大连理工大学固态相变原理本科生-研究生总复习参考

（3）由组元构成方式所确定的相；
（4）由相的种类、形状、大小和 分布的总和构成的组织
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本课程要解决的核心问题
固 态 相 变 原 理 与 应 用
1.相变能否发生，朝着什么方向发 生？（相变热力学）
2. 相变时如何进行的，它的途径 和速度如何？（相变动力学）
3. 相变的结果？（相变晶体学） 方向——途径——结果
固 态 相 变 原 理 与 应 用
片状：横向与纵向。同素异构造成碳溶解 度的变化，排碳与吸碳相辅相成。
片状→粒状：胶态平衡理论，第二相粒子
的溶解度与其曲率半径有关；片状渗碳
体内不可能存在亚晶界。
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固 态 相 变 原 理 与 应 用
• 影响珠光体转变动力学（速度）的因 素 凡是稳定过冷奥氏体的因素都使 C曲线右移。 内因：化学成分，原始组织；
陷，面缺陷（界面，界棱，界隅）
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• 相变动力学：
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形核率 N = C*f
C*——临界晶胚体积分数（△G*）
f ——晶胚成为晶核的频率（Q）
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• 相变动力学：
固 态 相 变 原 理 与 应 用
无成分变化新相长大速度？ 切变和台阶长大
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升温时，相变速度随温度单调增加。
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相变动力学曲线绘制原理
固 态 相 变 原 理 与 应 用
新相转变体积分数与时间的关系曲线呈
“S”形；
相变过程包括：晶体结构、化学成分和某种
物理性质的跃变。通过各种现代分析测试手
段，很容易确定上述变化是什么时候开始，
进行到什么程度，以及什么时候结束。从而
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固 态 相 变 原 理 与 应 用
变
• 变化的条件？ • 如何变化或变化的规律？ • 变化的结果？
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专业基础课
固 态 相 变 原 理 与 应 用
专业课
• 一个中心：性能 • 两个基本点
基本点一：开发新材料
基本点二：最大限度地挖掘现 有材料的潜力
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面能；弹性应变能起主导作用，界
面趋于非共格，界面能起主导作用，
新相趋于形成共格界面。
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• 热力学条件（必要）
固 态 相 变 原 理 与 应 用
充分条件：三大起伏
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• 阻力和驱动力
固 态 相 变 原 理 与 应 用
驱动力：体积自由能，晶格缺陷；
阻力：界面能，弹性应变能 形核功：均匀形核，点缺陷，线缺
固 态 相 变 原 理 与 应 用
有成分变化的新相长大速度与什么 有关？ 新相长大速度与扩散系数成正比， 与相界面附近母相中的浓度梯度成 正比，与相界面上两相的平衡浓度 差成反比。
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固 态 相 变 原 理 与 应 用
扩散型相变新相长大速度，受驱动
力和扩散系数所控制。降温时，相
变速度与温度的关系存在极大值 ；
固 态 相 变 原 理 与 应 用
上贝氏体：显微组织特点，组织示意图
大致平行、碳含量接近平衡或稍微过饱和 的板条铁素体为主体，板条间分布短棒状 或短片状（不连续）渗碳体。
下贝氏体：显微组织特点，组织示意图
铁素体呈黑色针状或片状 ，细片或粒状碳化 物，一般与铁素体片的长轴成55~60º 的角。
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固 态 相 变 原 理 与 应 用
1. 能量降低的方向 2. 阻力最小的路径
3. 最适合的结构环境，适者生存！
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一、基本概念
固 态 相 变 原 理 与 应 用
1. 相，固态相变，相变势垒，激活 能, 形核功；起始晶粒度，实际 晶粒度，本质晶粒度；珠光体， 珠光体团，粒状珠光体，派敦处 理, 珠光体型组织；马氏体，奥 氏体（热，机械）稳定化，临界 冷却速度，临界淬火速度；
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• 马氏体相变特点
固 态 相 变 原 理 与 应 用
非扩散性 ，切变共格和表面浮凸 ，
位向关系和惯习面 ，马氏体相变的
不彻底性 ，马氏体相变的可逆性 。 切变共格和无扩散性
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• 组织特点（板条和片状），
固 态 相 变 原 理 与 应 用
板条马氏体：形态示意图，亚 结构，显微组织特点；
固 态 相 变 原 理 与 应 用
• 奥氏体晶粒长大的驱动力与阻力 驱动力：体积自由能，界面能
阻力：第二相粒子
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3. 珠光体转变 片状和粒状珠光体形成机理； 影响珠光体转变动力学（速度）的 因素； 珠光体的力学性能。
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• 片状和粒状珠光体形成机理
现象：过冷奥氏体在外界因素作用下， 因内部结构发生某种变化而使马氏体 转变呈现迟滞的现象。 原因：适当温度下C和N原子向奥氏体晶
格点阵缺陷处偏聚，强化了奥氏体。
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固 态 相 变 原 理 与 应 用
热稳定化：冷却缓慢或停留，M转 变迟滞
原因：C，N偏聚，强化了A，增加
了切变阻力
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获得在某一外界条件下，新相转变量与转变
时间之间的关系。
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C曲线的影响因素
固 态 相 变 原 理 与 应 用
两个“凡是”：凡是扩大A区的元 素（Mn，Ni）都使C曲线下移；凡 是稳定过冷A的元素（Co除外）， 都使C曲线右移 a）内因：碳：亚共析钢“右”；过 共析钢“左”，贝氏体“右下”
材料性能的决定因素
固 态 相 变 原 理 与 应 用
材料的性能由内因和外因共同决 定，外因是变化的条件，内因是 变化的依据，外因通过内因而起 作用。
外因：材料所处的外部环境； 内因：材料内部的结构。
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（1）组成物质的化学键
固 态 相 变 原 理 与 应 用
（2）组成物质最基本的独立单元（组 元）及其排列和运动方式；
固 态 相 变 原 理 与 应 用
机理）。 相变强化：切变造成马氏体晶体内产生 大量的微观缺陷（位错、孪晶及层错
等等）
固溶强化：过饱和间隙原子使晶格产生 严重的点阵畸变。
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时效强化：C原子扩散偏聚钉扎位错
固 态 相 变 原 理 与 应 用
细晶强化（晶界强化）
• 马氏体的强度主要取决于含碳量；马 氏体的韧性主要取决于其亚结构。 屈服强度相同时，位错型马氏体的断裂 韧性和冲击功比孪晶型马氏体的好得 多。 淬火后硬度偏低，为什么？
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• Ms点的物理意义及影响因素
固 态 相 变 原 理 与 应 用
物理意义：A和M两相自由能差达到相变 所需最小驱动力值时的温度。 影响因素（C）： 奥氏体的化学成分：相变点和切变阻力。 Al，Co提高，Mn，Cr，Ni降低。 奥氏体化条件：合金元素充分溶解，Ms 点下降；晶粒粗大，Ms升高。
及其组织形态的基本因素。上贝氏体
转变速度受碳原子在奥氏体中的扩散
所控制；下贝氏体的转变速度受碳在 铁素体中的扩散所控制。
成分： C%（非单一），合金元素 （与碳的亲和力及改变相变点） 原始组织（平衡与否，晶粒大小）： 影响起始晶粒度 冶炼方法：本质晶粒度
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固 态 相 变 原 理 与 应 用
温度：奥氏体化温度越高，起始 晶粒越细小，奥氏体中平均碳含 量越低。
加热速度：起始晶粒度
保温时间：实际晶粒度
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固 态 相 变 原 理 与 应 用
贝氏体相变包括两个基本过程，即贝氏 体中铁素体的转变和贝氏体碳化物的
析出。碳化物的析出方式决定了贝氏
体的形态，而析出方式与含碳量和转
变温度有关 。
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• 贝氏体形态的决定因素
固 态 相 变 原 理 与 应 用
上，下贝氏体相变速度的控制因素
碳的扩散及脱溶是控制贝氏体相变
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淬火冷却速度：存在提高Ms点的临界冷
固 态 相 变 原 理 与 应 用
速。
弹性应力和塑性变形：一定量的塑性变
形诱发马氏体相变。 外加磁场：诱发，但不影响最终转变量。
• 凡是强化奥氏体的因素，均降低Ms点；
凡是扩大γ区，均降低Ms点。
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• 奥氏体稳定化产生的原因
固 态 相 变 原 理 与 应 用
固 态 相 变 原 理 与 应 用
无碳化物贝氏体：大致平行的铁素 体条，条间或条内无碳化物。但条 间存在富碳的残余奥氏体或其转变 产物。 粒状贝氏体：铁素体呈不规则块状， 块内分布不连续的粒状物（岛状）， 岛状物为富碳的过冷奥氏体或其全 部或部分分解物。
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• 贝氏体形成过程（温度）
片状马氏体：形态示意图，亚
结构，显微组织特点。
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• 形态及亚结构的影响因素
固 态 相 变 原 理 与 应 用
化学成分：高碳低碳，扩大缩小奥氏 体区 马氏体形成温度：Ms点 奥氏体层错能：低层错能是形成ε-M的必要条件
奥氏体与马氏体的强度：切变阻力
滑移与孪生变形的临界分切应力
最主要的因素是含碳量和形成温度
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固 态 相 变 原 理 与 应 用
上贝氏体，下贝氏体，等温淬火； 二次硬化，二次淬火，自回火，回 火脆（第一类，第二类），抗回火 性；淬火，回火，退火（球化退 火），正火，淬透性，淬硬性，调 质；脱溶沉淀，（自然，人工）时 效，时效硬化，调幅分解。
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二、需掌握的要点
固 态 相 变 原 理 与 应 用
能的差异）
层间距，珠光体团的影响
在相同成分条件下，粒状珠光体的强度、 硬度稍低，塑性、韧性较高；相同强度条 件下，粒状珠光体的疲劳强度更高。 形变珠光体性能（派敦处理）：除晶须 外的最强金属。
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4. 马氏体相变
固 态 相 变 原 理 与 应 用
马氏体相变特点 组织特点（板条和片状）， Ms点的物理意义及影响因素 奥氏体稳定化产生的原因 马氏体具有高强度硬度的原因
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固 态 相 变 原 理 与 应 用
固态相变原理及应用 ——黄冈秘笈
张贵锋
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固 态 相 变 原 理 与 应 用
《固态相变原理及应用》
张贵锋，黄昊主编 冶金工业出版社，2011.11 特点：简明扼要，通俗易懂，思路 清晰，层次分明，重点突出
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固 态 相 变 原 理 与 应 用
合元：贝氏体相变速度取决于基 体相变和碳的扩散：Co, Al“左移” 外因：A化：A不均匀和晶粒细小， “左移”。 塑变：提供缺陷，加速；提供切 变阻力，减速。
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2. 奥氏体化
固 态 相 变 原 理 与 应 用
奥氏体晶粒度测量原理和方法，奥 氏体化过程及影响因素；奥氏体
固 态 相 变 原 理 与 应 用
1. 固态相变的特点：相界面，弹性 应变能，位相关系与惯习面，亚稳
过渡相，原子迁移率 阿累尼乌斯方程：K = K0exp（-Q/kT）
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• 相界面：共格→半共格→ 非共格，
固 态 相 变 原 理 与 应 用
弹性应变能逐渐减小、界面能逐渐 增大；相变阻力：弹性应变能和界
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5. 贝氏体转变
固 态 相 变 原 理 与 应 用
相变特点 组织特点 贝氏体形成过程（温度） 贝氏体形态的决定因素 性能特点
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• 相变特点
固 态 相 变 原 理 与 应 用
具有扩散和非扩散两重性
碳原子的扩散对贝氏体相变起
控制作用
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• 组织特点（上，下贝氏体），
外因：奥氏体化工艺，奥氏体晶粒 度，塑性变形
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内因：化学成分
固 态 相 变 原 理 与 应 用
C:亚共析减速，过共析加速，共析钢最稳定
合元：Co除外，减速
原始组织：A化前的组织粗大，A化不充分， 加速P转变
外因：奥氏体化工艺，奥氏体晶粒度，塑性 变形
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• 珠光体的力学性能（片状和粒状珠光体性
晶粒长大的驱动力与阻力。
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固 态 相 变 原 理 与 应 用
• 奥氏体化过程及影响因素：奥氏
体形核，奥氏体晶粒长大，剩余
碳化物的溶解，奥氏体均匀化。
碳化物的溶解需要更长时间。
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• 影响奥氏体晶粒大小的因素
固 态 相 变 原 理 与 应 用
内因：化学成分，原始组织，冶炼方法 外因：加热温度，加热速度，保温时间
机械稳定化：当变形量小时，弹性应力
固 态 相 变 原 理 与 应 用
集中的部位增多，这种缺陷组态有利于
马氏体的形核；随着变形量的Байду номын сангаас加，奥
氏体中将形成大量的高密度位错，破坏
了新相与母相之间的共格关系，母相被
强化，切变阻力增加，从而增大了奥氏
体的稳定性。
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• 马氏体具有高强度硬度的原因（强化