第十一章 固态相变与材料处理
固态相变原理
固态相变原理
固态相变是指物质在固态状态下由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。
在固态相变中，原子或分子重新排列，从而改变了物质的性质。
固态相变是固体物理学中的重要研究对象，对于材料科学和工程技术具有重要的意义。
固态相变的原理主要包括热力学和动力学两个方面。
热力学描述了相变过程中
物质内部的能量变化和熵变化，而动力学则描述了相变过程中原子或分子的运动和排列。
在热力学方面，相变需要克服能量壁垒，使得原子或分子从一个稳定的晶体结构转变为另一个稳定的晶体结构。
而在动力学方面，相变的速率取决于原子或分子的扩散和重新排列速度。
固态相变可以分为一级相变和二级相变两种类型。
一级相变是指在相变过程中
伴随着热量的吸收或释放，如固液相变和固气相变；而二级相变则是在相变过程中不伴随热量的吸收或释放，如铁磁相变和铁电相变。
不同类型的相变具有不同的热力学和动力学特性，因此需要采用不同的方法和技术来研究和应用。
固态相变在材料科学和工程技术中具有广泛的应用。
例如，通过控制金属材料
的固态相变，可以改变材料的硬度、强度和导电性能，从而实现对材料性能的调控。
另外，固态相变还可以应用于存储技术、传感器技术和能源材料等领域，为现代科学技术的发展提供了重要支撑。
总之，固态相变是固体物理学中的重要研究内容，对材料科学和工程技术具有
重要的意义。
通过深入研究固态相变的原理和特性，可以为材料的设计、制备和应用提供重要的理论和技术支持。
希望在未来的研究中，固态相变能够得到更加深入和全面的理解，为人类社会的发展做出更大的贡献。
固态相变PPT课件
Driin•vcoinrnegcaefsoneurccleeTattoedn,ugcrloewatuen
increases as we
til reach equilibrium
supercooling (eutectic, eutectoid)
Small supercooling few nuclei - large
②相变阻力使之无 法进行下去。
α+θ
Al
Cu
(a)过饱和固溶体 (b)GP区, θ′′ , θ′ (c)马氏体
α+Fe3C
Fe
Fe3C
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金属材料热处理原理
3. 1 概述
➢新相/母相相界，类似于晶界，可分共格、部分共格、非 共格等三类
初生新相的相界面多为共格，而后逐渐向非共格界面发展.
crystals Large supercooling rapid nucleation - many
nuclei, small crystals
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金属材料热处理原理
３. 2 新相形核
3. 3 新相形核
均匀形核（任意随机地形核）、不均匀形核（实际情况）
均匀形核(Homogeneous nucleation)
母相
溶质原子扩散
新相
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金属材料热处理原理
3. 1 概述
非扩散型相变（移位、切变、军队）
在原子无法实现扩散的条件
下发生。新相生长时，母相
中原子不需扩散，只以小于
母相
新相
原子间距的距离相对位移，
实现晶体集体切变，新相成
分保留母相成分特点。
固态相变知识点总结
固态相变知识点总结固态相变（solid state phase transition）是指物质在固态下，由于温度、压力等外界条件的变化，使得物质的晶体结构和性质发生显著变化的现象。
固态相变分为一级相变和二级相变两种类型，其中一级相变又称为凝固、熔化或者升华相变，而二级相变则包括了铁磁性转变、铁电性转变、铁弹性转变等多种类别。
一级相变是指固态物质在相变过程中伴随着传热的明显变化，其自由能函数在温度、压力和摩尔体积或摩尔焓差范围内不连续变化。
一级相变包括了凝固、熔化和升华三种基本类型。
凝固是物质由液态转变为固态的一种相变过程。
在凝固的过程中，液体的分子排列变得有序，形成规则的晶体结构。
凝固点是物质在一定压力下的温度，当温度降低达到凝固点时，液体开始凝固。
熔化是物质由固态转变为液态的一种相变过程。
在熔化的过程中，固体的晶体结构破坏，分子之间的相互作用减弱，形成无序排列的分子结构。
熔点是物质在一定压力下的温度，当温度升高达到熔点时，固体开始熔化。
升华是物质由固态转变为气态的一种相变过程。
在升华的过程中，固体的晶体结构破坏，分子之间的相互作用减弱，形成无序排列的分子结构。
升华点是物质在一定压力下的温度，当温度升高达到升华点时，固体开始升华。
与一级相变不同，二级相变是指固态物质在相变过程中没有明显的传热变化，其自由能函数在温度、压力和摩尔体积或摩尔焓差范围内连续变化。
二级相变包括了铁磁性转变、铁电性转变和铁弹性转变等多种类型。
铁磁性转变是指在一定温度下，物质由铁磁相转变为顺磁相或者反铁磁相的一种相变过程。
铁磁性转变常伴随着磁滞回线的出现，磁化强度和温度之间存在明显的关联。
铁电性转变是指在一定温度下，物质由铁电相转变为非铁电相的一种相变过程。
铁电性转变常伴随着电滞回线的出现，电极化强度和温度之间存在明显的关联。
铁弹性转变是指在一定温度下，物质由弹性相转变为非弹性相的一种相变过程。
铁弹性转变常伴随着应力-应变曲线的出现，应力和温度之间存在明显的关联。
潘金生《材料科学基础》(修订版)(名校考研真题 固态相变(Ⅰ)——扩散型相变)【圣才出品】
第11章 固态相变（Ⅰ）——扩散型相变一、判断题有序-无序转变是指晶体与非晶体之间的转变。
（）[南京工业大学2003研]【答案】×【解析】有序-无序转变狭义是指存在于某些晶体内部的两种结构状态。
无序是指在某一临界温度以上，晶体结构中的两种或多种不同质点（原子或离子以至空位）都随机地分布于一种或几种结构位置上相互间排布没有一定的规律性的结构状态；有序是指此改办温度以下，这些不同的质点可以各自有选择地分占这些结构位置中的不同位置，相互间作有规则的排列的结构状态，相应的晶体结构称为超结构或超点阵。
有序-无序转变从物质结构上可分为三种主要类型：①位置有序；②取向有序；③与电子自旋状态有关的有序。
二、名词解释1．铝合金的时效[西南交通大学2009研]答：铝合金的时效是指铝合金在经过高温固溶处理后，迅速冷却形成过饱和固溶体，并在随后的加热保温过程中析出亚稳相的过程。
2．一级相变[南京工业大学2008、西南交通大学2009、北京工业大学2009研]答：相变时两相的化学势相等，但化学势的一阶偏微商不相等，发生一级相变时有相变潜热和体积的变化。
3．调幅分解[北京工业大学2009研]答：调幅分解是指固溶体通过上坡扩散分解成结构均与母相相同、成分不同的两种固溶体的转变。
三、简答题1．已知727℃时，平衡态铁碳合金中铁素体的最大碳含量为W c ＝0.0218％，而奥氏体的碳含量为Wc ＝0.77％。
试问：（1）碳原子分别位于铁素体和奥氏体晶体中的什么位置？（2）解释为什么两者的碳含量差别如此之大。
[西安交通大学2006研]答：（1）碳原子位于铁素体晶体中的扁八面体间隙中心位置，位于奥氏体晶体中的正八面体间隙中心位置。
（2）因为铁素体晶体中的扁八面体间隙半径比奥氏体晶体中的正八面体间隙半径小得多。
2．根据如图11-1所示共析碳钢的过冷奥氏体转变C 曲线（TTT 曲线），请写出经过图中所示6种不同工艺处理后材料的组织名称以及硬度排列（从高到低）。
材料科学基础复习题
材料科学基础复习题第三章：晶体的范性形变（crystal plastic deformation）单晶体范性形变的两种基本⽅式：滑移（slip）和孪⽣（twinning）两者都为剪应变。
FCC的滑移⾯都是{111}，滑移⽅向都是<110>，BCC的滑移⾯都有{110}，滑移⽅向都是<111> 滑移⽅向都是最密排的⽅向，⽽滑移⾯则往往是密排⾯Schmid定律：当作⽤在滑移⾯上沿着滑移⽅向的分切应⼒达到某⼀临界值τc时，晶体便开始滑移。
P144.我们把只有⼀个滑移系统的滑移称为单滑移，具有两个或以上的滑移叫做双滑移或者多滑移。
晶粒和晶粒之间的过渡区域就称晶粒边界或称晶界。
晶粒越细，阻碍滑移的晶界便越多，屈服极限也就越⾼。
（细化晶粒不仅可以提⾼⾦属的强度，同时还可以提⾼其韧性）Hall 公式：拉伸应⼒变形（tensile stress deformation）晶体在外⼒作⽤下会发⽣形变，当外⼒较⼩时变形是弹性的，即卸载后变形也随之消失，这种可恢复的变形就称为，弹性变形（elastic deformation）当外⼒超过⼀定值后，应⼒和应变就不在成线性关系，卸载后变形也不能完全消失，⽽会留下⼀定的残余变形或者永久变形，这种不可恢复的变形就称为，塑性变形（plastic deformation）低碳钢的拉伸应⼒——应变曲线（图解计算题）延伸率（elongation）：断裂前的最⼤相对伸长。
断⾯收缩率（reduction in cross-section）：断裂前最⼤的相对⾯积缩减。
晶体的断裂（Crystal fracture）滑移系统（slip system）：⼀个滑移⾯和位于该⾯上的⼀个滑移⽅向便组成了⼀个滑移系统。
孪⽣系统（twinning system）：⼀个孪⽣⾯和该⾯上的⼀个孪⽣⽅向组成⼀个孪⽣系统。
加⼯硬化（work hardening）：⾦属在冷加⼯过程中，要想不断地塑性变形，就需要不断增加外应⼒。
固态相变.ppt
菲克第二定律 实际中大多数重要的扩散都是不稳定扩散，
即扩散物质浓度分布随时间而变化。为了研究 这类情况，根据扩散物质的质量平衡，在第一 定律的基础上导出菲克第二定律，用以分析不 稳定扩散。
在一维情况下，菲克第二定律表示为：
MMSCE2000057
当扩散系数D为常数（即与浓度无关），则 菲克第二定律可表示为： 在三维扩散的情况下，菲克第二定律的表达式为：
因此在相变过程中，新相总是倾向于形成具 有一定形状并具有一定界面结构的晶核，以尽量 降低界面能和应变能，从而使形核功降低。
MMSCE2000057
b.非均匀形核 由于绝大多数的固体都包含有各种缺陷，如
空位、杂质、位错、晶界等，因此，实际上很难 出现理想的均匀形核，而相反倒是在上述缺陷处 优先形核，即发生非均匀形核。由于上述缺陷处 具有较高的能，在这些部位形核可以降低形核功， 所以非均匀形核要比均匀形核容易得多。
结果：有相变潜热，并伴随有体积改变。
MMSCE2000057
*二级相变：相变时两相化学势相等，其一级偏 微熵也相等，而二级偏微熵不等。
在转变温度Tc下其吉布斯自由能可
连续变化，又叫连续相变。
即： 1＝2
S1＝S2
1 2(等压膨胀系数)
1 2(等温压缩系数)
C p1 C p2 (热容量)
V1＝V2
MMSCE2000057
1 2
1 2
T P T P
1 2
P T P T
21
T 2
P
22
T 2
P
2
T 2
P
（3） 相变过程的浓度条件 对于溶液中析出固体的相变而言，为使相变
固态相变
固态相变：金属和陶瓷等固态材料在温度和压力改变时，其内部或结构会发生变化，即发生从一种相状态到另一种相状态的的转变，这种转变成为固态相变。
热力学分类一级相变：想便是新旧两厢的化学势相等，但化学势的一级偏微商不等的相变二级相变：相变时新旧两相的化学势相等，且化学势的一级偏微商也相等，但化学势的二级偏微商不等的相变平衡状态分类平衡相变：在缓慢加热或冷却时所发生的能获得负荷平衡状态图的平衡组织的相变1同素异构转变和多形转变: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称为同素异构转变。
2平衡脱溶沉淀:在缓慢冷却条件下，由过饱和固溶体中析出过剩相的过程3共析相变：合金在冷却时由一个固相分解为两个不同固相的转变4调幅分解:某些合金在高温下具有均匀单项固溶体，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。
5有序化转变：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的转变（长程有序）非平衡相变：托加热或冷却速度很快，平衡相变将被抑制，固态材料可能发生某些平衡状态图上不可能反映的转变并获得被称为不平衡或亚稳态的组织的转变1伪共析相变：Fe-C为例，转变过程和转变产物类似于共析相变，但转变产物中铁素体量与渗碳体量的比值不是定值，而是随奥氏体含量变化而变化2马氏体相变：Fe-C合金为例，进一步提高冷却速度，使伪共析相变也来不及进行而将奥氏体过冷到更低温度，则由于在低温下铁原子和碳原子都已不能或不易扩散，故奥氏体只能一步发生源自扩散，不引起成分改变的方式，通过切变由γ点阵改组为α点阵的转变3贝氏体相变：铁原子不能扩散，但碳原子尚具有一定的扩散能力，因此出现了一种独特的碳原子扩散而铁原子不扩散的非平衡相变4非平衡脱溶沉淀：在室温或低于固溶度曲线MN的某一温度下溶质原子尚具有一定的扩散能力，则在上述温度等温时，过饱和α固溶体仍可能发生分解，逐渐析出新相，但在析出的初期阶段，新相的成分和结构均与平衡脱溶沉淀相有所不同原子迁移分类扩散相变：相变时，相界面的移动是通过原子近程或远程扩散而进行的相变称为扩散型相变基本特点：1相变过程中由原子扩散，相变速率受原子扩散速度所控制2新相和母相的成分往往不同3只有因新相和母相比容不同而引起的提及变化，没有宏观形状改变非扩散型相变：想必那过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子的运动时协调一致的相变。
固态相变知识点总结
固态相变知识点总结相变是物质在温度、压强或其他外部条件改变时，从一种物态转变为另一种物态的现象。
固态相变是指物质从固态状态转变到其他固态状态的过程，通常包括晶体-晶体相变和晶体-非晶相变，以及液晶-固体相变等。
固态相变是材料科学和固态物理领域的重要研究课题，掌握固态相变的基本原理和规律对于材料设计、制备和性能改进具有重要意义。
本文将从固态相变的基本概念、分类和特征等方面进行总结，并通过实例来说明固态相变的重要意义和应用。
一、固态相变的基本概念1. 固态相变是指物质在固态状态下由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。
固态相变是晶体学和固态物理学的重要研究课题，可以帮助我们深入了解物质的内部结构和性质。
2. 固态相变的基本特征包括晶格结构的改变、原子位置的重新排列、晶体的晶界和缺陷等。
固态相变通常伴随着能量的吸收或释放，使得固态物质的性能和特性发生变化。
3. 固态相变的驱动力包括温度、压强、外界场等，这些外部条件的改变可以引起晶体结构和性质的改变，从而产生相变现象。
4. 固态相变可以分为等温相变和非等温相变两种类型。
等温相变指的是在恒定温度下发生的相变过程，例如固态合金的热处理过程；非等温相变指的是在变化温度下发生的相变过程，例如冰的熔化过程。
二、固态相变的分类根据相变过程中晶体结构的改变和外部条件的影响，固态相变可以分为以下几种类型：1. 晶体-晶体相变：指的是物质在固态状态下由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。
晶体-晶体相变通常伴随着晶粒形状、大小和取向的变化，对材料的组织结构和性能产生重要影响。
2. 晶体-非晶相变：指的是物质在固态状态下由晶体结构转变为非晶结构的过程。
晶体-非晶相变可以发生在非晶态金属、非晶态合金和非晶态陶瓷等材料中，对于提高材料的强度、硬度和耐腐蚀性具有重要意义。
3. 液晶-固体相变：指的是液晶分子在固态基体中发生有序排列的过程。
液晶-固体相变广泛应用于液晶显示器、液晶材料和光学器件等领域。
材料的凝固气相沉积扩散与固态相变课件
凝固过程中的相变
相变
物质在凝固过程中，物理状态发生改变的现象。
相变类型
共晶、包晶、固溶体等。
相变过程
形核、长大、粗化等。
凝固过程中的扩散与传
1 2 3
扩散 物质在固态或液态中，由于浓度梯度而引起的迁 移现象。
传输过程 溶质传输、热能传输、动量传输等。
扩散与传输对凝固过程的影响 影响晶粒形貌、组织结构、热处理工艺等。
气相沉 积
物理气相沉 积
物理气相沉积（PVD）是一种利用物理方法将固体材料转化为气态，再通过冷却和 凝结的过程在基材上形成固态薄膜的技术。
PVD技术包括真空蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀膜等，广泛应用于电子、光学、机 械和航空航天等领域。
PVD技术具有高沉积速率、低温度、高纯度等优点，但同时也存在薄膜附着力差、 设备成本高等问题。
材料的凝固气相 沉积扩散与固态 相变课 件
目录
• 气相沉积 • 固态相变 • 材料性能与结构 • 材料科学与工程中的挑战与前景
材料的凝固
凝固的基本原理
01
02
03
凝固
物质从液态变为固态的过 程。
凝固的热力学条件
系统的自由能随温度降低 而减小。
凝固的动力学条件
液态物质冷却速率达到某 一阈值时开始凝固。
新材料的研 发
新材料的研究需要大量的实验和理论 计算，需要不断探索新的制备方法和 工艺。
新材料的应用
新材料的应用需要考虑到其性能、安 全性、经济性等多个方面，需要进行 全面的评估和测试。
THANKS
固态相变的应用
应用领域
金属材料、陶瓷材料、复合材料等。
应用实例
钢铁工业中的连续冷却相变，用于控制钢材的组织和性能；陶瓷材料的烧结和相 变，用于制备高性能陶瓷材料；复合材料的界面相变，对复合材料的力学性能和 稳定性具有重要影响。
固态相变重点内容
所谓“共格”是指界面上的原子同时位于两相晶格的结点 上，即两相的晶格是彼此衔接的，界面上的原子为两者共有 。但是理想的完全共格界面，只有在孪晶界，且孪晶界即为 孪晶面时才可能存在。
共格相界 2．半共格相界 a 半共格相界
非共格相界
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。 3．非共格相界
实验证明，魏氏组织中的铁素体是通过半共格界面上界面位 错的运动，使界面作法向迁移而实现长大的。显然，半共格 界面上存在着的位错列随着界面移动，使界面迁移到新的位 置时无需增添新的位错，这从能量上讲，将有利于长大过程。 界面的可能结构如图所示。
(2) 非共格界面的迁移
在许多情况下，晶核与母相间呈非共格界面，这种界面处原 子排列紊乱，形成一无规则排列的过渡薄层，其界面结构如图 (a)所示。在这种界面上，原子移动的步调不是协同的，亦即原 子的移动无一定的先后顺序，相对位移距离不等，其相邻关系 也可能变化。随母相原子不断地以非协同方式向新相中转移， 界面便沿其法向推进，从而使新相逐渐长大。也有的研究指出， 非共格界面可能呈台阶状结构，如图(b)所示。这种台阶平面 是原子排列最密的晶面，台阶高度约为一个原子高度，通过原 子从母相台阶端部向新相台阶上转移，便使新相台阶发生侧向 移动，从而引起界面推进，使新相长大。由于这种非共格界面 的迁移是通过界面扩散进行的，而不论相变时新相与母相的成 分是否相同，因此这种相变又称为扩散型相变。 图 非共格界面的可能结构
兼具有马氏体转变及扩散型转变的特点，产物成 分改变，钢中贝氏体转变通常认为借铁原子的共 格切变和碳原子的扩散进行 转变的产物中铁素体和渗碳体的比例随着奥氏体 的成分而变化 合金元素原子从无规则排列到有规则排列，但结 构不发生变化
固态相变与材料处理byao
温度/℃
预备热处理
最终热处理
时
间
6、临界温度与实际转变温度
铁碳相图中PSK、GS、ES线分 别用A1、A3、Acm表示.
实际加热或冷却时存在着过 冷或过热现象，因此将 钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示; 冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。
电镜下
• 上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。 • 下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具
珠光体转变过程: 珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首先在奥氏体 晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促 进了铁素体形核，两者相间形核并长大，形成一个珠光体团。
珠光体转变是扩散型转变。
珠光体转变
（2） 中温转变—贝氏体转变( 550℃~230℃ )
1、贝氏体的组织形态及性能
，A→B。半扩散型相变 (3)M型转变：低温区（在MS以下）、过冷度大，发生M
转变的区域，A→M；非扩散型相变
需要指出的是，在中部区域P转变区和B转变区可能重叠 ，得到P和B的混合组织；在下部区域M转变和B转变 可能重叠，得到M和B的混合组织；
（1）高温转变-- P转变 (Ar1~ 550℃)
A→F+Fe3C:过冷奥氏体在 Ar1到 550℃间将转 变为珠光体类型组织，它是铁素体与渗碳体片
• 由于加热冷却速度直接影响转变温度，因此一般手册 中的数据是以30-50℃/h 的速度加热或冷却时测得的.
5.2 钢在加热时的组织转变
加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在A1 以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，
目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。 一、奥氏体的形成过程
材料物理材料的固态相变
有序晶格有X射线衍射条纹观测。
对密勒指数(hkl)的倒易阵点的X射线衍射峰 强度一般由下式给出
式中m是多重因子，A是吸收因子，T是温度因子（德拜-威廉因子） ，θ是布拉格反射角，Fhkl是结构因子。
把Fe和Al原子按1:1比例制成合金，形成上述的CsCl型有序晶格。 设Fe原子占据角上(000)晶格位置，Al原子占据体心的（1/2,1/2,1/2）晶 格位置，则结构因子为
构的过程称为相变。
固态相变的母相和新相都是固体，没有流体参与，它具有
一些与固-液相变、气-液相变、固-气相变及其逆过程都不
相同的特点。
相变是指在外界条件发生变化过程中物相于某种条件下（临界值）时 发生突变，表现为
（1）从一种结构变为另一种结构： 如气相、液相、或固相中不同晶体结构或原子、离子聚集状态之间 的转变。 （2）化学成分的不连续变化： 如均匀液体的脱溶沉淀或固体的脱溶分解等。 （3）更深层次序结正常导体-超导体转变等。 以上的这些相变过程往往伴随某种长程有序结构的出现或消失。
在单滚桶型液体急冷凝固方法中熔融金属在高速旋转的铜滚桶上在气体压力下从石英喷嘴射出成带状冷却凝固冷却速度因条件而异一般为10最近正在研究的激光淬火方法中采用脉冲的激光射线或连续扫描射线急剧加热金属表面然后急冷在极短的时间内溶解表面的微小区脉冲激光冷却速度大理论上可达1010具有高动能量的气体金属原子或分子和分子群由于接触冷的基板产生急冷效应
N为总原子数
在原子完全无规则散布的无序状态中 η=0 最有序化的状态中 ηmax=2CB。
CB（ ≤ 1/2）是固溶原子B的浓度，CB为理想配比时ηmax=1.
亚点阵的比例为1:1，合金浓度为CA 、CB时，有如下关系
材料加工原理_徐洲_固态变相基础
第三篇材料固态相变原理第八章固态相变基础第九章共析与逆共析型相变第十章切变共格型相变第十一章脱溶沉淀型转变20:51:412第八章固态相变基础8.1 固态相变概论8.1.1 固态相变的主要分类8.1.2 固态相变的主要特点8.2 固态相变热力学8.2.1 固态相变的热力学条件8.2.2 固态相变的形核8.2.3 固态相变的晶核长大8.3 固态相变动力学8.3.1 固态相变的速率8.3.2 钢中过冷奥氏体转变动力学20:51:413相变从广义上讲，构成物质的原子（或分子）的聚合状态（相状态）发生变化的过程均称为相变。
如：从液相到固相的凝固过程从液相到气相的蒸发过程20:51:414固态相变金属和陶瓷等固态材料在温度和压力改变时，其内部组织或结构会发生变化，即发生从一种相状态到另一种相状态的转变，这种转变称为固态相变。
相变前的相状态称为旧相或母相相变后的相状态称为新相20:51:41520:51:416新相与母相的差别相变发生后，新相与母相之间必然存在某些差别。
这些差别或者表现在晶体结构上（如同素异构转变）化学成分上（如调幅分解）表面能上（如粉末烧结）应变能上（如形变再结晶）界面能上（如晶粒长大）兼而有之（如过饱和固溶体脱溶沉淀）本篇学习的目的固态相变的种类很多，许多材料在不同条件下会发生几种不同类型的相变掌握材料固态相变的规律，就可以采取措施（如特定的加热和冷却工艺）控制相变过程以获得所预期的组织和结构，从而使之具有所预期的性能，最大限度地发挥现有材料的潜力，并可以根据性能要求开发出新型材料。
20:51:417热处理与硬度关系合适切削加工硬度20:51:41820:51:419一级相变按热力学分类二级相变按分类非平衡脱溶沉淀按扩散相变非扩散型相变按相变方式分类有核相变无核相变固态相变分类20:51:4110相变时新旧两相的化学势相等，但化学势的一级偏微商不等的相变称为一级相变。
设α代表旧相，β代表新相，μ为化学势、T 为温度、P 为压力，则有；已知；所以；βαµµ＝PP T T ∂∂≠ ∂∂βαµµT T P P ∂∂≠ ∂∂βαµµS T P ＝－ ∂∂µV P T ＝ ∂∂µβαS S ≠βαV V ≠一级相变一级相变特点在一级相变时，熵S和体积V将发生不连续变化，即一级相变有相变潜热和体积改变。
第十一章 固态相变与材料处理(1)
现代工程材料
二. 相变的热力学
（一）相变时自由能的变化
假设在均匀母相α中形成一个半径为r的球形新 相β，则系统总自由能变化量为： ΔG (ΔG= Gβ-Gα) Gα代表原始相（即母相）的Gibbs自由能 Gβ代表生成相（即新相）的Gibbs自由能
现代工程材料
• 固态相变时形成半径为r的球形晶胚所引起系统自 由能的变化（ΔG）为：
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随碳质量分数增大，组织按下列顺序变化： F 、 F+P 、 P 、 P+Fe3CⅡ 、 P+Fe3CⅡ+Le´ 、 Le´ 、 Le´+Fe3CⅠ、Fe3C
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(2)、含碳量对力学性能的影响：
（1）在亚共析钢中,随含碳量增加,铁素体逐渐 减少,珠光体逐渐增多,故强度、硬度升高,而塑性、 韧性下降。 （2）在过共析钢中,当含碳量不超过1%时,由于 Fe3CⅡ 较少,在晶界上未能连成网状,故钢的硬度 和强度还是增加的,而塑性,韧性却继续下降。当 含碳量大于1%时,由于Fe3CⅡ增多,在晶界上已结成 网状,导致强度降低但硬度仍不断增加。工程上使 用铁碳合金时,为了保证具有一定的塑性,韧性和 足够的强度,含碳量一般不超过1.3%-1.4%。
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第三篇 材料的组织结构与 性能控制基础
第十一章 固态相变与材料处理 第一节 固态相变总论 第八章第三节 铁碳相图 第二节 过饱和固溶体的分解 第三节 钢的加热及组织转变 第四节 钢的冷却及组织转变 第五节 钢的整体热处理 第六节 表面热处理技术
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第一节 固态相变总论
固体材料的组织、结构在温度、压力、 成分改变时所发生的转变统称为固态相变。
• 界面结构对相变时的形核、长大过程以及相变后 的组织形态有很大影响
固态相变-(考试必备)
固态相变：金属和陶瓷等固态材料在温度和压力改变时，其内部组织或结构会发生变化，即发生从一种状态到另一种相态的转变，这种转变称之为固态相变。
固态相变的阻力有哪些：金属固态相变时的相变阻力应包括界面能和弹性应变能两项。
当界面共格时，可以降低界面能，但使弹性应变能增大。
当界面不共格时，盘(片)状新相的弹性应变能最低，但界面能较高；而球状新相的界面能最低，但弹性应变能却最大。
为什么固态相变中出现过渡相?晶体缺陷对固态相变形核有什么影响？1.当稳定的新相与母相的晶体结构差异较大时，母相往往不直接转变为自由能最低的稳定新相，而是先形成晶体结构或成分与母相比较接近，自由能比母相稍低些的亚稳定的过渡相。
此时，过渡相往往具有界面能较低的共格界面或半共格界面，以降低形核功，使形核容易进行。
2.晶体缺陷是能量起伏、结构起伏和成分起伏最大的区域，在这些区域形核时，原子扩散激活能低，扩散速度快，相变应力容易被松弛。
在固态相变中，从能量的观点来看，均匀形核的形核功最大，空位形核次之，位错形核更次之，晶界非均匀形核的形核功最小。
为什么新相形成的时候，常常呈薄片状或针状？如果新相呈球状，新相与母相之间是否存在位相关系？①金属固态相变时，因新相与母相恶比容不同，可能发生体积变化，但由于受到周围母相的约束，新相不能自由膨胀产生弹性应变能。
而片状或针状的弹性应变能最小，所以新相形成时常常呈片状或针状 ②存在位相关系。
许多情况下，金属固态相变时，新相与母相之间往往存在一定的位相关系，且新相呈球状时与母相的弹性应变能最大，是由新、母相的比容不同或两相界面共格或半共格关系造成的，所以必然存在一定的位相关系。
TTT 曲线的建立：将不同温度下的等温转变开始时间和终了时间以及某些特定的转变量所对应的时间绘制在温度—时间半对数坐标系中，并将不同温度下的转变开始点和转变终了点以及转变50%点分别连接成曲线，则可得到过冷奥氏体等温转变图，即TTT 曲线。
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六、化学转化膜技术
(1)防锈耐蚀。
(2)涂镀层底层。
(3)耐磨减摩。 (4)其他作用。 (一)化学氧化 (二)阳极氧化 (三)磷化处理 (四)铬酸盐处理
七、表面涂敷技术
(一)涂装
(一)钢的奥氏体晶粒度
指奥氏体化后实际晶粒大小
表示方法：晶粒直径、单位面积 中奥氏体晶粒数目
(二)奥氏体晶粒的长大与控制
影响奥氏体晶粒长大的因素： 加热温度、保温时间、加热速度、
化学成分
1、加热温度越高，保温时间越长， 奥氏体晶粒将越粗大。 2、加热速度越大，可 以获得细小的奥氏 体起始晶粒，但奥 氏体晶粒很容易长 大，所以快速加热 时，需短时保温才 能获 得细小的奥氏 体晶粒。
(一)珠光体转变
表11-1 珠光体转变组织特征与性能
(二)贝氏体转变
图11-9 贝氏体的显微组织 a)上贝氏体 b)下贝氏体
三、影响C曲线的因素
(一)奥氏体成分
图11-14 合金元素对C曲线的影响 a)非碳化物形成元素 b)碳化物形成元素
(二)钢的组织状态
第五节
一、退火 (一)完全退火 (二)等温退火 (三)球化退火 (四) 均匀化退火 (五)去应力退火 二、正火 (一)正火工艺与目的 (二)正火的主要应用
第三节
一、奥氏体的形成
(一)奥氏体化过程
钢的加热及组织转变
(二)影响奥氏体转变速度的因素 (三)奥氏体的组织、结构和性能
图11-������ 4 碳钢加热和冷却时的相变点
图11-5 珠光体向奥氏体转变示意图 a)奥氏体形核 b)奥氏体长大 c)残余F C溶解 d)奥氏体均匀化
二、奥氏体晶粒长大及其控制
的负极和正极联接。电镀液由含有镀覆金属的化合物、导电的 盐类、缓冲剂、pH调节剂和添加剂等的水溶液组成。通电后， 电镀液中的金属离子，在电位差的作用下移动到阴极上形成镀 层。阳极的金属形成金属离子进入电镀液，以保持被镀覆的金 属离子的浓度。
(二)化学镀 化学镀是一种不需要通电，依据氧化还原反应原
理，利用强还原剂在含有金属离子的溶液中，将金属离子还原
钢的整体热处理
三、淬火 (一)钢的淬火工艺 (二)常用淬火方法 (三)钢的淬透性和淬硬性
(四)常见淬火缺陷简介 四、回火 (一)淬火钢的回火转变及组织性能变 (二)回火的分类与应用 (三)回火脆性
第六节 一、概述材料表面处技术(一)材料表面技术的目的与作用 (二)表面技术的分类
(三)材料表面技术的应用
耗能少、效率高、适应面广等优点，是金属材料表面改性的有效方 法.
(２)表面滚压强化。利用特制的滚压工具,对零件表面施加一定压力, 使零件表面层的金属发生塑性变形,从而提高表面粗糙度和硬度,
五、电镀和化学镀
(一)电镀 在盛有电镀液的镀槽中，经过清理和特殊预处理的
待镀件作为阴极，用镀覆金属制成阳极，两极分别与直流电源
三、钢的加热缺陷
(一)氧化
氧化是炉气中的氧化性气体与铁化合形成氧化皮最
外层是如氧化皮的现象。形成氧化缺陷的因素有炉气成分。
(二)脱碳 脱碳是钢表面巾的碳在高温下与氧或氢发生化学反 应、生成一氧化碳或甲烷等可燃气体被烧掉而造成的。 (三)过热 加热温度与保温时间。加热温度越高晶粒越粗大。
通常把品粒开始急剧长大的温度称为晶粒长大的临界温度并视 为该种金属的过热温度。钢的过热温度与其化学成分有关。
第十一章
固态相变与材料处理
第一节 固态相变总论 一、固态相变的特点与分类 (一)固态相变的特点 (二)固态相变的分类 二、相变的热力学 (一)相变时自由能变化 (二)相变时临界形核条件 三、相变的动力学
图11-1 形核速率与过 冷度的关系曲线
第二节
一、脱溶分解
过饱和固溶体的分解
二、调幅分解
图11-2 有过饱和固溶体 分解转变的合金相图 图11-3 调幅分解溶质含量变化与分布示意图
(四)过烧
发生氧化形成易熔共品体氧化物破坏了晶粒问的
联系这种现象称为过烧。
第四节
一、过冷奥氏体冷却转变 (一)过冷奥氏体等温转变
钢的冷却及组织转变
(二)过冷奥氏体连续冷却转变
图11-������ 6 共析钢过冷奥氏体等温转变曲线
图11-7 共析钢过冷奥氏体 连续冷却转变曲线
二、过冷奥氏体转变产物的组织与性能
(二)钢的渗氮
渗氮的目的是将氮原子渗入钢件表面形成以氮化物为主的渗氮 层以提高渗层的硬度.耐磨性抗蚀性疲劳强度等性能.
(三)钢的碳氮(氮碳)共渗
又称为氰化钢件表面同时渗入碳和氮原子.
四、表面形变强化
(１)表面喷丸强化。喷丸是国内外广泛使用的一种在再结晶温度以 下的表面强化方法，可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力 腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐蚀点（孔蚀）能力，它具有操作简单、
(二)火焰加热淬火 加热时间为10～100s，冷却方式为水冷， 淬火组织为马氏体，过渡区深。其工作原理为将高温火焰或燃 烧着的炽热气体喷向工件表面，使其迅速加热到淬火温度，然 后在一定淬火介质中冷却
三、表面化学热处理
(一)钢的渗碳
渗碳的目的将碳渗入低碳钢或低碳合金钢工件表面使起达到共
析或过共析成分时的含碳量再淬火合低温回火提高表面的硬度. 强度.抗疲劳性和耐磨性心部仍保持一定的强度和良好的韧性。
(二)粘涂
(三)热喷涂 (四)热浸镀
表11-������ 4 常见热浸镀层及特性
表11-5
热浸镀钢材的主要用途
八、气相沉积技术
(一)物理气相沉积 (二)化学气相沉积 (三)气相沉积技术的应用
表11-������ 6 PVD和CVD的基本特点比较
九、高能束表面技术简介
表11-3 材料表面技术赋予材料的特性
二、表面淬火
(一)感应加热淬火
工作原理是将工件放在足够功率输出的感
应线圈中，在高频交流磁场的作用下产生很大的感应电流，并
由于集肤效应而集中分布于工件表面，是受热区迅速加热到钢 的相变临界温度Ac3或Acm之上，然后在冷却介质中快速冷却， 使工件表层获得马氏体。三种工艺均使用喷水冷却，获得的组 织均为马氏体且淬火压应力大。工艺特点为淬硬层深度调节方 便，重复性好，适合大批量生产，生产成本适中，主要局限性 为存在“尖角效应”，只能加工形状相对简单的零件。