1-2金属固态相变的主要特点

2.2界面能
界面能 σ由结构界面能σst和化学界面 能σch组成。即：σ=σst+σch 结构界面能是由于界面处的原子键合被
切断或削弱引起了势能的升高，形成的 界面能。， 化学界面能是由于界面原子的结合键与 两相内部原子键合的差别，导致界面能 量升高。
两相界面上原子排列的不规则性将导
致界面能的升高，所以非共格界面能 最大，约为1J/m2左右；半共格界面能 次之，不超过为0.5J/m2；共格界面能 最小。约为0.1J/m2
一般地说，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；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。
2.5弹性应变能
固态相变时，当新相与母相间存在点 阵错配和体积错配时所引起的应变能， 称为弹性应变能。
（1）点阵错配：新相和母相的晶体结 构和位向相同，但点阵常数不同，由 此在所形成的共格界面附近产生弹性 应变的现象。而产生的应变能称为共 格应变能。
2.4新旧两相之间的位向关系
固态相变时，为了减少新相与母相间的界面能， 新相和母相之间的晶面和晶向往往存在一定的位 向关系，它们常以低指数的、原子密度大而又彼 此匹配较好的晶面相互平行。例如，钢中面心立 方奥氏体转变为体心正方马氏体时，母相奥氏体 的行密密，排排母方面 相 向(奥<111氏111）体> γα的与相密新平排相行向马。<氏1它1体0称>的为γ密K与排一新面S相位(1马向10氏关) 体α系平的。
δ <0.05两相可以构成完全共格界面； δ大于o．25时易形成非共格界面； δ 介于0.05到0.25之间，则形成半共格界 面。
显然，共格应变能以共格界面最大，半 共格界面次之，非共格界面为零。
共格晶界的界面能很小，但因晶界附近有 畸变，所以弹性畸变能大。这是共格界面
的特点。共格晶界必须依靠弹性畸变来维 持，当新相不断长大而使共格界面的弹性 畸变能增大到足够量时，也可能超过母相 的屈服极限而产生塑性变形，结果使共格 联系遭到破坏。
点阵错配度δ ：相邻两相界面处原子 间距的相对差值。 δ =Δa/a。a表示 其中一相沿平行于界面的晶向上的原子 间距， Δa表示两相在此方向上的原子 间距之差。显然， δ越大，则弹性应 变能越大，当δ增大到一定程度时，便 难于继续维持完全共格，于是将在界面 上产生一些位错，以降低界面的弹性应 变能，这时界面上的两相原子变成部分 地保持匹配。
（a)原子列；
(b)界面上的原子接合
只有孪晶面才是理想的完全共格界面，因为界面 两侧是相同的一相，因此不产生弹性应变。实际 上两相点阵总是有些差别的，或点阵类别不同， 或点阵参数不同，因此两相界面完全共格时必将 产生弹性应变。
当两相之间的共格联系依靠正应变来持维持 时，称为第一类共格；而以切应变来维持时称 为第二类共格，晶界两侧都有一定的畸变。(a) 图为正应变，靠近晶界处一侧受压缩，另一侧 受拉伸。(b)图为切应变，晶界附近有晶面弯曲
2.6晶体缺陷的作用
大多固态相变的形核功较大，晶内存在的缺陷 （晶界、位错、空位等）对固态相变具有明显 的促进作用。从能量的角度出发，晶界处形核 最容易，其次分别是位错和空位。
2.7原子的扩散
固态相变中原子的扩散速度是控制相变的主要 因素，它受温度的影响很大，当ΔT增大，相 变驱动力增大，相变速度也增大，但当ΔT很 大时，相变温度低，原子扩散速度降低，相变 速度反而降低。 ΔT增大到一定值时，原子扩 散受抑制，发生无扩散型相变，形成亚稳定的 过渡相。如奥氏体快冷转变为马氏体。
2.6过渡相的形成
稳定态和亚稳定态
对于一定的热力学条件，只有当某相的自由 能位最低时，该相才是稳定的且处于平衡态；
若某相的自由能虽然并不处于最低，然而与 最低自由能态具有能垒相分隔，则该相处于 亚稳平衡态；
若不存在这种能垒，则体系处于非稳定态， 这种状态是不稳定的，它一定会转变为平衡 态或亚稳态。
(a)第一类共格界面
(b)第二类共格界面
b 半共格界面：界面两侧的原子间距不 同，只有部分原子能够依靠弹性畸变 保持对应，不能匹配的位置上形成若 干刃型位错。如图
原子列，新相膨胀
界面上的原子接合，新相收缩
•c非共格界面
•两相原子间距差别太大，界面完全不吻合，界 面上存在大量缺陷，原子排列很不规则，如图
由相变热力学知道，相变是由于新旧相自由能 差引起的。当稳定态的新相与母相晶体结构差 异较大时，形成高能量的非共格界面，此时新 相晶核尺寸很小，界面能对形核的阻碍作用很 大，母相不能直接转变为自由能最低的稳定态， 而是先形成晶体结构或成分与母相比较接近， 自由能比母相稍低的亚稳定过渡相，随温度的 升高或室温下放置的时间足够长，亚稳定相有 继续转变为稳定相的趋势。
第二节:金属固态相变的基本特征
金属固态相变与液态金属结晶一样，其相变驱动力 也来自新相与母均为固态，故有以 下几个特点。
2.1相界面
新旧相界面分为三类：共格界面，半共格界面，非 共格界面。
a 共格界面 ；两相界面上的原子排列完全吻合， 即界面上的原子为两相所共有 。如下图所示
例如，钢在过冷度很大时，生成新相的临界尺寸 很小，单位体积新相有较大的表面积，因此，界 面能对成核的阻碍作用很大。为降低成核功，多 形成界面能较低的共格界面的过渡相，使成核容 易进行。钢中下贝氏体的ε碳化物与基体共格即属 于这种情况。
过渡相虽然在一定条件可以稳定存在，但其自
由能仍高于平衡相，有继续转变直至达到平衡相 为止的倾向。如果经过适当的热处理后获得的过 渡相组织在室温下使用，则这种趋向于平衡状态 的转变慢得可以忽略不计。但是，若合金处在高 温服役的条件下，这种情况便是不可忽视的。
a——为椭圆体赤道面直径,
c——旋转轴两极间的距离
新相形状与应变能的关系
旋转椭球体形成示意图
（3）相变阻力
(△G界面+△G弹性应变 )两项之和为相变阻力。 相变时哪一项阻力起主导作用取决于具体
条件。过冷度大，临界晶核尺寸小，单位 体 导 且 而△积作降G用新低界，相总面因的的的而降界形低易面核超取面功过共积。△格很反G界大之弹面，，性应以则过变降△冷的低G度增界△小加面G时起，界从主，面， △ 面 变新，G相弹此性易时应形变两起成相主片比导状容作，差用反别之，大形易时成形为球成降状非低。共△格G界弹性界应
2.3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，该晶面即称为惯习面。 通常以母相的 晶面指数表示。例如亚共析钢中，先共析铁索 体从粗大的奥氏体晶粒析出时，除沿奥氏体晶 界析出外，还沿奥氏体的(111)晶面析出，呈魏 氏组织。故(111)γ即为析出先共析铁索体的惯习 面。
惯习面可能是原子移动最小距离就能形成新相 的面
（2）体积错配
新相和母相的比体积不同,固 态相变时将发生体积变化,新 相受到周围母相的约束不能 自由涨缩而产生弹性应变能.
由比容差引起的应变能与新相粒子的几 何形状有关，下图给出非共格新相粒子 几何形状对应变能(相对值)的影响。设 将不同形状的新相看成旋转椭球体，由 图可见，圆盘形粒子所导致的应变能最 小，其次是针状，球形粒子引起的应变 能最大。