金属及合金的固态转变
金属合金的相变与相
金属合金的相变与相金属合金是由两种或多种金属元素组成的固溶体，其性能优于纯金属，广泛应用于冶金、航空航天、汽车制造等领域。
金属合金在不同温度下会发生相变，这对于合金的性能和制备过程有着重要的影响。
一、金属合金的相态金属合金的相态是指在不同温度和压力条件下，合金所处的固态、液态或气态状态。
一般情况下，金属合金在常温下为固态，但随着温度的升高或降低，合金的相态会发生变化。
1. 固态相态金属合金的固态相态主要有α相、β相、γ相等。
其中α相为固溶体中的固态部分，β相为亚稳态固溶体，γ相为非稳态固溶体。
不同的相态具有不同的晶体结构和性质。
2. 液态相态当金属合金的温度升高到一定程度时，合金会从固态转变为液态。
在液态相态下，金属合金的原子或离子之间的结构变得无序，且具有较高的流动性。
3. 气态相态当金属合金的温度继续升高到一定程度时，合金会从液态转变为气态。
在气态相态下，金属合金的原子或离子之间的结构更加松散，具有较高的扩散性和易挥发性。
二、金属合金的相变金属合金的相变是指合金在温度或压力变化下，由一种相态转变为另一种相态的过程。
对于多组分合金来说，相变可能涉及到相分离、相溶度变化等多种现象。
1. 固态相变金属合金的固态相变主要包括固溶体的析出、相分离以及晶体结构的变化等。
例如在某一温度下，合金中的β相会分解为α相和γ相，这种相变可以通过热处理控制合金的组织和性能。
2. 液态相变金属合金的液态相变包括熔化和凝固两个过程。
当合金被加热到一定温度时，其中的固态相会通过熔化转变为液态相，而当合金被冷却到一定温度时，液态相会通过凝固转变为固态相。
3. 气态相变金属合金的气态相变主要发生在高温和高压条件下。
例如，在高温高压下，某些金属合金的氧化物可以还原为金属，并形成气态的金属化合物。
三、金属合金相变对性能的影响金属合金的相变过程会对合金的性能和制备过程产生重要影响。
1. 物理性能金属合金的相变会改变合金的熔点、硬度、导电性、热导率等物理性能。
简述金属的结晶过程
简述金属的结晶过程金属的结晶是指金属从液态到固态的过程，也是金属形成晶体的过程。
金属的结晶过程是一个复杂而精细的物理过程，涉及到许多因素，如温度、压力、合金成分等。
本文将从金属的熔化、凝固和晶体生长三个方面，简述金属的结晶过程。
一、金属的熔化金属的结晶过程首先是金属的熔化过程。
当金属受到加热时，金属内部的原子开始变得活跃起来，原子之间的距离逐渐增大，金属内部的结构逐渐变得无序。
当温度升高到金属的熔点时，金属开始从固态转变为液态。
在液态状态下，金属原子之间的结构无序，原子之间可以自由移动。
金属的熔化过程是金属结晶的第一步。
二、金属的凝固当金属从液态冷却到一定温度时，金属开始凝固。
凝固是指金属从液态到固态的过程。
在凝固过程中，金属原子重新排列，逐渐形成有序的晶体结构。
凝固的过程中，金属原子逐渐聚集在一起，形成晶体的晶粒。
晶粒是金属结晶的基本单位，每个晶粒内部的结构有序而紧密，不同晶粒之间的结构则不同。
晶粒的大小和形状取决于凝固过程中的温度变化、冷却速率和合金成分等因素。
三、晶体的生长金属的凝固过程会伴随着晶体的生长。
晶体的生长是指晶粒在凝固过程中逐渐增大和扩展的过程。
在凝固过程中，金属原子会不断地从熔融的金属中扩散到已经凝固的晶粒中，使晶粒逐渐增大。
晶体的生长速率取决于金属的冷却速率和金属原子的扩散速率。
如果冷却速率较快，金属原子的扩散速率较慢，晶体的生长速率就会减慢，晶粒就会变小。
反之，如果冷却速率较慢，金属原子的扩散速率较快，晶体的生长速率就会加快，晶粒就会变大。
晶体的生长过程中，晶粒之间会出现界面，界面上的结构也会随着晶体的生长而改变。
金属的结晶是一个复杂而精细的过程，涉及到金属的熔化、凝固和晶体生长三个方面。
金属的结晶过程是金属从液态到固态的过程，也是金属形成晶体的过程。
金属的结晶过程受到多种因素的影响，如温度、压力、合金成分等。
理解金属的结晶过程有助于我们深入了解金属的性质和应用，并为金属材料的制备和加工提供理论基础。
金属与合金中的固态相变
金属与合金中的固态相变金属与合金是人类社会中不可或缺的材料，它们广泛应用于各个领域，如建筑、交通、电子、医疗等。
在金属与合金的制备和应用过程中，固态相变是一个重要的现象。
本文将从金属与合金的角度出发，介绍固态相变的基本概念、分类和应用。
一、基本概念固态相变是指物质在固态下，由于温度、压力等条件的改变，发生晶体结构、晶格常数、原子排列等方面的变化。
固态相变可以分为两类：一类是一级相变，即物质在相变时伴随着热量的吸收或释放，如冰的融化和凝固；另一类是二级相变，即物质在相变时不伴随着热量的吸收或释放，如铁的铁磁相变。
二、金属中的固态相变金属是一类具有良好导电性、导热性和延展性的材料，其固态相变主要包括晶格常数的变化、晶体结构的变化和相变温度的变化。
晶格常数的变化是指金属在相变时晶格常数的改变。
例如，铁在加热至910℃时，其晶格常数由室温下的2.87Å增加至3.64Å，发生了由体心立方晶系向面心立方晶系的相变。
晶体结构的变化是指金属在相变时晶体结构的改变。
例如，铝在加热至660℃时，从面心立方晶系转变为体心立方晶系。
相变温度的变化是指金属在相变时相变温度的改变。
例如，铜在加热至1083℃时，发生由面心立方晶系向液态的相变。
三、合金中的固态相变合金是由两种或两种以上金属或非金属元素组成的材料，其固态相变主要包括共晶反应、共析反应和析出反应。
共晶反应是指两种或两种以上金属或非金属元素在一定比例下，同时熔化并形成共晶组织。
例如，铜和锡的共晶温度为227℃，共晶组织为铜锡共晶。
共析反应是指合金中的一种元素在一定温度下先于其他元素析出。
例如，铝和铜的共析温度为548℃，共析组织为铝铜共析。
析出反应是指合金中的一种元素在一定温度下从固溶体中析出。
例如，钢中的碳在加热至一定温度时，从固溶体中析出形成铁素体。
四、应用固态相变在金属与合金的制备和应用中具有重要的作用。
例如，通过控制金属的固态相变，可以改变其力学性能、磁性能、导电性能等，从而满足不同领域的需求。
第二章 金属材料的凝固与固态相变
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。
2.金属固态相变
（一） 共析钢过冷A的等温转变(zhuǎnbiàn)曲线(C曲线)
过冷奥氏体的等温转
变图是表示奥氏体急速 冷却到临界点A1 以下
在各不同温度下的保温
过程中转变(zhuǎnbiàn)量与 转变 时 (zhuǎnbiàn)
间的关系曲线.又称C 曲线、S 曲线或TTT曲 线。
(Time-Temperature-Transformation diagram)
在电镜下，亚结构主要是
孪晶，又称孪晶马氏体。
电镜下
光镜下 电镜下
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高硬度是马氏体性能的主要特点(tèdiǎn)。 马氏体的硬度主要取决于其含碳量。 含碳量增加，其硬度增加。
当含碳量大于0.6%时，其硬度(yìngdù)趋于平缓。 合金元素对马氏体硬度的影响不大。 马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。
分类方法很多，P174之表9-1（解析之） 1、扩散型相变：形核、长大---依靠原子长距
离扩散完成---即相界面的扩散、移动来完成： 扩散是控制因素。 相界面：非共格，无严格(yángé)的晶体学对应 关系
例：钢的共析相变
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2、半扩散(kuòsàn)相变：介于前二者之 间的过渡型相变。
的转变量获得的。
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1）共析钢的CCT曲线 共析钢的CCT曲线没
有贝氏体转变(zhuǎnbiàn)区， 在珠
光体转变区之下多了一 条转变中止线。
当连续冷却曲线碰到
转变中止线时，珠光体 转变中止，余下的奥氏
体一直保持到Ms以下转 变为马氏体。
Vk’ Vk 共析钢的CCT曲线
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例：钢的贝氏体转变：A--B(B=F+Fe3C)
金属与合金中的固态相变
金属与合金中的固态相变
固态相变是指物质在固态下发生的相变现象。
金属与合金中的固态相变是材料科学中的重要研究领域之一。
金属与合金的固态相变对于材料的性能、结构和应用具有重要的影响。
金属与合金中的固态相变主要包括晶格相变、磁相变和化学相变等。
晶格相变是指晶体结构的改变，包括晶格参数的变化和晶体对称性的改变。
磁相变是指磁性的改变，包括铁磁性、反铁磁性和顺磁性等。
化学相变是指化学成分的改变，包括固溶体相变、化合物相变和析出相变等。
金属与合金中的固态相变对于材料的性能和应用具有重要的影响。
例如，固溶体相变可以改变材料的硬度、强度和塑性等力学性能；化合物相变可以改变材料的热稳定性和耐腐蚀性等化学性能；磁相变可以改变材料的磁性和电性等电磁性能。
金属与合金中的固态相变是一个复杂的过程，涉及到多种因素的相互作用。
其中，温度、压力、成分和晶体结构等因素是影响固态相变的重要因素。
此外，固态相变的动力学过程也是一个重要的研究方向，包括相变的速率、相变的机制和相变的热力学性质等。
在金属与合金的制备和加工过程中，固态相变是一个重要的问题。
例如，通过固溶体相变可以改变材料的组织结构和性能，从而实现材料的优化设计和性能调控。
通过化合物相变可以制备出具有特殊
性能的材料，例如高温合金和超导材料等。
通过磁相变可以制备出具有磁性和电性等特殊性能的材料，例如磁性材料和磁存储材料等。
金属与合金中的固态相变是一个重要的研究领域，对于材料的性能、结构和应用具有重要的影响。
未来，随着材料科学的不断发展和进步，金属与合金中的固态相变将会得到更加深入的研究和应用。
固态相变基础1
固态金属（包括纯金属和合金）在加热和冷却过程中可能发生各种相的转变，称为固态相变。
材料科学研究中的固态相变主要是指温度改变而产生的相变。
固态相变包括以下三种基本变化：①晶体结构的变化②化学成分的变化③有序程度的变化。
按相变过程中原子的运动特点分类:1）扩散型相变；2）非扩散型相变。
扩散型相变特点转变，块状转变，多形性转变，调幅分解1. 脱溶分解脱溶：从过饱和固溶体中析出新相的过程称为脱溶或沉淀。
条件：凡是有固溶度变化的相图，从单相区进入两相区时都会发生脱溶。
固溶处理工艺＝淬火，不是淬火, 没有相变。
脱溶过程中由于析出了弥散分布的强化相，导致强度硬度显著升高的现象称沉淀强化（沉淀硬化），溶质原子的沉淀需要时间，随着时间的延长强化效果明显，又称为时效强化。
2）调幅分解：调幅分解（也称为增幅分解）是指过饱和固溶体在一定温度下分解成结构相同、成分不同两个相的过程。
特点：1）两个相之间没有明显的界面2）调幅分解没有形核，因此没有新的晶体结构出现3）调幅分解的成分变化通过上坡扩散来实现。
3)块状转变:新相与母相成分一样,但晶体结构不同.非扩散型相变：前后组元原子运动不超过一个原子间距的转变。
按平衡状态分类1)平衡相变2)非平衡相变三、按热力学分类1)一级相变 2)二级相变金属固态相变与液态金属结晶一样，金属固态相变与液-固相变一样，其相变驱动力来自新相与母相的自由能差，也通过形核和长大两个过程来完成。
但因相变前后均为固态，固有以下几个特点：（1）.界面与界面能固态相变时，母相和新相均为固相，故其界面与固/液界面不同。
通常固/固界面可以按结构特点分为共格界面、半共格界面和非共格界面三种，其中共格界面界面能最低，半共格界面次之，非共格界面最高。
（2）.惯习面和新、旧两相的位相关系惯习面的存在是为了减小两相的界面能，它的存在表面新相与母相存在一定晶体学位相关系。
（3）.弹性应变能固态相变的阻力由界面能和弹性应变能构成。
金属固态相变整理
一、名词解释1.平衡相变：是指在缓慢加热或冷却时所发生的能获得符合平衡状态图的平衡组织的相变。
2.扩散：相邻原子相对移动距离超过一个原子间距，相邻原子的相对位置发生改变。
3.均匀形核：晶核在母相中无择优地任意均匀分布4.非均匀形核：晶核在母相中某些区域择优地不均匀分布5.惯习面：新相往往在母相一定的晶面上开始形成，这个晶面为惯习面6.共格界面：界面上的原子所占据的位置恰好是两相点阵共有的位置时，两相在界面上的原子可以一对一的相互匹配。
7.球化退火：使片状渗碳体球状化，获得球状p的热处理工艺。
8.派敦处理：使高碳钢获得细珠光体（索氏体）组织，再经过深度冷拔而获得高强度钢丝。
9.魏氏组织：工业上将具有片（针）状铁素体或渗碳体加珠光体的组织（消除：细化晶粒的正火、退火以及锻造）10.伪共析转变：过冷奥氏体将全部转变为珠光体型组织，但合金的成分并非共析成分，并且其中铁素体和渗碳体的相对含量也与共析成分珠光体不同，随奥氏体的碳含量变化而变化。
11.切变共格界面：Ms的形成是以切变方式进行的，且Ms和r之间的界面上的原子是共有的。
这种界面。
12.冷处理：若Ms点在室温以上，Mf点在室温以下，则淬火到室温时将保留相当残余r。
若继续冷却至室温以下，则残余r转变为M。
13.相变诱发塑性：金属及合金在相变过程中塑性增加，往往在低于母相屈服强度时即可发生塑性变形。
14.二次淬火：回火加热、保温过程中不发生分解，冷却时残余奥氏体转变为马氏体的现象。
15.回火抗力（抗回火性）：合金元素这种阻碍α相中碳含量降低和碳化物颗粒长大而使钢件保持高硬度、高强度的性质。
16.二次硬化：当马氏体中含有足够量的碳化物形成元素时，在500℃以上回火时将会析出细小的特殊碳化物，导致因回火温度升高，θ-碳化物粗化而软化的钢再度硬化。
17.回火脆性：随回火温度升高，冲击韧性反而下降的现象。
18.脱溶（沉淀）：从过饱和固溶体中析出第二相（沉淀相）或形成溶质原子聚集区以及亚稳定过渡相的过程，是一种扩散型相变。
材料科学基础2-概念部分
固态相变：固态金属及合金在温度、压力改变时，内部相结构发生相互转变的现象，称为金属的固态相变。
多型性转变:固溶体的同素异构转变称为多型性转变。
共析转变：冷却时，固溶体同时分解为两个不同成分和结构的相的固态相变称为共析转变。
包析转变：冷却时由两个固相合并转变为一个固相的固态相变过程称为包析转变。
平衡脱溶:在高温相中固溶了一定量合金元素，当温度降低时溶解度下降，在缓慢冷却的条件下，过饱和固溶体将析出新相，此过程称为平衡脱溶。
调幅分解：某些合金在高温时形成单相的均匀的固溶体，缓慢冷却到某一温度范围内时，通过上坡扩散，分解为两个固相，其结构与原固溶体相同，但成分不同，是成分不均匀的固溶体，这种转变称为调幅分解。
非平衡转变：在非平衡加热或冷却条件下，平衡转变受到抑制，将发生平衡图上不能反映的转变类型，获得不平衡组织或亚稳状态的组织。
不平衡脱溶：合金经高温固溶处理后，在室温或加热到某一温度等温，过饱和固溶体中脱溶析出新相的过程，称为不平衡脱溶。
一级相变：在相变温度下，两相的自由焓及化学位均相等，即：Gα= Gβ，μα=μβ。
如果，相变时的化学位的一阶偏导数不等，则称为一级相变。
均匀形核:当缺陷能为零时，即无缺陷时，晶核将均匀形成，称均匀形核。
不均匀形核:当缺陷能不为零时，晶核将在具有缺陷能△Gd的晶体缺陷处形成，此称不均匀形核。
形核率：是单位时间、单位体积母相中形成的新相晶核的数目。
滑移：在切应力作用下，晶体的两部分沿一定的晶面和晶向发生相对的滑动。
通过滑移产生的变形叫滑移变形。
滑移的特点：不改变晶体的取向； 改变晶体的点阵类型；在晶体表面产生台阶。
滑移带：光学显微镜观察到的塑变后单晶试样表面形成的滑移条纹。
滑移线：组成滑移带的平行线条。
滑移面：能够发生滑移的晶面（原子密度最大或次大的晶面）。
滑移系：晶体中一个滑移面和其上的一个滑移方向的组合，称为一个滑移系。
滑移方向：在滑移面上能够进行滑移的方向（原子密度最大的方向）。
1-金属材料与热处理-固态相变原理
• 一级相变和二级相变
★一级相变：在相变温度下，新旧相自由能和化学位相等，化学位一级偏导数不等； ★一级相变有体积的膨胀和收缩及潜热的吸收和释放，金属大多数属于一级相变 可用热分析方法或热膨胀仪测量一级相变的开始点
★二级相变：化学位的一级偏导数相等，二级偏倒数不相等，相变时没有体积的膨胀 和收缩及潜热的吸收和释放，如磁性转变，有序转变
相变实质
1、结构变化：同素异构、多晶型性、马氏体、块状转变 2、成分变化：调幅分解 3、有序化程度变化：有序化转变 4、结构和成分变化：贝氏体转变、共析转变、脱溶沉淀析出
9
9
1 概述（钢中的基本相）
铁素体
奥氏体
渗碳体
10
1 概述（钢中的基本相）
11
1 概述 铁碳相图—纯铁的转变
12
1 概述 铁碳相图—共析转变
脱溶转变
过饱和固溶体脱溶分解出亚稳定或稳定的第二相
共析转变
一个固相转变为两个结构不同的固相
包析转变
两个不同结构的固相转变为一个新的固相，组织中一般有某相残余
马氏体转变
新旧相之间成分不变、切变进行、有严格位向关系、有浮凸效应
贝氏体转变
兼具马氏体和扩散转变的特点，借助铁的切变和碳的扩散进行
调幅分解
（3）半扩散型：既有切变，又有扩散。（如贝氏体转变，Fe切变，C扩散。）
8
8
相变过程的特点和实质
特点一：相变阻力大。原因：(1)相变阻力除界面能外，还多弹性应变能。 (2)固相中原子扩散速度远低于液相。
特点二：相变时往往在母相中晶体缺陷处形核 大多数固态相变的形核功较大，极易在晶体缺陷处优先不均匀形核，提高形核率。 特点三：固态相变时，新相往往在母相的一定晶面上开始形成，存在惯习面，且新相晶核与母相之间往往存在一 定晶体学位向关系。目的：减小两相间的界面能。 特点四：易于出现亚稳态过渡相，为了减少界面能，固态相变中往往先形成具有共格相界面的过渡相（亚稳相）。
金属固态相变概论
两种观点
母相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；
在非共格界面的微观区域中，也可能呈现台阶状结构。这种台阶平面 是原子排列最密的晶面，台阶高度约相当于一个原子层，通过原子从 母相台阶端部想新相台阶上转移，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。
✓目前，还没有一个能够精确反映 各类固态相变速度与温度之间关 系式的数学表达式。在实际工作 中，通常采用一些物理方法测出 在不同温度下从转变开始到转变 不同量，以至转变终了时所需的 时间，做出“温度—时间—转变量 ”曲线，即等温转变曲线（TTT曲 线）。
新相几何形状对比容差应变能的影响
1、共格界面
界面上的原子同时位于两相的结点上，即两相界 面上的原子排列匹配，界面上的原子为两相所共 有。
只有对称孪晶界才是理想的 共格界面。
两相点阵总是有一定差别， 或者是点阵结构不同，或者 点阵参数不同，因此两相界 面要完全共格，在界面附近 就必须产生弹性应变。
弹性应变能的大小取决于两相界面上原子间距的相对差值 ，即错配度：
3、晶界
大角晶界具有高的界面能，在晶界形核时可使界面能释放出来作为相 变驱动力，以降低形核功。因此，晶界是固态相变时形核的重要基地 。
金属固态相变
第一章金属固态相变的基本规律1.固态相变：指在金属陶瓷等固态材料中，当温度或压力改变时，内部组织或结构发生变化，即由一种相状态转变为另一种相状态。
2.平衡转变：在极为缓慢的加热或者冷却条件下形成符合状态图的平衡组织的相得转变。
3.非平衡转变：在非平衡加热或冷却的条件喜爱，平衡转变受到抑制，将发生平衡图上不能反映的转变类型，获得不平衡组织或平稳状态的组织。
4.纯金属的同素异构转变：纯金属在温度压力改变时，由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。
5.多形性转变：固溶体的同素异构转变。
6.共析转变：冷却时，固溶体同时析出分解为两个不同成分和结构的相的固态相变。
7.包析转变：冷却时，由俩个固相合并转变为一个固相的固态相变过程。
8.钢种的马氏体相变：将A以较大的冷却速度过冷到低温区，替代原子难以扩散，则A以无扩散方式发生转变，即在Ms点以下进行的马氏体转变，即称为马氏体转变。
9.平衡脱溶：在高温相中固溶了一定量合金元素，当温度降低时，溶解度下降，在缓慢冷却的条件下，过饱和固溶体将析出新相的过程。
10.非平衡脱溶：合金固溶体在高温下溶入了较多的合金元素，在快速冷却条件下，固溶体中来不及析出新相，一直冷却到较低温度下，得到过饱和固溶体的过程。
11.按原子迁移特征分为：（1）扩散型相变：原子的迁移造成原有原子的邻居关系的破坏。
①界面控制扩散型相变②体扩散控制扩散型相变；（2）原子的迁移没有破坏原有原子的邻居关系，原子位移不超过原子间距。
12.按热力学分：（1）一级相变：在相变温度下，两相得自由焓及化学位均相等，但是化学位一级偏导数不等；（2）二级相变：相变时，化学位的一级偏导数相等，但是二级偏导数不等。
13.相变的驱动力和阻力：相变过程驱动力阻力热力学条件相结晶成固相△G相变=G固-G液新相表面能△G表驱动力>阻力固态相变△G相变=G新-G旧△G界面+△G畸变14.界面能△G界面：由结构界面能和化学界面能组成：（1）δSt结构界面能：由于界面处的原子键合被切断或被削弱，引起了势能的升高而形成的界面能：（2）δCh化学界面能：由于原子的结合键与两相内部原子键合的差别而导致的界面能量的升高。
金属固态相变
1.固态相变：固态金属在一定压力温度下，内部组织结构发生改变的现象。
2.金属固态相变：固态金属及合金在温度压力改变时，内部相结构发生相互转变的现象3.过冷奥氏体：临界点以下存在的将要发生转变的不稳定的奥氏体4.惯习面：马氏体转变时，新相和母相保持一定的位相关系，马氏体在母相的一定晶面上开始形成，此晶面称为惯习面5，滑移：在切应力作用下，警惕的两部分沿一定的晶面和晶向发生相对运动的滑动6.滑移系：晶体中一个滑移面和其上的一个滑移方向的组合称为滑移系7回复：形变金属加热时，在新晶粒出现之前，某些物理，化学性能及亚结构发生变化的过程8.再结晶：经冷变形有很大畸变的金属，加热到一定温度产生一些无畸变的小晶粒并不断长大，直到由无畸变晶粒所取代的过程9冷加工：是指在结晶温度以下，并且无加热的加工，10.热加工：是指在结晶温度以上的不发生加工硬化的加工11固溶处理：将钢或合金加热到一定的温度，使碳或合金元素溶入固溶体中，然后以较快的速度冷却下来，得到过饱和状态的固溶体或过饱和的新相12.时效：脱溶将引起组织，性能，内应力的改变等，这种热处理工艺称为13.脱溶：经过固溶处理而得到的固溶体或新相大多是亚稳的，在室温保持一段时间或者加热到一定温度，过饱和相将脱溶，析出沉淀相，故称为脱溶14.回火脆性：有些钢在某些温度区间回火，可能出现韧性显著降低1.固态相变的驱动力是什么？答案：那些因素构成相变的阻力：：相变驱动力是两相自由焓之差相变阻力是由界面能和畸变能组成2.晶体缺陷对固态相变形核有何影响？答案：a固相界面有现成的一部分，因而只需部分重建b原缺陷能可以贡献给形核功，形核功变小c界面处扩散速率比晶内快得多d相变引起的应变能可较快的通过晶界流变而松弛d溶质原子易于偏聚在晶界处，有利于提高形核率3.说明共析钢奥氏体的形成过程，为什么铁素体先消失部分渗碳体未溶解完毕。
答案：a 奥氏体在晶界处的形核阶段b奥氏体核长大阶段c剩余渗碳体的溶解阶段d奥氏体的成分均匀化阶段各阶段产生的原因：奥氏体分别向铁素体和渗碳体两界面推移；奥氏体向铁素体界面的推移速度要大于向铁素体界面推移的速度，因此造成铁素体先消失。
相变重结晶
相变重结晶
相变重结晶是指固态金属及合金在加热（或冷却）通过相变点时，从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。
这个过程涉及到重结晶，即将晶体溶于或熔融以后，又重新从或熔体中结晶。
重结晶可以使不纯净的物质获得纯化，或使混合在一起的盐类彼此分离。
这种技术在化学和材料科学领域中应用广泛，主要用于分离、纯化和制造材料。
相变重结晶的原理是基于物质在不同温度和压力下，具有不同的晶体结构和物理性质。
当物质被加热或冷却时，其内部原子或分子的运动速度会发生变化，导致晶体结构发生改变。
这种改变通常伴随着物质外观和性质的改变，例如颜色、光泽、硬度和密度等。
通过控制温度和压力等实验条件，可以实现重结晶和分离不同晶体的过程。
相变重结晶技术的主要步骤包括：选择溶剂、溶解固体、过滤去除杂质、结晶、晶体收集与洗涤和晶体干燥等。
在这个过程中，溶剂的选择至关重要，因为不同的溶剂对不同的晶体具有不同的溶解度。
通过选择合适的溶剂，可以更好地分离和纯化目标晶体。
总之，相变重结晶是一种重要的化学和材料科学技术，它通过控制温度和压力等实验条件，实现不同晶体的分离和纯化。
这种技术在化学反应、新材料制备和冶金等领域中应用广泛，对于生产高质量的材料和化学品具有重要意义。
第一章 金属固态相变概论
10
3.第二相的形状 与应变能的关系 第二相的形状
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 新相形成时体积变化受到母相约束而产生的弹性应变能 比容差应变能 比重 比容
∆G = n∆GV + η n Es + nEε
2 3
• ∆GV 为每个原子母相转变为新相时的自由 能变化； 能变化； • η为晶核的形状因子； 为晶核的形状因子； 为晶核的形状因子 • Es为单位面积界面能； 为单位面积界面能； • Eε为新相晶核每个原子的应变能。 为新相晶核每个原子的应变能。
16
11
非共格相界的应变能
• 新相呈球状时，体积 应变能最大；针状次 片状时最低。 之；片状时最低。 • 新相／母相相界为非 共格界面时，考虑到 降低相变时的应变能 ， 新相往往呈片状。 新相往往呈片状。
12
4.晶体缺陷的作用 晶体缺陷的作用
• 大多固态相变的形核功较大，晶内存在的 大多固态相变的形核功较大， 缺陷对固态相变具有明显的促进作用。 缺陷对固态相变具有明显的促进作用。
第一章
金属固态相变概论
1
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， 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 构转变为另一种结构的现象称为 同素异晶 转变。 转变。 若在固溶体中发生这种结构的转变， 若在固溶体中发生这种结构的转变 ， 则称 多形性转变。 为多形性转变。 F A
5.形成亚稳相 形成亚稳相
材科基考点强化(第12讲 固态相变)
一、固态转变基本类型由于金属（合金）的结构和组织在固态下可以进行多种多样的形势转变，因此具有性能方面的多变性。
包括同素异形转变、脱溶、有序化转变等等，甚至回复、再结晶也属于固态转变。
分类：①扩散型相变；②非扩散型相变（切变型）；③过渡型相变。
例1（名词解释）：调幅分解例2（名词解释）：一级相变、二级相变二、固态相变一般特点固态相变大多数为形核和生长的方式，由于此过程是在固态中进行，原子扩散速率甚低，且因新、旧相的比体积不同，其形核和生长不仅有界面能，还有因比体积差而产生的应变能，故固态相变往往不能达到平衡状态，而是通过非平衡转变形成亚稳相，且因形成时条件的不同，可能有不同的过渡相。
固态相变形成的亚稳相类型有多种，如固溶体脱溶产物、马氏体和贝氏体等。
固态相变要走转变阻力小、做功少的道路。
考点1：固态转变驱动力新旧两相自由能之差；阻力：新旧两相产生相界面引起界面自由能升高；新旧两相间因为比容不同导致的畸变能。
例：固态相变中，应变能产生的原因分析。
考点2：形核特点①非均匀形核；②核心的取向关系；③共格界面与半共格界面。
考点3：成长特点①惯习现象；②共格成长与非共格成长；③存在脱溶贯序。
例1（名词解释）惯习现象例2（名词解释）：脱溶贯序考点4：新生组织形态应变能主导时优先形成饼状、圆片状；其次是针状；最后是球状。
界面能主导时，优先形成球状、其次是针状、最后是片状。
P.S. 脱溶基本完成后，新相、母相基本达到平衡浓度、再延长时间或者提高温度会发生新相聚集长大和形貌转化。
界面能主导：小粒子溶解、大粒子生长，半径越来越大，Δp=2σ/r （压应力）变小，脱溶相变稳定，向球形转变，脱溶相弯处向平处扩散；应变能主导：球状→立方状→棒状片状→编织组织。
例1：例题根据如图所示的析出物能够得到何种结论？例2：固态相变与液—固相变在形核、长大规律方面有何特点？分析这些特点对所形成的组织会产生什么影响？考点5：过渡相所谓过渡相是指成分或结构或两者都处于新旧相之间的一种亚稳态相。
金属的相变行为从液态到固态的转变
金属的相变行为从液态到固态的转变金属是一种常见的材料，具有良好的导电性和导热性，因此被广泛应用于工业生产和日常生活中。
然而，金属在不同温度下会出现相变现象，其中从液态到固态的转变是最常见的相变行为之一。
本文将探讨金属从液态到固态转变的过程以及相关的因素。
一、凝固过程金属从液态到固态的转变被称为凝固，这是因为在此过程中，金属的原子或离子聚集在一起形成结晶体。
凝固过程可以分为三个阶段：液态阶段、凝胶阶段和固态阶段。
在液态阶段，金属原子或离子呈无序排列，并具有较高的动能。
当金属温度下降到一定程度时，原子或离子开始逐渐接近，并逐渐形成有序的结构。
在凝胶阶段，金属原子或离子的排列变得更加有序，结晶核形成并逐渐生长。
最后，在固态阶段，金属原子或离子完全有序地排列形成晶体结构。
二、凝固的影响因素金属从液态到固态的凝固过程受到多种因素的影响，其中最主要的因素是温度、压力和成分。
1. 温度：温度是金属凝固的关键因素之一。
一般来说，金属的凝固温度是指金属从液态向固态转变的温度，称为凝固点。
不同金属具有不同的凝固点，例如，铅的凝固点约为327摄氏度，而铁的凝固点约为1538摄氏度。
凝固点的升高或降低可能是由于杂质的存在或添加了其他元素。
2. 压力：压力对金属凝固的影响不如温度显著。
然而，在高压下，金属原子或离子更容易接触和聚集，因此凝固速度可能会加快。
此外，压力的变化也可能导致凝固点的变化。
3. 成分：金属合金的凝固行为比纯金属更加复杂。
合金中不同元素的含量会影响凝固点和凝固过程。
例如，铜和锌的合金黄铜的凝固点会随着铅含量的增加而降低。
三、实际应用金属的相变行为从液态到固态的转变在实际应用中具有重要意义。
1. 铸造工艺：在金属加工中，铸造是一种常见的制造工艺，它涉及到将液态金属倾注入模具中，并通过凝固使其变成固态。
凝固的过程可以控制金属的形状和结构，从而得到所需的产品。
2. 金属合金制备：金属合金是由两种或更多金属元素组成的材料。
金属凝固原理
金属凝固原理金属凝固是指金属从熔化状态向固态转变的过程。
金属凝固是金属加工和制造中的关键工艺之一，对于金属材料的性能和结构具有重要影响。
金属凝固有两种基本模式，分别是平衡凝固和非平衡凝固。
平衡凝固是在金属熔体达到热力学平衡条件下进行的凝固过程。
在平衡凝固过程中，金属熔体的凝固速度较慢，使得晶体有足够的时间进行有序排列，形成结晶的晶格结构。
这种凝固方式下得到的晶体结构一般是均匀、致密的。
而非平衡凝固则是在金属熔体未达到热力学平衡条件下进行的凝固过程，通常是由于快速冷却或其他条件的限制。
非平衡凝固下得到的金属结构通常不具备完整的晶格结构，其中可能包含一些缺陷，如晶界、孪生晶和扩散限制。
金属凝固的主要原理包括热力学原理和动力学原理。
热力学原理研究的是金属凝固的平衡过程和热力学参数，如凝固温度、凝固速度等。
相变热是研究金属凝固的重要参数之一，它是单位质量金属从液态到固态过程中释放或吸收的热量。
相变热的大小直接影响到金属凝固过程的温度和能量交换。
动力学原理研究的是金属凝固的凝固速率和晶体生长行为。
凝固速率与温度梯度成正比，与金属的热导率和定向凝固度有关。
晶体生长通常是以晶核为起点，通过界面扩散分子在凝固过程中不断形成新的晶核，最终形成完整的晶体结构。
在金属凝固中，晶体生长过程是一个重要环节。
晶体生长可以分为表面扩散和体内扩散两种方式。
表面扩散是指晶体表面上的原子或离子通过空间的跳跃来进行扩散，而体内扩散则是指晶体内部的原子或离子通过晶面间的空隙进行扩散。
晶体生长的速度与扩散速率和扩散路径有关，因此扩散是影响金属凝固过程的重要因素之一温度梯度和凝固界面形貌也是金属凝固的关键因素。
温度梯度会导致凝固界面的变形和变动，从而影响到晶体生长和凝固速率。
凝固界面的形貌也对凝固过程有重要影响。
对于非平衡凝固，凝固界面通常是不规则的，形成了一些晶界、孪生晶和其他缺陷。
这些缺陷会影响金属的性能和结构。
除了热力学和动力学原理外，还有其他一些因素也会影响金属凝固的过程。
金属与合金中的固态相变
金属与合金中的固态相变引言：金属与合金是人类社会中广泛应用的材料，其固态相变是其性能和结构变化的重要因素。
本文将从金属与合金的固态相变的定义、分类、原因以及应用等方面进行阐述，以期帮助读者更好地理解和应用金属与合金材料。
一、固态相变的定义和分类固态相变是指物质在固态下由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。
金属与合金的固态相变主要包括晶体相变和磁相变两类。
1. 晶体相变晶体相变是指金属或合金在温度或外界条件变化下，晶体结构发生改变的过程。
晶体相变可以分为一级相变和二级相变。
一级相变是指在相变温度下，物质的晶体结构发生突变，伴随着热力学性质的突变，例如金属的熔化和凝固过程。
二级相变是指在相变温度下，物质的晶体结构发生变化，但没有热力学性质的突变，例如金属的铁磁-顺磁相变和反铁磁-顺磁相变等。
2. 磁相变磁相变是指金属或合金在外界磁场或温度变化下，磁性发生改变的过程。
磁相变可以分为一级相变和二级相变。
一级相变是指在相变温度下，磁性发生突变，例如铁磁-顺磁相变和反铁磁-顺磁相变。
二级相变是指在相变温度下，磁性发生变化，但没有突变。
二、固态相变的原因固态相变的原因主要包括温度变化、压力变化、外界磁场变化等。
1. 温度变化温度是影响固态相变的主要因素。
当温度升高或降低到一定程度时，金属或合金的晶体结构会发生变化。
2. 压力变化压力是影响固态相变的另一个重要因素。
当压力增大或减小到一定程度时，金属或合金的晶体结构也会发生变化。
3. 外界磁场变化对于磁性材料来说，外界磁场的变化也会引起固态相变。
当外界磁场强度改变时，磁性材料的磁性特性也会发生相应的变化。
三、金属与合金固态相变的应用金属与合金的固态相变在材料科学和工程中有着广泛的应用。
1. 超弹性材料金属合金中的固态相变可以使材料具有超弹性特性。
例如，钛镍合金在相变过程中可以发生大变形，具有良好的形状记忆和回弹性能，广泛应用于医疗器械、航空航天等领域。
2. 铁磁形状记忆合金铁磁形状记忆合金是一种具有形状记忆和磁性记忆双重特性的材料。
金属固态相变的主要特点
金属固态相变的主要特点金属固态相变是指金属在温度或压力变化下发生的物态转变。
相变是物质由一种物态转变为另一种物态的过程，其中固态相变是指物质从固态转变为其他物态的过程。
金属固态相变具有以下主要特点：1. 温度和压力的影响：金属固态相变通常受到温度和压力的共同影响。
随着温度的升高或压力的增加，金属的晶体结构和原子排列方式发生变化，从而导致相变的发生。
2. 结构转变：金属固态相变中，金属的晶体结构会发生变化。
金属晶体结构可以分为多种类型，如面心立方结构、体心立方结构和六方最密堆积结构等。
相变时，金属晶体结构的类型可能发生改变，从而导致其他性质的变化。
3. 形态变化：金属固态相变还会导致金属的形态发生变化。
例如，金属在相变过程中可能出现晶体的生长、晶界的移动、晶粒的合并或分裂等现象。
这些形态的变化会影响金属的力学性能和微观结构。
4. 热力学性质变化：金属固态相变会引起金属的热力学性质变化。
例如，相变可能导致金属的热导率、电导率、热膨胀系数等物理性质的变化。
这些性质的变化与金属的晶体结构和原子排列方式有关。
5. 相变温度和相变范围：金属固态相变有一定的相变温度和相变范围。
相变温度是指金属从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的温度点，而相变范围是指在相变温度附近金属可以存在的温度范围。
不同金属的相变温度和相变范围各不相同。
6. 相变速率：金属固态相变的速率取决于温度、压力、晶体结构和金属的化学成分等因素。
相变速率较快的金属相变过程称为快速相变，而相变速率较慢的金属相变过程称为慢速相变。
7. 相变过程的可逆性：金属固态相变通常是可逆的，即金属可以在相反的条件下恢复到原来的相态。
例如，当金属从高温相变为低温相时，如果温度重新升高到相变温度以上，金属会再次发生相变，恢复到高温相。
总的来说，金属固态相变是金属在温度和压力变化下发生的物态转变过程，具有结构转变、形态变化、热力学性质变化等特点。
金属固态相变的研究对于理解金属的微观结构和性能变化具有重要意义，也有助于金属材料的设计和应用。
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③按相变转变方式分类 连续型相变—原子大范围发生轻微重排的涨落，连续 地长大成新相。
C
浓度
C0 Ca
早期
后期
连续型相变
最终结果
形核长大型转变—由涨落形成新相核心，然后向周围长大。
C
浓度
C0 Ca
早期
后期
形核长大型转变
最终结果
3. 固态相变的一般特点
固相与液相的不同： ● 固相的弹性模量不为0，液相的近似为0； ● 固相各向异性，而液相各向同性； ● 存在各种分布很不均匀的结构缺陷。
{110}bcc//{111}fcc 两相的密排面平行 <111>bcc//<110>fcc 两相的密排方向平行
新相习惯于以针状或片状的形式沿着一定的方向躺卧在母相 的特定晶面上。这种现象叫惯习现象。 母相的这一特定的晶面称惯习面
(2) 新相成长的特点
出现惯习现象时，新相往往呈针状或片状的形态。
取向关系和惯习现象出现后，不一定能保存下来。它们可以随 母相的消失而消失；取向关系也可以因新相的再结晶（有相变 产生的应变能为动力）而消除。
固态相变具有新的特点 (1) 形核 (2) 新相成长方向 (3) 新生相的组织形态 (4) 过渡相
(1) 形核
a）非共格均匀形核
设核心是半径为r的球，则形核的能量变化：
G
4 3
r3 (GV
GV
)
4r 2
ΔGV : 单位体积自由能差
γ : 单位面积相界能
A : 是两相界面面积
ΔGεV : 相变引起的单位体积应变能
例：Fe的BCC→FCC相变
Fe：Ttr=1667.47K，γ=0.1-2.5 J/m2，ΔHV=1.16×108 J/m3， n=8.44×1022 个/cm3, f=1013 S-1
忽略应变能，γ取 最小值0.1J/m2
1E-120 1E-130
1m3中产生一个晶核 需要1.610100亿年
1E-140
I K exp
16 3
3(H V
T Ttr
GV )2 kBT
固态相变驱动力比凝固小很多，且多一个应变能阻力项
凝固：ΔHV=~109 J/m3 固体相变：ΔHV=~108 J/m3
ΔGεV =106-108J/m3
指数项差~100倍！ 注意： ΔHV是负值
固态相变的非共格均匀形核率多大？
界面能最低 界面能中等 界面能最高
共格应变能最高 应变能中等 应变能可以忽略
形核时，应变能很小，更容易出现共格界面。
为降低相变阻力，新相与母相的晶体学取向相关： {hkl}∥ {h’k’l’} 新旧相的某一晶面平行 <uvw>//<u’v’w’> 新旧相的某一晶向相平行
例如：纯铁进行多形性转变γ-Fe(fcc)→α-Fe(bcc)时,
高 能量
低
晶体内、外表面 晶界、相界、孪晶界、亚晶界 位错 空位、其它点缺陷
实验结果
当过冷度小时，绝大多数固态转变总是只沿表面和晶界进行， 并形成形成网状组织；
过冷度增大时，境内和晶界才可以同时进行，并形成比较均 匀的组织。
c)核心的取向关系
界面能与应变能的竞争：
共格界面 半共格界面 非共格一般界面
固态相变多了ΔGεV阻力项 注意，ΔGV是负值，ΔGεV是正值
临界核心半径r*为：
r
2γ
(GV GV )
临界核心形成功为： G 3
16 3 GV GV
2
形核率：
I
K
exp(
G ） kBT
K
exp
16 3
3(GV GV
)2 kBT
将 GV H V T 代入上式得
Ttr
Ttr: 平衡相变温度
忽略应变能，γ取 0.06J/m2
1E-160 1E-170
1m3中产生一个晶核 需要3.710141亿年
I (个/cm3S)
1E-180
1E-190
不可能均匀形核！
1E-200
0
50 100 150 200 250 300
T (K)
锡疫
b) 非均匀形核
非均匀形核的有利位置：点、线、面和体缺陷 能量越高的缺陷越易于促进形核
共格成长与非共格成长 马氏体型或贝氏体型转变：无论形核或成长，相界面都必须保 持共格性。 扩散型转变：新相成长主要靠非共格界面的扩散移动，而共格 界面能低，界面扩散移动困难。
惯习现象出现组织-魏氏组织
Si-Mn-Al合金从800oC缓慢冷却， 伸张的连续脱溶颗粒，形成的魏 氏组织
2 μ1 T 2
P
2 μ2 T 2
P
CP2 T
②按相变时原子迁移特征(生核和成长特点)分类
(1) 扩散型相变： 相变主要依靠原子长距离的扩散， 相变是依靠相界面的扩散移动而进行， 相界面是非共格界面。
(2) 非扩散型相变(切变型相变、马氏体转变)： 旧相中的原子通过切变和转动，有组织地、 协调一致地转移到新相中。 相界面是共格界面。
L→L1+β
e. 共析转变 γ→α+β
e. 共晶转变
L→α+β
f. 包析转变 α+β→γ
f. 包晶转变
L+α→β
g. 固溶度变化发生脱溶现象
g. 溶解度变化发生沉淀现象
h. 有序无序转变 i. 磁性转变 j. 调幅分解 k. 切变式转变（马氏体转变）
材料通常经过热处理来改变它的性能，固态转变就是热处理根据。
I (个/cm3S)
考虑应变能， I会更小！
1E-150 1E-160
1E-170
不可能非共格 均匀形核！
1E-180
1E-190
1E-200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
T (K)
例：Sn的Diamond→BCT相变
Sn：Ttr=286.202 K，γ=0.06 J/m2，ΔHV=1.2×108 J/m3， n=3.68×1022 个/cm3, f=1013 S-1
2.相变分类
一级相变 按热力学参数分类
二级相变
固体 相变 分类
扩散性相变 按原子迁移分类
非扩散性相变
连续型相变 按相变方式分类
形核长大型相变
①按相变时热力学参数变化的特征分类
μ μ 一级相变： 1
2
S1
μ1 T
P
μ2 T
P
S2
μ μ 二级相变： 1
21 T
1. 合金相图中的各种固态转变
固态转变
a. 同素异形转变
多形性转变 β→α
b. 固溶体转变为化合物
或二次固溶体 γ→β
对应的液态转变
a.纯金属和 固溶体的结晶
L→α
b. 化合物或
二次固溶体结晶 L→β
c. 固溶度间隙 α→α1+α2
c. 溶解度间隙 L→L1+L2
d. 单析转变 α→α1+β
d. 偏晶转变