第1章 固态相变基本规律1
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第一章 金属固态相变概论
x x0
• 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
• 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
第一章 固态相变
第1章金属固态相变概论1.1金属固态相变的主要类型1.2金属固态相变的分类1.3金属固态相变的主要特点1.4固态相变的形核1.5固态相变时的晶核长大1.6固态相变动力学1.1金属固态相变的主要类型21ααα+→一、平衡转变61.同素异构体转变和多晶型转变62.平衡脱溶转变6共析转变6包析转变6调幅分解6有序化转变1.1金属固态相变的主要类型二、不平衡转变6伪共析转变6马氏体转变6块状转变6贝氏体转变6不平衡脱溶沉淀（时效）固态相变包括三个基本变化6晶体结构的变化：如同素异构转变、多晶型转变、马氏体相变；6化学成分的变化：调幅分解，只有成分转变而无相结构的变化；6有序程度的变化：如有序化转变，磁性转变、超导转变1.2金属固态相变的分类按热力学分类6平衡转变：缓慢加热或冷却同素异构、共析转变、调幅分解等6不平衡转变：快速加热或冷却伪共析转变、M转变、B转变等按动力学分类（依据原子运动的情况）6扩散型：脱溶沉淀、共析转变、有序化、块状转变、同素异构转变6非扩散型：M转变1.3金属固态相变的主要特点基本特点：È固态相变阻力大È原子迁移率低È非均匀形核派生特点：È低温相变时出现亚稳相È新相有特定形状È相界面È位向关系È存在惯习面新相有特定形状析出物的形状由相变中比体积（比容差）应变能和界面能的共同作用。
新相与母相保持弹性联系时，相同体积的晶核比较，新相呈片状的比体积应变能最小，针状次之，球状最大。
若过冷度很大，r*很小，界面能居主要地位，两相间易形成共格或半共格界面以降低表面能，同时应变能的降低使新相倾向于形成盘状（或薄片状）若过冷度很小时，r*较大，界面能居次要地位，两相间易形成非共格界面以降低应变能，若两相比容差很小，新相倾向于形成球状以降低界面能；若两相比容差较大，则倾向于形成针状以兼顾界面能和应变能相界面界面能居中界面能最小界面能最大位向关系为了减少界面能，新相与母相之间往往存在一定的晶体学关系，它们常以原子密度大而彼此匹配较好的低指数晶面相互平行来保持这种位向关系。
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
各处界面不同时满足与母相 的晶体学关系
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
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
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)
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
材料热处理原理
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
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 固态相变概论
金属固态相变与液固相变
都是相变，驱动力都是新旧相之间的自由能差 基本过程相同（形核和长大） 金属固态相变：研究的是母相 和新相 都是固态 这与结晶显著不同
21
Yuxi Chen Hunan Univ.
金属固态相变具有一定的特点：
相界面 弹性应变能 原子的迁移率 晶体缺陷 亚稳过渡相 位向关系 惯习面
自由能G ：是系统的一个特征函数。 G= H− T S H为焓、S为熵、T为绝对温度 任何相的自由能都是温度的函数，通过 改变温度是可以获得相变热力学条件。
38
Yuxi Chen Hunan Univ.
在等容过程中，自由能G 对温度T的一阶 导数为： 由于 S 总为正值，所以G 总是随T 的增加 而降低。
材料热力学与相变 （固态相变）
1
Yuxi Chen Hunan Univ.
材料的相结构是直接影响材料力学、 物理、化学性能的重要因素。 研究和控制材料中的相变过程，从而 提高材料性能，一直是材料科学与工 程领域的一个重要的研究领域。
2
Yuxi Chen Hunan Univ.
本课程目的
介绍相变的基本理论，使大家能够对材 料的相变化过程有深入的了解，尤其是 金属的固态相变，熟悉主要的热处理工 艺对金属材料 固态组织与性能的影响规 律，了解金属固态相变-组织-性能之间 的具体关系，为从事材料科学的深入研 究打下必要的理论基础。
18
Yuxi Chen Hunan Univ.
（三）按相变方式 形核-长大相变（有相界面） 无核相变（无相界面，调幅分解）
金属主要的相变类型
一级相变 扩散型相变 形核-长大型相变
19
Yuxi Chen Hunan Univ.
固态相变
都是相变，驱动力都是新旧相之间的自由能差 基本过程相同（形核和长大） 金属固态相变：研究的是母相 和新相 都是固态 这与结晶显著不同
21
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金属固态相变具有一定的特点：
相界面 弹性应变能 原子的迁移率 晶体缺陷 亚稳过渡相 位向关系 惯习面
自由能G ：是系统的一个特征函数。 G= H− T S H为焓、S为熵、T为绝对温度 任何相的自由能都是温度的函数，通过 改变温度是可以获得相变热力学条件。
38
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在等容过程中，自由能G 对温度T的一阶 导数为： 由于 S 总为正值，所以G 总是随T 的增加 而降低。
材料热力学与相变 （固态相变）
1
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材料的相结构是直接影响材料力学、 物理、化学性能的重要因素。 研究和控制材料中的相变过程，从而 提高材料性能，一直是材料科学与工 程领域的一个重要的研究领域。
2
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本课程目的
介绍相变的基本理论，使大家能够对材 料的相变化过程有深入的了解，尤其是 金属的固态相变，熟悉主要的热处理工 艺对金属材料 固态组织与性能的影响规 律，了解金属固态相变-组织-性能之间 的具体关系，为从事材料科学的深入研 究打下必要的理论基础。
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（三）按相变方式 形核-长大相变（有相界面） 无核相变（无相界面，调幅分解）
金属主要的相变类型
一级相变 扩散型相变 形核-长大型相变
19
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固态相变
【固态相变原理】第一章 金属固态相变基础1
两相晶体结构相同、点阵常数相 近，或者两相晶体结构和点阵常数 虽有差异，但存在一组特定的晶体 学平面。
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.
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.
固态相变总论
（2）非均匀形核的形核率及受扩散控制的长大速度随时间而变化，则 恒温转变时的相变动力学方程（Avrami方程）：
f ( ) 1 exp( B n )
固态相变
上面两个转变方程所描述的是在给定温度下的等温转变过程，据 此可以计算不同温度下的等温转变动力学曲线－TTT图
六、固态相变动力学
固态相变一般经历形核－长大过程
固态相变
固态相变速度决定于新相的形核率和长大速度
（1）设均匀形核的形核率及受点阵重构控制的长大速度在恒温转变时
均为常数，相变动力学方程（Johnson-Mehl方程）：
转变量
f ( ) 1 exp( KIu 3 4 / 4)
形核率
长大速率
K为形状系数， 当新相为球形时 K=4π/3
TIPS：过渡相从热力学来说不利，
但从动力学来说有力，也是减小相 变阻力的重要途径之一！！！
过渡相
过渡相
稳定相
固态相变
3. 固态相变的三种基本变化：
①晶体结构的变化
纯铁的同素异构转变
1538℃, bcc的δ－Fe
②化学成分的变化 ③有序程度的变化
1394℃,fcc的γ－Fe
912℃, bcc的α－Fe
当新/母相成分不同时，新相界面的推移除了需要上述的界面最邻近的原 子过程外，还可能要涉及原子的长程扩散过程。因而长大过程可能受界面 过程控制或受扩散过程控制，也可能同时受界面过程和扩散过程控制。
晶核长大的控制因素依相变温度和扩散速率而定： （1）相变温度较高时，原子扩散速率较快，但过冷度和相变驱动力较小，晶核长大 速率的控制因素是相变驱动力； （2）相变温度较低时，过冷度和相变驱动力较大，原子的扩散速率将成为晶核长大 的控制因素。
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。
金属固态相变概论
过冷度很小时，临界晶核大，比表面积大，使新相界面能减 少居于次要地位，倾向于形成非共格界面以降低应变能。
（四）晶体缺陷的作用
固态金属中存在各种晶体缺陷如位错、晶界和亚晶界； 晶体缺陷周围有晶格畸变，储存着畸变能，可在固态相变
时释放出来作为相变驱动力； 新相往往在缺陷处优先形核，提高形核率； 晶体缺陷对晶核的生长和组元的扩散过程也有促进作用。
（五）形成过渡相
过渡相也称中间亚稳相，指成分或结构，或者成分 和结构二者都处于新相与母相之间的一种亚稳状态 的相；
形成过渡相是减少相比阻力的有效途径之一； 过渡相在一定条件下仍然能转变成平衡相。
三、固态相变时的形核
（一）均匀形核
与液态金属相比，固态相变的阻力增加了一项应变能。按照经典 形核理论，系统自由能总变化为：
由于界面上原子排列的不规则性会导致界面能升 高，因此，非共格界面能最高，半共格界面能次 之，而共格界面能最低。因此，界面结构的不同， 对新相的形核、长大过程以及相变后的组织形态 等都将产生很大影响。
(二）两相间的晶体学关系
1、取向（位向）关系
固态相变时，为了减少新相与母相之间的界面能， 两种晶体之间往往存在一定的位向关系，他们常 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。如马氏体转变时马氏体的密排面 {011}与奥氏体的密排面{111}平行。 一般说来，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 两相间无一定的取向关系，则其界面必定为非共 格界面。
晶体缺陷对形核的具体作用
1、空位
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。 此外，空位群亦可以凝聚成位错而促进形核。 2、位错
位错可以通过多种形式促进形核： （1）新相在位错线上形核，可借形核处位错消失时所释放出来的能量作 为相变驱动力，以降低形核功； （2）新相形核时位错并不消失，而是依附于新相界面上构成半共格界面 上的位错部分，以补偿错配，从而降低应变能，使形核功降低； （3）溶质原子在位错线上偏聚，使溶质含量增高，便于满足新相形成时 所需的成分条件，使新相晶核易于形成。 （4）位错线可作为扩散的短路通道，降低扩散激活能，加速形核过程； （5）位错可以分解形成由两个分位错与其间的层错组成的扩散位错，使 其层错部分作为新相的核胚而有利于形核。
（四）晶体缺陷的作用
固态金属中存在各种晶体缺陷如位错、晶界和亚晶界； 晶体缺陷周围有晶格畸变，储存着畸变能，可在固态相变
时释放出来作为相变驱动力； 新相往往在缺陷处优先形核，提高形核率； 晶体缺陷对晶核的生长和组元的扩散过程也有促进作用。
（五）形成过渡相
过渡相也称中间亚稳相，指成分或结构，或者成分 和结构二者都处于新相与母相之间的一种亚稳状态 的相；
形成过渡相是减少相比阻力的有效途径之一； 过渡相在一定条件下仍然能转变成平衡相。
三、固态相变时的形核
（一）均匀形核
与液态金属相比，固态相变的阻力增加了一项应变能。按照经典 形核理论，系统自由能总变化为：
由于界面上原子排列的不规则性会导致界面能升 高，因此，非共格界面能最高，半共格界面能次 之，而共格界面能最低。因此，界面结构的不同， 对新相的形核、长大过程以及相变后的组织形态 等都将产生很大影响。
(二）两相间的晶体学关系
1、取向（位向）关系
固态相变时，为了减少新相与母相之间的界面能， 两种晶体之间往往存在一定的位向关系，他们常 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。如马氏体转变时马氏体的密排面 {011}与奥氏体的密排面{111}平行。 一般说来，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 两相间无一定的取向关系，则其界面必定为非共 格界面。
晶体缺陷对形核的具体作用
1、空位
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。 此外，空位群亦可以凝聚成位错而促进形核。 2、位错
位错可以通过多种形式促进形核： （1）新相在位错线上形核，可借形核处位错消失时所释放出来的能量作 为相变驱动力，以降低形核功； （2）新相形核时位错并不消失，而是依附于新相界面上构成半共格界面 上的位错部分，以补偿错配，从而降低应变能，使形核功降低； （3）溶质原子在位错线上偏聚，使溶质含量增高，便于满足新相形成时 所需的成分条件，使新相晶核易于形成。 （4）位错线可作为扩散的短路通道，降低扩散激活能，加速形核过程； （5）位错可以分解形成由两个分位错与其间的层错组成的扩散位错，使 其层错部分作为新相的核胚而有利于形核。
固态相变复习
第一章：固态相变一般规律钢中的临界点（记住这些临界点的物理意义）◆A1、A2、A3、A4、Acm◆Ac1、Ac3、Accm◆Ar1、Ar3、Arcm第二章：奥氏体形成一、奥氏体的形成可以分为四个阶段：①奥氏体形核；②晶核向铁素体和渗碳体两个方向长大；③剩余碳化物溶解；④奥氏体成分均匀化。
二、影响奥氏体晶粒大小的因素三、什么是奥氏体的起始晶粒度，本质晶粒度和实际晶粒度，各有何意义？第三章、珠光体转变一、珠光体的形态有几种，片状珠光体分哪几种，性能各有何特点？二、什么是粒状珠光体，如何才能获得粒状珠光体？粒状珠光体和片状珠光体性能有何不同？三、什么是TTT图，在TTT图上都存在什么类型的固态相变？TTT图为什么呈现出C形状？四、影响C曲线的因素说什么？五、什么是CCT图，有何应用？什么是上临界冷速，什么是下临界冷速？有何意义？第四章、马氏体转变一、什么是钢种的马氏体？马氏体的相变的特征有哪些？二、掌握不同含碳量马氏体的形态特征，亚结构，惯习面和晶体结构。
三、马氏体组织为什么硬而脆？如何才能使用？四、根据CCT图会分析在不同的冷速下获得什么组织？第五章、贝氏体转变一、什么是贝氏体？贝氏体转变有何特征？二、掌握不同温度形成的贝氏体的形貌、亚结构及性能特点？第六章、马氏体的回火转变一、马氏体为什么要回火？马氏体的回火都包括那些内容？二、掌握不同含碳量的碳钢马氏体回火在不同温度下碳化物的析出贯序三、合金钢马氏体碳化物的析出贯序（以v、W、Mo、Cr为例）四、回火过程中基体α相有何变化？五、什么是二次淬火，什么叫二次硬化？研究他们有何意义？六、掌握不同回火温度形成的回火组织，组成及性能特点。
第一章金属固态相变的基本规律
小结
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
小结
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。
金属固态相变原理
教材及其参考书目
• 教 材：
《金属固态相变教程》，冶金工业出版社，2004 刘宗昌主编
• 参考书：
胡光立主编 《钢的热处理（原理和工艺）》，西工大出版社，1996 康煜平主编《金属固态相变及应用》，化学工业出版社，2007
徐洲等主编 崔忠圻主编 赵连成主编 夏立芳主编 戚正风主编 安运铮主编 G.克劳斯主编
（二）无扩散型相变
相变过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子的运动是协调一致的
相变称为非扩散型相变，也称为“协同型”转变。非扩散型相变时原子 仅作有规则的迁移以使点阵发生改组。迁移时，相邻原子相对移动距离 不超过一个原子间距，相邻原子的相对位置保持不变。如马氏体相变。
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
一个固相分解为两个不同的固相。 γ→
特点：生成的两个相的成分和结构与原母相不同 ——珠光体转变 4.包析转变
两个固相合并转变为一个固相的转变过程。 →
如Fe-B，Mg-Zn，Cu-Sn系合金。
1： + → 2： + →
5.平衡脱溶 高温过饱和固溶体缓慢冷 却过程中析出第二相的过 程。 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。 钢在冷却时，由奥氏体析 出二次渗碳体的过程
《固态相变原理及应用》第一章 固态相变概论
特点： 母相α不消失，但随着新相β析出， 母相的成分和体积分数不断变化， 新相的结构和成分与旧相不同，且 新相的成分一般也有变化。
具有脱溶沉淀的二元合金平衡状态图
逆共析相变
加热时也可发生α+β→γ转变，称为逆共析相变。 例如：钢中奥氏体（γ）与珠光体（α+Fe3C）的转变
冷却时：γ→α+Fe3C 共析相变 加热时：α+Fe3C→γ 逆共析型相变
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。
即：
已知：
比热CP 压缩系数K 膨胀系数λ
相变时：
即在二级相变时，无相变潜热和体积改变，只有比热CP、压缩系数K 和膨胀系数λ的不连续变化。材料的部分有序化转变、磁性转变以 及超导体转变均属于二级相变。
马氏体相变
若进一步提高冷却速度，使伪共析相变也来不及进行而将奥氏体过冷到更低温 度，则由于在低温下铁原子和碳原子都已不能或不易扩散，故奥氏体只能以不 发生原子扩散、不引起成分改变的方式，通过切变由γ点阵改组为α点阵，这 种转变称为马氏体相变，转变产物称为马氏体（为区别于平衡相变所形成的α 相，称其为α′相），其成分与母相奥氏体相同。
非平衡相变 某些平衡状态图上不能反映的转变并获得被称为不平衡或亚稳态
的组织，这种转变称为非平衡相变。
伪共析相变
以较快速度冷却时，非共析成分的奥氏 体被过冷到图中影线区，将同时析出铁 素体和渗碳体。这种转变过程和转变产 物类似于共析相变，但转变产物中铁素 体量与渗碳体量的比值（或转变产物的 平均成分）不是定值，而是随奥氏体碳 含量变化而变化，故称为伪共析相变。
同素异构转变 平衡脱溶沉淀 共析转变 调幅分解 有序化转变
具有脱溶沉淀的二元合金平衡状态图
逆共析相变
加热时也可发生α+β→γ转变，称为逆共析相变。 例如：钢中奥氏体（γ）与珠光体（α+Fe3C）的转变
冷却时：γ→α+Fe3C 共析相变 加热时：α+Fe3C→γ 逆共析型相变
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。
即：
已知：
比热CP 压缩系数K 膨胀系数λ
相变时：
即在二级相变时，无相变潜热和体积改变，只有比热CP、压缩系数K 和膨胀系数λ的不连续变化。材料的部分有序化转变、磁性转变以 及超导体转变均属于二级相变。
马氏体相变
若进一步提高冷却速度，使伪共析相变也来不及进行而将奥氏体过冷到更低温 度，则由于在低温下铁原子和碳原子都已不能或不易扩散，故奥氏体只能以不 发生原子扩散、不引起成分改变的方式，通过切变由γ点阵改组为α点阵，这 种转变称为马氏体相变，转变产物称为马氏体（为区别于平衡相变所形成的α 相，称其为α′相），其成分与母相奥氏体相同。
非平衡相变 某些平衡状态图上不能反映的转变并获得被称为不平衡或亚稳态
的组织，这种转变称为非平衡相变。
伪共析相变
以较快速度冷却时，非共析成分的奥氏 体被过冷到图中影线区，将同时析出铁 素体和渗碳体。这种转变过程和转变产 物类似于共析相变，但转变产物中铁素 体量与渗碳体量的比值（或转变产物的 平均成分）不是定值，而是随奥氏体碳 含量变化而变化，故称为伪共析相变。
同素异构转变 平衡脱溶沉淀 共析转变 调幅分解 有序化转变
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。
第一章 固态相变
2 rc Gv
16 3 W Gv 2 3(Gv )
由上式可知，当界面能和弹性应变能增大时，临界晶核 半径rc和形核功W都增高。
金属固态相变热力学
过冷度的增大，rc和W都减小，新相形核几率增大， 新相晶核数量增多，相变容易发生。 只有在一定的温度滞后条件下系统才可能发生相变。
扩散型相变：相变依靠原子近程或远程扩散而进行，也称“非 协同型”转变。
金属固态相变概论
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
移以使晶体点阵发生改组，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。
金属固态相变概论
按相变方式分类（有核相变和无核相变）
恒为 正值
为负值，意味着自由能G和温度T的特性曲 线总是凹面向下。
金属固态相变热力学
G
G
G
T1
自由能与温 度的关系图
T0
T2
T
2、相变势垒
G
G
I
g
相变时改组晶格所必须 克服的原子间引力。 表征相变能垒也可以 用激活能Q表示。
状态
II
金属固态相变热力学
晶体中原子通过两种方式来获得附加的能量： 原子的热振动的不均匀性，个别原子可能具有很高 的热振动能量； 机械应力。
金属固态相变基础
热处理的定义:
将材料加热到相变温度
以上发生相变，再冷却发 生相变的工艺过程。通过 这个相变与再相变，材料 的内部组织发生了变化， 因而性能产生变化。
金属固态相变基础
热处理三大要素
加热：热处理第一个阶段。不同材料，加热工艺和加热温 度不同。加热分为两种，一种是在临界点A1以下的加热， 此时不发生组织变化。另一种是在A1以上的加热，目的是 为了获得均匀的奥氏体组织，这一过程称为奥氏体化。 保温：目的是要保证工件热透，防止脱碳、氧化等。保温 时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。一 般工件越大，导热性越差，保温时间就越长。 冷却： 热处理的最终阶段，也是热处理最重要的一个阶段。 钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织。
第一章固态相变基础
与液态金属结晶一样，其相变驱动力也来自新相与母相的自由能差，也 通过形核与长大过程来完成。但因相变前后均为固态，故有以下几个特点。
一、界面和界面能
固/固相界面可按结构特点分为： 共格界面：界面两侧的两个相的原子能一一对应，相互保持匹配。 半共格界面：由于界面两侧的原子间距不同，界面上只有部分原子能够依 靠弹性畸变保持匹配，在不能匹配的位置将形成刃型位错。 非共格界面：两相的原子间距差别太大，在界面上两侧原子不能保持匹 配。 界面能：界面上原子排列的不规则性将导致界面能量的升高。因此，非共格 界面能最高，半共格界面次之，共格界面能最低。
第一部分
热处理原理
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 两者关系：金属固态相变是金属热处 理的理论基础。
材料科学与工程学院
第一节
金属固态相变的主要类型 扩散型相变
原子运动特点
非扩散型相变
平衡相变
平 衡 状 态 非平衡相变 一级相变 热 力 学 二级相变
材料科学与工程学院
一、按相变过程中原子的运动特点分类
① 脱溶分解
② 共析转变
③ 有序化转变 1.扩散型相变 ④ 块状转变
⑤ 多型性转变
⑥ 调幅分解
材料科学与工程学院
脱溶分解：由过饱和固溶体中析出新相的过程，( + ) 共析转变：冷却时一个固相()分解为结构不同的两个新相和 混合物的相变， ( + )
材料科学与工程学院
二、按平衡状态分类
平衡相变：缓慢加热、冷却，获得符合平衡状态图的平衡组织，多形性转变 平衡脱溶转变、共析转变、有序化转变等。 非平衡相变：加热或冷却很快，平衡相变被抑制，发生某些平衡状态图上 不能反映的转变并获得不平衡或亚稳态的组织，马氏体转变、 贝氏体转变、非平衡脱溶沉淀，伪共析转变属于非平衡相变。
一、界面和界面能
固/固相界面可按结构特点分为： 共格界面：界面两侧的两个相的原子能一一对应，相互保持匹配。 半共格界面：由于界面两侧的原子间距不同，界面上只有部分原子能够依 靠弹性畸变保持匹配，在不能匹配的位置将形成刃型位错。 非共格界面：两相的原子间距差别太大，在界面上两侧原子不能保持匹 配。 界面能：界面上原子排列的不规则性将导致界面能量的升高。因此，非共格 界面能最高，半共格界面次之，共格界面能最低。
第一部分
热处理原理
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 两者关系：金属固态相变是金属热处 理的理论基础。
材料科学与工程学院
第一节
金属固态相变的主要类型 扩散型相变
原子运动特点
非扩散型相变
平衡相变
平 衡 状 态 非平衡相变 一级相变 热 力 学 二级相变
材料科学与工程学院
一、按相变过程中原子的运动特点分类
① 脱溶分解
② 共析转变
③ 有序化转变 1.扩散型相变 ④ 块状转变
⑤ 多型性转变
⑥ 调幅分解
材料科学与工程学院
脱溶分解：由过饱和固溶体中析出新相的过程，( + ) 共析转变：冷却时一个固相()分解为结构不同的两个新相和 混合物的相变， ( + )
材料科学与工程学院
二、按平衡状态分类
平衡相变：缓慢加热、冷却，获得符合平衡状态图的平衡组织，多形性转变 平衡脱溶转变、共析转变、有序化转变等。 非平衡相变：加热或冷却很快，平衡相变被抑制，发生某些平衡状态图上 不能反映的转变并获得不平衡或亚稳态的组织，马氏体转变、 贝氏体转变、非平衡脱溶沉淀，伪共析转变属于非平衡相变。
1-固态相变的基本原理(研究生)
第二章 固态相变的基本原理
§1 固态相变的一般特征 1、 相界面
按结构特点可分为： 共格界面（coherent interface）
半共格界面（semi-coherent interface）
非共格界面（incoherent interface）
1
（1）共格界面
两相界面上的原子排列完全匹配，即界面上的原子为两相所共有
25
设单原子层厚度为δ，则界面迁移速率为：
V ( f f ) GV Q exp 1 exp kT kT (1 8)
26
过冷度较小时，∆GV → 0
GV exp kT GV V kT
0
t
39
t 4 3 Vex Iu V t d IVu 3t 4 0 3 3
Vex
为扩张体积，重复计算
Vex V
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
（真正的转变体积）
为了校正Vex 与V 的偏差
在dτ时间内有
dVex dV V V V
(1 4)
（4）讨论：极大值 （5）修正：考虑时间
22
§3 新相长大的基本原理
1、长大类型
（1）界面控制长大（成分不变的新相长大） 对无成分变化的相变，新相的长大主要取决于靠近相 界面的原子迁移来达到，而不涉及原子的长程扩散。 （2）扩散控制长大（成分变化的新相长大） 对有成分变化的相变，新相的长大主要取决于溶质
散速率远低于液态中的原子。 如：液态金属中扩散系数：~10-7cm2/s 固态金属中扩散系数：10-7~10-8cm2/d
10
§1 固态相变的一般特征 1、 相界面
按结构特点可分为： 共格界面（coherent interface）
半共格界面（semi-coherent interface）
非共格界面（incoherent interface）
1
（1）共格界面
两相界面上的原子排列完全匹配，即界面上的原子为两相所共有
25
设单原子层厚度为δ，则界面迁移速率为：
V ( f f ) GV Q exp 1 exp kT kT (1 8)
26
过冷度较小时，∆GV → 0
GV exp kT GV V kT
0
t
39
t 4 3 Vex Iu V t d IVu 3t 4 0 3 3
Vex
为扩张体积，重复计算
Vex V
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
（真正的转变体积）
为了校正Vex 与V 的偏差
在dτ时间内有
dVex dV V V V
(1 4)
（4）讨论：极大值 （5）修正：考虑时间
22
§3 新相长大的基本原理
1、长大类型
（1）界面控制长大（成分不变的新相长大） 对无成分变化的相变，新相的长大主要取决于靠近相 界面的原子迁移来达到，而不涉及原子的长程扩散。 （2）扩散控制长大（成分变化的新相长大） 对有成分变化的相变，新相的长大主要取决于溶质
散速率远低于液态中的原子。 如：液态金属中扩散系数：~10-7cm2/s 固态金属中扩散系数：10-7~10-8cm2/d
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第1章 固态相变基本规律1
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 如：钢由奥氏体转变为正方马氏体:
{111}γ//{110}α´ ，<110>γ// <111>α´。
3. 相变阻力大
弹性应变能和界面能共同构成金属固态相变的阻力
弹性应变能是相界面上原子强制匹配引起的
共格>半共格>非共格
C 0 t
2) Ｆick第一定律在固态相变中的应用
对扩散形相变中某些动力学问题，可以在近 似稳态扩散条件下应用Fick第一定律做定 量及半定量的解析，主要包括两类问题：
三、相变解决什么问题？
（1）相变为何会发生？ （热力学、动力学问题） （2）相变是如何进行的？ （相变机理——与扩散、 位错等相关的理论）
四、相变科学研究的发展
关于相变科学研究开始于十九世 纪的后半期。 1、金属学家利用金相显微术对 钢铁材料热处理中相变前后的各 种显微组织（奥氏体、马氏体、 珠光体）进行组织鉴定，初步掌 握了钢铁中相变的一些经验规律。
4、上个世纪初，塔曼（G.Tammann)及其合作者进 行了相变的实验研究，在凝固过程中观察到成 核的现象。 5、二、三十年代，福尔默（M.Volmer）等建立完 备的成核的经典理论 6、四十年代末，夫兰克（F.C.Frank）提出界面 微观形貌控制长大的理论，其中螺型位错露头 处的台阶扮演重要角色。 7、三，四十年代中期，迈尔（R.F.Mehl）等建立 了扩散控制的新相长大和等温转变曲线理论
弹性应变能 共格应变能 比体积差应变能
弹性应变能
共格应变能 体积应变能
共格界面新旧两相 点阵常数差异 引起的应变能
新相与母相的比容不同， 固态相变时新相的生成 必然受到周围母相的约束 而产生弹性应变而增加 的应变能
{111}γ//{110}α´ ，<110>γ// <111>α´。
3. 相变阻力大
弹性应变能和界面能共同构成金属固态相变的阻力
弹性应变能是相界面上原子强制匹配引起的
共格>半共格>非共格
C 0 t
2) Ｆick第一定律在固态相变中的应用
对扩散形相变中某些动力学问题，可以在近 似稳态扩散条件下应用Fick第一定律做定 量及半定量的解析，主要包括两类问题：
三、相变解决什么问题？
（1）相变为何会发生？ （热力学、动力学问题） （2）相变是如何进行的？ （相变机理——与扩散、 位错等相关的理论）
四、相变科学研究的发展
关于相变科学研究开始于十九世 纪的后半期。 1、金属学家利用金相显微术对 钢铁材料热处理中相变前后的各 种显微组织（奥氏体、马氏体、 珠光体）进行组织鉴定，初步掌 握了钢铁中相变的一些经验规律。
4、上个世纪初，塔曼（G.Tammann)及其合作者进 行了相变的实验研究，在凝固过程中观察到成 核的现象。 5、二、三十年代，福尔默（M.Volmer）等建立完 备的成核的经典理论 6、四十年代末，夫兰克（F.C.Frank）提出界面 微观形貌控制长大的理论，其中螺型位错露头 处的台阶扮演重要角色。 7、三，四十年代中期，迈尔（R.F.Mehl）等建立 了扩散控制的新相长大和等温转变曲线理论
弹性应变能 共格应变能 比体积差应变能
弹性应变能
共格应变能 体积应变能
共格界面新旧两相 点阵常数差异 引起的应变能
新相与母相的比容不同， 固态相变时新相的生成 必然受到周围母相的约束 而产生弹性应变而增加 的应变能
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4、上个世纪初，塔曼（G.Tammann)及其合作者进 行了相变的实验研究，在凝固过程中观察到成 核的现象。 5、二、三十年代，福尔默（M.Volmer）等建立完 备的成核的经典理论 6、四十年代末，夫兰克（F.C.Frank）提出界面 微观形貌控制长大的理论，其中螺型位错露头 处的台阶扮演重要角色。 7、三，四十年代中期，迈尔（R.F.Mehl）等建立 了扩散控制的新相长大和等温转变曲线理论
★ 扩散驱动力：浓度梯度？
♂但是，在过饱和固溶体中溶质原子的 偏聚、脱溶，以及奥氏体分解转变析 出铁素体或析出二次渗碳体，溶质原 子是由浓度低处向浓度高处迁移的 “上坡扩散”现象 ♂下坡扩散和上坡扩散？
热力学角度分析：扩散驱动力
若固溶体是由A、B两组元构成，根据 热力学对各组元化学位（μA、μB）的定 义：
G A （ )T、P C A
G B （ ） P T、 C B
即组元摩尔原子浓度的 微小变化所引起的系统 摩尔吉布斯自由能的变 化率
化学位相当于重力场中的势能，在重力 场中势能对高度的微分是重力，在固溶 体中化学位对位置的微分：
d F dx
F也是一种作用力，其中负号表明作用 力F的方向与化学位降低的方向一致
扩散理论研究的主要内容：
一、宏观规律的研究 重点讨论扩散物质的浓度 分布与时间的关系，即扩散速 度问题 方法：根据不同条件建立一系 列扩散方程，并按边界条件不 同求解
二、微观机制研究
扩散理论另一研究领域：
扩散时原子运动的微观机制，即在相 比只有几个埃的位置间原子的无规则运动 和实验测量的宏观物质流之间的关系，它 表明扩散是与晶体中缺陷的研究密切相关； 而通过扩散测量结果可以很好地研究 这些缺陷的性质、浓度和形成条件。
0.05<δ<0.25半共格关
δ >0.25非共格关系
（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，应变能小
2 . 新旧相之间存在一定位向关系与惯习面
当两相界面为共格或半共格时，新相晶核与母相之间 存在一定的晶体学位向关系，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：
纯金属的同素异构转变 共析转变
平衡脱溶沉淀
有序化转变
调幅分解
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） 按相变过程中原子迁移特征
（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；化学成分不 变。（如马氏体转变，Fe,C都不扩散。） （ 3 ）半 扩 散型 ： 既有 切 变 ， 又有扩散 。 （如贝氏体转变，Fe切变，C扩散。）
Fe3C A
未溶Fe3C
奥 氏 体 的 形 成
A
残余Fe3C
A
A
共析钢
奥 氏 体 在 不 同 冷 却 温 度 组 织
二、物相的突变体现在那些方面？ （1） 晶体结构变化 ；
奥氏体（A）
铁素体（ F）
（2）化学成分的不连续变化：例如 固溶体的脱溶分解 （3）某种物理性质的跃变：金属— —非金属转变；顺磁体——铁磁体 转变 （4）固溶体有序化程度的变化
固态中扩散的本质
扩散力作用
浓度、电场、 应力场
原子定向、宏观迁移
结果
降低系统的吉布斯自由能
1.3.2 扩散的宏观规律
从宏观现象讨论扩散规律，就 是研究在一定热力学条件下（温 度、压下恒定）扩散物质在固态 中浓度分布与扩散时间的关系， 它需要在建立的扩散方程中求解。
工程中的扩散现象
（1）金属在压力加工过程中的 动态再结晶； （2）焊接过程，热处理中的相 变； （3）化学热处理、粉末冶金的 烧结以及氧化、蠕变等。
绪论
(INTRODUCTION)
金属材料的价值在于其使用性 能的好坏。材料性能除了直接与 材料的成分有关外，还与材料的 组织和结构有关。对于成分一定 的金属材料而言，可以通过相的 转变使其组织和结构发生变化从 而使性能得到改善。
一、什么是相及相变？
组元：金属或合金最基本的，独立的物 质称为组元(单个元素或化合物）； 组元之间相互作用形成具有一定晶体 结构和化学成分的相
球状应变能最大，针状次之，片状（盘状）应 变能最小。
比体积应变能与新相形状的关系
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 近也上液态的十万分之一，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，形核率增加，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可能使相变后得到的 组织细化
弹性应变能 共格应变能 比体积差应变能
弹性应变能
共格应变能 体积应变能
共格界面新旧两相 点阵常数差异 引起的应变能
新相与母相的比容不同， 固态相变时新相的生成 必然受到周围母相的约束 而产生弹性应变而增加 的应变能
★ 新相与母相的比容差别越大，则体积应变能越大。 ★单位体积应变能的大小还与新相的几何形状有关。
本章主要内容：
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
固态相变的分类 固态相变的特点 固态相变中原子的迁移 固态相变的热力学 固态相变形核 晶核长大 固态相变动力学
1.1 固态相变的分类
1）按照转变条件，金属固态相变分为 平衡相变和非平衡相变
平 衡 相 变
相变跨越多种学科领域，因而受到物理 学家、化学家、金属学家、陶瓷学家和 地质学家的关注。 物理金属学者重点研究的是金属和合金 中一级相变动力学，主要研究方法为光 学和电子显微术和X射线与电子衍射。
常用措施 热处理 －加热：温度、速度，保温 时间 －冷却：速度 原理：解决有哪些相变，相变 条件、机理、特征 工艺：解决如何实现这此相变 从而达到预期的性能
举
例
2013-8-4/17:05:39
五、固态相研究的意义
掌握金属材料 固态相变的规律， 就可以采取措施（如特定的加热和 冷却工艺）控制相变过程以获得所 预期的组织和性能，从而使之具有 所预期的性能，最大限度地发挥现 有金属材料的潜力，并可以根据性 能要求开发出新型材料。
第1章 固态相变导论
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 如：钢由奥氏体转变为正方马氏体:
{111}γ//{110}α´ ，<110>γ// <111>α´。
3. 相变阻力大
弹性应变能和界面能共同构成金属固态相变的阻力
弹性应变能是相界面上原子强制匹配引起的
共格>半共格>非共格
★二级相变：化学位的一级偏导数相等，二级偏 倒数不相等，相变时没有体积的膨胀和收缩及 潜热的吸收和释放，如磁性转变，有序转变
1.2 固态相变特点
1. 相界面特殊
金属固态相变时，新相和母相之间形成 的界面上两种晶体之间的界面，根据界面 上两相原子在晶体学上匹配程度不同分为： 共格界面
相界面
半共格界面 非共格界面
3） 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。
4）按相变热力学分类
一级相变和二级相变
★一级相变：在相变温度下，新旧相自由能和 化学位相等，化学位一级偏导数不等； ★一级相变有体积的膨胀和收缩及潜热的吸收 和释放，金属大多数属于一级相变
固态相变
本课程主要内容
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 固态相变导论 珠光体转变 贝氏体相变 (针状铁素体） 马氏体相变 钢的回火转变 合金脱溶
参考书： 1 康煜平 《金属固态相变及其应用》化学工业出 版社 2007 2 刘宗昌、袁泽喜编著，《固态相变教程》，机 械工业出版社，2010 3 戚正风主编，《固态金属中的扩散与相变》， 机械工业出版社，1998 4 陈景榕、李承基编著, 《金属与合金中的固态相 变》,冶金工业出版社，1997 5 D. A. 波特、K. E. 伊斯特林著，李长海、余永 宁译，《金属和合金中的相变》，冶金工业出版 社，1988 6 冯端等 金属物理学，科学出版社，2000
6 . 晶体缺陷成为非均匀形核核心
★ 实际固态金属中存在大量的晶体 缺陷 ★位错，空位，晶界和亚晶界， 新相往往在缺陷处优先形核 （释放储存能，降低形核功）
1.3 固态相变中原子的迁移
1.3.1.
扩散理论概要
金属中扩散退火可以改善因凝固带来 的不均匀性——合金中分布不均匀的 溶质原子从高浓度区域向低浓度区域 扩散的结果（下坡扩散）。
2、矿物学家对于石英等 多种晶体进行了研究，发 现同种化学成分可以对应 不同的结构，而且他们之 间有多形性转变978年吉布斯（J.W.Gibbs）发 表了题为“论复相物质的平衡”的 有名论文，对于复相平衡的热力学 规律进行了全面的阐述，并且以高 度的物理洞察力首次提出了有关相 变动力学的一些基本概念。如新相 的成核，光滑界面生长的症结，匀 相转变的可能性
相：金属或合金中结构相同、
成分相同、性能均一，有界面同 其他部分相互分开的组成部分；
相的概念
F
Fe3C
光镜下形貌
电镜下形貌
珠光体形貌像
F晶体结构
Fe3C晶体结构
相变
相变是当外界约束 （温度或压力）作连续变化 时，在特定条件（温度或压 强达到某定值）下，相与相 之间互相转变； 固态金属或合金中固态 相之间的转变称为固态相变