金属固态相变
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。
1 金属固态相变概论
(5) 不平衡脱溶转变(时效)
在等温条件下，由过饱和固溶体中析出第 二相的过程。
析出相为非平衡亚稳相。 举例：低碳钢和铝、镁等有色合金中会发
生这种转变。
固态相变总结
所发生的变化：结构；成分；有序化程度。 结构变化(一种变化)：同素异构转变、多
第1章 金属固态相变概论
本章主要内容
固态相变的类型及特点 经典形核理论及长大机制 相变动力学 扩散及非扩散型相变
1.0 概论
金属固态相变：固态金属(包括纯金属和合 金)在温度和压力改变时，组织和结构发生 变化的统称。
固态相变理论是施行金属热处理的理论依 据和实践基础。
固态相变的应用
固态相变的分类
(2) 按相变方式分类 有核相变(形核—长大型)：形核和长大。始
于程度大而范围小的相起伏，已相变区与未 相变区以相界面相分隔。钢中的相变大多为 形核—长大型相变。 无核相变(连续型)：无形核阶段。始于程度 小而范围大的相起伏，由于相起伏的程度小， 故母相中到处可以形核。如增幅分解。
利用其理化性能(功能材料)
相变储能材料 温控材料 薄膜材料
提高材料力学性能(结构材料) Nhomakorabea属热处理
固态相变的分类
(1) 按相变过程中原子迁移情况 扩散型：依靠原子的长距离扩散；相界面非
共格。如P、A转变，Fe，C都可扩散。 非扩散型：母相原子有规则地、协调一致地
通过切变转移到新相中；相界面共格、原子 间的相邻关系不变；化学成分不变。如M转 变，Fe，C都不扩散。 半扩散型：既有切变，又有扩散。如B转变， Fe切变，C扩散。
特点：(a) 不需要形核，新形成的两个微 区之间无明显的界面和成分的突变，分解 速度快；(b) 通过上坡扩散实现成分变化。
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
金属固态相变
查表所得工业纯铝的再结晶温度T再=150℃是指在1h退火完成再结晶的温度。实际上，除了退火温度外，保温时间也对再结晶过程产生影响。对经大冷变形后的金属材料，即使在T<T再 时进行退火，只要保温时间足够，同样可发生再结晶过程。可用两种方法加以判断：①金相检验；②将已知的T1，t1，t2，Q代人公式，求得T2，将其与100℃比较，即可得知是否发生再结晶。
4.降温转变及马氏体转变的高速特点．
马氏体转变是在一定的温度范围内进行的，马氏体转变动力学的主要形式有变温转变和等温转变两种．降温形成的马氏体其转变速度极快．
5.马氏体转变具有可逆性．
6.合金元素无扩散．
马氏体力学性能：
1.马氏体最主要的特点就是具有高强度和高硬度。它的强度随着含碳量的升高而升高。
3.贝氏体转变特点：
钢在珠光体转变温度以下，马氏体转变温度以上的温度范围内过冷奥氏体发生的转变称为贝氏体转变（中温转变）．
贝氏体也是由铁素体与渗碳体组成的机械混合物．贝氏体的组织形态主要是羽毛状和颗粒状．
贝氏体的性能主要取决于组织形态．其各相的形态，分布都影响贝氏体的性能．上贝氏体的形成温度较高，铁素体与碳化物分布具有明显的方向性，因此这种组织易产生脆断．下贝氏体中铁素体针细小而均匀分布，帮位错密度很高，而且韧性也很好，具有良好的机械混合性能．
f.玻璃化转变对聚合物性能尤其是力学性能变化很大，非晶聚合物的模量可产生3～4 个数量级的变化。
玻璃化温度
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。
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
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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。
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。
第二讲 金属固态相变概论及热力学
密排面 密排方向 堆垛方向 堆垛次序 fcc bcc {111} {110} <110> <111> <111> <110> ABC AB
共格、半共格） 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。 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。 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。 结构：晶面上新相和母相原子排列相近，界面能小。
新相长大速度随温度降低而减小新相长大速度随温度降低而减小无成分变化的新相长大无成分变化的新相长大22有成分变化的新相长大有成分变化的新相长大一定温度下相界面上两相的成分由平衡状态图所确定一定温度下相界面上两相的成分由平衡状态图所确定新相长大通过溶质原子的长程扩散来实现长大速度取决新相长大通过溶质原子的长程扩散来实现长大速度取决于溶质原子的扩散速度
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） 1.1、 相变的热力学条件）
1）新旧两相的自由能之差 2）新相的自由能低于旧相
任何变化自发进行的条件都是：ΔG〈 任何变化自发进行的条件都是：ΔG〈0 ， Δ G= Δ H - T Δ S 改变温度可获得相变热力学的条件。 改变温度可获得相变热力学的条件。 对于固态相变，当驱动力Δ 对于固态相变，当驱动力Δ G 变将自发进行。 变将自发进行。
系统自由能的总变化：
ΔG = –V·ΔG （1）晶界形核： 晶界形核：
特点：晶体缺陷消失或减少所降低的能量ΔG 特点：晶体缺陷消失或减少所降低的能量ΔGd将促进形核。 界面可以提供所储存的畸变能来促进形核。
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。
Chapter 7 金属固态相变概述
多数情况下是以低指数的、原子密度大而又彼
此匹配较好的晶面互相平行。
当两相界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。 如果两相之间没有确定的位向关系，则界面 肯定为非共格界面。
三、惯习面 固态相变时，新相往往在母相的一定晶面上 开始形成，这个晶面称为惯习面。通常以母相 的晶面指数表示。
不同，称为贝氏体。
(五)不平衡脱溶沉淀 固溶处理态的过饱和固溶体，在低于MN线的温度 下保温，由于溶质原子尚具有一定扩散能力，过饱和 固溶体α’便会自发地发生分解，从中逐渐析出新相， 但这种新相在析出的初期，成分和结构均与平衡沉淀 相有所不同，这种相变称为不平衡脱溶沉淀（也称为 时效）。 时效是铝、镁、铜等有色合金的 主要热处理技术。
3、非共格界面 两相界面处的原子排列相差很大，即错配度很大 时，只能形成非共格界面。这种界面是由原子不 规则排列的很薄的过渡层所构成。
通常 δ<0.05形成完全共格界面； δ=0.05 ~ 0.25 半共格界面 δ>0.25 形成非共格界面。
二、两相间位向关系
固态相变时，为了减少新相与母相之间的界
五、晶体缺陷的影响 固态相变时，母相中存在的各种晶体缺陷如 晶界、相界、位错和空位等对相变有显著的促 进作用。新相往往在缺陷处优先成核，而且晶 体缺陷对晶核的生长及组元扩散等过程有很 大的影响。 原因： 晶体缺陷是能量起伏、结构起伏和成分 起伏最大的区域。在此区域形核时，原子扩散 激活能低，扩散速度快，相变应力容易被松弛。
晶界形核时，新相与母相的某一个晶粒有可能形成共格或半共 格界面，以降低界面能，减少形核功。这时共格的一侧往往呈 平直界面，新相与母相间具有一定的取向关系。 由于大角晶界两侧的晶粒通常没有对称 关系，故晶核一般不可能同时与两侧晶 粒共格，而是一侧共格，一侧非共格， 为了降低界面能，非共格一侧往往呈球 冠形。 相界作用与晶界类似。
2.金属固态相变
奥 氏 体
转变开始线
变开始线以左的 区域为过冷奥氏
A
A→P
转变终了线
P B
体区。
转变终了线以
A→B
右及Mf以下为转
变产物区。
MS
两线之间及Ms
Mf
A→M
与Mf之间为转变 区。
M 时间
C 曲线的分析
⑴ 转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。
孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小.
正火 油淬
连续冷却转 变曲线 完全退火
冷却速度.
水淬
等温转 变曲线
Vk’ 为TTT曲线的
200
临界冷却速度.
Vk’ 1.5 Vk 。
100
Vk’Vk
M+A’ M+T+A’ S P
共析钢的CCT图
时间/s
2）过共析钢CCT曲线也无贝氏体转变区, 但比共析
钢CCT曲线多一条A→Fe3C转变开始线。由于Fe3C的 析出, 奥氏体中含碳量下降, 因而Ms 线右端升高.
第一章金属固态相变
概述：固态相变---金属性能的多样性：例： ---应用范围广。“变”---就可利用之， “不变”-此材料难堪大用。---各种强化手 段：位错、第二相、固溶、细晶加之金属 的性能均衡---金属材料广泛应用。 本章简介固态相变的特点、类型、过程； 主要介绍钢的热处理原理
第1节 固态相变的特点
第3节 固态相变的形核与长大
不讲。基本概念略提。
第4节 钢的固态转变 （钢的热处理原理）
1、热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，
以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺.
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。
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一段时间后，使过冷奥氏体转变迟滞的现象。
（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 相变。 形变诱发M体相变的最高温度为Ｍd（>ＭS）。
T>Ｍd形变:使A体稳定性提高，随后M体相变困难。
T<Ｍd形变:诱发M体生成，但随之淬火后，剩余A
体将稳定化，也产生机械稳定化。
9.3.4 珠光体转变— 扩散型相变
惯习方向
（母相） 惯习面
原因：沿应变能最小的方向和界面能最低的界面发展。
3. 晶体缺陷的影响 晶体缺陷对相变起促进作用。 点… 缺陷类型 线… 晶格畸变自由能高，易获得 面… 更大的驱动力促进形核及相 变。 思考：晶粒细化对相变的影响？
4. 原子扩散的影响 对于扩散型相变，随过冷度的增加，相变的驱动力增
2. 惯析面和位向关系 新相与母相的界面为两种晶体的界面。 根据匹配关系可分为： 共格界面：错配度〈0.05 界面能量低 半共格界面：0.05〈错配度〈0.25
非共格界面：错配度〉0.25 界面能量最高
新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系
新相习惯于在母相的一定晶面上形成 新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成。
而塑韧性下降。
M体相变膨胀产生塑变，引起应变时效。 d 细晶强化
M体相变使晶粒细化，晶界面积大增，产生细晶强化。
② 塑性与韧性 塑性：用δ=Δl/缺口标准试样，在冲击机
上一次冲断，记录冲击功AK（J），作系列冲击实验，求塑 脆转变温度。
M体的塑性、韧性好坏取决与其亚结构： 亚结构为位错时（板条M），塑性韧性较好。
第九章 固态相变
9.1 固态相变总论
9.1.1 固态相变分类
（1）一级相变：相变时两相的自由焓相等，而自由炩对
1. 按热力学分类 温度及压力的一阶偏微分（－S,V）不等的相变。伴随潜热 的释放和体积的改变。如蒸发、升华、熔化以及大多数固 态晶型转变属于此类。 （2）二级相变：相变时两相的自由焓相等，自由焓的一 阶偏微分也相等，但二阶偏微分不相等的相变。没有相变 潜热和体积改变，有比热容、压缩系数、膨胀系数变化， 如磁性转变、有序－无序转变、超导转变等属于此类。
2. 按结构变化分类 （1）重构型相变 ： 相变时原化学键破坏，原子重新 排列。克服的能垒较高，相变潜热很大，进行缓慢。过 饱和固溶体的脱溶分解、共析转变属于此类。 （2）位移型相变：相变时不需要破坏化学键，发生的
原子位移很小，两相之间存在一定的晶体学位向关系。
克服的能垒较小，相变潜热也很小，转变速度非常迅速。 马氏体相变属于此类。
（2）珠光体类型
S：650～600℃, S0=80～150nm,高倍OM T: 600～550℃, S0=30～80nm,TEM
组织名称 珠光体 索氏体 托氏体 表示符号 P S T 形成温度范围 /℃ A1~650 650~600 600~550 硬度 170~200HB 25~35HRC 35~40HRC 片间距/nm 150~450 80~150 30~80 能分辨片层的 放大倍数 ＜ 5 00× ＞1000× ＞2000×
… … … 孪晶…（片状M） … … … …较差。
◆ 由于M体的亚结构很大程度上由C%决定，所以C%仍 是决定M体塑性、韧性的主要因素。
③ M体的其它性能
a磁性：铁磁性。 b电阻：电阻率大于P体，与A体接近。 C%↑ ，ρ↑ c比容最大：M>F>A的，淬火时易开裂. d热膨胀系数:(12～14)×10-6mm/mm.℃，比A小1/3。
（2）扩散控制长大
新相生成时有成分变化
u=dx/dt=( C/x)D/(C-C)
9.1.5 相变动力学
1. 形核率 2. 等温转变曲线
9.2 扩散型相变
9.2.1 调幅分解
9.2.2 过饱和固溶体的脱溶
脱溶：从过饱和固溶体内沉淀出稳定或亚稳定的沉淀相 后，基体成为接近平衡浓度的转变。
（一）脱溶的分类
② 片状马氏体
a存在于高、中碳钢和高镍的铁镍合金中
b形态：双凹透镜状（二维针状，竹叶状） c亚结构：孪晶
d片状M体中的微裂纹
③影响马氏体形态的因素
A Fe-C合金：C%是主要因素
WC〈0.2%，板条马氏体 WC >1.0%, 片状马氏体
0.2%<WC<1.0%,混合组织，含碳量增加,片状M体量增加,
（+Fe3C ）共析转变产物→高温转变
转变温度：A1~550℃
形成包括：一是铁、碳原子的扩散 二是晶格重组
1.珠光体的组织形态与性能
珠光体 片状P体 片状P体 索氏体（S）
屈氏体（T）
粒（球）状P体
（1）珠光体片层间距S0
S0由珠光体形成温度决定：T越低，S0越小。 S0 =8.02/ΔT ×103 (nm)
（3）空位形核
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。）
（4）层错形核
9.1.4 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 变 长 大
台 阶 式 长 大
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） u=exp(-Q/kT)[1-exp(-△Gv/kT)]
条状M体减少. b 凡缩小A区的合金元素,促进板条M体形成.
扩大… … … … … …
片状… … …
c A体成分不同时, MS不同。使MS下降的因素,促进片状M体. d 一定成分的A体因冷速不同，MS不同。快冷MS降低，促进片 状M体。 e 奥氏体бS越高，M体形成阻力大—易形成片状M
（3）马氏体的性能 ① 强度和硬度
9.1.3 固态相变时的形核
核胚 晶核 均匀形核 非均匀形核
1. 均匀形核
2. 非均匀形核
（1）晶界形核
结构混乱，降低
易扩散、偏析，利于扩散相变 新相/母相形成共格、半共格界
面降低界面能
新相生成处位错消失，能量释放，提高驱动力
（2）位错形核
……位错不消失，可作为半共格界面的形成部分 易于发生偏聚（气团），有利于成分起伏 易于扩散，有利于发生扩散型相变促进扩散
界面。
9.2.3 共析转变
1、共析转变的形核与生长 2、共析体的片间距
9.3 无扩散相变
相变前后只是晶体结构发生变化而成分不改变。相变 过程中原子可采用无扩散切变方式完成晶格改组，也可 借助热激活靠短程扩散跨过相界面完成相变。
9.3.1 陶瓷的同质异构转变
1、重构型相变：原化学键破坏，原子靠近程扩散重新排列，
化学成分不变。如马氏体转变，Fe,C都不扩散。
C扩散。
（3）半扩散型：既有切变，又有扩散。如贝氏体转变，Fe切变，
9.1.2 固态相变的特征
1.相变阻力大 固态相变时系统的自由能变化：
△G＝V△Gv+S+ V
驱动力 阻力
界面能增加
相变阻力大
额外弹性应变能：比体积差
固态相变
扩散困难（新、旧相化学成分不同时） 困难
2、根据脱溶相与母相之间的界面性质分类
（1）共格脱溶：当脱溶相与母相的晶体结构和点阵常数相
近或反应温度较低时，两相之间易保持共格。新相呈圆盘、 片状或针状析出，以减少应变能。 （2）非共格脱溶：新相呈等轴状析出，以减少界面能。 3、根据脱溶相的分布状况分类 （1）普遍脱溶：脱溶在整个固溶体中基本同时发生，在母相 中均匀分布。
a M体的强度硬度主要取决于C%
b 合金元素对强（硬）度影响很小。 ◆ M体强硬化机制： a 固溶强化 过饱和固溶产生大的应力
场，应力场与位错交互作用阻
碍位错运动。 b 相变强化 亚结构阻碍位错运动。
c 时效强化 C原子短程扩散、偏聚、钉扎位错。 应变时效：钢冷变形后在室温放置或稍加热时， N以氮化物形式存在使强度硬度升高
2 马氏体相变特点
（1）无扩散性
a A→ M无成分变化，只有晶体点阵改变。
b 转变可在很低温下以极快速度进行，5×10-5～ 5×10-7S （2）切变性与表面浮凸现象 宏观证据：表面浮凸。
（3）具有一定的晶体学位向关系和惯习面 钢中已观察到的有K-Ｓ关系： {011}M‖{111}r , <111>M‖<101>r 此外还有西山关系，Ｇ-Ｔ关系。 （4）转变是在一个温度范围内完成的 必须连续从MS→Mf以下才能得到全部M体，在其间任一温度都
4. 按相变时能否获得平衡组织
（1）平衡相变 （2）非平衡相变
5. 按相变方式分类
（1）有核相变：有形核阶段，新相核心可均匀形成，
也可择优形成。大多数固态相变属于此类。
（ 2 ）无核相变：无形核阶段，以成分起伏作为开端， 新旧相间无明显界面，如调幅分解。
6. 按相变过程中原子迁移情况
（1）扩 散 型：依靠原子的长距离扩散；相界面非共格。如珠 光体、奥氏体转变，Fe,C 都可扩散。 （2）非扩散型：旧相原子有规则地、协调一致地通过 切变转移到新相中；相界面共格、原子间的相邻关系不变；
相变所需激活能高，较难发生，转变速度缓慢，常有高温
相残留到低温的倾向。 2、位移型相变：不破坏原化学键，只需构成晶体的离子沿 特定的晶面晶向整体地产生有规律的位移，使结构发生畸 变就可完成相变。不需扩散，转变速度非常快。
9.3.2 块型转变
9.3.3 马氏体相变
A体快速冷却到MS以下转变为M体，M体转变是非扩散性
转变，是FCC的A体瞬间原子切变为BCC的过饱和铁素体。
1.马氏体的结构、形态与性能 （1）马氏体的晶体结构 M体本质：C在α-Fe中过饱 和的间隙固溶体。
M体的晶体结构： BCC，FCC，