第三讲 金属固态相变动力学
三-金属固态相变热力学和动力学
2、晶核形状
假设形成的新相晶核为球形：
ΔG
4 3
πr 3 ΔGV
4πr 2σ
4 3
πr3ε
对于 r 求导：
d (G) 0 dr
r* 2 GV
G*
16 3 3(GV
)2
临界晶核尺寸
临界晶核的 形核功
r* 2 GV
G*
16 3 3(GV
)2
1、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 增高。
2、具有低界面能和高弹性应变能的共格新相 核胚，倾向于呈盘状或片状；
3、而具有高界面能和低弹性应变能的非共格 新相核胚，则易成等轴状。
4、但若新相核胚界面能的异向性很大（对母 相晶面敏感）时，后者也可呈片状或针状。
3、温度与临界形核半径及形核功
r* 2 GV
G*
16 3 3(GV
)2
1、临界晶核半径和形核功都是自由能差的 函数，因此，它们也将随过冷度（过热度） 而变化。
切变机制
阶梯界面：
面间位错分布在阶梯界面
上，位错的滑移运动使阶梯跨
过界面侧向迁移，而使界面朝
其法线方向发展，从而使新相
长大。
α
β
台阶式长大
2、非共格界面的迁移
新相晶核与母相之间呈非共格界面， 界面处原子排列紊乱，形成不规则排 列的过渡薄层。
这种界面上原子的移动不是协同的， 即无一定先后顺序，相对位移距离不 等，其相邻关系也可能变化。这种界 面可在任何位置接受原子或输出原子， 随母相原子不断向新相转移，界面本 身便沿其法向推进，从而使新相逐渐 长大。
Gold new Gnew Gold Gold new 0
必须产生一定的过冷度或过热 度，即：
固态相变-第三章 固态相变动力学原理
用
材料科学与工程学院
材料科学与工程学院
固 晶核的长大速度
态
新相长大速度取决于界面移动速度。对于无扩散型相变，其界面迁移
相
是通过点阵切变完成的，故其长大激活能为零，因此新相长大速度很
变 高。而对于扩散型相变，其界面迁移需要借助原子的扩散，故新相长
原
大速度较低。
理
扩散型相变中的新相长大的两种情况
与
1. 新相形成时无成分变化，只有原子的近程扩散
原
近γ相中的浓度梯度为
理
与
应
用
固 由Fick第一定律可知，
材料科学与工程学院
态
扩散通量为
相
变
所以
原
理
则
与
应
这表明新相的长大速度u与扩散系数D和相界面附近母相中的浓度
用
梯度成正比，而与两相在相界面上的平衡浓度差|Cγ－Cα|成反比。
当温度下降时，扩散系数D急剧减小，因此，新相长大速度亦随
温度下降而降低。
材料科学与工程学院
固
相变宏观动力学方程
态
相
相变动力学通常是讨论相变的速率问题，即描述在恒温条件下相
变
变量与时间的关系。相变动力学取决于新相的形核率和长大速率。
原
Johnson-Mehl方程
理
与
应
用
可应用于Байду номын сангаас从四个约束条件（即任意形核、I为常数、G为常数和τ很
小）的所有相变。
材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用
材料科学与工程学院
固
态
相
变
K固态相变动力学原理 inetic Theories in Phase Transformation
金属固态相变资料.pptx
3. 按相变方式分类
（1）形核-长大型相变：相变时在很小范围内发生原子 相当激烈的重排，生成新相核心，两相之间产生相界。 相变靠不断的生核和晶核的长大实现。脱溶转变、共析 转变属于此类。 （2）连续型相变：相变时在很大范围内发生原子轻微 的重排，相变的起始状态与最终状态之间存在一系列连 续状态，不需形核，靠连续涨落形成新相。调幅分解属 于此类。
第34页/共86页
3.奥氏体的稳定化
概念：马氏体转变中止、停顿后再继续冷却时出 现转变滞后和残余奥氏体量增多的现象。
（1）热稳定化 A体淬火时因缓慢冷却或在MS～Mf之间某温度
停留一段时间后，使过冷奥氏体转变迟滞的现象。
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（2）机械稳定化 在应力—应变作用下可以促进钢中的相变发生，即形变诱发
（3）空位形核
（4）层错形核
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。）
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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
长
大
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2 扩散控制的新相长大 （1） 界面控制长大 新相生成时无成分变化(有结构、有 序度变化）
S：650～600℃, S0=80～150nm,高倍OM
T: 600～550℃, S0=30～80nm,TEM
组织名称
表示符号
形成温度范围 /℃
硬度
片间距/nm
能分辨片层的 放大倍数
珠光体
P
A1~650
170~200HB 150~450
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。
金属固态相变概论及热力学
晶体中的缺陷：位错、空位、间隙原子、晶界等 缺陷处的特点：有大的能量、结构、成份起伏
形核功大小依次为： 均匀形核空位形核位错形核晶界形核
5、原子的扩散
随着过冷度增大，相变驱动力增大，相变速度增大，但 原子扩散能力减小。
三 金属固态相变的形核
1、金属固态相变的热力学条件 1.1、相变的驱动力（相变的热力学条件）
格方式以降低界面能，从而降低总的形核功，易于 形核。 6）过冷度小时界面能不起主导作用，易形成非共格界 面。
2、位相关系和惯习面（共格、半共格）
惯习面：在母相上开始形成新相的一定晶面。 表示：以母相的晶面指数。 结构：晶面上新相和母相原子排列相近，界面能小。
两相中存在着保持平行关系的密排晶面和晶向
新相与母相成分相同时：界面迁移通过点阵切变完成， 不需原子扩散，激活能为零，新相长大速度极快。 如马氏体相变。
新相与母相之间存在一定的晶体学位相关系时，长大时仍 保持此关系。
（1）半共格界面的迁移：
界面能较低，长大过程中界面为平面，机制有：
a.切变机制：以均匀切变方式进行的协同型长大，属无
扩散型相变，导致表面倾动。 特点：大量原子有规则的沿某一方向作小于一个原子间 距的迁移，并保持原有的相邻关系不变。
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： 1）金属固态相变时，两相之间将产生界面能和弹性应
变能。 2）金属固态相变的相变阻力：界面能和弹性应变能； 3）两相界面共格时，界面能最小、弹性应变能最大； 4）新相呈球状时，界面能最低，应变能最大。 5）过冷度大时，临界晶核尺寸很小，两相界面易取共
第九章固体相变第三讲
固态相变
一、晶核形成的结构基础 结晶作为一种相变过程，晶相的形成也必然经过成核-长大 过程。 结构起伏是液体结构的重要特征，是产生晶核的结构基础。 液相中的每个原子或离子时刻都在不断的快速运动着， 对于某一微小的任一空间，各运动单元的位置、速度、能量 都在迅速的变化着。表现在宏观上就是体系的能量起伏和结 构起伏。 而在接近熔点的液体中，结构起伏的存在使一个运动单元有 可能进入另一个运动单元的力场中得到结合，构成短程有序 排列的原子集团。这种短程规则排列的原子集团实际上就是 结晶过程的晶核前体。
液体与晶体自由能之差为ΔG； 固相→液相的迁移活化能为ΔG+q； 界面层厚度为λ；界面质点数n；
质点由液相向晶相迁移的速率： QLS n 0 exp( q ) kBT 质点从晶相到液相反方向的迁移速率： G q QS L n 0 exp( ) kBT 粒子从液相到晶相迁移的净速率为： q G Q QLS QS L n 0 exp( )[1 exp( )] kBT kBT
固态相变
晶体生长的主要理论 在结晶过程中，晶核形成后便是晶体的生长过程。 1.克塞尔-斯特兰斯基层生长理论 2.螺旋生长理论 3.布拉维法则、周期性键链理论
固态相变
1.克塞尔-斯特兰斯基层生长理论
在晶核光滑表面上生长一层原子面时，质点在界面上进入晶格 空位的最佳位置是具有三面凹入角的位置。质点在该位置上与 晶核结合成键放出的能量最大，因此是能量上最有利的位置。 其次是二面凹入角的面位置。最不利的生长位置是光滑平面上 的位置。
易析晶，保温 极易析晶，保 1h表面结晶 温1h全结晶
不成玻璃
②熔体中网络变性体及中间体氧化物的作用： 含有电场强度(Z/r2)大的网络变性离子（如Mg2+、La3+ 、Zr4+等）使熔体的析晶能力增加；
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 。
金属固态相变基础
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。
《固态相变原理及应用》第三章 固态相变动力学原理
2. 新相形成时有成分变化，新相长大需要通过溶质原子的长程扩散
1. 新相形成时无成分变化，只有原子的近程扩散
由母相γ转变为新相α时，新相与母相成分相同。新相长大可以看成 为γ与α相界面的移动，其实质是两相界面附近原子的短程扩散。当 母相中的原子通过短程扩散越过相界面进入新相时便导致相界面向母 相中迁移，使新相逐渐长大。显然，其长大速率受界面扩散（短程扩 散）所控制。
由Fick第一定律可知，
扩散通量为
所以
则
这表明新相的长大速度u与扩散系数D和相界面附近母相中的浓度 梯度成正比，而与两相在相界面上的平衡浓度差|Cγ－Cα|成反比。 当温度下降时，扩散系数D急剧减小，因此，新相长大速度亦随
温度下降而降低。
相变宏观动力学方程
相变动力学通常是讨论相变的速率问题，即描述在恒温条件下相 变量与时间的关系。相变动力学取决于新相的形核率和长大速率。
K固态相变动力学原理 inetic Theories in Phase Transformation
固态相变的晶核长大
➢ 新相长大机制 半共格界面的迁移 非共格界面的迁移
➢ 新相长大速度 无成分变化的新相长大 有成分变化是界面向母相方向的迁移。若新 相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系，则长大时 仍保持这种位向关系。事实上，新相晶核完全地与母相匹 配，形成完全共格界面的情况极少，通常所见的大多是形 成半共格和非共格两种界面。
当新相α和母相γ的成分不同时，新相的长大必须通过溶质原子的长程扩散 来实现，故其长大速度受扩散所控制。生成新相时的成分变化有两种情况： 一种是，新相α中溶质原子的浓度Cα低于母相γ中的浓度C∞ 另一种，新相α中溶质原子的浓度Cα高于母相γ中的浓度C∞
金属材料的固态相变与热力学模拟
金属材料的固态相变与热力学模拟金属材料是现代工业中不可或缺的基础材料之一。
金属材料的性能与其微观结构有密切关系，而固态相变是金属材料微观结构的重要表现。
固态相变涉及到热力学过程，在金属材料加工和制备中也起到重要作用。
本文将结合固态相变和热力学模拟两个方面，简要介绍金属材料在这两方面的研究进展。
一、金属材料的固态相变固态相变是指当物质处于固态时，其结构、形态、性质等产生变化的现象。
金属材料的固态相变可以以固态态和液态态间的相变，和固态晶体间的相变来分类。
其中，固态晶体的相变又分为一种晶体结构到另一种晶体结构的相变，和同一种晶体结构内的晶格畸变相变。
固态相变涉及到金属材料的微观结构，不同的相变产生的结构变化也有不同的影响。
在金属材料加工和制备中，了解材料的结构变化可以优化材料性能，提高材料使用效率。
例如，在铁素体和奥氏体之间相互转变时，铸铁中的碳会显影出铁素体中的颗粒状晶体，并改变材料性能，这种性能差异可以通过热处理来改善。
固态相变已成为金属材料研究领域内的重要议题，不同材料的相变过程也在不同的研究中得到了深入探讨。
例如，关于铁素体到奥氏体的相变，人们研究了相变温度和合金成分的关系，以及相变机理等。
同时，也有研究将相变过程与实际生产的连续热处理流程结合，探索在工业生产中采用这一过程的可行性。
另一方面，人们也将固态相变与材料的功能性结合，进行了多种探索。
例如，金属材料的形状记忆功能就是一种典型的基于固态相变的功能。
在形状记忆合金中，当其受到变形时，若温度发生改变，材料就会固态相变，从而恢复原先形态。
二、热力学模拟热力学模拟是近年来新兴的材料模拟研究方法之一。
其主要应用于热过程和热力学过程的模拟与预测，对于理解金属材料的物理本质和微观结构具有重要意义。
热力学模拟可以通过计算机模拟金属材料的原子、分子运动来研究材料的热力学性质和相变规律。
人们可以通过计算机计算方法来模拟金属材料的热力学性质，揭示材料固态相变过程中的热力学基础。
金属材料的固态相变行为
金属材料的固态相变行为金属材料的固态相变行为是材料科学中的一个重要研究领域。
这些相变指的是材料在温度和压力变化下，从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的现象。
这些相变对于材料的性能和应用具有重要影响，并广泛应用于金属制造、能源储存等领域。
固态相变可分为两类：一类是在相变过程中晶格不发生破坏的可逆相变，另一类是相变过程中晶格结构发生破坏的不可逆相变。
其中，可逆相变具有较低的激活能，相变过程中不伴随能量的释放或吸收，而不可逆相变则需要较高的激活能，相变过程中伴随着明显的能量的释放或吸收。
这两类相变不仅在材料性能上有所差异，而且在相变动力学和相变机制方面也存在差异。
一种常见的固态相变是金属材料的热相变。
金属材料在升温过程中会经历几个阶段的相变，每个阶段对应着不同的临界温度和晶体结构。
例如，钢的固态相变主要包括奥氏体相变、铁素体与素铁相变等。
在不同的温度下，钢具有不同的晶体结构，从而导致不同的性能和应用。
通过调控钢的热相变行为，可以实现钢的强度、韧性等性能的优化。
除了热相变，金属材料还具有一些其他的固态相变行为，如应力诱导相变、压力诱导相变等。
在材料的加载过程中，由于外界应力的作用，材料内部的原子结构会发生调整，从而导致晶体结构的变化。
这种应力诱导相变在材料的强化和塑性变形中起到重要作用。
例如，马氏体相变是一种常见的应力诱导相变，通过在高温下快速冷却钢材，可以将钢的组织转变为马氏体组织，从而在一定程度上提高钢的硬度和强度。
此外，金属材料的固态相变行为还可以通过控制合金成分来实现。
合金是由两种或多种金属元素按一定比例混合而成的材料。
不同的合金成分可以调控金属材料的固态相变行为，从而实现材料性能的改善。
例如，通过在铝合金中添加适量的镁元素，可以使合金发生固溶相变，从而提高材料的强度和硬度。
金属材料的固态相变行为在材料科学中具有重要的意义。
深入研究金属材料的固态相变机制和动力学规律，可以为材料的设计和制备提供理论基础和技术指导。
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
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。
1-3 固态相变的热力学
3.4非均匀形核
固相中各种缺陷如空位、位错、晶界、夹杂物 和自由表面等都提高材料的自由能，晶核在这 些位置形成能使缺陷消失，就会释放出一定的 自由能（ΔGd ），成为相变的驱动力，即缺 陷储存的能量可以使形核功降低，因此各种缺 陷也就成为合适的形核位置。
非均匀形核时，系统自由能变化中多了一 项负值，可写成：
热力学条件：新旧 相自由能差小于零。
G
Gγ α稳定
△Gγ→α
γ稳定
（ΔGα→r或ΔG r → α）<0 需要一定的过冷度或过热 度，才能实现r → α或 α→r的相变。
自 由 能
△Gγ→α
0
T1
T0 T2
温度T
各相自由能与温度的关系。
3.2相变势垒
相变势垒（能垒）：相变时改组晶格所必须克服 的原子间引力而产生的附加能量Δg。 Δg的获得（1）原子热振动的不均性； （2）机械应力；
1 2 S( ) (2 cos ) (1- cos ) 2
2cos
如 б αα =2 б αβ 则θ=0，不存在形核势垒 如 (б αα/б αβ)→0,则θ=90°,晶界对形核无 促进作用 如θ=60°,则△G*非均匀 / △G* 均匀≈1/3 可见晶界形核比均匀形核有明显优势。界棱、 界隅处的形核功更进一步降低，见图示
γ相
G 能由 自
自 由 能
Gγ
Δg α相 ΔGγ→ α
Gα
状态1
状态2
状态
固态相变势垒示意图
势垒的高低用激活能Q表示，即使晶体原子离 开平衡位置迁移到另一个新的平衡或非平衡位 置时所需的能量。温度越高，原子间距增大， 彼此引力减小，Q值就越小。势垒常用原子的 自扩散系数D表示， D随温度下降呈指数下降。 D= D0exp(-Q/RT)
固态相变动力学原理pptx
xx年xx月xx日
固态相变动力学原理
contents
目录
引言固态相变基础知识固态相变动力学模型固态相变的应用实验方法和数据分析结论和未来工作
01
引言
物质在一定条件下，从一种物态转变为另一种物态的过程。
相变
在一定温度和压力下，固体的结构发生变化，从而导致其物理和化学性质的变化。
固态相变
相变和固态相变
针对不同固态相变类型，已经总结出相应的动力学模型和公式，为实际应用提供了指导。
研究结果对材料性能的优化和新型材料设计具有重要参考价值。
固态相变动力学模型仍需进一步完善和拓展，以适应更广泛的应用场景。
在实际应用方面，需要结合具体材料和工程背景，开展针对性研究和应用探索。
固态相变动力学与其他领域的交叉研究值得进一步关注，如与能源、环境、生物医学等领域交叉融合，有望开拓新的应用前景。
1
固态相变的重要性
2
3
固态相变可以改变材料的性能，如硬度、韧性、耐腐蚀性等，从而实现对材料性能的调控。
调节材料性能
固态相变过程中通常会产生晶体结构或化学成分的变化，从而制备出具有特定性能的新型材料。
新型材料制备
在工程应用中，固态相变可以用于制造高温超导材料、新型能源材料等。
工程应用
VS
本报告将介绍固态相变动力学的基本原理、研究方法和应用领域，并列举一些最新的研究成果和发展趋势。
本报告将分为以下几个部分：固态相变动力学的基本原理、研究方法、应用领域、最新研究成果和发展趋势。
报告结构概述
02
固态相变基础知识
固态相变
物质在固态条件下发生的结构变化。
分类
按相变过程中是否发生化学反应，固态相变可分为一级相变和二级相变；按相变温度，可分为高温相变和低温相变。
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条件： 条件：在不同温度等温 适用于扩散相变冷却阶段 适用于扩散相变冷却阶段 扩散相变 相变要有一定的过冷度 相变要有一定的过冷度 形核需要孕育期 形核需要孕育期 转变温度较高时孕育期长； 转变温度较高时孕育期长； 温度较高时孕育期长 随温度下降，孕育期缩短； 温度下降，孕育期缩短； 某一温度时 孕育期最短， 某一温度时，孕育期最短， 转变速度最快； 转变速度最快； 再降低温度，孕育期又变长； 再降低温度，孕育期又变长； 温度很低时不能转变。 温度很低时不能转变。
T T T曲线的建立（自学） 自学）
结论： 结论：
1. 2. 3.
转变有孕育期 温度不同孕育期不同 转变开始速度加快
（由曲线斜率而定） 由曲线斜率而定）
连接不同温度下的转变 开始点、 开始点、50%点、终 点 了点 图中标出：临界点、 图中标出：临界点、相 产物、 区、产物、硬度等
分析： 1）不同温度下的转变产物？ 2）两个“C”曲线的鼻尖对应 什么产物、孕育期长短？ 3）两个曲线重叠区域的产物？ 珠光体区：随等温温度下降， 珠光体组织变细。 贝氏体区： 较高温度获得上贝氏体，较 低温度等温或下贝氏体。 马氏体区：
钢的临界冷却速度
临界冷却速度：使过冷奥氏体不发生某种转变的最低 冷却速度。 临界淬火速度：连续冷却时，使过冷奥氏体不发生分 解，完全转变为马氏体的最低冷却速度 临界淬火速度是决定钢件淬透层深度、合理选材、正 确制定热处理工艺的重要因素 临界淬火速度主要取决于钢的连续冷却转变曲线的形 状和位置。凡是使CCT曲线右移的各种因素，都将降低 临界淬火速度，提高马氏体的形成能力。
4.只有贝氏体转变的“C” 5.只有珠光体转变的 形曲线： 含Mn、Cr、Ni、 “C”形曲线：中碳高铬钢
W、Mo多的低碳合金钢
6.无“C”曲线：奥氏体钢
影响等温转变曲线的因素
1）合金元素
影响最大 除Co和Al以外 Co Al氏体晶粒细小：形核率大， 奥氏体晶粒细小：形核率大，使珠光体转变曲 线左移，促进转变； 线左移，促进转变；但对贝氏体转变影响较小 3） 原始组织越细小 ： A成分均匀 ， 扩散时间增 ） 原始组织越细小： 成分均匀 成分均匀， 曲线右移； 点亦下降 点亦下降； 加，TTT曲线右移；Ms点亦下降； 曲线右移 提高 加 热温度 和保温 时间 ： A 成分均 匀 ， 使 TTT曲线右移。 曲线右移。 曲线右移 4）奥氏体塑性变形的影响 ） 形变量越大， 形变量越大，珠光体转变越快
小结： 小结 1、TTT图：是扩散型相变的典型等温转变曲线 2、过冷奥氏体等温转变动力学曲线可综合反映过 冷奥氏体在不同过冷度下的等温转变过程，加入 合金元素可改变其类型 3、过冷奥氏体连续冷却转变动力学曲线是分析连 续冷却过程中奥氏体的转变过程以及转变产物的 组织和性能的重要依据，由此可得到钢的临界冷 却速度
五 金属固态相变动力学
一、金属固态相变的速率 形核率：单位时间、单位体积母相中形成新相 晶核的数目 相变速率：取决于新相形核率I和长大速度G。 温度不同， I 和G不同。 新相体积分数与时间的关系(Johnson-Mehl方程):
上式应用时有四个约束条件：任意形核、孕育期很小、 I与G为常数 ；等温条件下。
I 和G增大，则转变量增加，且G的影响更大
不同温度下，所绘制的等温转变曲线如图 形核和长大过程的所有相变动力学曲线均呈“S”形： 相变初期和后期的转变速度较小， 中期的转变速度最大
T3
固态相变等温转变曲线 —“C”曲线，或TTT曲线 曲线， TTT曲线 C 曲线
time-temperature-transformation
冷却速度对转变产物的影响 分析三种典型冷却速度下，过冷奥氏体转变过程和转变产物 1）以速度a冷却：室温组织是马氏体+少量A'，硬度HV685 2）以速度b冷却：室温组织是F+P+B+M+A'，硬度HV 350 3）以速度c冷却：室温组织是F+P，硬度是HV 200。
CCT曲线与TTT曲线的比较 CCT曲线与TTT曲线的比较
2009.9.2
2、过冷奥氏体连续冷却转变动力学
特点：过冷奥氏体在一个温度范围内进行转变，得到不均匀的混合组织。 特点：过冷奥氏体在一个温度范围内进行转变，得到不均匀的混合组织。
CCT曲线：是分析连续冷却过程中奥氏体的转变过程和产物的 组织和性能、热处理的重要依据。Continuous cooling transformation
等温转变曲线的基本类型
由于加入的合金 元素不同而异 1.单一“C”形曲线：
如碳钢、一些含有Si、 Ni、Cu、Co等元素的 合金钢。鼻尖以上等 温形成珠光体，鼻尖 以下等温时形成贝氏 体。
2,3. 双“C”形曲线：加入使珠光体转变温度范围上升，
或使贝氏体转变温度范围下降的元素如Cr、Mo、W、V 图1.21加入的合金元素使珠光体转变速度显著减慢 图1.22加入的合金元素使贝氏体转变速度显著减慢
由图知：相变开始、转变50%、转变终了时间
转变开始后转变速度随温度下降而逐渐加快，达到最大值 后逐渐减小。 因形核率不为常数，故体积分数与时间的关系为：
(Avrami方程)
二、钢中过冷奥氏体转变动力学
1、过冷奥氏体等温转变动力学 过冷奥氏体： 过冷奥氏体：将奥氏体迅 速冷却到临界点以下某一 温度等温而得。 反映过冷奥氏体在不同过 冷度下的等温转变过程： 转变开始和终了的时间、 转变产物、转变量等。
CCT曲线都处于同种材 曲线都处于同种材 料的TTT曲线的右下方 料的 曲线的右下方 CCT曲线都只有相当于 曲线都只有相当于 TTT曲线的上半部 曲线的上半部 碳钢连续冷却时可使中 碳钢连续冷却时可使中 温的贝氏体转变被抑制 合金钢连续冷却时可以 合金钢连续冷却时可以 有珠光体转变而无贝氏 体转变， 体转变，也可以有贝氏 体转变而无珠光体转变， 体转变而无珠光体转变， 或两者都有. 或两者都有