第九章 金属固态相变

3. 晶界促进形核 具有高能量的大晶界可以释放界面能为形核提供相变 驱动力，以降低形核功。 驱动力，以降低形核功。 三、晶核长大 1. 长大机制 新相晶核的长大，实质是相界面向旧相迁移的过程。 新相晶核的长大，实质是相界面向旧相迁移的过程。 新旧相成分不同时： 新旧相成分不同时：晶核的长大依赖于溶质原子在旧 相中的长程扩散。 相中的长程扩散。
五、母相晶体缺陷促进相变 在母相晶体中的缺陷处，晶格畸变、自由能高， 在母相晶体中的缺陷处，晶格畸变、自由能高，促进形 核及相变。 核及相变。 六、易出现过渡相 固态相变阻力大， 直接转变困难， 固态相变阻力大 ， 直接转变困难 ， 往往先形成协调性 中间产物（过渡相） 中间产物（过渡相）。 母相→较不稳定的过渡相→较稳定的过渡相→ 母相→较不稳定的过渡相→较稳定的过渡相→稳定相
二、新相与母相界面上原子排列的匹配性 固态相变时， 固态相变时，新相与母相界面上原子排列越保持一定 的匹配性，越有利于相变阻力的降低。 的匹配性，越有利于相变阻力的降低。 固态相变产生的相界面根据两相原子在晶体学上匹配 程度不同可分为三种类型， 共格界面，半共格界面和 程度不同可分为三种类型，即共格界面，半共格界面和非 共格界面，如图9-1所示 所示。 共格界面，如图 所示。
3. 非共格界面 当界面处的原子排列差异很大， 原子匹配关系不能继 当界面处的原子排列差异很大 ， 续维持，形成非共格界面。 续维持，形成非共格界面。 一般认为， 小于 小于0.05时完全共格； δ大于 时完全共格； 大于 大于0.25时形成 一般认为，δ小于 时完全共格 时形成 非共格界面； 介于 介于0.05和 0.25之间时，形成半共格界面， 之间时， 非共格界面；δ介于 和 之间时 形成半共格界面， 它们的能量是不同的。 它们的能量是不同的。
第九章 金属固态相变
金属除了能够进行形变和再结晶外， 金属除了能够进行形变和再结晶外，其结构和组织在固 态下还可以进行多种形式的转变，即发生固态相变。 态下还可以进行多种形式的转变，即发生固态相变。
第一节 固态相变的特点
固态相变与液态相变具有相似性： 固态相变与液态相变具有相似性： 驱动力 形核和长大 但由于固态晶体的特点（ 确定的形状、 但由于固态晶体的特点（固）：确定的形状、高的切 变强度、规则的排列以及缺陷的存在， 变强度、规则的排列以及缺陷的存在，其相变又有新的特 点。
同理， 相原子通过相界跳到 相原子通过相界跳到β相上的频率为 同理， α相原子通过相界跳到 相上的频率为
图9-2
由于激活能不一样，导致β相原子通过相界跳到 相的一 由于激活能不一样，导致 相原子通过相界跳到α相的一 相原子通过相界跳到 净剩值” 使得相界面向β相推移 新相长大。 相推移， 个“净剩值”，使得相界面向 相推移，新相长大。
三、新相晶核与母相间有一定的晶体学位向关系 固态相变时，为了减少新相与母相的界面能， 固态相变时，为了减少新相与母相的界面能，两种晶 体往往存在一定的位向关系。 体往往存在一定的位向关系。 Fe向 Fe转变时存在如下的晶体学位向关系 转变时存在如下的晶体学位向关系： 如γ-Fe向α-Fe转变时存在如下的晶体学位向关系： {110}α∥{111}γ , <111>α∥<110>γ 。 显然，这样的晶面和晶向相互平行，具有最低的界面 显然，这样的晶面和晶向相互平行， 能。
无成分变化的新相长大 新相的长大可看成是新相α和母相 的相界面 新相的长大可看成是新相 和母相β的相界面 向 和母相 的相界面α-β向 母相β中的迁移 中的迁移。 母相 中的迁移 。 其实质是界面两侧原子通过扩散越过 界面跳跃到另一相。 界面跳跃到另一相。 相的一个原子跳到α相上需要的激 图9-2中， △g为β相的一个原子跳到 相上需要的激 中 为 相的一个原子跳到 活能， 相间的自由能差。 活能， 为β 与α相间的自由能差。 相间的自由能差
2. 位错促进形核 位错可以通过多种形式促进形核。 位错可以通过多种形式促进形核。 能量方面：释放能量，提供驱动力；补偿错配，降低界 能量方面： 释放能量，提供驱动力；补偿错配， 面能。 面能。 成分方面：溶质于位错线上偏聚，满足新相的成分条件。 成分方面：溶质于位错线上偏聚，满足新相的成分条件。 提供扩散通道，降低扩散激活能。 提供扩散通道，降低扩散激活能。
一、 相变阻力大 固态相变的阻力主要来自两方面： 新旧相间界面自 固态相变的阻力主要来自两方面： ①新旧相间界面自 比体积差产生的应变能 由能； 新旧相间比体积差产生的应变能。 由能；②新旧相间比体积差产生的应变能。 前一项与结晶过程相似， 前一项与结晶过程相似 ， 后一项在固态相变中起很重 要的作用。 要的作用。 因此，固态相变时系统自由能的变化可以表示为： 因此，固态相变时系统自由能的变化可以表示为：
第二节 固态相变的分类
固态相变的类型很多，分类没有统一标准。 固态相变的类型很多，分类没有统一标准。常见的固态相 变及特征： 变及特征：
表9-1 常见的各种固态相变及特征
按固态相变过程中原子迁移情况分类 1. 扩散型 依靠原子的长距离扩散； 相界面非共格。 依靠原子的长距离扩散 ； 相界面非共格 。 如纯金属的 同素异构转变、固溶体中的多形性转变、脱溶转变、 同素异构转变 、 固溶体中的多形性转变 、 脱溶转变 、 共析 转变、包析转变、调幅分解和有序化转变等。 转变、包析转变、调幅分解和有序化转变等。 2. 非扩散型 旧相原子有规则地、 旧相原子有规则地 、 协调一致地通过切变转移到新相 相界面共格、原子间的相邻关系不变；化学成分不变。 中 ； 相界面共格 、 原子间的相邻关系不变 ； 化学成分不变 。 如马氏体转变， ， 都不扩散 都不扩散。 如马氏体转变，Fe，C都不扩散。
新相的临界晶核半径r 新相的临界晶核半径 c
临界晶核形核功△Gc
△Gc
由上两式可以看出，由于应变能的存在， 由上两式可以看出，由于应变能的存在，使rc和 △Gc 相应的增大了， 一定时， 相应的增大了 ， 说明 △ GV 一定时 ， 固态相变比液态结晶 要困难。 要困难。
另外，固态相变时原子的扩散速度要远小于液态金属原子 另外， 的扩散。 的扩散。 总结： 总结： 固态相变比液态结晶的阻力大，其原因有二： 固态相变比液态结晶的阻力大，其原因有二： 多了应变能； ① 多了应变能； 原子扩散困难。 ② 原子扩散困难。
式中表示晶体缺陷消失而释放出的能量。因此， 式中 △Gd表示晶体缺陷消失而释放出的能量。因此，V△GV -△ Gd 是相变驱动力，从而导致临界形核功的降低，促进了形核。 是相变驱动力，从而导致临界形核功的降低，促进了形核。
晶体缺陷对形核的作用 1. 空位促进形核 空位可通过加速扩散或释放自身能量提供形核驱动力 而促进形核。 而促进形核。 如过饱和固溶体脱溶分解。 如过饱和固溶体脱溶分解。大量的过饱和空位既促进 溶质原子扩散，又提供形核位置。 溶质原子扩散，又提供形核位置。
3. 半扩散型 既有切变，又有扩散。 既有切变，又有扩散。是介于扩散型和非扩散型之 间的一种过渡型相变。如贝氏体转变， 切变 切变， 扩散 扩散。 间的一种过渡型相变。如贝氏体转变，Fe切变，C扩散。
第三节 固态相变的形核与长大
核胚： 核胚： 先在母相基体的某些微小区域内形成新相所必须的成 分与结构。 分与结构。 若核胚的进一步生长能降低系统的自由能，就成为新 若核胚的进一步生长能降低系统的自由能， 相的晶核。 相的晶核。 晶核的形成分为均匀形核和非均匀形核。 晶核的形成分为均匀形核和非均匀形核。 均匀形核
一、均匀形核 形核率： 形核率： 与液态结晶相比，固态相变的均匀形核率要小的多。 与液态结晶相比，固态相变的均匀形核率要小的多。 二、非均匀形核 固态相变主要依靠非均匀形核。 固态相变主要依靠非均匀形核。 非均匀形核时，晶核在母相的晶体缺陷处形成，系统 非均匀形核时，晶核在母相的晶体缺陷处形成， 自由能的总变化： 自由能的总变化：
两种晶体间的这种位向中的晶面和晶向，常常是它们各自 两种晶体间的这种位向中的晶面和晶向， 原子排列较为密集的低指数晶面和晶向， 原子排列较为密集的低指数晶面和晶向，有时甚至就是密 排面和密排方向。 排面和密排方向。 一般而言， 当两相界面为共格或半共格界面时， 一般而言 ， 当两相界面为共格或半共格界面时 ， 新 相和母相之间必然有一定的位向关系； 相和母相之间必然有一定的位向关系；如果两相之间没有 确定的位向关系，则界面肯定是非共格界面。 确定的位向关系，则界面肯定是非共格界面。
四、惯习现象 固态相变时， 固态相变时，新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形 该晶面和晶向称为惯习面 惯习方向， 惯习面和 成。该晶面和晶向称为惯习面和惯习方向，这种现象称为 惯习现象。 惯习现象。 惯习现象的原因是沿应变能最小的方向和界面能最低 的界面发展，有利于减小相变阻力 相变阻力。 的界面发展，有利于减小相变阻力。 注意， 注意 ， 形核的取向关系和成长的惯习现象是两个完 全不同的概念。 全不同的概念。
ω为相变引起的单位体积的应变能。 为相变引起的单位体积的应变能。
假设新生相为球体，半径为 ，由上式可得： 假设新生相为球体，半径为r，由上式可得：
显然， 显然， 应变能的存在使体积引起的自由能的下降受到 了削弱，即相变驱动力被削弱了一部分， 了削弱，即相变驱动力被削弱了一部分，因此只有使△GV 的绝对值增大，才有可能使相变启动起来。 的绝对值增大，才有可能使相变启动起来。
图9-2 原子在α、β相中的自由能水平与越过相界的激活能。 9-2 α β
β相原子中具有△g 这一激活能的概率应为exp(-△g/KT),若 相原子中具有△ 这一激活能的概率应为 △ 若 相原子中具有 相原子通过相界跳到α相相上的 原子的振动频率为ν 相原子通过相界跳到 原子的振动频率为ν0， 则 β相原子通过相界跳到 相相上的 频率为
图9-1 固态相变时界面结构示意图
1. 共格界面 除孪晶界外，其它界面都会产生弹性应变。 除孪晶界外，其它界面都会产生弹性应变。 2. 半共格界面 错配度δ 两相界面上原子间距的相对差值。 错配度 ：两相界面上原子间距的相对差值。 共格的界面在δ大到一定程度时 大到一定程度时， 共格的界面在 大到一定程度时，就难以继续维持完全 共格，在界面上产生一些刃型位错来补偿，使界面能降低， 共格 ， 在界面上产生一些刃型位错来补偿 ， 使界面能降低 ， 形成半共格界面。 形成半共格界面。