固态相变-4
固态相变
按相变方式分类
相变过程的实质
1、结构：同素异构、多形性、马氏体、
块状转变、 2、成分：调幅分解
3、有序化程度：有序化转变
4、结构和成分：贝氏体转变、共析、脱 溶沉淀
注意
同一种材料在不同条件下可发生不同的相变，从而获得不同的组织
和性能。
共析碳钢
平衡转变:珠光体组织，硬度约为HRC23；
快速冷却:马氏体组织，硬度达HRC60以上。
A1-4%Cu合金
平衡组织:抗拉强度仅为150MPa； 不平衡脱溶沉淀:抗拉强度可达350MPa。
由此可见，通过改变加热与冷却条件，使之发生某种转变继而获得
某种组织，则可在很大程度上改变材料的性能。
金属固态相变的一般特征
大多数固态相变（除调幅分解）都是通 过形核和长大过程完成的。因此，液态 结晶理论及其基本概念原则上仍适用于 固态相变。但是，由于相变是在“固态”
固体相变
重点内容：
① 相变的分类及相变分析；
② 液-固相变过程的热力学和动力学分析，晶 体生长过程动力学； ③ 固态相变的特点，固态相变的形核与晶核 长大。
1.基本概念 相变：指当外界条件如温度、压力等发生变化 时，物相在某一特定条件下发生的突变。 *狭义相变：过程前后相的化学组成不变， 即不发生化学反应。 如：单元系统中,晶体I晶体Ⅱ *广义相变：包括过程前后相组成的变化。 相变表现：1）从一种结构转变为另一种结构； 2）化学成分的不连续变化； 3）物质物理性能的突变。 应用：相变可以控制材料的结构和性质。
P T 1 T P
一般类型： 晶体的熔化、升华； 液体的凝固、气化； 气体的凝聚以及晶体中的多数晶型转变等。
结果：有相变潜热，并伴随有体积改变。
材料科学 固态相变热力学
对于界面形核，由界面张力平衡可知，界面能之间存在 下列关系：
固态相变热力学
若晶核为双球冠形，R为曲率半径，则有：
根据晶界形核的形核功W 公式，当W＝0有：
固态相变热力学
满足这一条件时，该二次方程式的解为＝2、 ＝－4。
由此可知，界面形核时，只要
形核便不再需要额外的能量！ 通过分析可知，界隅形核的能量障碍最小。然而，界隅能否成为优先
固态相变热力学
固态相变的形核
1、均匀形核
临界晶核、形核功
2、非均匀形核
晶界形核 界面 界棱 界隅
位错形核 空位形核
固态相变的晶核长大
1.新相长大机制
半共格界面的迁移机制 非共格界面的迁移机制
2.新相长大速度
无成分变化时的新相长大速度 成分变化时的新相长大速度
固态相变热力学
一 固态相变的形核
绝大多数固态相变都是通过形核和长大过程完成 的。形核过程往往是先在母相中某些微小区域内形成新 相所必需的成分和结构，称为核胚；若核胚尺寸超过某 一临界值，便能稳定存在并自发长大，成为新相晶核。
一侧共格的界面晶核
固态相变热力学
晶界形核系统自由能变化：
设为母相，为新相，则晶界形核时系统 自由能的总变化可表达为：
式中，S为相表面积；为相与相的单位界 面积的界面能；S为被相吞食掉的相晶界面积； 为相晶界的单位面积界面能。
固态相变热力学
晶界形核系统自由能变化：
可将上式整理为： 令＝/ ，由此可导出晶界形核的形核功W 为：
当表面能和弹性应变能 增大时，临界晶核半径rc增 大，形核功W 增高。
具有低界面能和高弹性应变能的共格新相核胚，倾向于呈盘状 或片状；而具有高界面能和低弹性应变能的非共格新相核胚，则易 成等轴状。但若新相核胚界面能的异向性很大（对母相晶面敏感） 时，后者也可呈片状或针状。
5. 固态相变
α
∂ G ≠ ∂p 2 T
2
β
T
∂ G ∂ G ≠ ∂T∂p ∂T∂p
2 2
α
β
由于
cp ∂ 2G ∂S 2 = − =− ∂T T p ∂T p
迁移使点阵发生改组。马氏体转变 固态相变不一定都属于单纯的扩散型或非扩散 型。
3. 按相变方式分类 有核相变和无核相变
有核相变：有形核阶段， （1）有核相变：有形核阶段，新相核心可均匀形 也可择优形成。大多数固态相变属于此类。 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，通过扩散偏聚的方 无核相变：无形核阶段， 式进行。以成分起伏作为开端， 式进行。以成分起伏作为开端，新旧相间无明显界 如调幅分解。 面，如调幅分解。
第五章
固态相变
第一节
总论
固态相变的定义：
固体材料的组织、结构在温度、压力、成分改 变时所发生的转变统称为固态相变。
一、固态相变的特点
驱动力: 大多数固态相变是通过形核和长大完 成的，驱动力是新相和母相的自由焓之差。 阻力: 界面能和应变能。
1. 相界面
a) 共格界面
b) 半共格界面
c) 非共格界面
晶粒1 晶粒2
新相
非共格界面 晶界
共格或半共格界面
晶界形核示意图
四、晶核的长大 1. 晶核长大的方式 “平民式”散漫无序位移 非协同型长大 “军队式”有序位移 协同型长大 2. 晶核长大类型
• 成分不变协同型长大 • 成分不变非协同型长大 • 成分改变协同型长大 • 成分改变非协同型长大 前两类无需溶质原子扩散，长大速度仅与界面点 阵重构过程有关，故晶核长大速度很快。
固态相变知识点总结
固态相变知识点总结固态相变（solid state phase transition）是指物质在固态下，由于温度、压力等外界条件的变化，使得物质的晶体结构和性质发生显著变化的现象。
固态相变分为一级相变和二级相变两种类型，其中一级相变又称为凝固、熔化或者升华相变，而二级相变则包括了铁磁性转变、铁电性转变、铁弹性转变等多种类别。
一级相变是指固态物质在相变过程中伴随着传热的明显变化，其自由能函数在温度、压力和摩尔体积或摩尔焓差范围内不连续变化。
一级相变包括了凝固、熔化和升华三种基本类型。
凝固是物质由液态转变为固态的一种相变过程。
在凝固的过程中，液体的分子排列变得有序，形成规则的晶体结构。
凝固点是物质在一定压力下的温度，当温度降低达到凝固点时，液体开始凝固。
熔化是物质由固态转变为液态的一种相变过程。
在熔化的过程中，固体的晶体结构破坏，分子之间的相互作用减弱，形成无序排列的分子结构。
熔点是物质在一定压力下的温度，当温度升高达到熔点时，固体开始熔化。
升华是物质由固态转变为气态的一种相变过程。
在升华的过程中，固体的晶体结构破坏，分子之间的相互作用减弱，形成无序排列的分子结构。
升华点是物质在一定压力下的温度，当温度升高达到升华点时，固体开始升华。
与一级相变不同，二级相变是指固态物质在相变过程中没有明显的传热变化，其自由能函数在温度、压力和摩尔体积或摩尔焓差范围内连续变化。
二级相变包括了铁磁性转变、铁电性转变和铁弹性转变等多种类型。
铁磁性转变是指在一定温度下，物质由铁磁相转变为顺磁相或者反铁磁相的一种相变过程。
铁磁性转变常伴随着磁滞回线的出现，磁化强度和温度之间存在明显的关联。
铁电性转变是指在一定温度下，物质由铁电相转变为非铁电相的一种相变过程。
铁电性转变常伴随着电滞回线的出现，电极化强度和温度之间存在明显的关联。
铁弹性转变是指在一定温度下，物质由弹性相转变为非弹性相的一种相变过程。
铁弹性转变常伴随着应力-应变曲线的出现，应力和温度之间存在明显的关联。
1-4新相的长大
平界面
阶梯界面
界面
法向
晶核一台阶方式长大示意图
依靠界面位错的滑移而长大的举例
在密排点阵中，fcc点阵的密排面上，堆垛顺 序为 ABCABC；hcp点阵的密排面上，堆垛顺 序为ABABAB。实际晶体中有堆垛层错，层错 的边缘有位错，如图1－16，每隔二层密排面 就有一个Shockley位错，一系列Shockley位 错组成界面，界面左侧为fcc点阵，右侧为hcp 点阵。因为Shockley位错可以沿（111）γ面 上的[112]γ方向滑动，由一系列Shockley位 错组成的界面也将随位错的滑动而发生迁移， 这样的界面称为可滑动界面。可滑动界面的移
3.新相长大速度
无扩散型相变不需原子扩散，新相长大激 活能为零，长大速度很高，不予讨论。
非扩散型相变分新相形成时无成分变化和 有成分变化两种类型，前者界面上原子作 近程扩散，后者溶质原子需作长程扩散。
１）无成分变化的新相长大 （界面附近的原子做近距离的扩散 而长大）
设母相为γ，新相为α ,如图可见,原子由 γ相转移到α相时需要越过一个位垒Δg， 而由 α相转移到γ相时，则需要越过 （ Δg +ΔGγ→α）位垒。 Δg为激活能， ΔGγ→α是两相自由能差。
大速度随温度的降低而增大;
过冷度很大时, µ=λ ע0 exp(-Δg/kT),即新相的长大 速度随温度的降低而呈指数函数减小。
生长速度与温度的关系
ห้องสมุดไป่ตู้
有成分变化的新相长大
新相和母相的成分不同时，新相的生长 需要通过溶质原子的远程扩散，共长大 速度受扩散控制。生成新相时的成分变 化有两种情况，一种是新相溶质浓度Cα 低于母相C∞ ，一种是新相溶质原子浓度 Cα高于母相C∞ ，在相界处母相与新相之 间有一平衡浓度Cα和Cγ ，大小由相图 决定。
固态相变
1. 固态相变与液固相变在形核、长大规律和组织等方面的主要区别。
答：固态相变形核要求有一个临界过冷度△Tc，只有当过冷度△T>△Tc时才满足相变热力学条件。
这是固态相变形核与液-固相变的根本区别。
相同：形核和长大规律相同，驱动力相同都存在相变阻力都是系统自组织的过程。
异处：不同点：（1）液－固相变驱动力为自由焓之差△G 相变，阻力为新相的表面能△G表，基本能连关系为：△G = △G 相变+△G表，而固态相变多了一项畸变能△G畸，基本能连关系为：△G = △G 相变+△G界面+△G畸（2）固态相变比液－固相变困难，需要较大的过冷度。
固态相变阻力增加了应变能等，即固态相变中形核困难.3.固态相变时为什么常常首先形成亚稳过渡相。
佳美试卷P31P33（1）能量方面，所需要驱动力，平衡相大于过渡相，过渡相的界面能和应变能要低，形成有利于降低相变阻力。
（2）成分和结构方面。
过渡相在成分和结构更接近母相，两相易于形成共格或半共格界面，减少界面能，降低形核功，形核容易进行。
4.如何理解脱溶颗粒在粗化过程中的“小粒子溶解”和“大粒子长大”现象。
（1）粗化过程驱动力是界面能的降低当沉淀相越小，其中每个原子分到的界面能越多，化学势越高，与它处于平母相中的溶质原子浓度越高即c（r2）>c(r1)。
由此可见，在大粒子r1和小粒子r2之间体中存在浓度梯度，因此必然有一个扩散流，在浓度梯度的作用下，大粒子通过吸收基体中的溶质而不断长大，小粒子要不断溶解收缩，放出溶质原子来维持这个扩散流。
所以出现了大粒子长大、小粒子溶解的现象（2）粗化过程中，小粒子溶解，大粒子长大，粒子总数减小，r增加。
小粒子溶解更快。
温度T升高，扩散系数D增大，使dr/dt增大。
所以当温度升高，大粒子长大更快，小粒子溶解更快。
5.如何理解调幅分解在热力学上无能垒，但在实际转变过程中有阻力。
(1)应变能，溶质溶剂原子尺寸不同(2)梯度能，原子化学键结合(3)相间点阵畸变6.调幅分解与形核长大型脱溶转变的主要区别。
化学物质的三态相变规律
化学物质的三态相变规律相变是指物质由一种态转化为另一种态的过程。
在化学中，物质的三态相变包括固态、液态和气态之间的转化。
这些相变过程在我们的日常生活中处处可见，如冰块融化成水、水沸腾成为蒸汽等。
本文将探讨化学物质的三态相变规律，以帮助我们更好地理解这一过程。
一. 固态相变固态是物质最常见的状态之一。
固态物质具有密度高、形状不易改变等特点。
在一定的条件下，固态物质可以发生相变。
固态相变主要包括熔化和升华两个过程。
1. 熔化熔化是指固态物质受热升温，达到一定温度后转变为液态的过程。
这个温度被称为熔点。
熔点是每种物质固定的特性之一。
例如，水的熔点是0摄氏度。
当冰块受热达到0摄氏度时，它开始融化成为液态水。
这是因为热量能够克服分子间的吸引力，使得固态的水分子逐渐变得自由移动起来。
2. 升华升华是固态物质直接转变为气态的过程，而无需经过液态的中间过程。
当固态物质受热达到相应的温度时，分子的活动增加，使得固态分子足够具有足够的动能而直接溢出固体表面成为气态。
例如，干冰的温度低于-78.5摄氏度，当它受热时，直接从固态转变为二氧化碳气体。
二. 液态相变液态是物质的另一种常见状态。
液态物质具有流动性和密度较大等特点。
液态相变主要包括沸腾和冷冻两个过程。
1. 沸腾沸腾是液体受热到达一定温度时，在液体内部产生大量的气泡并从液体表面迅速蒸发的现象。
当液体受热到达其饱和温度时，液体内部的分子获得足够的动能，能够克服液面的表面张力而迅速蒸发成气体。
沸腾的温度称为沸点。
例如，水的沸点是100摄氏度。
当水受热到达100摄氏度时，开始出现气泡并且大量蒸发成水蒸气。
2. 冷冻冷冻是液体由于受冷而发生相变成为固体的过程。
当液体的温度下降到其凝固点以下时，分子间的吸引力逐渐增大，液体分子逐渐减少自由移动起来，形成了有序的固定结构。
例如，水的凝固点是0摄氏度。
当水被冷却到0摄氏度以下时，它逐渐冷冻成为冰。
三. 气态相变气态是物质的第三种状态，气体具有无定形、可被压缩性和弥散性等特点。
材料科学基础-固态相变
固态相变
非均匀形核的形核率及受扩散控制的长 大速率随时间而变化，此类相变的动力 学用Avrami方程描述：f(τ)=1exp(-Bτn)固态相变
2. 等温转变动力学图
100%
T2
T3
转
变
体
积 50%
分
数
0
温 度
固态相变
T1>T2>T3 T1
时间 T1 T2 T3 时间
扩散型相变, 非扩散型相变 扩散型相变
脱溶沉淀、调幅分解、共析转变等
非扩散型相变
原子（或离子）仅作有规则的迁移使点阵 发生改组。 马氏体转变
固态相变不一定都属于单纯的扩散型
或非扩散型。 见表8－1
固态相变
3. 按相变方式分类 有核相变和无核相变 无核相变
通过扩散偏聚的方式进行的相变，为无核相变。 调幅分解
C曲线的鼻子温度
固态相变
r △G
△G在r＝r*时达到极大值，这里 r*＝－2γαβ/(△GV+△GE)
固态相变
形成临界晶核必须
△G
首先克服形核势垒
4πr2γαβ
△G*， △G*称为临
界晶核的形核功
△G*= 16
3
3
GV GE 2
γαβ、 △GE减小，均
可降低△G*，有利
于新相形核。
△G* 0
r*
4πr3(△GV+△GE)/3
T
2G Tp
2G Tp
固态相变
由于
2G T 2
p
S T
p
cp T
2G p 2
T
V
2G Tp
V
固态相变的原理及应用
固态相变的原理及应用1. 引言固态相变是指物质在不改变其化学组成的情况下，在一定条件下发生物理性质的显著变化，包括液固相变、固固相变等。
本文将介绍固态相变的原理及其在科学研究和工程应用中的重要性。
2. 固态相变的原理固态相变的原理主要涉及分子间相互作用、晶体结构和热力学的变化。
以下是固态相变的一些常见原理：2.1 同质固态相变同质固态相变是指在同一物质中固态结构的变化。
它可以由温度、压力、外界场等因素引起。
•温度引起的同质固态相变：温度的升降可以改变固体分子的平均振动能量，从而改变其固态结构。
例如，冰的固态结构在低温下是稳定的，但在高温下会发生相变为液态的水。
•压力引起的同质固态相变：压力的增加可以改变固态相对稳定的结构，使其发生相变。
例如，某些材料在高压下可以发生相变为更稳定的结晶形态。
•外界场引起的同质固态相变：外界场包括电场、磁场、光场等，它们可以改变固态相之间的平衡态，从而引起相变。
2.2 异质固态相变异质固态相变是指在不同组分或不同结构的物质之间发生的相变。
以下是几个常见的异质固态相变原理：•共晶相变：指两种或多种成分在一定温度下发生相变。
例如，凝固过程中的合金共晶相变。
•共熔相变：指两种或多种成分在一定温度下熔化，并形成单一相。
例如，某些合金在特定温度下可以共熔。
•嵌段共聚物相变：指由于共聚物分子中不同段之间的相互作用力的不同，导致其发生异质结构相变的现象。
3. 固态相变的应用固态相变在科学研究和工程应用中具有广泛的应用价值。
以下是固态相变在不同领域中的一些应用：3.1 材料工程•形状记忆合金：由于固态相变的特性，一些合金材料具有形状记忆效应，可以在温度改变的条件下恢复到原来的形状。
这种特性使得形状记忆合金可以应用于医疗器械、航空航天等领域。
•热致变色材料：某些固态相变材料在温度变化时会发生颜色的变化。
这种特性使得热致变色材料可以用于温度测量和显示器件。
3.2 能源领域•储能材料：固态相变材料可以作为储能材料，通过在相变时释放储存的能量。
1-固态相变的基本原理(研究生)
dVex IVd
∴不同时间内形核的β相在时间t的转变总体积：
Vex
t 0
dVex
40
V e x4 3Iu3 V0 tt d 3IV u3 t4
V
ex
为扩张体积，重复计算
①已转变的体积不能再成核 ②新相长大到相互接触时，不能继续长大
为 了 校 正 V e x与 V 的 偏 差
Vex V
（真正的转变体积）
要随界面移动，位错要攀移 台阶侧向移动，位错可滑移
台阶长大机制
34
35
（2）非共格界面的迁移
36
（3）协同型长大机制
无扩散型相变，原子通过切变方式协同运动，相邻 原子的相对位置不变 如马氏体相变，会发生外形变化，出现表面浮凸 新相和母相间有一定的位向关系
马氏体相变表面浮凸
37
§4 固态相变动力学
研究内容：新相形成量(体积分数)与时间、温度关系 相关因素：形核速率、长大速率、新相形状 动力学方程
（1）Johnson-Mehl方程 （2）Avrami方程
38
（1）Johnson-Mehl方程（推导自学）
当形核率和长大速度恒定时，恒温转变 动力学
f 1 exp V 3N 4
3
f 新相形成的体积分数
{110}α// {111}γ <111>α// <110>γ
7
8
4、晶体缺陷的影响
大多数固态相变的形核功较大，极易在晶体缺陷处优先不均 匀形核，提高形核率，对固态相变起明显的促进作用。
5、过渡相（亚稳相）的形成
为了减少界面能，固态相变中往往先形成具有共格相界面的 过渡相（亚稳相）。 亚稳相有向平衡相转变的倾向，但在室温下转变速度很慢。
[固态相变]第四章固态中的扩散型相变-201903
![[固态相变]第四章固态中的扩散型相变-201903](https://img.taocdn.com/s3/m/1ce8636d6c85ec3a86c2c53f.png)
C
T
9
4.1Precipitation from supersaturated solid solution
扩散型形核长大-脱溶析出 precipitation 从过饱和固溶体 中析出成分不同（溶质原子富集区或GP
亚稳区）或成分和结构都不相同的亚稳相或稳定相的过程， 称为脱溶反应，脱溶析出，沉淀析出。
2
Diffusional phase transformations
脱溶沉淀 Precipitation
+
：亚稳过饱和固溶体，metastable supersaturated solid solution, ： 稳定或亚稳定的脱溶物，stable or metastable precipitate, ： 与结构相同，成分更接近平衡状态、更稳定的固溶体 , more stable solid solution with the same crystal structure as , Formation of phases with a different composition to the matrix and therefore long-range diffusion （长程扩散）is required.
有序化转变 Ordering reaction
(disordered)
(ordered)
The original phase decomposed into one phase which have the same composition as the parent phase, but different crystal structures. Only one new phase results.
5
固态相变知识点总结
固态相变知识点总结相变是物质在温度、压强或其他外部条件改变时，从一种物态转变为另一种物态的现象。
固态相变是指物质从固态状态转变到其他固态状态的过程，通常包括晶体-晶体相变和晶体-非晶相变，以及液晶-固体相变等。
固态相变是材料科学和固态物理领域的重要研究课题，掌握固态相变的基本原理和规律对于材料设计、制备和性能改进具有重要意义。
本文将从固态相变的基本概念、分类和特征等方面进行总结，并通过实例来说明固态相变的重要意义和应用。
一、固态相变的基本概念1. 固态相变是指物质在固态状态下由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。
固态相变是晶体学和固态物理学的重要研究课题，可以帮助我们深入了解物质的内部结构和性质。
2. 固态相变的基本特征包括晶格结构的改变、原子位置的重新排列、晶体的晶界和缺陷等。
固态相变通常伴随着能量的吸收或释放，使得固态物质的性能和特性发生变化。
3. 固态相变的驱动力包括温度、压强、外界场等，这些外部条件的改变可以引起晶体结构和性质的改变，从而产生相变现象。
4. 固态相变可以分为等温相变和非等温相变两种类型。
等温相变指的是在恒定温度下发生的相变过程，例如固态合金的热处理过程；非等温相变指的是在变化温度下发生的相变过程，例如冰的熔化过程。
二、固态相变的分类根据相变过程中晶体结构的改变和外部条件的影响，固态相变可以分为以下几种类型：1. 晶体-晶体相变：指的是物质在固态状态下由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。
晶体-晶体相变通常伴随着晶粒形状、大小和取向的变化，对材料的组织结构和性能产生重要影响。
2. 晶体-非晶相变：指的是物质在固态状态下由晶体结构转变为非晶结构的过程。
晶体-非晶相变可以发生在非晶态金属、非晶态合金和非晶态陶瓷等材料中，对于提高材料的强度、硬度和耐腐蚀性具有重要意义。
3. 液晶-固体相变：指的是液晶分子在固态基体中发生有序排列的过程。
液晶-固体相变广泛应用于液晶显示器、液晶材料和光学器件等领域。
固态相变——精选推荐
固态相变作业⼀2.奥⽒体形核时需要过热度△T ，那么⾦属熔化时（S-L ）,要不要过热度，为什么？答：固态⾦属熔化时会出现过热度。
原因：由热⼒学可知，在某种条件下，熔化能否发⽣取决于液相⾃固态⾦属熔化时会出现过热。
原因：⾃由度是否低于固相的⾃由度，即0<-=?S L G G G ，只有当温度⾼于理论结晶温度Tm 时，液态⾦属的⾃由能才能低于固态⾦属的⾃由能，固态⾦属才能⾃发转变为液态⾦属。
因此，⾦属熔化时移动要有过热度。
3.相变热⼒学条件是什么？答：⾦属固态相变的热⼒学条件：（1）相变驱动⼒相变热⼒学指出，⼀切系统都有降低⾃由能以达到稳定状态的⾃发趋势。
若具备引起⾃由能降低的条件，系统将由⾼能到低能转变转变，称为⾃发转变。
⾦属固态相变就是⾃发转变，则新相⾃由能必须低于旧相⾃由能。
新旧两相⾃由能差既为相变的驱动⼒，也就是所谓的相变热⼒学条件。
（2）相变势垒要使系统有旧相转变为新相除了驱动⼒外，还要克服相变势垒。
所谓相变势垒是指相变时改组晶格所必须克服的原⼦间引⼒。
4.简述固态相变的主要特征。
答：⑴相界⾯：根据界⾯上新旧两相原⼦在晶体学上匹配程度的不同，可分为共格界⾯、半共格界⾯和⾮共格界⾯。
⑵位向关系与惯习⾯：在许多情况下，⾦属固态相变时新相与母相之间往往存在⼀定的位向关系，⽽且新相往往在母相⼀定的晶⾯上开始形成，这个晶⾯称为惯习⾯通常以母相的晶⾯指数来表⽰。
⑶弹性应变能：⾦属固态相变时，因新相和母相的⽐容不同可能发⽣体积变化。
但由于受到周围母相的约束，新相不能⾃由膨胀，因此新相与其周围母相之间必将产⽣弹性应变和应⼒，使系统额为地增加了⼀项弹性应变能。
⑷过渡相的形成：当稳定的新相与母相的晶体结构差异较⼤时，母相往往不直接转变为⾃由能最低的稳定新相，⽽是先形成晶体结构或成分与母相⽐较接近，⾃由能⽐母相稍低些的亚稳定的过渡相。
⑸晶体缺陷的影响：固态晶体中存在着晶界、亚晶界、空位及位错等各种晶体缺陷，在其周围点阵发⽣畸变，储存有畸变能。
第八章 固态相变
{111}∥{110}M ;<211>∥<011> M
Nishiyama
Greninger和Troiaon精确测量了Fe-0.8%C-22%Ni合金的奥 氏体单晶中的马氏体位向关系，发现K-S关系中的平行晶 面和平行晶向之间实际上略有偏差。得到G-T关系
{111}∥{110}M 差1° <110>∥<111> M差2 °
2.不连续脱熔 非连续脱溶也称为胞状脱溶。脱溶物中的α相和母相 α之间的浓度不连续而被称为非连续脱溶。 若α0表示原始相（母相），α1为脱溶区中的α相，β为脱
溶相。
非连续脱溶表示为：
01
相界面不但发生成分突变，且取向也发 生改变
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非连续脱溶与共析转变（以钢为例）的区别：
共析转变形成的（珠光体中）的两相与母相在结构和成分上 完全不同。 非连续脱溶得到的胞状组织中的两相其中必有一相的结构与 母相相同，只是溶质原子的浓度不同于母相。
非连续脱溶与连续脱溶的主要区别：
连续脱溶属于长程扩散，非连续脱溶属于短程扩散。 非连续脱溶的产物主要集中于晶界上，并形成胞状物；连 续脱溶的产物主要集中于晶粒内部，较为均匀。
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若形核率随时间增加，则取n〉4；若形核 率随时间而减少，则取3～4
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第四节 扩散型相变示例
扩散型相变种类：
脱熔转变、先共析转变、共析转变、块状转变、有序转 变和调幅分解等。 一、脱溶转变
脱溶：从过饱和固溶体中析出一个成分不同的新相火形成 溶质原子富集的亚稳区过渡相的过程称为脱溶或沉淀。 条件：凡是有固溶度变化的相图。 从单相区进入两相区时都会发生脱溶
固态相变的定义
固态相变的定义1. 小张老师站在讲台上，拿起一块铁片说："今天咱们来聊聊固态相变这个有趣的现象。
想象一下，明明物质还是固体，但是内部结构却发生了翻天覆地的变化，就像变魔术一样！"2. "固态相变说白了，就是固体在保持固态的情况下，内部结构发生变化的过程。
就像咱们班同学换座位，人还在教室里，但是位置全变了。
"小张老师用生动的比喻解释道。
3. "来看个实际例子：大家都知道铁吧？在常温下是一种结构，加热到特定温度后，虽然看起来还是块铁，但是内部原子排列方式却完全不一样了，这就是典型的固态相变。
"4. 一个学生举手提问："老师，那这种变化有啥用啊？"小张老师眼睛一亮："好问题！这就像给铁做了次大改造，改变后的铁可能会变得更硬、更软，或者有了特殊的磁性，这在工业上可重要啦！"5. "固态相变主要有这么几种类型：位移型、重构型和序无序型。
听着很难懂是不是？我来打个比方：位移型就像小朋友站队，每个人就位后微微错开位置；重构型就像推倒积木重新搭；序无序型就像把整齐的书架弄乱，或者把乱的书整理整齐。
"6. "温度是固态相变最常见的触发条件。
就像冰箱里的冰淇淋，拿出来放一会儿，外表看着还是固体，但结构已经在悄悄变化了。
"7. "压力也能引起固态相变。
想象一下把橡皮泥使劲捏，虽然还是固体，但内部结构已经改变了。
当然，实际的科学现象要比捏橡皮泥复杂得多。
"8. "还有一种特别神奇的固态相变叫马氏体相变，发生得特别快，快到眨眼的功夫就完成了！就像变形金刚一样，瞬间就完成了内部结构重组。
"9. "在日常生活中，巧克力变质时的'发白'现象，其实就是固态相变的表现。
巧克力内部的晶体结构发生了改变，虽然还是固体，但是口感和外观都变了。
4.焊缝中的固态相变
(一)铁素体转变 低合金钢焊缝中铁素体大体分为四类：
1 先共析铁素体(简称PF) 焊缝冷却到 770－680℃，由A晶界首 先析出，称粒界F (简称GBF)。高温停留时间较长，冷却的较慢， PF较多。PF呈细条状分布在A晶界，有时也呈块状。 2 侧板条铁素体(简称FSP) 形成温度700－550℃，从A晶界PF的 侧面以板条状向晶内成长，从形态上如镐牙状。转变温度偏低， P受到抑制，扩大贝氏体的转变领域，故有人把这种组织称为无 碳B。 3 针状铁素体(简称AF) 形成温度约500℃，是在原始A晶内以针状 分布，常以某些质点(氧化物弥散夹杂)为核心放射性成长。 4 细晶铁素体(简称FGF) 在A晶粒内形成，一般都有细化晶粒的元 素(如Ti、B等)存在，在细晶之间有P和碳化物(Fe3C)析出。FGF 是介于铁素体与贝氏体之间的转变产物，故又称贝氏铁素体。 FGF 转变温度低于 500℃，如果在更低的温度转变时 (约450℃)， 可转变为上贝氏体(Bu)。
•焊缝金属的A转变过程以及显微组织的影响因素: (1)焊接方法 它决定了熔池尺寸形状，影响冷却速度。 (2)熔池金属的成分 它决定于填充材料、母材，焊剂和药皮，以 及化学冶金反应。 (3)焊接工艺参数 它影响熔池加热速度，最高温度，及冷却速度、 并对一次结晶组织产生影响。 (4)焊接应力、应变的影响
6-1 （二）
第八组 组员： 张新淼 杨 巍 张 欠 夭曦龙 制作人：杨巍
12mm低碳钢V型坡口横对接打 底层焊接
1.焊缝金属的固态相变过程； 2.12mm低碳钢v型坡口打底层常见 的缺陷，产生原因及防止措施；
1. 焊缝金属的固态相变过程
• 焊接熔池完全凝固后，随连续冷却过程进行，焊 缝金属将发生组织转变(A→F，P，B，M)。 • 焊缝金属固态相变的机理: 形核、长大。 • 影响焊缝金属固态相变的组织的因素： 焊接材料 不同焊接材料、母材金属，使焊缝金属 的固态相变组织发生变化。 焊接方法和焊接工艺参数 采用不同焊接方法， 因焊缝的凝固和相变是在非平衡连续冷却的条件 下进行的。冷却条件明显地影响焊缝的固态相变。
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2012-2-28
固态相变动力学
(2) 阿佛瑞米方程 ( Avrami方程 方程) 方程 当形核率和长大速度随时间而变时 形核率和长大速度随时间而变时
f = 1 − exp − Bτ
(
n
)
若形核率随时间而减小， 若形核率随时间而减小，3≦n≦4 若形核率随时间而增大， 若形核率随时间而增大，n﹥4 ---常数 B---常数
固态相变 第四讲
2012-2-28
固态相变动力学
研究新相形成量(体积分数)与时间、 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。 系的学科称为相变动力学。 相变动力学
2012-2-28
1）约翰逊-梅尔 ）约翰逊 梅尔 梅尔(Johnson-Mehl)结晶动力学方程 结晶动力学方程
4 3 Vs = ∫ πvg (t − τ )3 ⋅ NVdt 在t时间内假想晶核的体积： 03
t
令 ϕ s = Vs V
3 3 ，则 ϕ s = ∫0 πvg (t − τ ) N拟晶核的体积相同，故 得: dnr dVr dφr = = dns dVs dφs
假定vg与N均与时间无关，即为常数，而孕育时 间很短以致可忽略，则积分可得： π 34 ϕ s = Nvg t
3
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约翰逊-梅尔(Johnson-Mehl)结晶动力学方程 ：
ϕ r = 1 − exp( −
式中， ϕ r 已转变体积分数。
π
3
3 Nv g t 4 )
适用于以下条件：均匀形核、N和vg为常数以及小的τ值下的恒温转变动 恒温转变动 力学。 随时间的变化，如下图所示： 力学。 ϕ r
在晶粒相遇前，晶核的半径：
R = vg (t − τ )
式中 为晶核形成的孕育期。 4 3 V = πvg (t − τ )3 设晶核为球形，则每个晶核的转变体积：
3
τ
形核率定义：
形成的晶核数/单位时间 N= 未转变体积
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定义一个假想的晶核数(ns)作为真实晶核数(nr)与虚拟晶核 数(np)之和： ns = nr + n p
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dϕ r • 对上式求导，可得不同温度下相变速率 与时间t的关 dt 系，如图所示。
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•再对相变速率求导，并令
d 2ϕ r =0 求极值，可得： 2 dt
d 2ϕ r 2 3 2 4 2 =[4πNt -(4πNt /3) exp(-πNt /3)=0 dt 即得：t4=9/(4πN) 将上述求出的t4代入Johnson-Mehl方程，可求出相变速率 最大时对应的转变量： ϕ r (max)=52.8%≈50%. 当 ϕ r =50%时 的t标为t1/2，即t(max)= t1/2，通常认为 ϕ r =50%时的相变 速率最大。
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时间
（a） S曲线 ） 曲线 （b）C曲线 ） 曲线
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• 扩散型转变典型特征：C型TTT曲线 • 孕育期：随着转变温度由高到低，孕育期先缩短，转变加 速；随后孕育期又延长，转变减慢。中间温度范围得到最 快转变速度。 • 解释：过冷度与形核率、长大速度的关系： • 过冷度小：转变的驱动力很小，形核和长大速度都很慢， 转变需要很长时间 • 过冷度大：原子扩散速度慢，限制了转变速度 • 影响C曲线的因素： 合金元素的种类和含量，不同的合金元素对C曲线的影响 非常复杂而各不相同，例如除了Co等少数元素之外，大部 分合金元素都将使C曲线右移。
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固态相变动力学
（3）C曲线 ） 曲线
相变动力学曲线 S曲线（Sigmoidal） 曲线（Sigmoidal） 相变综合动力学曲线 等温转变动力学曲线， 等温转变动力学曲线，
TTT曲线（ Time-Temperature-Transformation） TTT曲线（ Time-Temperature-Transformation） 曲线 表示转变时间-转变温度-转变量三者之间的关系。 表示转变时间-转变温度-转变量三者之间的关系。
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令在时间dt内单位体积中形成得晶核数dP，于是dnr=VudP 和dns＝VdP。如果是均匀形核，dP不会随形核地点而有变 化，此时可得：
dnr Vu V − Vr = = = 1 − ϕr dns V V
dϕ r = 1 − ϕr dϕ s
ϕ r = 1 − exp(−ϕ s )
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