金属学基本概念及固态相变概论 PPT
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金属固态相变资料.pptx
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3. 按相变方式分类
（1）形核-长大型相变：相变时在很小范围内发生原子 相当激烈的重排，生成新相核心，两相之间产生相界。 相变靠不断的生核和晶核的长大实现。脱溶转变、共析 转变属于此类。 （2）连续型相变：相变时在很大范围内发生原子轻微 的重排，相变的起始状态与最终状态之间存在一系列连 续状态，不需形核，靠连续涨落形成新相。调幅分解属 于此类。
第34页/共86页
3.奥氏体的稳定化
概念：马氏体转变中止、停顿后再继续冷却时出 现转变滞后和残余奥氏体量增多的现象。
（1）热稳定化 A体淬火时因缓慢冷却或在MS～Mf之间某温度
停留一段时间后，使过冷奥氏体转变迟滞的现象。
第35页/共86页
（2）机械稳定化 在应力—应变作用下可以促进钢中的相变发生，即形变诱发
（3）空位形核
（4）层错形核
新相生成处空位消失，提供能量 空位群可凝结成位错 （在过饱和固溶体的脱溶析出过程中， 空位作用更明显。）
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新相的长大
1.界面过程控制的新相长大 （1）非热激活界面近程控制的新相长大 （2）热激活界面过程控制的新相长大
切
台
变
阶
长
式
大
长
大
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2 扩散控制的新相长大 （1） 界面控制长大 新相生成时无成分变化(有结构、有 序度变化）
S：650～600℃, S0=80～150nm,高倍OM
T: 600～550℃, S0=30～80nm,TEM
组织名称
表示符号
形成温度范围 /℃
硬度
片间距/nm
能分辨片层的 放大倍数
珠光体
P
A1~650
170~200HB 150~450
3. 按相变方式分类
（1）形核-长大型相变：相变时在很小范围内发生原子 相当激烈的重排，生成新相核心，两相之间产生相界。 相变靠不断的生核和晶核的长大实现。脱溶转变、共析 转变属于此类。 （2）连续型相变：相变时在很大范围内发生原子轻微 的重排，相变的起始状态与最终状态之间存在一系列连 续状态，不需形核，靠连续涨落形成新相。调幅分解属 于此类。
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3.奥氏体的稳定化
概念：马氏体转变中止、停顿后再继续冷却时出 现转变滞后和残余奥氏体量增多的现象。
（1）热稳定化 A体淬火时因缓慢冷却或在MS～Mf之间某温度
停留一段时间后，使过冷奥氏体转变迟滞的现象。
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（2）机械稳定化 在应力—应变作用下可以促进钢中的相变发生，即形变诱发
（3）空位形核
（4）层错形核
新相生成处空位消失，提供能量 空位群可凝结成位错 （在过饱和固溶体的脱溶析出过程中， 空位作用更明显。）
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新相的长大
1.界面过程控制的新相长大 （1）非热激活界面近程控制的新相长大 （2）热激活界面过程控制的新相长大
切
台
变
阶
长
式
大
长
大
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2 扩散控制的新相长大 （1） 界面控制长大 新相生成时无成分变化(有结构、有 序度变化）
S：650～600℃, S0=80～150nm,高倍OM
T: 600～550℃, S0=30～80nm,TEM
组织名称
表示符号
形成温度范围 /℃
硬度
片间距/nm
能分辨片层的 放大倍数
珠光体
P
A1~650
170~200HB 150~450
金属固态相变基础.ppt
2 1 T 2 P 2 T 2 P
2
2 1 P 2 T 2 2 P 2 T
2 1 TP 2 2 T P
多形性转变 固溶体由一种晶体结构转变为另一种 结构的过程称为多形性转变。
平衡脱溶转变
单一的α固溶体, 冷至 固溶度曲线MN以下温度时， β相又将逐渐析出，这一 过程称为平衡脱溶沉淀。 其特点是新相的成分 和结构始终与母相的不同； 随着新相的析出，母相的成 分和体积分数将不断变化， 但母相不会消失。 例如：钢在冷却时，二 次渗碳体的析出，即属这种 相变。
一级相变
具有体积和熵的突变； 熵的突变表明在一级相变过程中， 有相变潜热的吸收或释放，从而可 以应用热膨胀仪来测量一级相变的 开始点。 体积的突变说明在相变过程中要发 生体积变化。 材料凝固、熔化、升华、同素异构 转变均属一级相变。 几乎所有伴随晶体结构变化的固态 相变都为一级相变。
S， 0
V 0
非平衡脱溶转变 ： 自t1快冷，在冷却过 程中β来不及析出； 故将得到过饱和固溶 体； 在室温或在低于固溶 度曲线MN的某一温度 下等温时将自α析出 成分与结构均与平衡 沉淀相不同的新相， 称为不平衡脱溶沉淀。
3、按原子的迁移情况分类
扩散型相变
定义：相变过程受控于原子（或离子）的扩散。 特点：（1）相变的速度取决于原子的扩散速度； （2）新相和母相成分不同； （3）体积变化，但宏观形状不变 无扩散型相变 定义：相变过程不存在原子（或离子）的扩散，原子（或 离子）仅做有有规则的迁移使点阵发生改组。 特点：（1）宏观形状变化，试样表面会出现浮凸； （2）新相与母相化学成分相同； （3）新相与母相之间存在一定晶体学位向关系。
2
2 1 P 2 T 2 2 P 2 T
2 1 TP 2 2 T P
多形性转变 固溶体由一种晶体结构转变为另一种 结构的过程称为多形性转变。
平衡脱溶转变
单一的α固溶体, 冷至 固溶度曲线MN以下温度时， β相又将逐渐析出，这一 过程称为平衡脱溶沉淀。 其特点是新相的成分 和结构始终与母相的不同； 随着新相的析出，母相的成 分和体积分数将不断变化， 但母相不会消失。 例如：钢在冷却时，二 次渗碳体的析出，即属这种 相变。
一级相变
具有体积和熵的突变； 熵的突变表明在一级相变过程中， 有相变潜热的吸收或释放，从而可 以应用热膨胀仪来测量一级相变的 开始点。 体积的突变说明在相变过程中要发 生体积变化。 材料凝固、熔化、升华、同素异构 转变均属一级相变。 几乎所有伴随晶体结构变化的固态 相变都为一级相变。
S， 0
V 0
非平衡脱溶转变 ： 自t1快冷，在冷却过 程中β来不及析出； 故将得到过饱和固溶 体； 在室温或在低于固溶 度曲线MN的某一温度 下等温时将自α析出 成分与结构均与平衡 沉淀相不同的新相， 称为不平衡脱溶沉淀。
3、按原子的迁移情况分类
扩散型相变
定义：相变过程受控于原子（或离子）的扩散。 特点：（1）相变的速度取决于原子的扩散速度； （2）新相和母相成分不同； （3）体积变化，但宏观形状不变 无扩散型相变 定义：相变过程不存在原子（或离子）的扩散，原子（或 离子）仅做有有规则的迁移使点阵发生改组。 特点：（1）宏观形状变化，试样表面会出现浮凸； （2）新相与母相化学成分相同； （3）新相与母相之间存在一定晶体学位向关系。
第二章相固态相变概论ppt课件
2.焓
焓是一个热力学系统中的能量参数。由dU=δQ –pdV，可 以导出δQ= dU+pdV=dU+d(pV)-VdP=d(U+pV)-VdP 焓定义式为：H=U+pV ; 则δQ=dH-VdP
3.比热容
比热容的定义是，当一个系统由于加给一微小的热量δQ而稳 定升高dT时δQ/dT这个量即是比热容。
2.5 相变驱动力与形核驱动力
相变驱动力：新旧两相的自由能之差 2.5.1 纯组元同素异构转变
G m
H
m
T
S
m
当T=T0时有：
Gm
H
m
T0Sm
0
S
m
H
m
T0
代入第一个式子 且令∆T=T0-T有：
G m
H
m
T T0
过冷度ΔT不大时， 相变驱动力随ΔT的
增大而线性增加
2.5.2 脱溶反应的相变驱动力
Phase transition 时，物质聚集状态的突变。
突变可以体现为：
（1）从一种结构变化为另一种结构。狭义上来讲是指物态或 晶型的改变。如，气相凝结为液相或是固相，液相凝固为固 相等。广义上讲，结构变化还包括分子取向或是电子态的改 变（2。）成分的连续或不连续变化，这种成分变化主要是指封闭 体系内部相间成分分布的变化。如，固溶体的脱溶分解或是 溶液的结晶析出。
物理意义：大量的成分为x0的 相取出少量的成 分为x的物质的摩 尔Gibbs自由能
2.5.3 形核驱动力：EF
可通过母相自由能-成分曲线上该 母相成分点切线与析出相自由能成分之间的垂直距离来量度
形核驱动力：EF
不同成分的合金形核驱动力将不同
确定具有最大形核驱动力的核心成分 xm
焓是一个热力学系统中的能量参数。由dU=δQ –pdV，可 以导出δQ= dU+pdV=dU+d(pV)-VdP=d(U+pV)-VdP 焓定义式为：H=U+pV ; 则δQ=dH-VdP
3.比热容
比热容的定义是，当一个系统由于加给一微小的热量δQ而稳 定升高dT时δQ/dT这个量即是比热容。
2.5 相变驱动力与形核驱动力
相变驱动力：新旧两相的自由能之差 2.5.1 纯组元同素异构转变
G m
H
m
T
S
m
当T=T0时有：
Gm
H
m
T0Sm
0
S
m
H
m
T0
代入第一个式子 且令∆T=T0-T有：
G m
H
m
T T0
过冷度ΔT不大时， 相变驱动力随ΔT的
增大而线性增加
2.5.2 脱溶反应的相变驱动力
Phase transition 时，物质聚集状态的突变。
突变可以体现为：
（1）从一种结构变化为另一种结构。狭义上来讲是指物态或 晶型的改变。如，气相凝结为液相或是固相，液相凝固为固 相等。广义上讲，结构变化还包括分子取向或是电子态的改 变（2。）成分的连续或不连续变化，这种成分变化主要是指封闭 体系内部相间成分分布的变化。如，固溶体的脱溶分解或是 溶液的结晶析出。
物理意义：大量的成分为x0的 相取出少量的成 分为x的物质的摩 尔Gibbs自由能
2.5.3 形核驱动力：EF
可通过母相自由能-成分曲线上该 母相成分点切线与析出相自由能成分之间的垂直距离来量度
形核驱动力：EF
不同成分的合金形核驱动力将不同
确定具有最大形核驱动力的核心成分 xm
固态相变PPT课件
Driin•vcoinrnegcaefsoneurccleeTattoedn,ugcrloewatuen
increases as we
til reach equilibrium
supercooling (eutectic, eutectoid)
Small supercooling few nuclei - large
②相变阻力使之无 法进行下去。
α+θ
Al
Cu
(a)过饱和固溶体 (b)GP区, θ′′ , θ′ (c)马氏体
α+Fe3C
Fe
Fe3C
8
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金属材料热处理原理
3. 1 概述
➢新相/母相相界，类似于晶界，可分共格、部分共格、非 共格等三类
初生新相的相界面多为共格，而后逐渐向非共格界面发展.
crystals Large supercooling rapid nucleation - many
nuclei, small crystals
28
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金属材料热处理原理
３. 2 新相形核
3. 3 新相形核
均匀形核（任意随机地形核）、不均匀形核（实际情况）
均匀形核(Homogeneous nucleation)
母相
溶质原子扩散
新相
26
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金属材料热处理原理
3. 1 概述
非扩散型相变（移位、切变、军队）
在原子无法实现扩散的条件
下发生。新相生长时，母相
中原子不需扩散，只以小于
母相
新相
原子间距的距离相对位移，
实现晶体集体切变，新相成
分保留母相成分特点。
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
第一章 金属固态相变概论资料
彼此衔接的，界面上的原子为两者➢共0.0有5<。但<0是.2理5 想--的----完半全共共格格界界面面，只有在孪晶
界，且孪晶界即为孪晶面时才可能➢存>在0.。25
------ 非共格界面
（2）半共格相界 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。
完全共格相界
弹性畸变共格相界
半共格相界
非共格相界
2 惯习面和位向关系
• 新相往往在母相的一定晶面上形成，该晶面即称 为惯习面。 习马面氏。体在奥氏体的(111)γ上形成， (111)γ既是惯
• 惯习面可能是原子移动最小距离就能形成新相的 面。
• 新相和母相之间的晶面和晶向往往存在一定的位 向关系，以减小两相间的界面能。
1 2
特点 ：
新形成的微区之间无明显的界 面和成分的突变；
通过上坡扩散，最终使均匀固 溶体变为不均匀固溶体。
无需驱动力，且进行的速度极
快。
二、 非平衡转变
1. 伪共析转变 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. 马氏体相变
经无扩散过程形成的、与母相成分相同的一种 组织。
• 具有不同结构的两相之间的分界面称为“相界”。 • 按结构特点，相界面可分为：
➢ 共格相界 ➢ 半共格相界 ➢ 非共格相界
式中a 和b分别表示相界面两侧的 相和相
（1）共格相界
的点阵常数，且a ＞a 。
所谓"共格"是指界面上的原子➢同时< 位0.0于5 两相晶--格---的- 共结格点界上面，即两相的晶格是
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)
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
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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
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
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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。
18
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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ppt课件
• 水平。β跃迁到α相需激活能
• Δg而相原子跃迁到相所需 • 激活能为Δg+ Δ gαβ • 则两相原子的跃迁频率 • 分别为
G
α λ
Δg β
Δ gαβ
• ν β α = ν0exp(- Δg /Kt) • ν α β = ν0exp【- (Δg+ Δ gαβ）/Kt】
26
• 这样β相原子跳到α中的净频率为
13
• 固态相变增加能量Eε2 ，即弹性应变能，比 液态结晶困难。必须增大ΔGv即过冷度来克 服。
• 弹性应变能是由于新相和母相比体积不同 引起的，它与新相的几何形状有关，圆盘 状新相引起的弹性应变能最小。
Es/E0
球状 1
针状 0.5
盘状
0
1
2
新相几何形状比容相对值与应变能的关系 Es—新相单位质量应变能，E0----球状新相单位质 量应变能
5
• （6）调幅分解 某些高温下形成的均一固溶体缓 冷到某一温度，分解为结构与母相相同但成分不 同的微区转变：
•
α α1 +α2
• （7）有序化转变 在平衡条件下，固溶体中原子
位置由无序到有序的转变.
• 1.2.1.2 非平衡转变 在快速加热或冷却的条件 下，平衡转变受到抑制所发生的不符合平衡相图 上转变类型的转变，获得不平衡或亚稳态组织。
变称为多形性转变，如：钢的铁素体向奥氏体的 转变。
4
• （3）共析转变 合金在冷却时，同时由一 种固溶体析出两种不同相的转变，如：
• γ α+β。 • （4）包析转变 合金在冷却时，由两个固
相合并转变成一个固相的转变，如：Fe-B 系合金中910发生的包析转变 • γ + Fe2B α • (5）平衡脱溶沉淀 固溶体在冷却时因为溶 解度的下降，由固溶体中析出新相的过程， 如奥氏体中析出二次渗碳体。
第十五章固态相变原理基础ppt课件
前言
金属相变理论研究以马氏体相变研究的发展最 为迅速，随着各种先进的测试手段和技术的出现和 发展（如透射电镜、电子探针、选区电子衍射、俄 歇离子去层分析等），马氏体相变研究已深入到本 质性探讨阶段，涉及面相当广泛，包括形态学、热 力学、动力学、力学性能、形核与长大模型等。
奥氏体的形成珠光体转变、回火转变、贝氏 体转变等研究近年来也取得了新的进展。
凝固理论与固态相变
Solidification Theory and Phase Transformations in Solids
第十五章 金属固态相变理论基础
前言
固态相变是金属热处理的基础。例如, 马氏体相 变使钢得以淬火强化，过饱和固溶体分解使合金得 以时效强化等。
金属相变理论研究不仅在热处理技术的发展中 具有决定性意义，而且在新型金属材料的研制中也 处于举足轻重的地位。
第一节 金属固态相变的特征
实验表明：母相晶粒越细、晶界越多、空位 浓度越大，固态相变的转变速度越快。
原因：晶体缺陷是体系能量起伏、成分起伏 和结构起伏最大的区域，在此区域形核，原子扩 散激活能低，扩散速度快，相变应力容易被松弛。
第一节 金属固态相变的特征
六、原子的扩散
多数情况下，新相和母相成分不同，固态相 变必须通过某些组元的扩散才能进行。原子扩散 速度对固态相变具有很大的影响。受扩散控制的 固态相变在冷却时可以产生很大程度的过冷。
两相界面为共格或半共格界面时，新相与母相之 间必然存在一定的位向关系；
如果新、旧两相之间没有确定的位向关系，则相 界面必然是非共格界面。
第一节 金属固态相变的特征
三、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，这个晶面称之为惯习面，通常以 母相的晶面指数来表示。
金属固态相变基础课件
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在工程领域中的应用
机械制造
金属固态相变在机械制造中发挥 着重要作用，如模具制造、切削
工具、耐磨件等。
航空航天
在航空航天领域，金属固态相变 对于提高飞行器的轻量化、强度
和耐高温性能具有重要意义。
建筑和土木工程
在建筑和土木工程领域，利用金 属固态相变原理制备的钢筋和高 强度钢可以提高结构的强度和耐
久性。
相变过程中的晶体缺陷
晶体缺陷可以作为相变过程中的形核 位置，影响新相的形核和长大过程。
晶体学对称性与相变关系
对称性破缺
在金属固态相变过程中，晶体对称性可能会发生破缺，导致新相的形成。
对称性破缺与物理性质变化
对称性破缺会导致金属的物理性质发生变化，如磁性、电导率等。
PART 04
金属固态相变的动力学基 础
金属固态相变的热力学基 础
热力学基本概念
01
02
03
热力学第一定律
能量守恒定律，表示系统 能量的变化等于系统与环 境之间交换的热量与功的 和。
热力学第二定律
熵增加原理，表示自发过 程总是向着熵增加的方向 进行，即系统总是向着更 加混乱无序的状态发展。
状态函数
描述系统状态的物理量， 其值只取决于系统的状态， 而与达到该状态所经历的 过程无关。
在扩散型相变中，原子通过热激活或 应力驱动，从一个位置移动到另一个 位置，从而在固态中形成新的相。
无扩散型相变
无扩散型相变是指原子不通过 扩散迁移到新相中的过程。
在无扩散型相变中，原子通过 快速重新排列或重组来形成新 的相，而不需要原子进行长距 离的迁移。
无扩散型相变通常在较低的温 度下发生，并且可以在短时间 内完成，因为原子不需要克服 势垒进行迁移。
02第二章__金属固态相变基础(1)
枝晶偏析示意图
固溶体结晶时成分是变化的，冷却时由于原子的扩散 充分进行，形成的是成分均匀的固溶体。如果冷却较 快，原子扩散不能充分进行，则形成成分不均匀的固 溶体。先结晶的树枝晶轴含高熔点组元（Ni）较多， 后结晶的树枝晶枝干含低熔点组元（Cu）较多。结果 造成在一个晶粒之内化学成分的分布不均,这种现象称 为枝晶偏析.
(2)不平衡转变
不平衡转变：固态金属在快速加热和冷却时， 由于平衡相变受到抑制，可能发生某些不平衡 转变而得到在相图上不能反应的不平衡组织。
不平衡转变
Ⅰ
伪共析相变 马氏体相变 贝氏体相变 不平衡脱溶转变(时效)
L T A >> ’ >> + + B
2. 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；
把OP的另一结点P的坐标经等比例化简后按X、Y、Z坐标轴 的顺序写在方括号[ ]内，则[uvw]即为OP的晶向指数。
晶面：晶体点阵在任何方向上分解为相互平行的 结点平面称为晶面，即结晶多面体上的平面。 晶面指数：结晶学中经常用（hkl）来表示一组平 行晶面，称为晶面指数。数字hkl是晶面在三个坐 标轴（晶轴）上截距的倒数的互质整数比。
3.按相变方式分类 (1)有核相变 形核----长大方式进行相变。 (2)无核相变
条件：可以以成分起伏或能量起伏为开始，直 接长大形成新相过程。
如：调幅分解以成分起伏为开始，进行上坡扩 散，形成两个成分不同的新相； 马氏体相变以能量起伏为开始，靠共格切变直接长 大形成新相过程。
金属固态相变特征ppt实用资料
• Байду номын сангаас、新相长大速度：界面移动速度
• 三、新相长大速度与过冷度的关系
• 四、新相形成的转变速度与过冷度的关 系
新相形成的转变速度与过冷度的关系
temperature Transformation speed
新相长大速度与过冷度的关系
temperature D, u, △g
• 1.弹性应变能:随错配度变化
• 2.错配度:δ= Δa/a
δ<0.05
完全共格
δ=0.05-0.25 半共格
δ >0.25
非共格
一、相界面（phase interface ）
金属界面结构示意图---非共格界面
金属界面结构示意图---半共格界面
半共格界面
金属界面结构示意图---共格界面
α phase β phase
晶粒２ ２金）属惯 界习面面结{构11示1}意γ 图---非共格界面
金 {11属1}界γ 面// {结11构0}示α’意图---共格界面
２）无扩散型相变的特征
temperature 晶体缺陷对形核的作用：
晶界
§２ 固态相变的长大
• 一、长大机制 • １半共格界面的迁移 • ２非共格界面的迁移 • ３扩散型相变与无扩散型相变 • １）扩散型相变的特征 • ２）无扩散型相变的特征
第一章 金属固态相变特征
basic features of metallic solid-state phase transformation
§1 固态相变的特点
• 驱动力：新相与母相的自由能差
• 阻力:界面能和应变能
• 基本过程：成核（nucleation）
•
长大(growing)
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[1/2,0,1/2]
四方（正方） (tetragonal) 立方 (cubic) 三方（菱方） (rhombohedral) 六方 (hexagonal)
a=bc o ===90 a=b=c o ===90 a=b=c o ==90 a=b=dc (a=bc) o ==90 o =120
铜镍二元合金相图，
铜镍二元合金相图，是一种最简单的基本相 图：。横坐标表示合金成分（溶质的质量百分 数），左右端点分别表示纯组元（纯金属）和， 其余的为合金系的每一种合金成分，如C点的 合金成分为含20％,含80％。坐标平面上的任 一点称为表象点表示一定成分的合金在一定温 度时的稳定相状态。
第一章
金属学基本概念 及固态相变概论
一 金属学基本概念 二 二元合金相图 三 金属固态相变概论
一、基本概念
金属 具有不透明、金属光泽、导热和导电性并且其导 电能力随温度的增高而减小，富有延展性等特性 的物质。金属内部原子具有规律性排列的固体。 原子尺度的结构 主价键：离子键，共价键，金属键 次价键：范德瓦尔斯键（分子键）
晶系 三斜 (triclinic) 单斜 (monoclinic) 斜方（正交） (orthorhombic) 晶胞参数关 系 abc o 90 abc o ==90 abc o ===90 点阵名称 简单三斜 简单单斜 底心单斜 简单斜方 体心斜方 底心斜方 面心斜方 简单四方 体心四方 简单立方 体心立方 面心立方 简单三方 简单六方 阵点坐标 [0,0,0] [0,0,0] [0,0,0] [1/2,1/2 ,0] [0,0,0] [0,0,0] [1/2,1/2 ,1/2] [0,0,0] [1/2,1/2 ,0] [0,0,0] [1/2,1/2,0] [0,1/2 ,1/2] [0,0,0] [0,0,0] [1/2,1/2,1/2] [0,0,0] [0,0,0] [1/2,1/2 ,1/2] [0,0,0] [1/2,1/2 ,0] [0,1/2 ,1/2] [0,0,0] [0,0,0]
二元合金的杠杆定律
把OP的另一结点P的坐标经等比例化简后按X、Y、Z坐标轴 的顺序写在方括号[ ]内，则[uvw]即为OP的晶向指数。
晶面：晶体点阵在任何方向上分解为相互平行的 结点平面称为晶面，即结晶多面体上的平面。 晶面指数：结晶学中经常用（hkl）来表示一组平 行晶面，称为晶面指数。数字hkl是晶面在三个坐 标轴（晶轴）上截距的倒数的互质整数比。
晶体：晶体是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固 体，即晶体是具有格子构造的固体。 晶格：为了描述晶体的结构，把构成晶体的原子当成一个 点，再用假想的线段将这些代表原子的各点连接起来，就 绘成了所表示的格架式空间结构。这种用来描述原子在晶 体中排列的几何空间格架，称为晶格；排有结构粒子的这 些点叫做晶格的结点。 晶胞：由于晶体中原子的排列是有规律的，可以从晶格中 拿出一个完全能够表达晶格结构的最小单元，这个最小单 元就叫作晶胞。
晶体按其内部结构可分为七大晶系和14种 晶格类型。其中常见的有体心立方、面心 立方、密排六方等晶体结构。
实际上理想的晶体结构是不存在的，事实上， 晶体都总是或多或少存在某些缺陷，可能存在 空位、间隙离子、取代离子、位错等缺陷。
表1-1 布拉菲点阵的结构特征 （table1-1 the structural feature of Bravais lattice ）
组织：组织是指用肉眼可直接观察的，或用放 大镜、显微镜能观察分辨的材料内部微观形一个（或几个）组元的原子 （化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保 持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶 体分间隙固溶体和置换固溶体两种。
固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙 或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强 度升高，这种现象叫固溶强化现象。
晶体缺陷分四类： 点缺陷： 只在某些位置发生，只影响邻近几个原子。 例如空位、间隙原子、杂质原子等。 线缺陷： 集中表现形式是位错，刃型位错和螺型位错，可被 电镜观察到。 面缺陷： 晶界和亚晶界，可被光学显微镜观察到。 体缺陷：如镶嵌块，沉淀相，空洞，气泡等。
合金：由两种或两种以上金属或金属与非金属 组成，具有金属特性的物质。 相：指金属或合金中化学成分相同、晶格结构 相同，或原子聚集状态相同，并与其他部分之 间有明确界面的独立均匀组成部分。
金属化合物： 合金组元件发生相互作用而形成一种具有金属 特性的物质称为金属化合物。 机械混合物 机械混合物 由纯金属、固溶体、金属化合物 这些合金的基本相按照固定比例构成的组织称 为机械混合物。
铁素体 碳在α-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙固 溶体。
奥氏体 碳在γ-Fe（面心立方结构的铁）中的间隙固溶体。
奥氏体晶体结构
渗碳体： 碳 和 铁 形成的稳 定化合物 Fe3C
珠光体 铁素体和渗碳体组成的机械混合物 （Fe+Fe3C 含碳0.77%）
珠光体显微组织
莱氏体 渗碳体和奥氏体组成的机械混合物（含碳4.3%）。
二、二 元 合 金 相 图
相图:
相图就是表明合金系中各种合金相的平衡条件 和相与相之间关系的一种简明示图，也称为平 衡图或状态图。 合金在极其缓慢冷却条件下的结晶过程，一般 可认为是平衡结晶过程。 在常压下，二元合金的相状态决定于温度和成 分，二元合金相图可用温度-成分坐标系的平 面图来表示。。
[1/2,0,1/2]
BCC
Cr, α-Fe, W, Mo, V, β-Ti
FCC
γ-Fe, Al, Cu, Ag, Au, Ni
HCP Mg, Zn, Cd, α -Ti, α-Co
晶向： 点阵可在任何方向上分解 为相互平行的直线组，位于一 条直线上的结点构成一个晶向。
晶向指数的确定：将坐标原点选在OP的任一结点O点，