第1章 金属固态相变基础
第一章 金属固态相变概论
• 长大速率与原子的扩散系 数、新相 / 母相界面上母 相一侧的浓度梯度成正比， 而与新相与母相间的浓度 差成反比。 • 温度下降，溶质在母相中 的扩散系数急剧减小，故 新相的长大速率降低。
晶界控制型长大
界面迁移速率
Q GV v exp( )[1 exp( )] kT kT
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
第一章
金属固态相变概论
第一节 固态相变的主要类型 一、 平衡转变 1. 同素异晶转变 纯金属在一定的温度和压力下，由一种结 构转变为另一种结构的现象称为同素异晶 转变。 若在固溶体中发生这种结构的转变，则称 为多形性转变。 F A
马氏体与奥氏体的晶体学关系： {011}α’ // {111}γ <111> α’ // <011> γ
3.第二相的形状 与应变能的关系
比容差应变能-----新相形成时体积变化受到母相约束而产生的弹性应变能 比重 比容
完全共格相界的应变能
• 当沉淀相的切变模量 μ 较小时，球状沉淀相的应 变能最大，柱状次之，片状最小，若只考虑应变 能，则新相倾向于呈片状析出； • 当沉淀相的切变模量 μ 较大时，片状沉淀相的应 变能最大，柱状次之，球状最小，若只考虑应变 能，则新相倾向于呈球状析出。
1.等温相变动力学
• Johnson-Mehl方程
3 3 N ln(1 f ) (4 / 3)G (t ) d t
3 4 f 1 exp( G Nt )
3
0
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。
金属固态相变基础
09:39:01
《热处理原理及工艺》
第一节 金属固态相变的主要类型
一、固态相变的分类 3.按相变过程中原子迁移情况分类 ⑵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； 化学成分不变。也称协同型转变。 （如马氏体转变，Fe，C都不扩散。） ⑶半扩散型：既有切变，又有扩散。 （如贝氏体转变，Fe切变，C扩散。）
09:39:01
《热处理原理及工艺》
第二节 金属固态相变的主要特点
一、新相和母相间存在不同的界面（相界面特殊） 1.共格界面
09:39:01
《热处理原理及工艺》
第二节 金属固态相变的主要特点
一、新相和母相间存在不同的界面（相界面特殊） 2.半共格界面
09:39:01
《热处理原理及工艺》
09:39:01
《热处理原理及工艺》
第一节 金属固态相变的主要类型
一、固态相变的分类 2.按平衡状态图分类 ⑹调幅分解——某些在高温下具有均匀单相固溶体组 织的合金，冷却到某一温度范围内时，可分解为两种结 构与原固溶体相同但成分有明显差别的微区的转变称为 调幅分解。 ⑺有序化转变——固溶体中，各组元原子的相对位置 由无序到有序的转变过程称为有序化转变。
《热处理原理及工艺》
第二节 金属固态相变的主要特点
五、易出现过渡相（过渡相（中间亚稳相）的形成） 固态相变阻力大，直接转变困难 协调性中间产物 （过渡相） ＋Fe3C M +Fe3C +(3Fe+C)
例
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《热处理原理及工艺》
第三节 固态相变的形核
一、均匀形核（能量条件） 1.形核时的能量变化 相变驱动力 ⑴化学自由能（Δ Gv） Δ Gv～T曲线 随成分变化
14第一章 金属固态相变基础
2 2 V V V V V V 等压膨胀系数 TP V P P TT V T P
一级相变
二级相变
一级、二级相变时，两相的自由能、熵及体积的变化
S T P
第一章 金属固态相变基础
§1 金属固态相变概论
1 相和相平衡
相：相是系统中均匀的（成分和性质相同或者 连续变化）、与其他部分有界面分开的部分。
描述相的稳定性——Gibbs自由能
G H TS
相平衡的条件：
GP,T minGP,T
非稳定态：不存在这种能垒， 则体系处于非稳定态，它一定 会转变为平衡态或亚稳态。
(2) 平衡脱溶转变
定义：高温过饱和固溶体缓慢 冷却过程中析出第二相的过程 表达式： α→ α′+θ 特点： (a) 新相的成分和结构始终 与母相的不同； (b) 母相不会消失。 钢中？
可发生脱溶转变的合金
例：钢冷却时A中析出Fe3CⅡ或F中析出Fe3CⅢ的过程
（3）共析转变
定义：合金冷却时，由一个固相同时析出两个 不同晶体结构固相的过程称为共析转变。 表达式： γ →α+β 钢中？ 例：钢中的珠光体转变
亚稳态相：相的自由能并不处 于最低，但是与最低自由能态 之间有能垒相分隔；
平衡相：相的自由能最 低时——该相稳定 相平衡关系的描述—相图
两相平衡时——各元素在两相中的化学位相等 B元素在相 中的化学位
P E
A元素在相 中的化学位
G
G
A元素在相 中的化学位
B元素在相 中的化学位
x
2.4.2 不平衡转变
(1) 伪共析转变 定义：接近共析点成分的合 金，过冷到共析点以下发生 共析转变的过程。
1第一章 固态相变概论
30
ii.非共格晶界形核
31
令： 2 cos
则G*hetero
=
16 3
（3 1
S S
）3
（Gv-）2
界隅形核达到零形核功的最小，最容易形核
32
各类晶界非均匀形核的形核率
I n ( )3i exp( Q ) exp( AiG *homo )
35
小结： 晶体缺陷形核的难易：
最难:均匀形核——空位——位错——层错—— 晶界/相界——自由表面：最易
36
1.2.3 金属固态相变的晶核长大 1.新相长大的机制 相长大过程是界面不断向母相迁移的过程。 涉及或不涉及原子的扩散
37
（1）共格/半共格界面的迁移机制
非扩散型（协同）长大机制 非热激活过程 对温度不敏感
即固态相变需要大过冷
ii.固态相变的临界晶核尺寸、临界形核功
新相的比表面能σ和单位体积的弹性应变能ε显著 影响临界晶核。 σ 、ε增大将增加形核困难
25
(2) 均匀形核率
I=n exp( Q ) exp( G *)
kT
kT
n : 单位体积中母相的原子数
: 原子振动频率
Q:原子扩散激活能
α
可以证明，临界晶核半径：
β
r* 2 Go
*
V hetero *
V homo
f ()
2 3cos cos3
2
其中： cos 2
0 f ( ) 1
29
非均匀形核更容易进行
大角度晶界是形核的重要位置 新相晶核与母相的界面可以是共格的或非共格的。 i.一侧共格的界面晶核
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。
16
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
17
淬火
退火 温 度 时效/回火
1 金属固态相变基础
非稳定相：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。
相变：在均匀一相或几个混合相内，出现
具有不同成分或不同结构（包括原子、离 子或电子的位臵或位向）或不同组织形态 或不同性质的相，称为相变。 固态相变：固态材料在温度和压力改变时 发生的相变。
1.1.2 金属固态相变的主要分类 1、按热力学分类:一级相变和二级相变
举例：
马氏体总是在奥氏体{111} 晶面上形成， 则{111}A为惯习面. 密排面{110} 与奥氏体密排面{111}A相平行 密排方向<111>与奥氏体密排方向<110>A相平行 则取向关系为：{110}||{111}A；<111>||<110>A
取向关系与相界面的关系：
当新相与母相间为共格或半共格界面时， 两相间必然存在一定的晶体学取向关系； 若两相间无一定取向关系，则其界面必 定为非共格界面； 但有时两相间虽然存在一定的晶体学取 向关系，也未必都具有共格或半共格界面， 生长时共格或半共格界面破坏。
五、晶体缺陷的作用
与液态金属不同，固态金属存在各种晶体 缺陷，如空位、位错、晶界等。在缺陷周围有 点阵畸变，储存畸变能，在固态相变时，释放 出来作为相变的驱动力，对固态相变起促进作 用。 具体作用： (1) 新相往往在缺陷处形核，提高形核率。 (2) 促进扩散过程，促进晶核生长。
六、 原子的扩散
(三) 非共格界面： 两相在界面上由于错配度大，无匹配关系。 特点：界面能高，应变能低。
二、两相间的晶体学关系（位向关系 与惯习面）
固态相变时新相与母相往往存在一定的晶体学关系。 惯习面：新相往往在母相一定的晶面族上形成，这种 晶面称为惯习面。 特征：(1) 惯习面上新相和母相的原子排列很相近， 能较好地匹配，有助于减少两相间界面能。 (2) 惯习面往往为新相主平面所平行的母相晶 面。 位向关系：新相、母相某些低指数晶面和晶向的对应 平行关系。
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
固态相变知识点整理 辽宁科技大学
第1章：奥氏体的形成1.金属固态相变的基础⑴热力学原理（自由能下降）：固体中有元素扩散、自由能最低原则、降低自由能的过程⑵动力学原理（时间和温度）：成份起伏，结构起伏，能量起伏→相变过程（形核、长大）发生相转变2.奥氏体的形成⑴热处理：通过加热、保温和冷却的方法，改变金属及合金的组织结构，使其获得所需要的性能的热加工工艺。
⑵奥氏体化：钢加热获得奥氏体的过程。
⑶奥氏体形成的热力学条件系统总的自由能变化ΔG：ΔG=-ΔG V+ΔG S+ΔGεΔGV——奥氏体与旧相体积自由能之差；ΔGS ——形成奥氏体时所增加的表面能；ΔGε——形成奥氏体时所增加的应变能ΔG<0，形成奥氏体。
⑷实际加热时临界点的变化加热：偏向高温，存在过热度；A C1，A C3，A CCm冷却：偏向低温，存在过冷度。
A r1，A r3，A rCm3.奥氏体的组织、结构⑴奥氏体的组织通常由多边形的等轴晶粒所组成，有时可观察到孪晶。
⑵奥氏体的结构①具有面心立方结构。
（奥氏体是C溶于γ-Fe中的固溶体。
合金钢中的奥氏体是C及合金元素溶于γ-Fe中的固溶体。
）②C是处于γ-Fe八面体的中心空隙处，即面心立方晶胞的中心或棱边的中点；③最大空隙的半径为0.052nm，与C原子半径（0.077 nm）比较接近。
C原子的存在，使奥氏体点阵常数增大④实际上奥氏体最大碳含量是2.11%（重量）4.奥氏体的性能⑴顺磁性。
用于相变点和残余奥氏体含量的测定等。
⑵比容最小。
也常利用这一性质借膨胀仪来测定奥氏体的转变情况。
⑶线膨胀系数最大。
利用奥氏体钢膨胀系数大的特性来做仪表元件。
⑷奥氏体的导热性能最差（除渗碳体外）。
奥氏体钢要慢速加热。
⑸奥氏体的塑性高，屈服强度低。
5.奥氏体的形成机制⑴奥氏体的形核①在铁素体与渗碳体的界面处依靠系统内的成分起伏、结构起伏和能量起伏形成。
②奥氏体形核于相界面处的原因：Ⅰ界面处碳浓度差大，有利于获得奥氏体晶核形成所需的碳浓度。
【固态相变原理】第一章 金属固态相变基础1
共格界面示意图
两种情况，两种后果
理想共格界面（如孪晶界）：其弹 性应变能和界面能都接近于零。
非理想共格：实际上，晶体结构或 点阵常数总是存在差异，完全共格是 强制性的，相界面附近必将产生弹性 应变。
➢固态相变的特性
1．相界面 2．位向关系与惯习面 3．弹性应变能 4．过渡相的形成 5．晶体缺陷的影响 6．原子的扩散
➢固态相变的特性——1. 相界面
相界面
共格界面 半共格界面 非共格界面
共格界面：界面上原子所占位置恰 好是两相点阵的共有位置，或界面 上原子为两相所共有，或界面上两 相原子完全匹配。
原子扩散速度快、相变 应力容易被松弛
形核容易
位错形核更次之
晶界非均匀形核 最小
➢固态相变的特性——6.原子的扩散 固态中原子的扩散速度远远低于
液体原子，所以，原子扩散速度对固 态相变影响很大。
有成分变化的相变，原子迁移率 （温度）是相变速度的控制因素。
温度是影响固态相变中原子扩 散的绝对因素，而温度对冷却时发 生的相变有戏剧性影响。可能使相 变类型发生变化
二级相变
相变时新旧两相的化学势相等， 且化学势的一级偏微商也相等， 但化学势的二级偏微商不等的相 变称为二级相变。
已知：
γ等温压缩系数;ε等压膨胀系数;Cp等压比热
发生二级相变时，无相变潜热和 体积的变化，只有比热，压缩系数 和膨胀系数的不连续变化。磁性转 变，有序化等属于二级相变。
Fig.1-1-3 Relationship of thermodynamic functions with temperature. b) second order phase transition.
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
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。
第1章_金属固态相变基础总结
（2）非平衡相变
贝氏体相变 非平衡脱溶沉淀
9/74
1.1 金属固态相变的主要类型
1.1.2 按平衡状态图分类 1.平衡转变
固态金属在缓慢加热或冷却时发生的能获得符合相 图所示压力改变时，由
一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程叫做同素 异构转变。
②多形性转变——固溶体的同素异构转变称为多形性
体转变的独特的不平衡转变，称为贝氏体转变，又称
为中温转变。 贝氏体转变产物的组成相是相和碳化物，但相的 形态和碳含量以及碳化物的形态和分布等均与珠光体 的不同，称为贝氏体。
19/74
1.1.2 按平衡状态图分类 2. 非平衡转变
④ 非平衡脱溶沉淀
若合金C0自T1温度采取快冷，则相来不及析出，待冷 到室温时便得到一个过饱和固溶体。如果在室温或低于 MN线的温度下，溶质原子尚具有一定扩散能力，则在上 述温度停留期间，过饱和固溶体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级阶段，在成分 和结构上均与平衡沉淀相有所不同，这种相变称为不平衡 脱沉淀（也称为时效）。在低碳钢和铝、镁等有色合金中 会发生这种转变。
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1.2 金属固态相变的主要特点
1. 相界面特殊（新相和母相间存在不同的界面）
金属固态相变时，新相与母相之间的界面与金属凝固 过程中的液固界面不同，为两种晶体的界面；与一般的 晶粒边界也不相同。 根据界面上两相原子在晶体学上的匹配程度，相界面 可以分为： 共格界面 半共格界面
非共格界面
25/74
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1.1.2 按平衡状态图分类 1.平衡转变 ④共析转变——冷却时由一个固相分解为两个不同
固相的转变称为共析转变。
共析转变可以用反应式 +表示。共析转变生 成的两个新的成分和结构 都与母相不同。钢在冷却 时由奥氏体转变珠光体 （铁素体与渗碳体的混合 物），即属这种转变。
第一章固态相变基础
V P T
T
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2，二级相变
相变时新旧两相的化学势相等，其一级偏微商也相等，即S＝ S， V ＝V，但二级偏微商不等，
2 T 2
2 P 2
2 2 P T
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图1-2 固态相变界面结构示意图 （a）共格界面 （b）半共格界面 （c）非共格界面
材料科学与工程学院界面Fra bibliotek的意义界面能的大小对新相的形核、长大以及转变后的组织形态有很 大影响。 若新相具有和母相相同的点阵结构和近似的点阵常数，则新相 可以与母相形成低能量的共格界面。此时，新相将成针状，以保持
生块状转变。
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多形性转变：纯金属中晶体结构的转 变，如纯铁中转变。这种 转变本身在生产上没有多少实际 意义，但以此转变为基础的 Fe 的 固溶体发生的固态相变是钢的热 处理的基础。
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→1+2
G * c* co exp( ) kT
ω ：包括原子振动频率与临界晶核面积的因子
Gm：每个原子的迁移激活能 f 晶核超过临界晶核的几率
G m f exp ( ) kT
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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。 材料科学与工程学院
-S T P
第一章金属固态相变基础
第一章金属固态相变基础固态相变：固态金属在加热和冷却过程中可能发生各种相的转变。
金属热处理：固态金属通过特定的加热和冷却，使之发生相、组织转变，获得所需组织性能的一种工艺过程。
1. 扩散型相变① 脱溶分解② 共析转变③ 有序化转变④ 块状转变⑤ 多型性转变⑥ 调幅分解贝氏体转变：钢中一种介于马氏体转变和珠光体转变之间的转变。
弹性应变能：新相与母相间存在点阵错配和体积错配时引起的应变能。
固态金属中存在各种晶体缺陷：如空位、位错、层错、晶界或亚晶界。
均匀形核：晶核在母相中无择优地任意均匀分布非均匀形核：晶核在母相的某些区域不均匀分布空位可通过加速扩散过程或释放自身能量提供形核驱动力而促进形核。
均匀形核位置；空位；位错；堆垛层错；晶界或相界；自由表面。
固态相变的特点一、相变阻力大二、新相与母相之间存在一定的晶体学位向关系三、新相习惯于在母相的一定晶面上形成——惯习现象四、扩散过程对相变的影响较大。
五、母相晶体缺陷对相变起促进作用六、易出现过渡相，有些反应不能进行到底，过渡相可以长期保留。
总之，在固态相变过程中表现出的各种特征都受控于既力求使自由能尽可能地降低又力求沿着阻力最小、做功最少的途径进行。
相变动力学：研究新相形成量(体积分数)与时间、温度关系的学科称为相变动力学。
吉布斯-汤姆斯(Gibbs-Thomson定律：相界面为曲面时，靠近相界面的母相中溶质原子的平衡浓度与曲面的曲率半径有关。
奥斯瓦尔德熟化在固态相变过程中，两个球形新相因半径不等导致其周围溶质原子浓度不等，溶质原子从小颗粒周围向大颗粒周围扩散，扩散的结果是，小颗粒逐渐溶解，大颗粒不断吸收来自小颗粒的溶质原子而长大，同时颗粒之间的距离将增加，位向关系：惯习面存在表明新相与母相存在一定晶体学位向关系。
新相与母相间为共格或半共格界面时，两相间必然存在一定的晶体学位向关系。
两相间无一定的位向关系，则其界面必定为非共格的。
存在晶体学位向关系，未必具有共格或半共格界面3. 纤维状组织的粗化纤维状组织的粗化较多地表现为以下两种方式。
金属固态相变1
第一章金属固态相变基础基本概念：固态相变、惯习面、共析相变、伪共析相变、调幅分解、TTT曲线、CCT曲线重点与难点：1、固态相变分类、固态相变的驱动力和阻力。
2、C曲线为何呈C形？影响C曲线的因素有哪些？3、根据C曲线判断冷却转变产物。
第二章钢中奥氏体的形成基本概念：奥氏体、晶粒度、起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度重点与难点：1、熟悉Fe-C相图。
2、奥氏体形成过程，晶核长大过程中C原子扩散？3、影响奥氏体形成速率的因素？4、影响奥氏体晶粒长大的因素？第三章珠光体转变基本概念：珠光体、片间距、珠光体团、索氏体、屈氏体、片状珠光体、粒状珠光体重点与难点：1、片状珠光体形成过程，晶核长大过程中C原子扩散？2、影响珠光体转变动力学的因素？3、珠光体的机械性能？第四章马氏体转变基本概念：马氏体、切变共格相变、Ms点、奥氏体的热稳定化、奥氏体的机械热稳定化重点与难点：1、板条马氏体和片状马氏体的形貌特征、晶体学特点、亚结构及其力学性能的差异？2、马氏体相变特征？2、影响钢中Ms点的主要因素？3、马氏体的机械性能？马氏体高强度、高硬度的原因？第五章贝氏体转变基本概念：贝氏体、切变共格相变、魏氏组织、上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体、无碳化物贝氏体重点与难点：1、比较上贝氏体和下贝氏体的组织特征与性能特点。
2、贝氏体相变特征？3、影响贝氏体相变动力学的主要因素？第六章钢中的回火转变基本概念：回火、二次淬火、二次硬化、调质处理、回火马氏体、回火索氏体、回火屈氏体、第一类回火脆性、第二类回火脆性重点与难点：1、简述回火过程的几个阶段。
2、第一类回火脆性和第二类回火脆性产生原因？如何避免？3、比较索氏体与回火索氏体、屈氏体与回火屈氏体的组织及性能的区别。
第七章合金的脱溶沉淀与时效基本概念：脱溶（沉淀）、固溶处理、时效、淬火时效、回归重点与难点：1、以Al-Cu合金为例，说明时效过程中过渡相和平衡相的形成过程。
2、简述三种时效硬化机制。
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参考教材
《热处理工程基础》 陆 兴 主编 《金属材料热处理》 邓至谦 主编 《金属热处理》 李松瑞 主编 《金属与合金中的固态相变》 陈景榕 主编
4
绪论
引言 热处理的发展历史 热处理的作用 金属热处理的方法与工艺
5
引言
• 人类的发展史与金属材料的应用及其发展紧密相 连。在工程领域，金属材料一直是工程结构材料 的主体 • 金属材料在工程结构材料中的主体地位受到挑战 • 致力于发展高性能金属材料，克服不足是金属材 料未来发展的一个重要方向 • 如何通过新的原理和技术强化金属材料并且尽量 少损失其塑性和韧性是金属材料热处理研究的重 要课题
图1一种可热处理强化有色金属板带的生产
流程示意图。
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铸锭
均匀化
热轧
中间退火 冷轧
热处理的过程 完工退火 时效 矫直 淬火 剪切
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2.热处理的主要作用和目的
① 改善工艺性能，保证后道工序顺利进行。 均匀化退火可以改善热加工性能；
中间退火可以改善冷加工性能； 用高碳钢制造的刀具，正火和球化退火是 保证机械加工性能要求的必不可少的工序。
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② 提高材料的使用性能，充分发挥材料潜力。 航空工业中应用广泛的2A12铝合金，经淬火 和时效处理后，抗拉强度可从196 MPa提高到
392~490 MPa。
共析碳钢经热轧空冷，硬度仅为HRC 25左
右，加工成刀具后再进行淬火和低温回火，硬
度可达HRC62 以上，抗拉强度可达1372 MPa。
热处理工程基础
梁顺星
1
课程特点
内容复杂、理论性强、名词概念多。该课程涉及金 属学、材料学、力学、物理学、化学及工艺学等多 方面的基础知识，是一门综合性很强的课程。
课程实践性强，应用面广。
2
课程学习意义
为从事金属材料工程相关的工艺设计、产品研发、 质量检测与管理工作做好理论准备。 为以后继续在金属材料领域深造打下坚实的基 础。
术及热力 学的发展 快速的促 进了热处 理的发展
9
热处理在金属材料生产中的作用
1.热处理的定义
所谓热处理，是指借助一定的热作用（有 时兼之以机械作用、化学作用或其他作用）来 人为的改变金属材料内部的组织和结构，从而
获得所需要性能的工艺操作。
10
在各种金属材料和制品的生产过程中，热处 理是不可缺少的重要环节之一。
从无序过渡到有序的过程，称为有序化转变。
Ti-Al、Cu-Zn、Au-Cu等合金中均可发生这 种转变
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非平衡相变 a.伪 共 析 转 变 ： 接 近 共析点成分的合金， 过冷到共析点以下 发生共析转变的过 程 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
图1-2 Fe-Fe3C相图的伪共析区
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举例：过饱和固溶体的形变时效处理
工艺：
淬火（固溶） Biblioteka 冷变形 ↓ 时效2A23铝合金室温拉伸性能与预变形量的关系
30
均匀化退火
退火 基于回复、再结晶的退火
基本热处理
淬火 热处理 化学热处理 形变热处理
基于固态相变的退火
有多型性转变的淬火和回火 （或时效）
时效 /回火 无多型性转变的淬火和时效
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b.马氏体相变：合金在快冷时，若能避免其发 生扩散型转变，则将无需原子的扩散，以一 种切变共格的方式实现点阵的改组，而转变 为马氏体
c.块状转变：在一定的冷速下奥氏体转变为与 母相成分相同而形貌呈块状的α相的过程
通过原子的短程扩散使非共格相界面在母相 中推移
45
d.贝氏体相变：在珠光体转变与马氏体转变温度 范围之间（中温），铁原子不能扩散，碳原子 可以扩散 过冷奥氏体转变为由铁素体和渗碳体组成的非 层片状组织 — 贝氏体
有多型性转变的淬火：淬火时金属合金的晶体结 构类型发生改变，如马氏体相变。
23
与基于固态相变的退火相似，淬火的先决
条件是必须在固态下有相变，如多型性转变或 第二相的溶解和析出（即固溶度随温度降低而 减小）。但与退火不同，在大多数情况下要快 冷，使淬火时无扩散过程发生。或扩散不是过
程的控制因素。
相图上有多型性转变或随温度升高固溶度增
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：脱溶分解、共析转变、有序化转变、块状转变、 多型性转变、调幅分解
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2. 非扩散型相变
相变不需原子扩散，原子的运动不超过一个原子 间距。
非扩散型相变是在足够快的冷却速度下(即淬火) 由于原子没有时间进行扩散型相变引起的。
括消除应力退火。
20
c.
基于固态相变退火
是一种以固态金属经高温保温和冷却所发生扩散 型相变为基础的热处理。 与均匀化退火及基于回复和再结晶退火的主要 区别是后者并不以固态相变为先决条件，或者不 发生任何固态相变，而前者的先决条件和基本过
程则是扩散型固态相变。如多型性转变、共析转
变、加热时第二相溶解和冷却时第二相析出等。
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第一部分 热处理原理
33
第一章金属固态相变基础
固态相变：金属或陶瓷等固态材料在温度和压力改变 时，其内部组织或结构会发生变化，即发生从一种相 状态到另一种相状态的改变。 旧相（母相）：相变前的相状态 新相：相变后的相状态
34
第一节 金属固态相变的主要类型
35
一、按相变过程中原子运动特点分类
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。
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e. 有序化转变： 固溶体中，各组元的相对位置
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。
21
② 淬火
将金属合金从固态下的高温状态以冷却或过
饱和的形式固定到室温，或使高温相在冷却时
转变成另一种晶体结构的亚稳状态，称为淬火。
22
根据淬火金属合金内部所发生的过程，又可以 分为两种：
无多型性转变的淬火：淬火仅仅是使高温相以过
冷或过饱和状态固定到室温。在淬火过程中晶
体结构不发生变化，一般称为固溶处理。
14
金属热处理的方法与工艺
热处理过程：加热、保温、冷却
1.基本热处理 2.化学热处理 3.形变热处理
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1. 基本热处理
定义： 基本热处理，也称常规热处理，是指以热作
用为主要过程的热处理，即只有热作用对金属
材料的内部组织、结构、状态和性能起决定性
的影响。
特点：在热处理前后，材料的化学成分、形 状和尺寸并不发生大的变化。
部的含碳量差别非常大。
• 这些技术都是当时的“独门秘术”不肯外传，发展缓慢
7
实验科学阶段 • 从1665年到1895年，随着显微技术的发展，热处 理向实验技术发展 • 法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论以及英 国人奥斯汀最早制定的铁碳相图奠定了现代热处 理的初步理论基础。 • 金相学应用于材料热处理促进热处理的研究 • 金属热处理工艺的研究
例如，马氏体相变。
37
3. 半扩散型相变
半扩散型形变介于扩散型相变和非扩散型相变 之间。
如：钢中的贝氏体相变，这种相变介于马氏 体转变和珠光体转变之间。此时铁原子扩散已 经极其困难，但碳原子还能扩散，其转变产物 也是相和碳化物的混合物。
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二、按平衡状态分类
平衡相变：在缓慢加热或冷却时所发生的符合平 衡相图的相变。 a. 同素异晶转变：纯金属在一定的温度和压力下， 由一种结构转变为另一种结构的现象称为同素异 晶转变。 （δ→γ→α） 若在固溶体中发生这种结构的转变，则称为多形 性转变。如钢在冷却时由奥氏体中析出先共析铁 素体的过程 。（亚共析钢）
加的合金，原则上都可以进行淬火处理。
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淬火的主要目的是为了获得过饱和固溶体， 为随后的时效或回火做好准备。有些合金在淬 火状态具有良好的塑性，因而这些合金的淬火
可作为冷成型前的软化操作，如矫直、成型等。
此外，少数合金在淬火后具有最佳的性能，淬 火就是这种合金最终热处理形式。
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③ 时效或回火 室温保持或加热使过饱和固溶体分解的热处理， 称为时效或回火。 无论合金有无多型性转变，淬火得到的过饱和 固溶体，都是具有较高能量状态的亚稳相，经过 时效或回火处理，它就会通过过饱和固溶体的分 解来实现向较低能量的稳定状态转化。 注意：时效和回火是合金淬火的后续工序， 没有淬火，就没有所谓的时效或回火。利用淬火 和时效，或淬火和回火，可赋予合金优良的综合 性能。
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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
时间
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① 退火
a. 均匀化退火（扩散退火）：
是用于消除或减少铸态合金非平衡状态的热处 理。其基本过程和主要目的是借助高温时合金内
8
热处理理论科学研究阶段
美国的
J.Willard Gibbs提出 相平衡的 热力学理 论