第二章 J金属固态相变基础
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2金属固态相变基础
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固态相变的主要特点
5.易产生过渡相（降低形核功） 在有些情况下，固态相变不能直接形成自由能最低 的稳定相，而是经过一系列的中间阶段，先形成一系 列自由能较低的过渡相（又称中间亚稳相），然后在 条件允许时才形成自由能最低的稳定相．相变过程可 以写成： 母相―→较不稳定过渡相―→较稳定过渡相―→稳定相 温度越低时，固态相变的上述特点越显著。 过渡相的出现有利于减小固态相变的阻力。 如：铁碳合金中γ分解时 γ→M → α＋Fe3C Fe3C→Fe＋C M，Fe3C为过渡相
第二章
固态相变概论
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基本概念
相： 体系中具有相同成分、结构和性质的均匀部分 称为相，不同相之间有明显的界面分开。
相变： 随外界条件的变化(温度)，体系中新相取代 旧相的过程。 固态相变： 固态金属及合金在温度及压力改变时， 组织及结构发生的变化
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固态相变的主要特点
1.相界面多样化（新相和母相间存在不同的界面）
(1)共格界面
新、旧相的晶体结构、点阵常数相同；或有差异但存 在一组特定晶体学平面可使两相原子之间产生完全匹配。
旧相
新相
特点：界面能小， 弹性畸变能大
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固态相变的主要特点
5.易产生过渡相（降低形核功） 在有些情况下，固态相变不能直接形成自由能最低 的稳定相，而是经过一系列的中间阶段，先形成一系 列自由能较低的过渡相（又称中间亚稳相），然后在 条件允许时才形成自由能最低的稳定相．相变过程可 以写成： 母相―→较不稳定过渡相―→较稳定过渡相―→稳定相 温度越低时，固态相变的上述特点越显著。 过渡相的出现有利于减小固态相变的阻力。 如：铁碳合金中γ分解时 γ→M → α＋Fe3C Fe3C→Fe＋C M，Fe3C为过渡相
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固态相变概论
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基本概念
相： 体系中具有相同成分、结构和性质的均匀部分 称为相，不同相之间有明显的界面分开。
相变： 随外界条件的变化(温度)，体系中新相取代 旧相的过程。 固态相变： 固态金属及合金在温度及压力改变时， 组织及结构发生的变化
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固态相变的主要特点
1.相界面多样化（新相和母相间存在不同的界面）
(1)共格界面
新、旧相的晶体结构、点阵常数相同；或有差异但存 在一组特定晶体学平面可使两相原子之间产生完全匹配。
旧相
新相
特点：界面能小， 弹性畸变能大
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金属固态相变基础.ppt
2 1 T 2 P 2 T 2 P
2
2 1 P 2 T 2 2 P 2 T
2 1 TP 2 2 T P
多形性转变 固溶体由一种晶体结构转变为另一种 结构的过程称为多形性转变。
平衡脱溶转变
单一的α固溶体, 冷至 固溶度曲线MN以下温度时， β相又将逐渐析出，这一 过程称为平衡脱溶沉淀。 其特点是新相的成分 和结构始终与母相的不同； 随着新相的析出，母相的成 分和体积分数将不断变化， 但母相不会消失。 例如：钢在冷却时，二 次渗碳体的析出，即属这种 相变。
一级相变
具有体积和熵的突变； 熵的突变表明在一级相变过程中， 有相变潜热的吸收或释放，从而可 以应用热膨胀仪来测量一级相变的 开始点。 体积的突变说明在相变过程中要发 生体积变化。 材料凝固、熔化、升华、同素异构 转变均属一级相变。 几乎所有伴随晶体结构变化的固态 相变都为一级相变。
S， 0
V 0
非平衡脱溶转变 ： 自t1快冷，在冷却过 程中β来不及析出； 故将得到过饱和固溶 体； 在室温或在低于固溶 度曲线MN的某一温度 下等温时将自α析出 成分与结构均与平衡 沉淀相不同的新相， 称为不平衡脱溶沉淀。
3、按原子的迁移情况分类
扩散型相变
定义：相变过程受控于原子（或离子）的扩散。 特点：（1）相变的速度取决于原子的扩散速度； （2）新相和母相成分不同； （3）体积变化，但宏观形状不变 无扩散型相变 定义：相变过程不存在原子（或离子）的扩散，原子（或 离子）仅做有有规则的迁移使点阵发生改组。 特点：（1）宏观形状变化，试样表面会出现浮凸； （2）新相与母相化学成分相同； （3）新相与母相之间存在一定晶体学位向关系。
2
2 1 P 2 T 2 2 P 2 T
2 1 TP 2 2 T P
多形性转变 固溶体由一种晶体结构转变为另一种 结构的过程称为多形性转变。
平衡脱溶转变
单一的α固溶体, 冷至 固溶度曲线MN以下温度时， β相又将逐渐析出，这一 过程称为平衡脱溶沉淀。 其特点是新相的成分 和结构始终与母相的不同； 随着新相的析出，母相的成 分和体积分数将不断变化， 但母相不会消失。 例如：钢在冷却时，二 次渗碳体的析出，即属这种 相变。
一级相变
具有体积和熵的突变； 熵的突变表明在一级相变过程中， 有相变潜热的吸收或释放，从而可 以应用热膨胀仪来测量一级相变的 开始点。 体积的突变说明在相变过程中要发 生体积变化。 材料凝固、熔化、升华、同素异构 转变均属一级相变。 几乎所有伴随晶体结构变化的固态 相变都为一级相变。
S， 0
V 0
非平衡脱溶转变 ： 自t1快冷，在冷却过 程中β来不及析出； 故将得到过饱和固溶 体； 在室温或在低于固溶 度曲线MN的某一温度 下等温时将自α析出 成分与结构均与平衡 沉淀相不同的新相， 称为不平衡脱溶沉淀。
3、按原子的迁移情况分类
扩散型相变
定义：相变过程受控于原子（或离子）的扩散。 特点：（1）相变的速度取决于原子的扩散速度； （2）新相和母相成分不同； （3）体积变化，但宏观形状不变 无扩散型相变 定义：相变过程不存在原子（或离子）的扩散，原子（或 离子）仅做有有规则的迁移使点阵发生改组。 特点：（1）宏观形状变化，试样表面会出现浮凸； （2）新相与母相化学成分相同； （3）新相与母相之间存在一定晶体学位向关系。
金属固态相变原理
金属固态相变原理
金属固态相变原理是指金属在一定条件下从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的现象。
金属固态相变是金属材料性质变化的根本原因，对于金属材料的微结构和力学性能具有重要影响。
金属固态相变通常发生在固态下的高温和高压条件下。
当金属的温度或压力发生变化，原子间的相互作用力也会发生变化，从而引起晶体结构的转变。
金属固态相变的过程中，原子重新排列形成新的晶体结构，相应地，金属材料的物理性质和力学性能也会发生改变。
金属固态相变的原理是基于金属的晶体结构和原子间的排列方式。
金属材料的晶体结构可以分为多种不同的形态，包括体心立方结构、面心立方结构、六方最密堆积结构等。
不同的晶体结构具有不同的密堆积方式和原子排列方式，决定了金属材料的力学性能和物理性质。
金属固态相变的原理还涉及到金属的晶格畸变和原子扩散。
晶格畸变是指金属晶体结构在相变过程中的形变和畸变现象，它可以影响金属材料的晶体结构稳定性和力学性能。
原子扩散是指金属内部原子的迁移和重新排列的过程，是金属固态相变发生的基础。
总之，金属固态相变原理是基于金属材料的晶体结构和原子间的相互作用力，通过改变材料的温度、压力和其他外界条件，使金属发生晶体结构的转变，进而影响金属材料的物理性质和
力学性能。
这一原理对于金属材料的研究和应用具有重要的意义。
第二章 金属材料的凝固与固态相变
1.合金的使用性能与相图的关系 溶质的溶入量越多，晶格畸变越大，则 合金的强度、硬度越高，电阻越大。
两相组织合金的力学和物理性能与成分 呈直线关系变化。
2 .合金的工艺性能与相图的关系 铸造性能：纯组元和共晶成分的合金的流动 性最好，缩孔集中，铸造性能好。 锻造性能：单相合金的锻造性能好。单相组 织时变形抗力小，变形均匀，因而变形能力 大。双相组织的合金变形能力差些，特别是 组织中存在有较多的化合物相时。
固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却较快，原子扩散不能充 分进行，则形成成分不均匀的固溶体。
2 .共晶相图
(1)相图分析 在共晶合金相图中，acb为液相线，adceb为固相线，合金系有 三种相，相图中有三个单相区（L、α 、β ）；三个两相区（L+α 、 L+β 、α +β ）；一条三相(L+α +β )共存线（水平线dce）。 dce为共晶线（ c点为共晶点）。 Lc → α d+ β
2.2.3 铸锭(件)的凝固
把金属熔化注入铸模，冷却后获得一定形状的铸件的工艺叫做 铸造。 1.铸锭（件）结晶组织 最典型的铸造结构，整 个铸锭明显地分为三个各具 特征的晶区。 ⑴细等轴晶区 在铸锭的 表层形成的一层厚度不大、 晶粒很细的区域。
⑵柱状晶区
⑶粗等轴晶区
2.3 铁碳合金 2.3.1 Fe-Fe3C相图
2.3.2 铁碳合金在平衡状态下的相变
根据Fe—Fe3C相图，铁碳合金可分为三类： 1)工业纯铁[wc ≤0.0218%] 2)钢[0.0218%< wc ≤2.11%
3)白口铸铁[2.11%< wc <6.69%]
工业纯铁的室温平衡组织为铁素体（F），呈白色状。由于其强 度低、硬度低、不宜用作结构材料。
两相组织合金的力学和物理性能与成分 呈直线关系变化。
2 .合金的工艺性能与相图的关系 铸造性能：纯组元和共晶成分的合金的流动 性最好，缩孔集中，铸造性能好。 锻造性能：单相合金的锻造性能好。单相组 织时变形抗力小，变形均匀，因而变形能力 大。双相组织的合金变形能力差些，特别是 组织中存在有较多的化合物相时。
固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却较快，原子扩散不能充 分进行，则形成成分不均匀的固溶体。
2 .共晶相图
(1)相图分析 在共晶合金相图中，acb为液相线，adceb为固相线，合金系有 三种相，相图中有三个单相区（L、α 、β ）；三个两相区（L+α 、 L+β 、α +β ）；一条三相(L+α +β )共存线（水平线dce）。 dce为共晶线（ c点为共晶点）。 Lc → α d+ β
2.2.3 铸锭(件)的凝固
把金属熔化注入铸模，冷却后获得一定形状的铸件的工艺叫做 铸造。 1.铸锭（件）结晶组织 最典型的铸造结构，整 个铸锭明显地分为三个各具 特征的晶区。 ⑴细等轴晶区 在铸锭的 表层形成的一层厚度不大、 晶粒很细的区域。
⑵柱状晶区
⑶粗等轴晶区
2.3 铁碳合金 2.3.1 Fe-Fe3C相图
2.3.2 铁碳合金在平衡状态下的相变
根据Fe—Fe3C相图，铁碳合金可分为三类： 1)工业纯铁[wc ≤0.0218%] 2)钢[0.0218%< wc ≤2.11%
3)白口铸铁[2.11%< wc <6.69%]
工业纯铁的室温平衡组织为铁素体（F），呈白色状。由于其强 度低、硬度低、不宜用作结构材料。
固态相变知识点整理 辽宁科技大学
第1章：奥氏体的形成1.金属固态相变的基础⑴热力学原理（自由能下降）：固体中有元素扩散、自由能最低原则、降低自由能的过程⑵动力学原理（时间和温度）：成份起伏，结构起伏，能量起伏→相变过程（形核、长大）发生相转变2.奥氏体的形成⑴热处理：通过加热、保温和冷却的方法，改变金属及合金的组织结构，使其获得所需要的性能的热加工工艺。
⑵奥氏体化：钢加热获得奥氏体的过程。
⑶奥氏体形成的热力学条件系统总的自由能变化ΔG：ΔG=-ΔG V+ΔG S+ΔGεΔGV——奥氏体与旧相体积自由能之差；ΔGS ——形成奥氏体时所增加的表面能；ΔGε——形成奥氏体时所增加的应变能ΔG<0，形成奥氏体。
⑷实际加热时临界点的变化加热：偏向高温，存在过热度；A C1，A C3，A CCm冷却：偏向低温，存在过冷度。
A r1，A r3，A rCm3.奥氏体的组织、结构⑴奥氏体的组织通常由多边形的等轴晶粒所组成，有时可观察到孪晶。
⑵奥氏体的结构①具有面心立方结构。
（奥氏体是C溶于γ-Fe中的固溶体。
合金钢中的奥氏体是C及合金元素溶于γ-Fe中的固溶体。
）②C是处于γ-Fe八面体的中心空隙处，即面心立方晶胞的中心或棱边的中点；③最大空隙的半径为0.052nm，与C原子半径（0.077 nm）比较接近。
C原子的存在，使奥氏体点阵常数增大④实际上奥氏体最大碳含量是2.11%（重量）4.奥氏体的性能⑴顺磁性。
用于相变点和残余奥氏体含量的测定等。
⑵比容最小。
也常利用这一性质借膨胀仪来测定奥氏体的转变情况。
⑶线膨胀系数最大。
利用奥氏体钢膨胀系数大的特性来做仪表元件。
⑷奥氏体的导热性能最差（除渗碳体外）。
奥氏体钢要慢速加热。
⑸奥氏体的塑性高，屈服强度低。
5.奥氏体的形成机制⑴奥氏体的形核①在铁素体与渗碳体的界面处依靠系统内的成分起伏、结构起伏和能量起伏形成。
②奥氏体形核于相界面处的原因：Ⅰ界面处碳浓度差大，有利于获得奥氏体晶核形成所需的碳浓度。
金属固态相变基础
通过控制有色金属的成分、热处理条件和冷变形程度，可以控制其相变过程，从而获得所需的机械性能和物理性 能。
THANK YOU
相变过程的能量转换与热效应
能量转换
固态相变过程中会发生能量的转换，包括化学能、机械 能、电磁能和热能的转换。这些能量转换对于理解固态 相变机制和开发新的相变材料具有重要意义。
热效应
固态相变通常伴随着明显的热效应，包括吸热和放热。 这些热效应可以用来进行材料加工和制造，也可以用来 开发新的热管理技术和材料。
熵
表示系统无序度的量，系统有序度越高，熵值越小。
固态相变的热力学条件
相变驱动力
固态相变需要满足热力学上的稳定性条件， 即新相的自由能必须低于旧相的自由能。
温度和压力的影响
固态相变通常需要在一定的温度和压力条件 下发生，这些因素会影响相变的驱动力和相
界面的稳定性。
热力学相图
01
02
03
定义
描述不同温度、压力条件 下，物质不同相之间稳定 存在的区域和界限的图。
3
晶体缺陷
晶体缺陷是影响固态相变的另一个重要因素。点 缺陷、线缺陷和面缺陷等不同类型的晶体缺陷可 以促进或阻碍相变过程。
02
金属固态相变的晶体学基础
晶体结构与对称性
晶体结构
金属的晶体结构取决于其原子间的键合 方式，常见的有面心立方、体心立方和 密排六方结构。
VS
对称性
金属晶体的对称性对其物理和化学性质有 重要影响，如电子能带结构、光学和电学 性质等。
钢铁中的相变涉及多种固态相变过程，如马氏体相变 、贝氏体相变等。这些相变过程对钢铁的性能具有重 要影响。
钢铁相变的控制
通过控制钢铁的成分、冷却速度和热处理条件，可以 控制其相变过程，从而获得所需的机械性能和物理性 能。
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相变过程的能量转换与热效应
能量转换
固态相变过程中会发生能量的转换，包括化学能、机械 能、电磁能和热能的转换。这些能量转换对于理解固态 相变机制和开发新的相变材料具有重要意义。
热效应
固态相变通常伴随着明显的热效应，包括吸热和放热。 这些热效应可以用来进行材料加工和制造，也可以用来 开发新的热管理技术和材料。
熵
表示系统无序度的量，系统有序度越高，熵值越小。
固态相变的热力学条件
相变驱动力
固态相变需要满足热力学上的稳定性条件， 即新相的自由能必须低于旧相的自由能。
温度和压力的影响
固态相变通常需要在一定的温度和压力条件 下发生，这些因素会影响相变的驱动力和相
界面的稳定性。
热力学相图
01
02
03
定义
描述不同温度、压力条件 下，物质不同相之间稳定 存在的区域和界限的图。
3
晶体缺陷
晶体缺陷是影响固态相变的另一个重要因素。点 缺陷、线缺陷和面缺陷等不同类型的晶体缺陷可 以促进或阻碍相变过程。
02
金属固态相变的晶体学基础
晶体结构与对称性
晶体结构
金属的晶体结构取决于其原子间的键合 方式，常见的有面心立方、体心立方和 密排六方结构。
VS
对称性
金属晶体的对称性对其物理和化学性质有 重要影响，如电子能带结构、光学和电学 性质等。
钢铁中的相变涉及多种固态相变过程，如马氏体相变 、贝氏体相变等。这些相变过程对钢铁的性能具有重 要影响。
钢铁相变的控制
通过控制钢铁的成分、冷却速度和热处理条件，可以 控制其相变过程，从而获得所需的机械性能和物理性 能。
工程材料及成型技术基础第2章 金属材料的凝固与固态相变
41
通常有利于柱状晶区发展的因素有： 快的冷却速度、高的浇注温度、 定向的散热等。 而有利于等轴晶区发展的因素有： 慢的冷却速度、低的浇注温度、 均匀散热、变质处理以及一些物 理方法（如机械或电磁的搅拌、 超声波振动等）。
42
第二节、合金的晶体结构
概述 • 纯金属虽然具有良好的导热性导电 性和很好的塑性，但强度低，如纯 铁屈服强度仅有100-170MPa，纯铝 也仅有45-50MPa，远远不能满足大 多数工程需要，必须要通过合金化 （金属中加入别的金属元素或/和非 金属元素）来提高其机械性能.
25
三）细化晶粒的途径
人们通常希望金属材料晶粒细 小均匀，因为晶粒越小，材料的强 度越高，塑性和韧性越好。 晶粒的
大小称为晶粒度，通常用晶粒的平均面 积或平均直径来表示。晶粒的大小取决 于形核率和长大速率的相对大小 ，即 N/G 比值越大，晶粒越细小。可见，凡 是能促进形核、抑制长大的因素，都能 细化晶粒。
47
二元合金相图 合金在成分、温度变化时，其 状态可能发生变化。合金相图就 是用图解的方法表示不同成分、 温度下合金中相的平衡关系。由 于相图是在极其缓慢的冷却条件 下测定的,又称为平衡相图。
48
根据相图可以了解不同成分合金 在温度变化时的相变及组织形成 规律。二元相图都是由一种或几 种基本类型的相图组成的。基本 类型的二元相图有：匀晶、共晶 和包晶相图。
第二章 金属材料的凝固与固态相变
第一节 纯金属的结晶
• • • • 凝固与结晶的概念 结晶的现象与规律 同素异晶(构)转变 金属的铸锭组织
1
一、 凝固与结晶的概念
1.凝固
物质由液态转变成固态的过程。 2.结晶 晶体物质由液态转变成固态的过程。
第二讲 金属固态相变概论及热力学
二、金属固态相变主要特点
界面能：界面处的原子结合键与两相内部原子键合的 差别所导致的能量升高。（由界面上原子排列不规则产生
点阵畸变，引起能量升高，这部分能量称为界面能）
界面上原子排列不规则将导致两相界面能升高。 两相界面有吸附溶质原子的作用。
溶质原子趋向于在界面处偏聚，使总的能量降低。
弹性应变能：新旧相比容不同、相界面原子排列差异 而产生的应力、应变所引起的能量。(与新旧相的比容差、
分析图： a.产生相变的条件？ b.影响驱动力的因素？ c.相变进行的方向？ ΔG
相变=
G新 – G旧〈0
过冷度、过热度 相变总是朝着自由能 降低的方向进行
1.2、金属固态相变的阻力
相变阻力：界面能和弹性应变能。
相变势垒：相变时晶格改组所必须克服的原子间引力。
势垒高低用激活能衡量
激活能Q：使晶体原子离
形核驱动力：新旧两相的自由能之差 形核阻力：界面能和弹性应变能 系统自由能的总变化：
2.1. 均匀形核：
ΔG = –V· Δ G V + S + V
形核条件： 在一定的过冷、过热下，ΔG Nhomakorabea0
临界晶核半径：
临界晶核的形核功： 临界晶核半径和形核功：与表面能和弹性应变 能成正比。 临界晶核半径和形核功：随过冷度增大而减小
（2）半共格界面
当错配度在0.05—0.25时，在界面上将产生一些
刃型位错，两相原子变成部分共格。
半共格界面：界面能较大，弹性应变能较小；
（3）非共格界面 当错配度大于0.25时，两相原子之间的匹 配关系便不再维持，变成非共格界面。 非格界面：界面能大，弹性应变能小。
结论：
界面能：界面处的原子结合键与两相内部原子键合的 差别所导致的能量升高。（由界面上原子排列不规则产生
点阵畸变，引起能量升高，这部分能量称为界面能）
界面上原子排列不规则将导致两相界面能升高。 两相界面有吸附溶质原子的作用。
溶质原子趋向于在界面处偏聚，使总的能量降低。
弹性应变能：新旧相比容不同、相界面原子排列差异 而产生的应力、应变所引起的能量。(与新旧相的比容差、
分析图： a.产生相变的条件？ b.影响驱动力的因素？ c.相变进行的方向？ ΔG
相变=
G新 – G旧〈0
过冷度、过热度 相变总是朝着自由能 降低的方向进行
1.2、金属固态相变的阻力
相变阻力：界面能和弹性应变能。
相变势垒：相变时晶格改组所必须克服的原子间引力。
势垒高低用激活能衡量
激活能Q：使晶体原子离
形核驱动力：新旧两相的自由能之差 形核阻力：界面能和弹性应变能 系统自由能的总变化：
2.1. 均匀形核：
ΔG = –V· Δ G V + S + V
形核条件： 在一定的过冷、过热下，ΔG Nhomakorabea0
临界晶核半径：
临界晶核的形核功： 临界晶核半径和形核功：与表面能和弹性应变 能成正比。 临界晶核半径和形核功：随过冷度增大而减小
（2）半共格界面
当错配度在0.05—0.25时，在界面上将产生一些
刃型位错，两相原子变成部分共格。
半共格界面：界面能较大，弹性应变能较小；
（3）非共格界面 当错配度大于0.25时，两相原子之间的匹 配关系便不再维持，变成非共格界面。 非格界面：界面能大，弹性应变能小。
结论：
金属固态相变基础课件
THANKS
感谢观看
在工程领域中的应用
机械制造
金属固态相变在机械制造中发挥 着重要作用，如模具制造、切削
工具、耐磨件等。
航空航天
在航空航天领域，金属固态相变 对于提高飞行器的轻量化、强度
和耐高温性能具有重要意义。
建筑和土木工程
在建筑和土木工程领域，利用金 属固态相变原理制备的钢筋和高 强度钢可以提高结构的强度和耐
久性。
相变过程中的晶体缺陷
晶体缺陷可以作为相变过程中的形核 位置，影响新相的形核和长大过程。
晶体学对称性与相变关系
对称性破缺
在金属固态相变过程中，晶体对称性可能会发生破缺，导致新相的形成。
对称性破缺与物理性质变化
对称性破缺会导致金属的物理性质发生变化，如磁性、电导率等。
PART 04
金属固态相变的动力学基 础
金属固态相变的热力学基 础
热力学基本概念
01
02
03
热力学第一定律
能量守恒定律，表示系统 能量的变化等于系统与环 境之间交换的热量与功的 和。
热力学第二定律
熵增加原理，表示自发过 程总是向着熵增加的方向 进行，即系统总是向着更 加混乱无序的状态发展。
状态函数
描述系统状态的物理量， 其值只取决于系统的状态， 而与达到该状态所经历的 过程无关。
在扩散型相变中，原子通过热激活或 应力驱动，从一个位置移动到另一个 位置，从而在固态中形成新的相。
无扩散型相变
无扩散型相变是指原子不通过 扩散迁移到新相中的过程。
在无扩散型相变中，原子通过 快速重新排列或重组来形成新 的相，而不需要原子进行长距 离的迁移。
无扩散型相变通常在较低的温 度下发生，并且可以在短时间 内完成，因为原子不需要克服 势垒进行迁移。
金属固态相变原理(徐洲,赵连城主编)PPT模板
第四章马氏体相变
4.4马氏体相变动力学
a
4.4.1降温 瞬时形核、 瞬时长大
b
4.4.2等温 形核、瞬
时长大
c
4.4.3自触 发形核、 瞬时长大
d
4.4.4表面 马氏体相
变
第四章马氏 体相变
4.5钢中马氏体的晶体结 构
a
4.5.1马氏体点阵常 数和碳含量的关系
4.5.2马氏体的点 阵结构及其畸变
5.1贝氏体相变的基本特征和组织 形态
1
5.1.1贝氏体相变的基本特征
2
5.1.2钢中贝氏体的组织形态
第五章贝氏体相变
5.2贝氏体相变机制
01
5.2.1恩金 贝氏体相变
假说
02
5.2.2柯俊 贝氏体相变
假说
03
5.2.3贝氏 体的形成过
程
第五章贝氏体相变
5.3贝氏体相变动力学及其影响因素
0 1 5.3.1贝氏体等温相变动力学 0 2 5.3.2贝氏体相变时碳的扩散 0 3 5.3.3影响贝氏体相变动力学的因素
1.3.1金属固态相变的速率 1.3.2钢中过冷奥氏体转变动 力学
one
02
第二章钢中奥氏体的形成
第二章钢 中奥氏体 的形成
2.1奥氏体的组织特征 2.2奥氏体的形成机制 2.3奥氏体形成动力学 2.4奥氏体晶粒长大及其控制
第二章钢中奥氏体的形成
2.1奥氏体的组织特征
2.1.1奥氏体形成的 温度范围
2.1.2奥氏体的组织 和结构
2.1.3奥氏体的性能
第二章钢中奥氏体的形成
2.2奥氏体的形成机制
2.2.1奥氏 体形核
1
2.2.2奥氏 体晶核长大
第2章 金属材料的凝固与固态相变
• • •
•
•
• 2.1 纯金属的结晶 2.1.1 凝固的基本概念 1.晶体的结晶 金属自液态（晶态或非晶态）经冷却转 变为固态晶体的过程称为金属的结晶过程。 金属由液态转变为固态的结晶过程，实质 上就是原子由不稳定的近程有序状态过渡为稳 定的长程有序状态的过程。 金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一 次结晶，而金属从一种固态过渡为另一种固体 的转变称为二次结晶。
1. 过冷度影响 一定体积的液态金属中,若成核速率N越大, 则结晶后的晶粒越多, 晶粒就越细小; 晶体长大速度G越快, 则晶粒越粗。 核速率N: 个/m3· s 单位时间单位体积形成的晶核数,
晶体长大速度G：单位时间晶体长大的长度, m/s
随着过冷度的增加, 成核速 率和长大速度均会增大。但当过 冷度超过一定值后，成核速率和 长大速度都会下降。这是由于液 体金属结晶时成核和长大，均需 原子扩散才能进行。当温度太低 时，原子扩散能力减弱，因而成 核速率和长大速度都降低。 对于液体金属，一般不会得 到如此大的过冷度，通常处于曲 线的左边上升部分。所以, 随着 过冷度的增大，成核速率和长大 速度都增大，但前者的增大更快， 因而比值N/G也增大, 结果使晶 粒细化。
晶体长大速度G：单位时间晶体长大的长度, m/s
随着过冷度的增加, 成核速率和长大速度 均会增大。但当过冷 度超过一定值后，成 核速率和长大速度都 会下降。这是由于液 体金属结晶时成核和 长大，均需原子扩散 才能进行。当温度太 低时，原子扩散能力 减弱，因而成核速率 和长大速度都降低。
2. 变质处理 变质处理就是在液体金属中加入孕育剂或变 质剂，以细化晶粒和改善组织。变质剂的作用 在于增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大。例 如，在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中加入 钛、钒、铝，铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡 合金，都可使晶粒细化。
金属固态相变
金属固态相变一、概论1.基本概念相：金属或合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。
固态相变：固态金属或合金中固态相之间的转变。
2.分类：（1）转变条件：平衡转变：同素异构转变、多形性转变、共析转变、包析转变、平衡脱溶沉淀、调幅分解、有序化转变。
非平衡转变：伪共析转变、马氏体转变、贝氏体转变、不平衡脱溶沉淀、块状转变。
（2）原子迁移特征：扩散型相变、无扩散型相变。
（3）热力学：一级相变、二级相变。
（4）相变方式：形核-长大型相变、无核相变。
3.特点（1）根据新相和母相原子在相界面上的晶体学匹配程度，形成具有晶体学特征的相界面。
基本条件：两相晶体结构相同，点阵常数相等或者两相晶体结构和点阵常数有差异，但在某一组特定的晶体学平面可使两相原子之间产生完全匹配。
共格晶面：界面上原子所占位置恰好是两相点阵的共有结点位置，两相在界面上的原子可以一对一地相互匹配。
δ<0.05。
第一类共格（正应变），第二类共格（切应变）。
界面能最小，应变能最大。
半共格晶面：在界面上两相原子部分保持匹配。
0.05<δ<0.25。
非共格晶面：两相界面处的原子排列差异很大，即错配度大，其原子连半共格关系也不能维持。
δ>0.25。
界面能最大，应变能最小。
错配度：两相界面上原子间距的相对差值。
δ=Δa/a（2）弹性应变能和界面能一起成为相变阻力。
弹性应变能：①共格应变能：固态相变时新相与母相界面上的原子由于要强制地实行匹配，以建立共格或半共格联系，在界面附近区域将产生应变能。
（共格最大，半共格次之，非共格为0。
）。
②比体积差应变能：由于新相和母相的比体积不同，新相形成时的体积变化将受到周围母相的约束而产生的弹性应变能。
（圆盘状最小，针状次之，球状最大。
）。
界面能：①界面上原子排列的不规则性造成能量的增加。
②新旧两相化学成分的改变引起的化学能改变。
（3）原子的迁移率低。
10-12-10-11cm·s-1。
第02章-金属材料的凝固与固态相变
2.2 合金的凝固
杠杆定律 • 在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的 端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。 例：求30%Ni合金在1280时相的相对量 T,C L 1455 c 1500 1400 a1 b1 c1 1280 C 1300 L+ 1200 1100 a 1083 1000 Cu
金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，称为二 次结晶或重结晶。 同素异构转变属于相变之一—固态相变。 1、铁的同素异构转变 铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，变化为：
2.1 纯金属的结晶
同素异构转变
纯铁的同素异构转变
质量一定的纯铁，发 生α-Fe→γ-Fe时，其体积 如何变化？ 体积缩小。因为质量 一定，原子个数一定， 而γ -Fe的排列比α -Fe 紧密，占空间小，所以 体积减小。
0.53 0.45 Q 100% 61.5% 0.58 0.45 0.58 0.53 QL 100% 38.5% 0.58 0.45
2.2 合金的凝固
二元匀晶相图 • 两组元在液态和固态均能无限互溶所构成的相图称之为二元 匀晶相图。 • 合金系有Cu-Ni，Cu-Au，Au-Ag，Fe-Ni，W-Mo等
细化铸态金属晶粒的措施 晶粒越小, 则金属的强度、塑性和韧性越好。工程上使晶粒细 化, 是提高金属机械性能的重要途径之一。这种方法称为细 晶强化。 ⑴ 增大过冷度： 随过冷 度增加，N/G值增加，晶粒
变细。
⑵ 变质处理： 又称孕育 处理。即有意向液态金属内 加入非均匀形核物质从而细 化晶粒的方法。所加入的非
固溶体的成分又变回到 合金成分3上来。
液固相线不仅是
相区分界线, 也是结
02第二章__金属固态相变基础(1)
枝晶偏析示意图
固溶体结晶时成分是变化的，冷却时由于原子的扩散 充分进行，形成的是成分均匀的固溶体。如果冷却较 快，原子扩散不能充分进行，则形成成分不均匀的固 溶体。先结晶的树枝晶轴含高熔点组元（Ni）较多， 后结晶的树枝晶枝干含低熔点组元（Cu）较多。结果 造成在一个晶粒之内化学成分的分布不均,这种现象称 为枝晶偏析.
(2)不平衡转变
不平衡转变：固态金属在快速加热和冷却时， 由于平衡相变受到抑制，可能发生某些不平衡 转变而得到在相图上不能反应的不平衡组织。
不平衡转变
Ⅰ
伪共析相变 马氏体相变 贝氏体相变 不平衡脱溶转变(时效)
L T A >> ’ >> + + B
2. 按原子迁移情况分类 （1）扩散型相变 温度足够高、原子活动能力足够强、时间足够长情 况下发生的相变。 特点： 相变过程有原子扩散，相变速率受原子扩散速度控制； 新、旧相成分不同；
把OP的另一结点P的坐标经等比例化简后按X、Y、Z坐标轴 的顺序写在方括号[ ]内，则[uvw]即为OP的晶向指数。
晶面：晶体点阵在任何方向上分解为相互平行的 结点平面称为晶面，即结晶多面体上的平面。 晶面指数：结晶学中经常用（hkl）来表示一组平 行晶面，称为晶面指数。数字hkl是晶面在三个坐 标轴（晶轴）上截距的倒数的互质整数比。
3.按相变方式分类 (1)有核相变 形核----长大方式进行相变。 (2)无核相变
条件：可以以成分起伏或能量起伏为开始，直 接长大形成新相过程。
如：调幅分解以成分起伏为开始，进行上坡扩 散，形成两个成分不同的新相； 马氏体相变以能量起伏为开始，靠共格切变直接长 大形成新相过程。
金属固态相变原理
金属固态相变原理金属固态相变是指金属在温度、压力等条件下发生晶体结构和性质的变化。
金属固态相变原理是金属材料学中的重要内容，对于理解金属材料的性能和应用具有重要意义。
首先，我们来看一下金属固态相变的分类。
金属固态相变可以分为两类，一类是在固态下发生的晶体结构的变化，另一类是在固态下发生的晶体结构和相的变化。
晶体结构的变化包括晶格参数、晶胞体积和晶体形态的变化，而晶体结构和相的变化则包括晶体结构和晶体相的变化。
其次，金属固态相变的原理在于金属原子在不同温度、压力等条件下的排列方式发生变化。
金属原子在晶体中的排列方式决定了金属的性能和行为。
当金属原子的排列方式发生变化时，金属的性能和行为也会发生相应的变化。
因此，了解金属固态相变的原理对于控制金属材料的性能具有重要意义。
金属固态相变的原理还涉及到热力学和动力学的知识。
热力学是研究热平衡状态和热平衡过程的科学，而动力学是研究物体运动规律的科学。
金属固态相变的原理可以通过热力学和动力学的知识来解释和理解。
热力学可以揭示金属固态相变的原因和条件，而动力学可以揭示金属固态相变的过程和速率。
金属固态相变的原理对于金属材料的加工、热处理和应用具有重要意义。
通过控制金属固态相变的条件和过程，可以改变金属材料的结构和性能，从而实现对金属材料的调控和优化。
金属固态相变的原理也为金属材料的设计和制备提供了重要的理论基础。
总之，金属固态相变原理是金属材料学中的重要内容，对于理解金属材料的性能和应用具有重要意义。
通过深入研究金属固态相变的原理，可以更好地掌握金属材料的性能调控和应用技术，从而推动金属材料领域的发展和进步。
(最新整理)02金属固态相变基础
㈡ 非平衡相变
伪共析转变 马氏体转变 贝氏体转变 非平衡脱溶转变
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10
⑴ 伪共析转变 非共析成分的奥氏体
被过冷到GS和ES的 延长线以下温度时
同时析出铁素体和渗碳体
转变过程和转变产物 类似于共析转变
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11
⑵ 马氏体相变
高温下的奥氏体
进一步提高 冷却速度
使伪共析相变 来不及进行
31
2 rc GV
WGmax
163 3(GV )2
由此可见，当表面能σ和弹性应变能ε增大时，临界 晶核半径rc增大，形核功W增大。
具有低界面能 和高弹性应变 能的共格新相 晶胚，倾向于 呈盘状或片状
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具有高界面能 和低弹性应变 能的非共格新 相晶胚，倾向
于呈等轴状
32
与液态金属结晶相似，金属固态相变均匀形核时的
均匀核形率核I的非形常核小率。一般非
常小，不太可能成为固态 相变形核的主要形式
固态中存在大量缺陷 → 储存畸变能 → 提供形核
能量 → 能促进形核
非均匀形核为固态相变的主要形核方式
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34
㈡ 非均匀形核
系统自由能变化
均匀形核： G V G Vs V
非均匀形核： G V G V S V G d
金属固态相变
新旧两相的自由能差
新旧两相的自由能差
界面能
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形核的阻力
界面能 ＋
应变能 29
按照经典形核理论，金属固态相变均匀形核时系统 自由能的总变化ΔG为：
G V G Vs V
式中：V —— 新相体积； ΔGV—— 新旧相的单位体积自由能差；
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二、金属固态相变主要特点
5.易产生过渡相（降低形核功） 在有些情况下，固态相变不能直接形成自由能最低 的稳定相，而是经过一系列的中间阶段，先形成一系 列自由能较低的过渡相（又称 中间亚稳相），然后在 中间亚稳相 条件允许时才形成自由能最低的稳定相．相变过程可 以写成： 母相 ―→ 较不稳定过渡相 ―→ 较稳定过渡相 应特别指出：温度越低时，固态相变的上述特点 越显著。 过渡相的出现有利于减小固态相变的阻力。 如：铁碳合金中γ分解时 γ→M → α＋Fe3C Fe3C→Fe＋C M，Fe3C为过渡相
调幅分解
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一、相变分类
小结：相变的实质，是相结构、成分或有序化程度发生变化， 相变可以兼有上述相变类型的一种或几种。 如：马氏体相变 是非扩散相变、非平衡相变、有核相变； （新旧相成分相同、结构不相同） 珠光体相变 是扩散相变、 平衡相变、有核相变； （新旧相成分不相同、结构不相同） 思考：同素异构转变，脱溶转变（平衡、非平衡）， 伪共析相变，贝氏体相变，奥氏体转变，调幅分解等 各属于什么相变类型？
r*
令
( G ) r
=0
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2.3 金属固态相变的形核
一、均匀形核
形核自由能变化 G V Gv S V 4 4 假设晶核为球形 r 3 Gv 4r 2 r 3 令
第二章 金属固态相变基础
2.1 金属固态相变概述 2.2 金属固态相变热力学 2.3 金属固态相变的形核 2.4 金属固态相变的长大 2.5 金属固态相变动力学
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2.1 金属固态相变概述
相： 体系中具有相同成分、结构和性质的均匀部分 称为相，不同相之间有明显的界面分开。
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1. 相界面特殊（新相和母相间存在不同的界面） (3)非共格界面 新、旧相界面处原子排列差别很大,两原子之间匹 配关系不再维持,为非共格界面。
特点：界面能大，弹性畸变能小
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界面能：非共格>半共格>共格
弹性畸变能：非共格<半共格<共格
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本章首页 上要特点
（不同类型，具有不同界面能和应变能） 1. 相界面特殊 2. 新旧相之间存在一定位向关系与惯习面 新、旧相之间存在一定位向关系,并且新相往往 在旧相的一定晶面上开始形成,这个晶面称为惯习面.
相变： 随外界条件的变化(温度)，体系中新相取代 旧相的过程。 固态相变： 固态金属及合金在温度及压力改变时， 组织及结构发生的变化
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2.1 金属固态相变概述
一、相变分类
1.按热力学分类 (1)一级相变 对新、旧相α和β，有： μα=μβ Sα≠ Sβ Vα≠Vβ 说明一级相变有相变潜热和体积变化。 材料凝固、熔化、升华、同素异构转变均为一级相变。 固态相变大部分为一级相变。
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2.3 金属固态相变的形核
自由能差 一、均匀形核 界面能 应变能 形核自由能变化 G V Gv S V 4 4 假设晶核为球形 r 3 Gv 4r 2 r 3
3 3
• 对Δ G 与 r 之间的函数关系作图 得到新相晶胚形成时自由能的改 变量与晶核半径的关系曲线图 只有晶胚尺寸大于r*时，晶胚的长 大才会使系统自由能降低，这种晶 胚才可作为稳定的晶核而长大
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2.2金属固态相变热力学
一、相变驱动力
T0——理论转变温度 γ→α转变，只有在T ＜ T0 时才能够进行，即过冷。 ∵Gγ→α = Gα - Gγ ＜0
Gγ→α <0 Gγ→α >0
G
Gγ Gα
α
γ
T0 （问题， α → γ相变在何条件下方可进行？） 过热
新相的基本形状可分为：球、针、盘。 新相形状与应变能/界面能的关系如图。
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二、金属固态相变主要特点
4.原子迁移率低，多数相变受扩散控制 固态相变中，成分的改变必须通过组元的扩 散才能完成，此时扩散成为相变的控制因素，而固 态金属中原子的扩散系数，即使在熔点附近也仅为 液态的十万分之一，所以固态相变的转变速率很 慢，可以有很大的过冷度。随着温度降低，过冷度 增大，形核率增高，相变驱动力增大，但同时原子 扩散系数降低。这一对矛盾运动的结果，就有可能 使相变后得到的组织变细。
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+ B
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共析相变 如珠光体转变。由一个固相分解为两个固相的转变。
调幅分解 α
α1+ α2
高温合金单相固溶体在冷却到某一温度分解为两个结构 相同成分不同两相 有序化转变 无序 有序 原子在晶体中相对位置由无序到有序转变，使其电、 磁、物理、机械性能变化。 如：Cu-Zn,Cu-Au ,Mn-Ni ,Fe-Ni ,Ti-Ni合金等。
因此：无相变潜热和体积变化，而比热、压缩系数、膨胀系 数是变化的。如材料有序化转变、磁性转变、超导转变等。
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一、相变分类
2.按平衡状态图分类 (1)平衡相变
同素异构转变和多形性转变 纯金属 固溶体 平衡脱溶沉淀
Ⅰ L T A
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固态相变均匀形核率：
Q G * ) N C exp( ) exp( RT RT
•固态转变时的形核功比结晶时的大，固态扩散的激活能要比 液态的大几个数量级 •固态相变的形核率远比相似条件下金属结晶的形核率小得多
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二、金属固态相变主要特点
1.相界面特殊（新相和母相间存在不同的界面） (1)共格界面 新、旧相的晶体结构、点阵常数相同；或有差异但存 在一组特定晶体学平面可使两相原子之间产生完全匹配。
旧相 新相 特点：界面能小，弹性畸变能大
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一、相变分类
3. 按原子迁移情况分类 （1）扩散型相变 （2）非扩散型相变 相变过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子运 动是协调一致的。原子只作有规则的迁移以使晶体点阵 重组，原子迁移范围有限不超过一个原子间距。 如：淬火马氏体相变 特点： 存在均匀切变引起宏观变形； 相变无扩散，新、旧相化学成分相同； 新、旧相之间存在一定晶体学取向关系； 相变速度快。
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T℃
回
二、相变势垒
要使γ向 α转变能够进行 还必须越过△g的势垒 ——原子间的引力 G 因此相变条件： Gγ→α ＜0 克服△g的势垒 （能量起伏) 状态Ⅰ γ
Δg
Gγ→α
α
状态Ⅱ
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―→稳定相
二、金属固态相变主要特点
6.母相晶体缺陷的促进作用（提供驱动力） 晶态固体中的空位、位错、晶界等缺陷周 围因点阵畸变而储存一定的畸变能。新相极易 在这些位置非均匀形核。它们对晶核的长大过 程也有一定的影响。 通常，固态相变时，母相中晶体缺陷起促 进作用。新相优先在晶体缺陷处形核。
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一、相变分类
2.按平衡状态图分类 (1)平衡相变 (2)非平衡相变 加热或冷却速度快，使无限缓慢的平衡相变被抑制， 产生不平衡相变。 伪共析相变 马氏体相变 Ⅰ L 贝氏体相变 非平衡脱溶转变
T A
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2.3 金属固态相变的形核
二、非均匀形核
G V Gv S V Gd
缺陷提供的相变驱动力
① 晶界形核 ②位错形核 ③空位形核 固态相变中均匀形核几乎不可能，大多为非均匀形核。
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二、金属固态相变主要特点
（不同类型，具有不同界面能和应变能） 1. 相界面特殊 2.新旧相之间存在一定位向关系与惯习面 3. 相变阻力大（弹性应变能作用） 4.原子迁移率低，多数相变受扩散控制 5.易产生过渡相 （降低形核功）
6.母相晶体缺陷的促进作用 （提供驱动力）
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