章合金固态相变的常用研究方法1、教学内容了解光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜构造与原理；掌握微观组织分析方法；了解相变过程的分析方法2、教学要点教学重点：①掌握X射线物相定性定量分析方法；②透射电镜的成像原理；③扫描电镜中的成像和能谱仪采集特点；④不同的常用研究方法应用范围与优点。
教学难点及要求：①倒易点阵的性质及其在晶体几何中的应用（正确理解）。
第三章奥氏体与钢在加热过程中的转变1、教学内容了解奥氏体及其特点；掌握钢的奥氏体等温转变；掌握钢中奥氏体的连续加热转变；掌握奥氏体晶粒长大及控制，理解非平衡组织加热的奥氏体转变。
第一章 金属固态相变概论
• 长大速率与原子的扩散系 数、新相 / 母相界面上母 相一侧的浓度梯度成正比， 而与新相与母相间的浓度 差成反比。 • 温度下降，溶质在母相中 的扩散系数急剧减小，故 新相的长大速率降低。
晶界控制型长大
界面迁移速率
Q GV v exp( )[1 exp( )] kT kT
若两相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大则在相界面上不可能做到完全的一对应于是在界面上将产生一些位错以降低界面的弹性应变能这时界面上两相原子部分地保持匹配这样的界面称为半共格界面或部分共格界面
第一章
金属固态相变概论
第一节 固态相变的主要类型 一、 平衡转变 1. 同素异晶转变 纯金属在一定的温度和压力下，由一种结 构转变为另一种结构的现象称为同素异晶 转变。 若在固溶体中发生这种结构的转变，则称 为多形性转变。 F A
马氏体与奥氏体的晶体学关系： {011}α’ // {111}γ <111> α’ // <011> γ
3.第二相的形状 与应变能的关系
比容差应变能-----新相形成时体积变化受到母相约束而产生的弹性应变能 比重 比容
完全共格相界的应变能
• 当沉淀相的切变模量 μ 较小时，球状沉淀相的应 变能最大，柱状次之，片状最小，若只考虑应变 能，则新相倾向于呈片状析出； • 当沉淀相的切变模量 μ 较大时，片状沉淀相的应 变能最大，柱状次之，球状最小，若只考虑应变 能，则新相倾向于呈球状析出。
1.等温相变动力学
• Johnson-Mehl方程
3 3 N ln(1 f ) (4 / 3)G (t ) d t
3 4 f 1 exp( G Nt )
3
0
第一章 金属固态相变概论2(固态相变2)
• GP区的尺寸很小，在光学显微镜下分辨不到， 在电镜下观察到的GP区形貌如图所示。 • GP区的尺寸与合金的成分、时效温度和时效持 续的时间有关，在室温下时效，铝铜合金的GP 区直径约为5nm，100℃时约为20nm，而在 150℃时效时约为60nm；厚度只有一个原子间 距大小，约为O.4nm。 • 从图中还可以看出， GP区的分布均匀，密度 很大，约为1*1018个/cm3。
Al—Cu合金的淬火时效
• 对Al—Cu4％合金，当加热到550℃时，所有的铜 原子都溶入α固溶体中，然后快速冷却下来，得 到过饱和的α固溶体。
•在室温下长时放置(叫自 然时效)或者在130-150℃ 加热保温一段时间(叫人 工时效)，则会发生相变 (脱溶析出亚稳相)，能使 铝合金达到最大的强化。
过饱和固溶体分解的动力学分析
• 铝铜合金过饱和固溶体等温脱溶分解动力学曲线 (C曲线)。
• 图中仅给出了某一阶段脱溶开始曲线 • 由图可以看出，无论GP区、过渡相或平衡相，都 要经过一定的孕育期后才能形成。GP区所需的孕 育期最短，说明GP区的生核是非常快的。
由图还可以看出： 1)当时效温度T<T3时，很快即有GP区和少量θ''析出, 随着时间的延长，GP区溶解，析出θ''相及θ'相。 2)当T3<T<T2，先析出θ''相少量θ' ，随着时间延长， θ''相溶解，θ'相析出。 3)当T2<T<T1时，先析出θ'相少量θ ，随着时间延长， θ'相转变为θ相。 4)当T1<T<T0时，只有θ相析出。 由此可以看出： 时效温度高，脱溶过程的阶段少； 固溶体过饱和度小，脱溶过程的阶段也少（？）
第一章 固态相变
第1章金属固态相变概论1.1金属固态相变的主要类型1.2金属固态相变的分类1.3金属固态相变的主要特点1.4固态相变的形核1.5固态相变时的晶核长大1.6固态相变动力学1.1金属固态相变的主要类型21ααα+→一、平衡转变61.同素异构体转变和多晶型转变62.平衡脱溶转变6共析转变6包析转变6调幅分解6有序化转变1.1金属固态相变的主要类型二、不平衡转变6伪共析转变6马氏体转变6块状转变6贝氏体转变6不平衡脱溶沉淀（时效）固态相变包括三个基本变化6晶体结构的变化：如同素异构转变、多晶型转变、马氏体相变；6化学成分的变化：调幅分解，只有成分转变而无相结构的变化；6有序程度的变化：如有序化转变，磁性转变、超导转变1.2金属固态相变的分类按热力学分类6平衡转变：缓慢加热或冷却同素异构、共析转变、调幅分解等6不平衡转变：快速加热或冷却伪共析转变、M转变、B转变等按动力学分类（依据原子运动的情况）6扩散型：脱溶沉淀、共析转变、有序化、块状转变、同素异构转变6非扩散型：M转变1.3金属固态相变的主要特点基本特点：È固态相变阻力大È原子迁移率低È非均匀形核派生特点：È低温相变时出现亚稳相È新相有特定形状È相界面È位向关系È存在惯习面新相有特定形状析出物的形状由相变中比体积（比容差）应变能和界面能的共同作用。
新相与母相保持弹性联系时，相同体积的晶核比较，新相呈片状的比体积应变能最小，针状次之，球状最大。
若过冷度很大，r*很小，界面能居主要地位，两相间易形成共格或半共格界面以降低表面能，同时应变能的降低使新相倾向于形成盘状（或薄片状）若过冷度很小时，r*较大，界面能居次要地位，两相间易形成非共格界面以降低应变能，若两相比容差很小，新相倾向于形成球状以降低界面能；若两相比容差较大，则倾向于形成针状以兼顾界面能和应变能相界面界面能居中界面能最小界面能最大位向关系为了减少界面能，新相与母相之间往往存在一定的晶体学关系，它们常以原子密度大而彼此匹配较好的低指数晶面相互平行来保持这种位向关系。
【固态相变原理】第一章 金属固态相变基础2
（2）过冷度很大 此时，ΔGα→γ »kT， exp（-ΔGα→γ/kT）→ 0，则
v ∝exp（-Δg/kT） 可见，过冷度很大时，新相长大速 度随温度降低呈指数函数减小。
(2) 位错形核
• 新相在位错线上形核，新相形成处 的位错线消失，释放出来的畸变能 使形核功降低，从而促进形核。
• 位错线不消失，依附在新相界 面上，成为半共格界面中的位错 部分，补偿了错配，因而降低了 界面能，故使新相形核功降低。
• 溶质原子在位错线上偏聚（ 形成气团），满足成分起伏 条件。 • 位错线是扩散的短路通道
• 若界面迁移需要借助原子的扩散， 而扩散需要时间，故新相的长大速 度相对较低。
扩散分为短程扩散和长程扩散，原 子只做短程扩散时，表明新相长大 不会引起成分的变化；反之，新相 长大通过原子的长程扩散来实现， 则伴随成分的变化。
短程扩散——受界面扩散控制 只有获得额外能量越过相变势垒的原子
νγ→α = ν0 exp（-Δg/kT）
另一种可能，在非共格界 面的微观区域中也可能呈现 台阶状结构，台阶平面是原 子排列最密的晶面，台阶高 度约相当于一个原子层，小 台阶的横向移动，导致相界 面的纵向推移，使新相长大 。
晶核长大速度 新相长大速度取决于相界面迁 移速度。 • 对于以点阵切变机制实现的界面迁 移，不需要原子扩散，其长大激活 能为零，故一般具有很高的长大速 度。
晶核长大机理 实质上是界面向母相方向的迁移
与界面结构有关 共格 半共格 非共格
共格界面的迁移 如何实现保持共格而实现相界面移动？
协同或切变
第一章合金固态相变基础_合金固态相变
如果相平衡时，两相自由能对温度和压强的一阶偏导数相等， 但二阶偏导数不相等，称为二级相变。
⎛ ∂G ⎞ ⎛ ∂G1 ⎞ ⎜ ⎟ =⎜ 2 ⎟ ⎝ ∂T ⎠ P ⎝ ∂T ⎠ P
⎛ ∂G1 ⎞ ⎛ ∂G 2 ⎞ = ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ∂ ∂ P P ⎠T ⎝ ⎠T ⎝
⎞ ⎟ ⎟ ⎠T
⎛ ∂ 2 G2 ⎛ ∂ 2 G1 ⎞ ⎜ 2 ⎜ ⎟ ≠⎜ ⎜ ∂T 2 ⎟ ⎠ P ⎝ ∂T ⎝
性能
工艺
结构
相变
成分
掌握固态相变规律，采取措施，控制固态相变过程以获得预 期的组织和结构，从而获得预期的性能，最大限度地发挥现 有金属材料的潜力，并可以根据性能要求开发新型材料。
常用措施
热处理 －加热：温度、速度，保温时间 －冷却：速度 固态相变亦称热处理原理（工艺） 原理：解决有哪些相变，相变条件，机理及特征 工艺：解决如何实现这些相变从而达到预期的性能
1.2.1 相变驱动力
固态相变的驱动力来源于新相与母相的体积自由能的差ΔGV， 如图所示。在高温下母相能量低，新相能量高，母相为稳定相。 随温度的降低，母相自由能升高的速度比新相快。达到某一个 临界温度Tc，母相与新相之间自由能相等，称为相平衡温度。 低于Tc温度，母相与新相自由能之间的关系发生了变化，母相 能量高，新相能量低，新相为稳定相，所以要发生母相到新相 的转变。
位向关系：
新旧相某些低指数晶面（晶向)相互平行。 K-S关系： 如钢中发生奥氏体（γ）向马氏体（α）的转变时，奥 氏体的密排面｛111｝γ 与马氏体的密排面｛110｝α 平行，马氏体的密排向﹤111﹥α 与奥氏体的密排方 向﹤110﹥ γ平行。 记为：｛110｝α ||｛111｝γ，﹤111﹥ α ||﹤110﹥ γ
第1章固态相变概论
第1章 固态相变概论
第1节 引言
石器时代、铁器时代、青铜器时代、钢铁时代和
新材料时代 。 钢铁材料仍然是社会发展中最重要的结构材料之 一。 材料研究包括四要素：材料的成分、工艺、组织 结构和性能。 相变可以认为是改变金属材料性能的最重要的方 法之一。
3
固态相变的相关概念
2G V V P 2 V P V T T
Cp称为材料的等压比热 称为材料的体积压缩系数 称为材料的热膨胀系数
14
二级相变时一级偏导数相等，二级偏导数不相等，则有：
S1= S2；V1= V2； Cp1≠Cp2；α1≠ α2 ；β1≠β2
G1=G2 , 1=2
G1 G2 P T P T
G1 G2 T P T P
G V P T
G S T P
V0，S0
的比例并不固定，随奥氏
体成分而变化，故称为伪 共析转变。 。
9
2)
马氏体相变：以Fe-C合金为例，如果冷却速度非常快，使钢中 的高温奥氏体母相迅速过冷到很低的温度，奥氏体由面心立方 结构转变成体心正方结构时，其内部的原子来不及进行扩散， 而保留了含过饱和碳的母相成分，获得马氏体组织，称为马氏 体相变。
图1-2 具有脱溶沉淀的二元合金平衡状态图
11
5）块状转变
在一定的冷速下（小于马氏体相变需要的冷速），
母相通过界面的短程扩散，转变为成分相同但晶体结 构不同的块状新相，称为块状转变。
12
二、按热力学分类
1、一级相变：在相变温度下，新旧两相的自由焓（G）以 及化学位（μ ）均相等。如果相变时化学位的一级偏导数不 相等，则称为一级相变。
固态相变概论
7) 有序化转变:在平衡条件下，固溶体（包括以中间相为基的固溶体） 中各组元原子在晶体点阵中的相对位置由无序到有序（指长程有序） 的转变过程。表示为α→α 。
变。
6
一、按平衡状态分类
1、平衡转变：是指在极为缓慢的加热或冷却条件下，所发生
的能够获得符合平衡状态图的平衡组织的转变。
1) 纯金属的同素异构转变：纯金属在温度和压力改变时，由一种晶 体结构转变为另一种晶体结构的过程。可表示为αγ
2) 多形性转变 ：在固溶体中发生的同素异构转变。可表示为αγ 3) 共析转变：冷却时，固溶体同时析出并分解为两个不同成分和结
相图：在热力学平衡条件下，描述合金中所应该存在的 相与成分、温度（压力）等之间关系的图。
热处理过程：通过控制温度变化来控制固态相变的发生。 相变热力学的研究内容：通过计算平衡或亚稳平衡系统
的能量，给出相变发生的方向和驱动力大小。 相变动力学的研究内容：研究相变发生的过程、速度、
程度等，与时间变化有关的内容。 相变晶体学的研究内容：研究新相与母相之间的各种晶
V T
p
V V
V T
p
V
Cp称为材料的等压比热 称为材料的体积压缩系数
称为材料的热膨胀系数
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二级相变时一级偏导数相等，二级偏导数不相等，则有：
S1= S2；V1= V2； Cp1≠Cp2；α1≠ α2 ；β1≠β2
说明：二级相变时，没有体积和熵的突变，即没有体积的胀缩 和相变潜热的释放和吸收。但是体积压缩系数β 、热膨胀 系数α、等压比热Cp有突变。材料的部分有序化转变、磁性 转变均属于二级相变。
合金相与相变 教学大纲
合金相与相变一、课程说明课程编号：060116Z10课程名称：合金相与相变/ Alloy phase and phase transformation课程类别：学科专业基础课程学时/学分：24/1.5先修课程：高等数学、大学物理、晶体学、材料科学基础适用专业：材料科学与工程专业本科生建议教材及参考书：（1）肖纪美．合金相与相变．北京：冶金工业出版社（第2版），2004 （2）陈景榕，李承基．金属与合金中的固态相变．北京：冶金工业出版社，1997（3）Porter D A，Easterling K E.Phase transformation in metals and alloys. Alden Press，Oxford，1981二、课程设置的目的、意义合金相与相变课程是材料科学与工程专业的四年制本科生选修的一门专业基础课，也是全校本科大材料类专业的本科生、研究生的选修课。
本课程的学习对学生利用专业理论解决工程实际问题和创新能力的培养上，起到了极为重要的作用。
三、课程目标3.1课程对毕业生能力支撑本课程对应毕业要求2-4、4-3、5-1，具体内容如下：毕业要求2-4：掌握分析研究材料生产复杂工程问题所需的专业理论知识。
能够运用所学专业理论知识分析材料组成-工艺-结构-性能的相互关系与制约规律，识别材料生产过程不同阶段的关键；毕业要求4-3：具有研究和开发新材料、新工艺的试验方案设计能力，能根据材料性能的要求，设计试验方案进行材料制备研究，对试验结果进行科学的分析，综合多方信息对方案和工艺参数进行评估得到有效的结论。
毕业要求5-1：系统地掌握材料科学与工程基础理论，掌握相关技术基础理论和现代分析方法在材料制备技术中的应用知识与应用技巧；系统地掌握材料工程领域主要制备技术，深入了解新材料与材料加工新技术的发展方向。
3.2 课程教学目标“合金相与相变”是材料科学与工程专业的主干课程，集原理、工艺和实践三位为一体，与材料专业创新型人才培养紧密相关。
固态相变 教学大纲
固态相变教学大纲固态相变教学大纲一、课程简介：固态相变是材料科学与热力学中的重要概念之一，涉及物质在固态下由一种有序结构向另一种有序结构的转变过程。
本课程旨在介绍固态相变的基本概念、分类以及相关实验方法和应用领域。
二、课程目标：1. 理解固态相变的基本概念和分类；2. 掌握固态相变的实验方法和测量技术；3. 了解固态相变的应用领域和意义；4. 培养学生的实验操作和科学研究能力。
三、教学安排：第一讲：固态相变的基本概念1. 相变的定义和物质状态的分类；2. 固态相变的特点和机制；3. 固态相变的分类和示例。
第二讲：固态相变的热力学基础1. 热力学第一定律与相变；2. 热力学第二定律与相变；3. Gibbs自由能与相变。
第三讲：固态相变的实验方法1. 差示扫描量热法（DSC）；2. X射线衍射法（XRD）；3. 电子显微镜观察法。
第四讲：金属固态相变1. 铁系金属的相变；2. 镁、锌等金属的相变；3. 合金的相变规律和应用。
第五讲：无机物固态相变1. 二氧化硅的相变；2. 硅等无机材料的相变；3. 无机非晶态转变为晶态的过程。
第六讲：聚合物固态相变1. 高分子材料的相变过程；2. 热塑性聚合物的相变；3. 弹性体的团聚态相变。
第七讲：固态相变的应用1. 固态相变在材料科学中的应用；2. 固态相变在能源存储领域的应用；3. 固态相变在电子器件中的应用。
四、教学评估：1. 课堂参与和讨论；2. 实验报告撰写和展示；3. 期末考试。
备注：本大纲仅供参考，具体教学内容和安排需根据实际情况进行调整。
金属固态相变课程教学大纲(1)
金属固态相变课程教学大纲课程名称：金属固态相变英文名称：solid transformation of metal课程编号：x3010741学时数：64其中实验（实训）学时数： 12 课外学时数：学分数：4.0适用专业：材料科学与工程（卓越工程师）一、课程的性质和任务本课程研究金属材料的成分、工艺、组织和性能之间的关系及影响组织、性能的主要因素。
课程对固态相变、热处理工艺、典型金属材料进行了分析研究，根据材料的性能要求，研究如何设计成分和工艺而获得相应的组织和性能并控制材料的质量。
通过本课程的学习了解材料内在基本规律，包括成分、组织、工艺与性能的关系，以及获得一定组织的途径。
从材料的性能要求出发，研究如何在成份、组织及工艺上满足材料的性能要求；学习工程中常用的典型材料及热处理工艺；学习应用基本规律解决材料实际问题及质量控制的思路和方法。
二、课程教学内容的基本要求、重点和难点（一）固态相变原理1、固态相变概论及奥氏体形成教学内容：（1）相变的一般过程：形核及长大；（2）奥氏体的组织、结构和性能，（3）奥氏体的形成机理，（4）奥氏体形成动力学，（5）奥氏体晶粒长大及其控制。
基本要求：掌握奥氏体形成的临界温度、热力学条件、动力学特点和形成机理，奥氏体的组织、结构和性能，奥氏体晶粒度的概念。
了解连续加热时奥氏体的形成特点，非平衡组织加热时奥氏体的形成。
重点和难点：重点：奥氏体形成热力学条件和形成机理，奥氏体晶粒度和影响因素。
难点：奥氏体的形成机理。
2、钢的过冷奥氏体转变及产物教学内容：（1）过冷奥氏体等温转变动力学曲线，（2）过冷奥氏体的转变，（3）珠光体，（4）马氏体，（5）贝氏体，（6）过冷奥氏体的连续冷却转变曲线，（7）影响 C 曲线的因素基本要求:掌握过冷奥氏体等温转变动力学曲线、连续冷却转变动力学曲线的含义和影响C曲线的因素。
掌握过冷奥氏体转变产物及各组织形态、结构、形成机理及性能。
了解过冷奥氏体转变动力学曲线的制做方法。
合金与相变-深圳大学材料学院
附件一深圳大学课程教学大纲课程编号:课程名称: 合金与相变开课院系: 材料学院制订(修订)人: 刘福生审核人:批准人：2010年 5 月 5 日制订课程名称:合金与相变英文名称:Alloys and Solid-State Phase Transformations总学时: 36其中:实验（实践）课 0 学时学分: 2先修课程: 材料科学基础教材: 刘宗昌，任慧平，宋义全编著《金属固态相变教程》，冶金工业出版社，2003参考教材: 赵乃勤主编《合金固态相变》，中南大学出版社，2008授课对象: 材料科学与工程专业三年级课程性质: □综合必修□专业必修□√专业选修□全校公选教学目标: 通过本课程的学习，掌握金属固态相变的基本原理，熟悉金属材料在加热和冷却过程中发生固态相变的基本规律及其在各种热处理工艺中的应用，了解相变－组织－性能之间的具体联系，掌握运用基本理论和专业知识进行相变分析的思路和方法。
课程简介:(合金固态相变主要内容为固态相变的分类、相变的驱动力、相变过程热力学、动力学原理；合金相变的相图基础；奥氏体相变、马氏体相变、贝氏体相变的特点；脱溶及时效。
通过本课程的学习，可以掌握金属材料固态相变的基本原理，理解材料热处理工艺过程中发生固态相变的规律。
本课程是电子材料类学生计划在金属材料方向发展的必备课程，也是其它材料类专业学生的选修课程。
)教学内容：第一章金属固态相变的基本规律掌握合金与相的概念、相变的分类，理解相变驱动力及相变动力学，了解新相长大的规律。
第二章合金相及相图基础掌握合金相的分类、单元系及二元系相图的特征与分析方法，理解固溶体、有序固溶体及金属化合物的特征。
第三章奥氏体相变掌握奥氏体相变的概念，理解奥氏体的形成机理及奥氏体特征。
第四章珠光体转变掌握珠光体的概念，理解珠光体的组织特征及转变机制，了解珠光体转变动力学。
第五章马氏体相变掌握马氏体相变的概念、马氏体相变的主要特征；理解马氏体相变热力学及动力学。
《合金固态相变》学习指南
第一章绪论一、重点内容提要1.1固态相变的概念“相”(phase)，是所研究的合金微观结构中的一个组成部分，这一部分表现出均匀一致的成分和性能，并且与系统的其它部分具有物理上的明显差别和界面。
相平衡（phase equilibrium）是一相或者多相的系统，在能量上达到最低的状态，可以保持长期稳定的存在。
固态金属（金属与合金）在外界条件（温度和压力等）改变时，组织结构的变化。
1.2固态相变的类型固态相变分类按热力学分类一级相变二级相变按平衡状态分类平衡相变同素异构转变(多形性转变)平衡脱溶沉淀共析转变调幅分解有序化转变非平衡相变伪共析相变马氏体相变贝氏体相变非平衡脱溶沉淀按原子迁移分类扩散相变非扩散相变按相变方式分类有核相变无核相变1.3固态相变的特点1）固态相变的驱动力和阻力固态相变的驱动力是新相与母相的自由能差。
相变阻力包括界面能，弹性应变能。
阻力比固-液等相变要大。
2）新相有特定的形状：盘状，球状，针状。
3）界面、惯习面和位向关系：界面：共格、半共格、非共格惯习面：新相往往在旧相的某一个特定晶面形成，该晶面即惯习面（为原子排列最密的低指数晶面）。
位向关系：新旧相某些低指数晶面（晶向）相互平行，例如：｛111｝γ//｛110｝α，﹤110﹥γ//﹤111﹥α K-S关系4）原子迁移率低，多数相变受到扩散控制。
5）相变时容易产生亚稳相。
6）新相是非均匀形核：新相在位错，空位，晶界等缺陷处优先形核。
二、知识结构三、学习重点与难点整体了解什么是合金固态相变，固态相变的基本类型；了解固态相变研究的基本方法，包括晶体学、热力学、动力学，由此研究固态相变机理和相变规律；掌握固态相变的一般特征，包括驱动力和阻力，相变的形核、长大、扩散、相界面等。
第二章合金固态相变的常用研究方法一、重点内容提要材料的物相种类、相分布和相变过程是相变研究的重要内容，分别需要利用不同的分析手段来研究。
2.1物相类型分析2.1.1物相种类分析的原理入射的电磁波（Ｘ射线）或物质波（电子波）与周期性的晶体物质发生作用，在空间某些方向上发生相干增强，而在其他方向上发生相干抵消，这种现象称为衍射。
金属固态相变资料PPT教案
第24页/共86页
块型转变
第25页/共86页
马氏体相变
A体快速冷却到MS以下转变为M体，M体转变是非扩散 性转变，是FCC的A体瞬间原子切变为BCC的过饱和铁素体。 1.马氏体的结构、形态与性能 （1）马氏体的晶体结构 M体本质：C在α-Fe中过饱
面…
晶格畸变自由能高，易获得 更大的驱动力促进形核及相
变。
思考：晶粒细化对相变的影响？
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4. 原子扩散的影响 对于扩散型相变，随过冷度的增加，相变的驱动力增 大，转变速度加快。但当过冷度增加到一定程度时，扩 散成为决定性因素，再增大过冷度会使转变速度减慢， 甚至原来高温转变被抑制，在更低温度下发生无
珠光体 片状P体 片状P体
索氏体（S）
屈氏体（T）
粒（球）状P体
第37页/共86页
（1）珠光体片层间距S0 S0由珠光体形成温度决定：T越低，S0越小。 S0 =8.02/ΔT ×103 (nm)
（2）珠光体类型
按片间距S0大小分 P：A1～650℃，S0=150～450nm，OM下能看到。
（3）空位形核 新相生成处空位消失，提供能量
空位群可凝结成位错 （在过饱和固溶体的脱溶析出过程中，
空位作用更明显。）
（4）层错形核
第15页/共86页
新相的长大
1.界面过程控制的新相长大 （1）非热激活界面近程控制的新相长大 （2）热激活界面过程控制的新相长大
切
台
变
阶
长
式
大
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《合金固态相变》教学大纲课程编号：2080113学时：40 （实验学时另计，8学时）学分：2.5一、课程基本情况1.课程名称：合金固态相变2.课程性质：必修课程3.适用年级专业：四年制材料科学与工程、材料成型与控制工程专业，三年级本科生4.先修课程：材料科学基础、金属学、物理化学5.教材：“合金固态相变”，赵乃勤主编，中南大学出版社，20086.开课单位：材料科学与工程学院二、课程性质目的、任务和基本要求1.性质目的和任务固态相变是材料科学与工程专业的主要专业课之一，它是以物理、数学、物理化学和金属学原理等课程为基础，着重讲授与合金固态相变有关的基本理论，主要包括金属（特别是钢）在加热、冷却过程中相变的基本原理和规律以及组织结构与性能之间的关系，为提高产品质量、充分发挥现有材料的潜力、合理制定热处理工艺、发展新材料和新工艺打下坚实的基础。
本课程的内容应适当反映现代固态相变理论的发展和成就。
2. 课程的基本要求学生通过学习本课程，应达到：1.掌握金属材料中相变的基本理论，重点是钢中组织转变的基本规律；2.有运用金属材料中相变基本规律，分析和研究金属热处理工艺问题的能力；3.初步掌握成分组织与性能之间的关系，从而对金属材料具有一定的分析和研究能力。
三、课程教学环节、内容及学时分配（一）课程内容第一章绪论合金固态相变的定义。
金属固态相变在工业中的地位和作用。
本课程的研究对象、内容以及与其它课程的关系。
教学重点：固态相变的一般特征，包括驱动力和阻力，相变的形核、长大、扩散、相界面等。
第二章合金固态相变的常用研究方法具体介绍研究物相类型、分布和相变过程的各种手段。
教学重点：材料的物相种类、相分布和相变过程所采用的不同研究手段，并对各研究手段在相变研究中的用途和基本原理有所了解。
第三章奥氏体与钢在加热过程中的转变平衡组织加热时的奥氏体形成：珠光体—→奥氏体转变的热力学条件、形成机理、等温形成热力学。
连续加热时的奥氏体形成。
亚（过）共析钢的奥氏体形成。
亚（过）共析钢的奥氏体形成特点。
影响奥氏体形成的因素。
非平衡组织加热时的奥氏体形成：针形奥氏体的形成，球形奥氏体的形成。
针形奥氏体的合并长大。
粗大奥氏体晶粒的遗传性及其控制。
奥氏体晶粒长大及其控制，奥氏体晶粒度的概念，影响奥氏体晶粒长大的因素，加热时钢的过热现象。
教学重点：奥氏体的结构与性能，奥氏体在加热过程中的变化规律，影响其组织的因素和控制方法。
第四章钢的过冷奥氏体转变及热处理钢的主要几种热处理工艺简介：退火，正火，淬火，回火。
过冷奥氏体等温转变（TTT）图的建立、特征和影响因素。
过冷奥氏体连续冷却转变（CCT）图的建立、特征、区的表示方法和影响因素。
CCT 图和TTT图之间的关系。
过冷奥氏体冷却转变时的临界冷却速度和影响因素。
钢的临界冷却速度。
冷却过程中速度的变化对临界淬火速度的影响。
连续冷却时孕育期的消耗及其估算。
教学重点：过冷奥氏体等温转变的特点，等温转变图的特征，意义，用途，影响因素，高温转变，中温转变和低温转变；对比共析钢等温转变与连续转变动力学图的不同，获得不同金相组织的热处理工艺，掌握“四火（退火、正火、淬火、回火）的目的，方法，组织。
第五章珠光体与钢在冷却时的高温转变珠光体组织形态。
片状珠光体及粒状珠光体的形成过程。
珠光体转变动力学及其影响因素。
合金元素在珠光体转变时的分布，合金元素对珠光体转变的影响。
亚（过）共析钢中先共析相的形成、形态及动力学。
伪共析组织。
片状珠光体和粒状珠光体的力学性能及其影响因素。
铁素体加珠光体组织的力学性能。
钢中魏氏组织对力学性能的影响。
钢中的相间析出。
教学重点：掌握片状珠光体的形成过程和形成机制，由此了解扩散型相变的特点和一般规律；球状珠光体的形成途径，比较两种不同珠光体的组织性能；珠光体的转变动力学特点和影响因素。
第六章马氏体与钢在冷却是的低温转变马氏体转变的定义。
钢中马氏体的晶体结构。
新生马氏体的异常正方度、点阵结构及畸变。
马氏体相变的基本特征：切变共格，表面浮凸，无扩散，惯习面及不应变性，可逆性等。
钢中的马氏体组织形态：板条马氏体和片状马氏体的形态和亚结构。
其它类型的马氏体的形态和亚结构。
片状马氏体的显微裂纹。
马氏体转变的热力学条件：相变驱动力，Ms点的定义及影响因素。
T0，As，Ms，Mf 点的意义。
马氏体转变动力学：马氏体变温形成，马氏体等温形成。
马氏体爆发形成和马氏体表面形成。
马氏体转变机理简介：马氏体的形核，缺陷成核和自催发成核。
马氏体的转变模型——Bain模型，K—S模型，G—T模型。
马氏体的力学性能：马氏体的强度，强化机理，马氏体的塑性和韧性。
奥氏体的稳定化：热稳定化现象，机理及其影响因素。
马氏体的逆转变，热弹性马氏体与形状记忆效应。
教学重点：片状马氏体和针状马氏体的组织、特点，性能等；重点掌握马氏体相变的热力学，明确为何马氏体相变需要在很大的过冷度下才能进行；马氏体相变动力学，明确马氏体相变是在极快的时间内完成的。
马氏体相变机制是本章的难点，要求深入了解和掌握。
马氏体在钢的强韧化和功能化中的应用，重点了解热弹性马氏体，形状记忆效应，超弹性，形变诱发马氏体，奥氏体稳定化等。
第七章贝氏体与钢在冷却时的中温转变贝氏体转变的基本特征。
贝氏体转变的热力学条件。
钢中贝氏体的组织形态：上贝氏体，下贝氏体，无碳化物贝氏体，粒状贝氏体的形态和亚结构。
贝氏体转变过程。
贝氏体转变动力学特点及其影响因素。
钢中贝氏体的力学性能：成分、形态对贝氏体强度、韧性和耐磨性的影响。
教学重点：贝氏体类型，晶体学特点，转变机制，转变动力学，重点掌握上贝氏体与下贝氏体的组织特征，贝氏体的性能特点，及其与微观组织的关系。
重点比较与马氏体和珠光体在晶体学，热力学，动力学，转变机制和性能等方面的异同点。
第八章钢的回火转变回火的目的和意义。
淬火碳素钢回火时的组织转变：位错型马氏体中碳原子的偏聚，孪晶马氏体中碳原子的富集。
马氏体的脱溶分解与碳化物的沉淀析出。
残留奥氏体转变。
马氏体的α—相结构回复和再结晶。
碳化物的转变和聚集、长大。
合金元素对回火转变的影响：对马氏体分解的影响，对残留奥氏体转变的影响，对碳化物转变类型的影响，对α—相回复与再结晶的影响。
回火时钢的力学性能的变化：回火时硬度、强度、塑性、韧性的影响。
回火脆性：第一类回火脆性和第二类回火脆性。
淬火钢中非马氏体组织在回火时的转变和对力学性能的影响。
教学重点：回火过程中组织转变的几个阶段和特点，各阶段的性能变化，内应力变化；了解合金元素对回火转变的影响；不同温度回火时获得的组织特点，回火脆性的产生和防止方法；学会根据钢的成份和零件的服役条件制定合理的回火工艺。
第九章合金的脱溶沉淀与时效合金时效原理。
合金沉淀的热力学和动力学。
合金沉淀机理，脱溶区的结构，过渡相的结构，连续脱溶和非连续脱溶的结构。
合金时效时性能的变化：沉淀硬化。
时效时合金中的回归现象。
合金中发生脱溶时的结构和组织变化以及对性能的影响。
教学重点：合金固溶后的时效过程中发生的组织转变过程，合金时效过程的组织变化的一般规律，以及对性能的影响。
（二）实验内容1. 65Mn钢等温转变动力学图（TTT）的建立（1）学习用金相法、硬度法测定钢的奥氏体等温转变动力学曲线。
（2）了解各种过冷奥氏体等温分解产物的组织与性能。
2. 钢的淬透性及分析（1）巩固淬透性的基本概念，了解影响钢淬透性的各种因素，特别是合金元素的影响。
（2）熟悉测定和表示淬透性的方法，掌握顶端淬火法的操作。
3. 铝合金的时效硬化实验（1）熟悉铝合金时效工艺基本原理和具体操作。
（2）确定铝合金性能（硬度）与时效处理的关系，观察时效处理后铝合金的显微组织。
教学重点：巩固合金固态相变课程中的重要概念，了解几个实验的机理、操作方法以及常规设备的使用等。
（三）学时分配：四、参考书《合金固态相变》，赵乃勤主编，中南大学出版社。
《金属热处理原理与工艺》，赵乃勤主编，机械工业出版社。
《相变热力学》，徐祖耀，李麟，科学出版社，2005。
《合金相与相变》，肖纪美，冶金工业出版社，2004。
《金属固态相变原理》，徐洲，赵连城编，科学出版社，2004。
《金属热处理》，李松瑞、周善初编，中南大学出版社，2003。
《金属固态相变教程》，刘宗昌，冶金工业出版社，2003。
《Materials Science and Engineering an Introduction》, Willliam D et al. John Wiley &Sons, Inc. 2003.《Engineering Materials Properties and Selection》, Kenneth G. Budinski, Michael K. Budinski, Pearson Education，Inc. 2002.。