1 金属固态相变概论
第一章 金属固态相变概论资料
图中容器的中间有一厚度为⊿x的金属薄膜，两侧气体的压力分别为p1和p2，p1>p2，并保持不变。
金属薄膜左侧表面的气体溶解度为C1，右侧表面为C2。
气体在金属中的饱和溶解度与气体的压力有关，对于双原子气体(如O2、N2)C=sp1/2，s是一个比例常数，等于单位压强下气体在金属中的溶解度。
这样C1>C2，在金属薄膜中存在浓度梯度。
如果扩散系数D是常数，经过一段时间后，扩散达到恒稳状态，扩散气体的流量是一常数。
根据菲克第一定律：p1、p2和J可以精确测量；s可以通过其他方法测定。
这样根据上式即可测定气体的原子在金属中的扩散系数D。
将组元相同而浓度分别为C1、C2的固溶体长棒焊接在一起，构成一个扩散偶，焊接面与扩散方向垂直，并定为坐标的原点(x=0)。
将扩散偶加热到某一温度进行扩散后，在焊接面附近的浓度发生显著的变化，而远离焊接面的棒两端，由于棒足够长仍保持原来的浓度不变。
因为加热扩散过程中，焊接面附近的浓度在不断的变化，所以dC/dt≠0,是一个非稳态扩散问题，可以应用扩散第二方程求解焊接面附近的浓度变化C=f(x,t)。
假定扩散系数D不随浓度的变化而改变。
求解上述问题，可以引出一个新的变量β=x/2(Dt)1/2,利用高斯误差函数ψ求解扩散第二方程式。
高斯误差函数ψ的表达式是：初始条件：t=0时 x>0 C=C1X<0 C=C2边界条件; t>0时x +无穷大 C=C1x -无穷大 C=C2则菲克扩散第二方程的解是：前面讨论的均属于在单相中的扩散，在扩散过程中没有新相形成。
而在许多合金系中会有中间相存在，在扩散过程中也可能出现中间相，这种扩散包括两个过程，一是与前述相同的扩散过程；另一是在相界面处溶质原子达到一定浓度后，发生化学反应产生新相的过程，产生这种现象的扩散过程称为反应扩散或多相扩散。
在二元系的扩散层中，不可能出现两相共存区；在三元系的扩散层中，不可能出现三相共存区，但可以有两相共存区。
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。
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
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各类晶界非均匀形核的形核率
I n ( )3i exp( Q ) exp( AiG *homo )
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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
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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
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（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
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(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
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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
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。
第01章 金属固态相变概论
∆G =−n∆G +ηn γ + nE V
n代表晶核中的原子数。
临界形核功：
2 3
4 η3γ 3 ∆G∗ = 2 27 (∆G − E) V
推导过程。从表达式中理解 均匀形核的动力与阻力。
形核率：
Q+∆G∗ I = N exp(− ν ) kT
固态下，原子扩散激活能Q较大，相变应 变能进一步加大了形核所需功，所以I十 分小（与凝固转变相比） 均匀形核一般形核率低，不为固态相变 形核的主要形式 固态中存在大量缺陷→ 储存畸变能→ 提 供形核能量→ 能促进形核 非均匀形核为固态相变的主要形核方式
时效合金： 时效合金：能够发生时效现象的合金称为时效型合 金或简称为时效合金。 金或简称为时效合金。 成为这种合金的基本条件：一是能形成有限固溶体； 成为这种合金的基本条件：一是能形成有限固溶体； 二是其固溶度随着温度的降低而减小。 二是其固溶度随着温度的降低而减小。速冷
三、固态相变的特征 结构变化 同素异构转变、多形性转变、马 氏体转变 成分变化 调幅分解 有序程度变化 有序化转变
图1-2 Fe-Fe3C相图的伪共析区 相图的伪共析区
(2) 马氏体相变 钢在快冷时，若能避免其发生扩散型转变， 钢在快冷时，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 则将无需原子的扩散， 以一种切变共格的方式 切变共格 实现点阵的改组， 实现点阵的改组，而转变为马氏体 (3) 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 同而形貌呈块状的 相的过程
问题：两个相相同为什么组织不同，性能也不同。 （金属的强化理论）
为什么土木堡之变时明朝50万军队都赢不 了瓦剌，但北京保卫战时仅有22万人却击 退了瓦剌？王振 于谦
第一章 固态相变概论
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
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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。
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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）
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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。
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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
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固态相变
《钢的热处理》课件1-金属固态相变概论
先共析转变及伪共 析转变的过冷度
（二）马氏体转变
第 一 节 属 固 态 相 变 的 主 要 类 型
马氏体转变
• 合金在快冷时，若能避免其发生扩散 型转变，则将无需原子扩散，以一种 切变共格的方式实现点阵的改组，形 成马氏体。 举例 • 钢中，奥氏体被快冷到低温下时，以 无扩散的方式将点阵改组为点阵 特点 • 马氏体成分与原奥氏体相同
一般特征
独有特征
• 相变驱动力为新、 母相的自由能差 • 大多数通过形核与 长大的过程来实现
• 形成相界面 • 两相间具有晶体学 关系 • 产生弹性应变能 • 晶体缺陷发挥作用 • 产生过渡相
（一）共格界面
第 二 节 固 态 相 变 的 主 要 特 点
共格界面
晶体结构相同
晶体结构不同
（二）半共格界面
共格界面上存在位错 列
位错滑移台 阶侧向移动
位错攀移台 阶法向推进
（二）共格界面的迁移——非协同式长大
第 四 节 固 态 相 变 时 的 晶 核 长 大
过程
特点 • 原子移动无先后顺 序 • 相对位移距离不等 • 相邻关系可能变化
母相原子向新相中转移
界面沿法向推进
新相逐渐长大
（二）共格界面的迁移——台阶式长大
贝氏体转变
• 在珠光体转变和马氏体转变温度 范围之间（中温）转变 特点 • 半扩散型相变——铁原子不能扩 散，碳原子可以扩散 产物 • 贝氏体——铁素体和渗碳体组成 的非片层状组织
（五）不平衡脱溶沉淀
第 一 节 属 固 态 相 变 的 主 要 类 型
不平衡脱溶沉淀 • 等温条件下，由过饱和 固溶体中析出第二相的 过程 • 时效 特点
[工学]第一章金属固态相变概论
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扩散型相变
定义：在化学位差的驱动下，相界面的移动是通过原子近程或远程扩散而进行 的，原子的迁移造成原有原子邻居关系的破坏，也称为“非协同型”转变。 条件：温度足够高，原子活动能力足够强。 特点： 相变中有原子扩散。 温度愈高，扩散距离愈远。 新相和母相的成分不同。 只有因新相和母相比容不同而引起的体积变化，没有宏观形状改变。 如：同素异构转变、多形性转变、脱溶型相变、共析型相变、调幅分解和有序 化转变等等。
Ms点：马氏体相变开始点。 钢中的马氏体：碳溶于α-Fe中形 成的过饱和固溶体。
第一章 金属固态相变概论
钢 的 热 处 理 （ 原 理 和 工 艺 ）
（3）块状相变
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
（4）贝氏体相变
第一章 金属固态相变概论
钢 的 热 处 理 （ 原 理 和 工 艺 ）
1.1 金属固态相变的主要类型
平衡相变 按平衡状态分类
固 态 相 变 分 类
非平衡相变 一级相变 按热力学分类 二级相变 扩散相变 按原子迁移分类 非扩散型相变 有核相变 按相变方式分类 无核相变
第一章 金属固态相变概论
钢 的 热 处 理 （ 原 理 和 工 艺 ）
四、按相变方式分类 有核相变
相变方式：通过形核—核长大进行 形核部位：晶核在母相中有利部位优先形成，一般为晶界、来晶界、位错 等晶体缺陷处。大多数固态相变属于此类。 特点：新相与母相之间有相界面隔开。
无核相变
无形核阶段，以成分起伏作为开端，依靠上坡扩散使浓度差逐渐增大， 最后由一个单相固溶体分解成为成分不同而点阵结构相同的以共格界面相 联系的两个相。如调幅分解即为无核相变。
第一章 金属固态相变概论资料
图中容器的中间有一厚度为⊿x的金属薄膜，两侧气体的压力分别为p1和p2，p1>p2，并保持不变。
金属薄膜左侧表面的气体溶解度为C1，右侧表面为C2。
气体在金属中的饱和溶解度与气体的压力有关，对于双原子气体(如O2、N2)C=sp1/2，s是一个比例常数，等于单位压强下气体在金属中的溶解度。
这样C1>C2，在金属薄膜中存在浓度梯度。
如果扩散系数D是常数，经过一段时间后，扩散达到恒稳状态，扩散气体的流量是一常数。
根据菲克第一定律：p1、p2和J可以精确测量；s可以通过其他方法测定。
这样根据上式即可测定气体的原子在金属中的扩散系数D。
将组元相同而浓度分别为C1、C2的固溶体长棒焊接在一起，构成一个扩散偶，焊接面与扩散方向垂直，并定为坐标的原点(x=0)。
将扩散偶加热到某一温度进行扩散后，在焊接面附近的浓度发生显著的变化，而远离焊接面的棒两端，由于棒足够长仍保持原来的浓度不变。
因为加热扩散过程中，焊接面附近的浓度在不断的变化，所以dC/dt≠0,是一个非稳态扩散问题，可以应用扩散第二方程求解焊接面附近的浓度变化C=f(x,t)。
假定扩散系数D不随浓度的变化而改变。
求解上述问题，可以引出一个新的变量β=x/2(Dt)1/2,利用高斯误差函数ψ求解扩散第二方程式。
高斯误差函数ψ的表达式是：初始条件：t=0时 x>0 C=C1X<0 C=C2边界条件; t>0时x +无穷大 C=C1x -无穷大 C=C2则菲克扩散第二方程的解是：前面讨论的均属于在单相中的扩散，在扩散过程中没有新相形成。
而在许多合金系中会有中间相存在，在扩散过程中也可能出现中间相，这种扩散包括两个过程，一是与前述相同的扩散过程；另一是在相界面处溶质原子达到一定浓度后，发生化学反应产生新相的过程，产生这种现象的扩散过程称为反应扩散或多相扩散。
在二元系的扩散层中，不可能出现两相共存区；在三元系的扩散层中，不可能出现三相共存区，但可以有两相共存区。
金属材料科学工程固态相变理论1
固态相变：金属和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，即发生从一种状态到另一种状态的改变，这种转变称为固态相变。
按热力学分类：一级相变：相变时新旧两相的化学势相等，但化学势的一级偏微熵不等的相变称为一级相变; 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熵也相等，但化学势的二级偏微熵不相等的相变称为二级相变。
按平衡状态图分类：平衡相变指在缓慢加热或冷却过程中所发生的能获得的符合平衡状态相图的平衡组织的相变。
主要有同素异构转变、多形性转变、平衡脱溶沉淀、共析相变、调幅分解、有序化转变。
非平衡相变:伪共析相变、马氏体相变、贝氏体相变、非平衡脱溶相变按原子迁移情况分类：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称为扩散型相变。
基本特点是：①相变过程中有原子扩散运动，相变速率受原子扩散速度所控制；②新相和母相得成分往往不同；③只有因新相和母相比容不同而引起的体积变化，没有宏观形状改变。
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的运动是协调一致的相变称为非扩散型相变。
一般特征是：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。
共格界面：若两相晶体结构相同、点阵常数相等、或者两相晶体结构和点阵常数虽有差异，单存在一组特定的晶体学平面使两相原子之间产生完全匹配。
此时，界面上原子所占位置恰好是两相点阵的共有位置，界面上原子为两相所共有，这种界面称为共格界面。
当两相之间的共格关系依靠正应变来维持时，称为第一类共格；而以切应变来维持时，成为第二类共格。
半共格界面：半共格界面的特点：在界面上除了位错核心部分以外，其他地方几乎完全匹配。
在位错核心部分的结构是严重扭曲的，并且点阵面是不连续的。
金属固态相变概论
（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。
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
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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。
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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1章金属固态相变概论
固态相变
固态材料在温度和压力改变时，其内部 组织和结构会发生变化，即发生从一种相 状态到另一种相状态的转变，这种转变叫 固态相变。 相变前的相状态称为旧相或母相； 相变后的相状态称为新相。
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1.1 金属固态相变的主要类型
1.1.1 平衡转变
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。 （1）同素异构转变和多形性转变 纯金属在温度和压力变化时，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。 上一页 下一页
半共格界面
图1.5 固态相变界面结构示意图
上一页 下一页
（3）非共格界面
当两相界面处的原 子排列差异很大，即错 配度δ很大时，两相原 子之间的匹配关系便不 再维持，这种界面称为 非共格界面。
非共格界面
图1.6 固态相变界面结构示意图
上一页 下一页
金属固态相变时，两相的界面能与界面结构 和界面成分的变化有关。两相界面上原子排列的 不规则性将导致两相界面能升高，非共格界面能 最高，半共格界面能次之，而共格界面能最低；
形成临界晶核的形核功W为：
W G
16
3 2
3( G V )
临界晶核半径rc ↑ →界面能σ和弹性应变能 ε↑ →形核功W↑ 固态相变均匀形核时的形核率为：
上一页 下一页
Q G N n exp kT
具有低界面能和高弹性应变能的共格新相核胚， 倾向于盘状或片状；而具有高界面能和低弹性应 变能的非共格新相核胚，则易于成为等轴状。但 若新相核胚界面能的异向性很大（对母相晶面敏 感）时，也可呈片状或针状。
第一章 金属固态相变概论
10
3.第二相的形状 与应变能的关系 第二相的形状
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 新相形成时体积变化受到母相约束而产生的弹性应变能 比容差应变能 比重 比容
∆G = n∆GV + η n Es + nEε
2 3
• ∆GV 为每个原子母相转变为新相时的自由 能变化； 能变化； • η为晶核的形状因子； 为晶核的形状因子； 为晶核的形状因子 • Es为单位面积界面能； 为单位面积界面能； • Eε为新相晶核每个原子的应变能。 为新相晶核每个原子的应变能。
16
11
非共格相界的应变能
• 新相呈球状时，体积 应变能最大；针状次 片状时最低。 之；片状时最低。 • 新相／母相相界为非 共格界面时，考虑到 降低相变时的应变能 ， 新相往往呈片状。 新相往往呈片状。
12
4.晶体缺陷的作用 晶体缺陷的作用
• 大多固态相变的形核功较大，晶内存在的 大多固态相变的形核功较大， 缺陷对固态相变具有明显的促进作用。 缺陷对固态相变具有明显的促进作用。
第一章
金属固态相变概论
1
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， 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 构转变为另一种结构的现象称为 同素异晶 转变。 转变。 若在固溶体中发生这种结构的转变， 若在固溶体中发生这种结构的转变 ， 则称 多形性转变。 为多形性转变。 F A
5.形成亚稳相 形成亚稳相
第1章 金属固态相变概论
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
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。 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。
两相中存在着保持平行关系的密排晶面和晶向
1394C 912 C 体心立方-Fe—面心立方 -Fe—体心立方-Fe 2) 多形性转变：固溶体的同素异构转变。
如：
AF
冷却
加热
3）共析相变： 定义：冷却时，一个
固溶体同时分解为两 个不同结构、成分的
固相的转变
如：图中c成份合金
如：钢中的珠光体转变
A F+Fe3C
4）平衡脱溶沉淀：
金属固态相变及应用，康煜平主编，化学工业出版社 金属热处理原理，徐洲主编，科学出版社
金属热处理工艺学，夏立芳编，哈尔滨工业大学出版社
金属固态相变教程，刘宗昌编著，冶金工业出版社 相变理论基础及应用，宫秀敏编著，武汉理工大学出版社
金属材料及热处理领域概况
金属材料
黑色金属(本课程主要研究对象)：
770 C： -Fe的磁性转变点，
> 770C ，顺磁性； < 770 C，铁磁性。
见材料分析方法：磁性分析
碳在钢铁中的存在形式：
1. 铁素体F、 ：ferrite
C溶于体心立方的-Fe中形成 的固溶体
2. 奥氏体A、：austenite
C溶于面心立方的 -Fe中形成 的固溶体 3. 渗碳体Fe3C：cementite 碳与铁原子形成的复杂结构 的化合物 4. 石 墨：六方结构，游离态
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(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。
反应式：α→α1+α2。
(5) 有序化转变
定义：固溶体(包括以中间相为基的固溶 体)中，各组元原子的相对位置从无序到 有序(指长程有序)的转变过程。
举例：Cu-Zn、Au-Cu、Mn-Ni、Fe-Ni、 Ti-Ni等合金中均可发生这种转变。
举例：Fe-C合金、铜合金、钛合金。
(3) 块状转变
定义：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。
特点：通过原子的短程扩散使非共格相界 面在母相中推移。
举例：纯铁、低碳钢、Cu-Zn、Cu-Ga合 金中存在。
(4) 贝氏体相变
当奥氏体过冷至珠光体转变与马氏体转变 温度范围之间(中温)，Fe原子不能扩散， C原子可以扩散，从而转变为贝氏体。
固态相变的分类
(3) 按热力学函数变化分类 一级相变：相变时两相的化学位相等，而
化学位对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。
(3) 按热力学函数变化分类
相变 类型
T P S
P T V
形性转变、马氏体转变、块状转变等； 成分变化(一种变化)：调幅分解； 结构和成分变化(两种变化)：共析转变、
贝氏体转变、脱溶沉淀等。
固态相变总结
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。
温度：敏感，易控制，成为控制固态相变 的主要因素(热处理炉)；
压力：不易控制，不敏感(等压)。
化时，晶体结构发生变化。如Fe、Ti、 Co、Sn等。 多形性转变：固溶体在温度和压力变化 时，晶体结构发生变化。如钢在加热时 F向A的转变，冷却时A向F的转变。
(2) 平衡脱溶沉淀
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。
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。
固态相变的分类
4) 按平衡状态分类 平衡相变：同素异构转变、多形性转变、
平衡脱溶沉淀、共析转变、调幅分解、有 序化转变。 非平衡相变：伪共析转变、马氏体转变、 块状转变、贝氏体转变、不平衡脱溶沉淀。
1.1 金属固态相变的主要类型
1.1.1 平衡转变 (1) 同素异构转变和多形性转变 同素异构转变：纯金属在温度和压力变
举例：A中析出Fe3CII，F中析出Fe3CIII。
(3) 共析转变
定义：合金在冷却时，由一个固相同时分 解为两个不同的固相的转变。
反应式：γ→α+β。 举例：钢在冷却时由A转变为P(F和Fe3C)。
(4) 调幅(或增幅)分解
定义：过饱和固溶体在一定温度下分解成 与原固溶体结构相同、成分不同的两个相 的过程。
22
T 2
P
21 P 2
T
22 P 2
T
2 1 TP
22 TP
固态相变的分类
(3) 按热力学函数变化 二级相变：相变时两相的化学位相等，化
学位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。
一级 相变
二级 相变
1
T P
2
T P 1 T P 2
T P
1
P T
2
P T
1
P T
2
P T
2 T 2
P
S CP T P T
2 P2
T
V V V V P T
2 TP
V V V V T P
21
T 2
P
1.1.2 不平衡转变
(1) 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。
(2) 马氏体转变
定义：钢在快冷时，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改组，而转变为与 母相成分相同的一种组织。
固态相变总结
(1) 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。 (2) Al-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。 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。
1.2 金属固态相变的主要特点