2金属固态相变基础
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。
第一章 金属固态相变概论资料
彼此衔接的，界面上的原子为两者➢共0.0有5<。但<0是.2理5 想--的----完半全共共格格界界面面，只有在孪晶
界，且孪晶界即为孪晶面时才可能➢存>在0.。25
------ 非共格界面
（2）半共格相界 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。
完全共格相界
弹性畸变共格相界
半共格相界
非共格相界
2 惯习面和位向关系
• 新相往往在母相的一定晶面上形成，该晶面即称 为惯习面。 习马面氏。体在奥氏体的(111)γ上形成， (111)γ既是惯
• 惯习面可能是原子移动最小距离就能形成新相的 面。
• 新相和母相之间的晶面和晶向往往存在一定的位 向关系，以减小两相间的界面能。
1 2
特点 ：
新形成的微区之间无明显的界 面和成分的突变；
通过上坡扩散，最终使均匀固 溶体变为不均匀固溶体。
无需驱动力，且进行的速度极
快。
二、 非平衡转变
1. 伪共析转变 铁素体和渗碳
体的相对量随奥氏 体的含碳量而变， 故称为伪共析体。
2. 马氏体相变
经无扩散过程形成的、与母相成分相同的一种 组织。
• 具有不同结构的两相之间的分界面称为“相界”。 • 按结构特点，相界面可分为：
➢ 共格相界 ➢ 半共格相界 ➢ 非共格相界
式中a 和b分别表示相界面两侧的 相和相
（1）共格相界
的点阵常数，且a ＞a 。
所谓"共格"是指界面上的原子➢同时< 位0.0于5 两相晶--格---的- 共结格点界上面，即两相的晶格是
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。
第1章 金属固态相变基础
41
d. 调幅分解 ：由一种高温固 溶体，冷至某一温度范围， 分解为两种与原固溶体结 构相同，而成分不同的微 区的转变称为调幅分解 α→ α1 + α2 特点 ： (a) 新形成的微区之间无明 显的界面和成分的突变； (b) 通过上坡扩散，最终使 均匀固溶体变为不均匀固 溶体。
42
e. 有序化转变： 固溶体中，各组元的相对位置
部（固溶体）原子的扩散，使铸锭（或铸件）晶
内化学成分均匀，组织达到或接近平衡状态，改 善复相合金中第二相的形状和分布，提高合金塑 性，改善加工性能和最终使用性能。
19
b. 基于回复、再结晶的退火 金属冷变形后组织处于亚稳状态，内能高、
强度硬度增加、组织发生变化，有时还出现织
构。若加热到一定温度，会发生回复、再结晶， 变形织构也会发生变化，从而在一定程度上消 除了由冷变形造成的亚稳定状态，使金属材料 获得所需组织、结构和性能。这种热处理还包
31
在实际应用中，无论哪一种具体的热处理工艺过程都 可归诸于上述某种热处理类型，或上述几种热处理类型 的结合。但必须指出，实际应用的热处理工艺多种多样， 而且迄今为止，我国尚无统一的热处理分类标准，在生 产中有些热处理也不一定按上述类别的名称命名。 各种形式的热处理在生产中不总是单独分开的，往往 在一次热处理过程中，同一种金属材料内部就发生了多 种形式热处理的复杂过程，即在金属材料内部进行着多 种固态转变，因此，在遇到实际问题时，必须从具体情 况出发，进行全面、综合分析。
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基本热处理的主要类型
a. 均匀化退火（扩散退火） ① 退火 b. 基于回复、再结晶的退火 c. ② 淬火 ③ 时效或回火 基于固态相变退火
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淬火
退火 温 度 时效/回火
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
第三十五页，共九十六页。
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
第六页，共九十六页。
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。
第二十五页，共九十六页。
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
第二十六页，共九十六页。
例：钢的贝氏体转变：A--B(B=F+Fe3C)
材料热处理原理第一章金属固态相变基础
1#楼203 周二 5-6节 周四 1-2节
热处理
热处理原理与工艺
• 热处理：将金属或工件放在一定的介质中，通 过加热、保温和冷却的方法，使金属或合金的 内部组织结构发生变化，从而获得所需性能的 技术。
• 金属材料生产和机械制造过程的重要组成部分 之一。
• 热处理的特点：
– 一般不改变材料或工件的形状和整体的化学成分 – 改变材料或工件的微观组织和结构，或表面的化学成
特点：
（1）存在由于均匀切变引起的宏观形状改变，可在预先制备的抛光试样 表面上出现浮突现象。
（2）相变不需要通过扩散，新相和母相的化学成分相同。 （3）新相和母相之间存在一定的晶体学位向关系。 （4）某些材料发生非扩散相变时，相界面移动速度极快，可接近声速。
4. 按相变方式分类
➢ 有核相变：通过形核-长大方式进行的。
• 其两个生成相的结构和 成分均与母相不同
• 加热时也可发生 α+→转变，称为逆 共析相变
平衡相变
④调幅分解
• 某些合金在高温下具有均匀单相固溶体，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，这种转变称为调幅分解。
特点：转变初期不存在明显的相界面和成分突变； 通过上坡扩散实现成分变化； 一个自发分解过程； 不经历形核阶段； 分解速度快
3. 按原子迁移特征分类
扩散型相变
相变时原子迁移特征
非扩散型相变
3. 按原子迁移特征分类
（1）扩散型相变
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。
如：脱溶型相变、共析型相变(珠光体型转变）、调幅分解和有序化 转变等。
特点：
（1）有原子扩散运动，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体积变化，没有宏观形状
第一章__金属固态相变基础
一、相变分类
3. 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； 新、旧相比容不同引起体积变化，但宏观形状不变。 如：同素异构转变、脱溶转变、共析转变、调幅分解、 有序化转变、珠光体转变等
化学势一级偏微商相等
化学势二级偏微商不等
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。
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
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。 在固溶体中发生的同素异构转变称为多形性转变。
冷却时：γ→α+Fe3C 共析相变 加热时：α+Fe3C→γ 逆共析型相变
调幅分解
某些合金在高温下具有均匀单相固溶体，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，这 种转变称为调幅分解。
调幅分解的特点
在转变初期形成的两个微区之间并无明 显界面和成分突变，但是通过上坡扩散，最 终使原来的均匀固溶体变成不均匀固溶体。
1.1 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。
1.1 金属固态相变概述
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）。
金属固态相变基础
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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。
第一章金属固态相变基础-2013
c=a
应变能最小 应变能居中 应变能最大
3. 弹性应变能
相变阻力：弹性应变能、界面能 界面类型对界面能和弹性应变能的影响是不同的
共格界面： 可以降低界面能，但使弹性应变能增大。 非共格界面：
盘（片）状新相的弹性应变能最低，但界面能较高； 球状新相的弹性应变能却最大，但界面能最低。
界面能：界面处原子排列混乱 而使系统升高的能量
弹性应变能：固体在外力作用下，因 变形而储存能量称为变形能或应变能。
错配度
共格界面上的弹性应变取 决于错配度
若以aα 和aβ 分别表示两相沿平行于界 面的晶向上的原子间距，在此方向上的两相原 子间距之差以Δ a=|aβ -aα |表示，则错配度δ 为:
非平衡相变
④非平衡脱溶沉淀
• 若b成分的合金自T1温度快冷 时，相在冷却过程中来不及 析出，则冷到室温时便得到 过饱和的α固溶体。
• 若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， 这一过程称为非平衡脱溶沉 淀(或时效)。
平衡相变
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 的转变称为共析相变 (或珠光体型转变)
• 其两个生成相的结构和 成分均与母相不同
• 加热时也可发生 α+→转变，称为逆 共析相变
平衡相变
④调幅分解
• 某些合金在高温下具有均匀单相固溶体，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，这种转变称为调幅分解。
新相晶核可以在母相中均匀形核，或在母相中某些有利部 位优先形成（非均匀形核）。大部分的固态相变均属于有 核相变。
金属固态相变概论
§1-5 晶核的长大
一、长大过程 传质过程：满足成分条件 界面过程：满足结构条件（协同型长大、 非协同型长大） 二、界面长大的控制因素 成分不变协同型长大－长大速度快 成分不变非协同型长大－取决于界面过 程 成分改变协同型长大－取决于传质过程 成分改变非协同型长大－取决于两者
图1-1 可发生脱溶转变的合金
（3）共析转变 ） 合金冷却时， 合金冷却时，由一个固相同时析出两个不同 固相的过程称为共析转变 钢中的珠光体相变 （4）调幅分解 ） 由一种高温固溶体，冷至某一温度范围， 由一种高温固溶体，冷至某一温度范围，分解 为两种与原固溶体结构相同， 为两种与原固溶体结构相同，而成分不同的微区 的转变称为调幅分解 α→ α1 + α2
（3）晶界 ） 大角晶界具有较高的界面能， 大角晶界具有较高的界面能，在晶界上形核可利 用晶界能量，使形核功降低。 用晶界能量，使形核功降低。 有三种位置： 有三种位置：a) 晶界面 b) 棱边 c)隅角 隅角
图1-6 晶界形核时三种位置
影响优先形核位置的因素
从能量障碍分析 界隅＜界棱＜界面 从过冷度∆T影响分析 ∆T↑→ ∆Gv ↑ → ∆G*↓ ∆T↑→ ∆Gv ↑ → ∆G*↓ 所有位置均无障 碍，从贡献的角度看，界面＞界棱＞界 隅（晶界多） ∆T ↓ → ∆Gv ↓ → ∆G* ↑ 先界隅、次界 棱，后界面
特点 ： (a) 新形成的微区之间无明显的界面和成分 的突变； 的突变； (b) 通过上坡扩散，最终使均匀固溶体变为 通过上坡扩散， 不均匀固溶体。 不均匀固溶体。 (5) 有序化转变 固溶体中， 固溶体中，各组元的相对位置从无序过渡到 有序的过程，称为有序化转变。 有序的过程，称为有序化转变。 Cu-Zn、Au-Cu等合金中均可发生这种转变 、 等合金中均可发生这种转变
金属固态相变基础课件
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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。
金属固态相变知识点总结
金属固态相变知识点总结一、金属固态相变概述金属的固态相变是指金属在固态下由于温度、压力等外部条件的变化而发生的结构变化。
金属的固态相变具有一定的规律性，可以通过实验和理论研究来预测和解释金属相变过程中的行为。
金属固态相变对于金属材料的性能和应用具有重要的影响，因此对金属固态相变进行深入的研究具有重要的意义。
二、金属固态相变类型1. 多种金属的固态相变类型金属的固态相变包括晶格变化、相变温度、相变形式等不同的类型，主要有以下几种类型：(1) α-β型固溶体相变α-β型固溶体相变是金属合金中比较常见的相变类型，指的是在金属合金中存在两种不同的固溶体相，分别为α相和β相。
这种相变类型在许多重要的金属合金中都有出现，如Fe-C合金、Ni-Cr合金等。
(2) 费氏体相变费氏体相变是一种典型的金属固态相变类型，指的是金属在一定温度下发生由奥氏体相向费氏体相转变的过程。
这种相变类型在一些铁素体不锈钢中尤为常见。
(3) 莫尔铂相变莫尔铂相变是一种金属固态相变类型，指的是金属在相变过程中由六方最密堆积（HCP）结构向立方最密堆积（FCC）结构的转变。
这种相变类型在一些贵金属合金中具有重要作用。
2. 典型金属的固态相变不同的金属在固态下的相变类型也有所不同，下面以常见的几种金属为例进行介绍：(1) 铁素体不锈钢的固态相变铁素体不锈钢是一种重要的金属材料，其固态相变主要包括奥氏体到费氏体的相变，以及费氏体到马氏体的相变。
这些相变在不锈钢的应用性能中具有重要的影响。
(2) 铝合金的固态相变铝合金是一种广泛应用的金属材料，其固态相变主要包括固溶体相变和析出相变。
这些相变对于铝合金的强度和耐腐蚀性能具有重要的影响。
(3) 镍基高温合金的固态相变镍基高温合金是一种用途广泛的高温合金，其固态相变主要包括γ'-γ''转变、析出相变等。
这些相变对于高温合金的高温强度和高温抗氧化性能具有重要的影响。
三、金属固态相变的影响因素金属的固态相变受到多种因素的影响，主要包括温度、压力、合金元素、晶体结构等因素。
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。
固态相变基础-1
f=ωexp ( -Gm /kT )
温度对形核率的影响
随着温度的下降， 代表晶核潜在密度的 exp(-G*/kT)升高很 快； 而原子迁移激活 能Gm几乎不随温度 变化， 所以exp(Gm/kT)随温度降低 而减小。N均匀随温度 下降先增加后降低， 在某一温度呈现极大 值。
晶界形核 如果基体和晶核相互适应以形成低能量界面，那么形核功可以进一步减少。如 图1-9所示，晶核与其中的一个晶粒有某种位向关系，形成共格或半共格晶 界，这在固态相变中是极常见的现象。其它面缺陷，如夹杂—基体界面、堆
T P T
P
P T P
T
所以S≠S，V≠V。 因此，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。材料的凝固、熔化、升华以及同 素异构转变等均属于一级相变。几乎所有伴随晶体结构变化的金属 固态相变都是一级相变。
二、非均匀形核：固相中的形核几乎总是非均匀的
各种缺陷如空位、位错、晶界、层错、夹杂物和自由表面等 都能提高材料的自由能，如果晶核的形成能使缺陷消失，就会释 放出一定的自由能(Gd)，与GV一样，成为转变的驱动力，各 种缺陷成为合适的形核位置。 形核方程为：G = -V GV + S + V Gs - Gd
ΔG -VΔGV∝r3
-V(ΔGV-ΔGS)∝r3
2 r* Gv Gs
16 3 G* 3(GV G s )2
固态相变增加弹性应变能，相变阻力增加， 临界晶核直径和形核功增大，固态相变中形核比液→ 固相变困难。 临界晶核半径和形核功都是自由能差GV的函数，也 将随过冷度（过热度）而变化。 随过冷度（过热度）增大，临界晶核半径和形核功都 减小，即相变容易发生。 由于固态相变中存在弹性应变能Gs，因此只有当 GV>Gs时相变才能发生，亦即过冷度（过热度）必须 大于一定值，固态相变才能发生，这是与液→固相变的一 个根本区别。 此外，当界面能和弹性应变能Gs增大时，临界晶 核半径r*增大，形核功G*增高，形核困难。
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。
金属固态相变的三种基本变化
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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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固态相变的分类
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。
a
a
b.c.c
f.c.c
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1. 相界面多样化（新相和母相间存在不同的界面）
(2)半共格界面 新、旧相之间存在少量位错，除此之外的晶体结构 和点阵常数均能使两相原子之间产生完全匹配。 小，共格关系 新、旧相间错配度 δ=|αβ-αα|/αα 半共格关系 大，
+ B
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固态相变的分类
3. 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、旧相成分往往不同； 新、旧相比容不同引起体积变化，但宏观形状不变。 如：同素异构转变、脱溶转变、共析转变、调幅分解、 有序化转变、珠光体转变等
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固态相变的分类
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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+ 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。
固态相变的主要特点
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。
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。
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固态相变的分类
4.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；
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固态相变的主要特点
1. 相界面多样化 （不同类型，具有不同界面能和应变能）
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.
惯习面和位向关系的区别： a a 惯习面指母相的某一主平面； 位向关系指新相的某些晶面、晶向∥旧相的某些晶 面、晶向 f.c.c b.c.c
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固态相变的分类
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 是一级相变、 非平衡相变、非扩散相变、有核相变； （新旧相成分相同、结构不相同）
珠光体相变
是一级相变、 平衡相变、 扩散相变、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？
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固态相变的主要特点
1. 相界面多样化 （不同类型，具有不同界面能和应变能） 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
很大，非共格关系
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1. 相界面多样化（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
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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固态相变的主要特点
6.母相晶体缺陷的促进作用 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。
相界面上原子强制匹配引起的弹性应变能
共格＞半共格＞非共格 新、旧相比容差弹性应变能 弹性应变能和界面能共同构成固态相变的阻力
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新相形状与弹性应变能之间关系
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固态相变的分类
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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固态相变的分类
1.按热力学分类 (2)二级相变 对新、旧相α和β，有： μα=μβ Sα＝ Sβ Vα＝Vβ 等压比热： C α ≠C β 等温压缩系数： K α ≠ K β 等压膨胀系数：λα≠λβ
化学势一级偏微商相等
化学势二级偏微商不等
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。
若两相间为（半）共格界面 若两相间无取向关系
→
有取向关系
→ 为非共格界面
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固态相变的主要特点
（不同类型，具有不同界面能和应变能） 1. 相界面多样化 2. 新旧相之间存在一定位向关系与惯习面 （弹性应变能作用） 3. 相变阻力大