金属固态相变特征
金属固态相变的特征
金属固态相变的特征引言：金属是一类常见的材料，其固态相变是指在一定条件下，金属由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。
金属固态相变具有许多独特的特征，本文将从晶格结构、原子运动和宏观性质三个方面来探讨金属固态相变的特征。
一、晶格结构变化金属的固态相变通常伴随着晶格结构的变化。
晶格是金属内部排列有序的原子阵列，不同的晶格结构决定了金属的性质。
金属固态相变中，晶格结构发生变化，常见的相变类型有铁素体相变、奥氏体相变和马氏体相变等。
不同的相变类型对应着不同的晶格结构，如面心立方结构、体心立方结构和六方最密堆积结构等。
晶格结构的变化直接影响了金属的力学性能、导电性能和磁性等性质。
二、原子运动特征金属固态相变中，原子的运动是相变发生的基础。
在金属的相变过程中，原子会发生位移、交换或重新排列等运动。
例如在铁素体相变中，铁原子的位置会从面心立方结构变为体心立方结构，原子发生了位移和重新排列。
此外，金属固态相变的过程中，原子间的键合也会发生改变。
原子运动的特征直接影响了金属的热膨胀性、热导率和硬度等性质。
三、宏观性质变化金属固态相变引起了金属的宏观性质变化。
金属的固态相变通常伴随着热学性质和力学性质的变化。
例如，在铁素体相变中，金属的磁性会发生明显变化，从铁磁性转变为顺磁性。
此外，金属的热膨胀性、热导率和电阻率等热学性质也会随着相变发生变化。
另外，金属相变还会对金属的力学性能产生影响，如硬度和韧性等。
金属固态相变的特征不仅与金属的性质有关，也与相变过程的条件有关。
金属的固态相变通常需要一定的温度和压力条件，不同的温度和压力条件下，金属的相变行为也会有所不同。
此外，金属的化学成分也会对固态相变产生影响，不同的化学成分会导致金属的相变温度发生变化。
总结：金属固态相变是金属由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程，具有晶格结构变化、原子运动特征和宏观性质变化等特征。
金属固态相变的特征与金属的性质、相变过程的条件和化学成分有关。
第九章 金属固态相变
3. 晶界促进形核 具有高能量的大晶界可以释放界面能为形核提供相变 驱动力，以降低形核功。 驱动力，以降低形核功。 三、晶核长大 1. 长大机制 新相晶核的长大，实质是相界面向旧相迁移的过程。 新相晶核的长大，实质是相界面向旧相迁移的过程。 新旧相成分不同时： 新旧相成分不同时：晶核的长大依赖于溶质原子在旧 相中的长程扩散。 相中的长程扩散。
五、母相晶体缺陷促进相变 在母相晶体中的缺陷处，晶格畸变、自由能高， 在母相晶体中的缺陷处，晶格畸变、自由能高，促进形 核及相变。 核及相变。 六、易出现过渡相 固态相变阻力大， 直接转变困难， 固态相变阻力大 ， 直接转变困难 ， 往往先形成协调性 中间产物（过渡相） 中间产物（过渡相）。 母相→较不稳定的过渡相→较稳定的过渡相→ 母相→较不稳定的过渡相→较稳定的过渡相→稳定相
二、新相与母相界面上原子排列的匹配性 固态相变时， 固态相变时，新相与母相界面上原子排列越保持一定 的匹配性，越有利于相变阻力的降低。 的匹配性，越有利于相变阻力的降低。 固态相变产生的相界面根据两相原子在晶体学上匹配 程度不同可分为三种类型， 共格界面，半共格界面和 程度不同可分为三种类型，即共格界面，半共格界面和非 共格界面，如图9-1所示 所示。 共格界面，如图 所示。
3. 非共格界面 当界面处的原子排列差异很大， 原子匹配关系不能继 当界面处的原子排列差异很大 ， 续维持，形成非共格界面。 续维持，形成非共格界面。 一般认为， 小于 小于0.05时完全共格； δ大于 时完全共格； 大于 大于0.25时形成 一般认为，δ小于 时完全共格 时形成 非共格界面； 介于 介于0.05和 0.25之间时，形成半共格界面， 之间时， 非共格界面；δ介于 和 之间时 形成半共格界面， 它们的能量是不同的。 它们的能量是不同的。
金属固态相变特征讲解
形核可能
• 临届晶胚尺寸：r*=2 σ/ (△gv—ε) 形核功： △ G*=16π σ 3/3 (△gv—ε)2 2.非均匀形核 △ G=V △gv+Aσ ＋εV —△gd
动力 阻力
3.晶体缺陷对形核的作用： １）空位
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)
一、相界面（phase interface ）
四、应变能
• 1.盘状最小，其次是针状，球形最大。 • ２.主导作用：具体分析。
五、晶体缺陷的影响
• 缺陷的促进作用。
• 思考：晶体中常见的缺陷有哪些？
六、原子的扩散 七、过渡相的形成
§２ 固态相变的形核
• 成核主要在母相的晶界、层错、位错等 晶体缺陷处形成。是非均匀形核。 一、均匀形核 １.形核功： △ G=V △gv+Aσ ＋εV
• 1.弹性应变能:随错配度变化 • 2.错配度:δ= Δa/a
δ<0.05 δ=0.05-0.25 δ >0.25
完全共格 半共格 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
• 二、新相长大速度：界、新相形成的转变速度与过冷度的关 系
金属固态相变的主要特点
金属固态相变的主要特点金属固态相变是指金属在固态下由于温度、压力或其他外界条件的变化而引起的物理结构和性质的变化。
金属固态相变的主要特点有以下几个方面：1. 温度变化引起的相变：金属的固态相变主要是由于温度的变化引起的。
当金属的温度超过一定的临界温度时，金属内部的晶体结构会发生变化，从而导致固态相变。
例如，铁在不同的温度下会发生α相到γ相的相变，这种相变是由于温度变化引起的。
2. 压力变化引起的相变：除了温度变化，金属固态相变还可以由压力的变化引起。
当金属受到外界的压力作用时，原子之间的距离和排列会发生变化，从而导致固态相变。
例如，钻石可以在高压下转变为金刚石，这是由于压力变化引起的相变。
3. 结构和性质的变化：金属固态相变不仅会引起晶体结构的变化，还会导致金属的性质发生改变。
例如，铁的相变会引起其磁性的变化，从铁磁性到顺磁性的转变。
这种结构和性质的变化对金属的应用具有重要的影响。
4. 相变的可逆性：金属固态相变通常是可逆的，即当外界条件恢复到原来的状态时，金属可以再次发生相反的相变。
这与金属的液态相变或气态相变不同，液态和气态的相变通常是不可逆的。
5. 相变的影响因素：金属固态相变的发生受到多种因素的影响，包括温度、压力、晶体结构、晶界能量等。
这些因素会影响金属内部原子的排列和运动方式，从而导致相变的发生和性质的改变。
6. 金属固态相变的应用：金属固态相变在材料科学和工程中具有重要的应用价值。
通过控制金属的相变过程，可以制备出具有特定结构和性质的材料，如形状记忆合金和超弹性材料等。
这些材料在医学、航空航天等领域有着广泛的应用。
金属固态相变是金属在固态下由于温度、压力或其他外界条件的变化而引起的物理结构和性质的变化。
它具有温度和压力变化引起的相变、结构和性质的变化、相变的可逆性、影响因素和应用等主要特点。
金属固态相变的研究对于材料科学和工程具有重要意义，并且在实际应用中有着广泛的应用前景。
金属固态相变的三种基本变化
金属固态相变的三种基本变化下载温馨提示：该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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金属固态相变
查表所得工业纯铝的再结晶温度T再=150℃是指在1h退火完成再结晶的温度。实际上，除了退火温度外，保温时间也对再结晶过程产生影响。对经大冷变形后的金属材料，即使在T<T再 时进行退火，只要保温时间足够，同样可发生再结晶过程。可用两种方法加以判断：①金相检验；②将已知的T1，t1，t2，Q代人公式，求得T2，将其与100℃比较，即可得知是否发生再结晶。
4.降温转变及马氏体转变的高速特点．
马氏体转变是在一定的温度范围内进行的，马氏体转变动力学的主要形式有变温转变和等温转变两种．降温形成的马氏体其转变速度极快．
5.马氏体转变具有可逆性．
6.合金元素无扩散．
马氏体力学性能：
1.马氏体最主要的特点就是具有高强度和高硬度。它的强度随着含碳量的升高而升高。
3.贝氏体转变特点：
钢在珠光体转变温度以下，马氏体转变温度以上的温度范围内过冷奥氏体发生的转变称为贝氏体转变（中温转变）．
贝氏体也是由铁素体与渗碳体组成的机械混合物．贝氏体的组织形态主要是羽毛状和颗粒状．
贝氏体的性能主要取决于组织形态．其各相的形态，分布都影响贝氏体的性能．上贝氏体的形成温度较高，铁素体与碳化物分布具有明显的方向性，因此这种组织易产生脆断．下贝氏体中铁素体针细小而均匀分布，帮位错密度很高，而且韧性也很好，具有良好的机械混合性能．
f.玻璃化转变对聚合物性能尤其是力学性能变化很大，非晶聚合物的模量可产生3～4 个数量级的变化。
玻璃化温度
金属固态相变整理
一、名词解释1.平衡相变：是指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。
2.扩散：相邻原子相对移动距离超过一个原子间距，相邻原子的相对位置发生改变。
3.均匀形核：晶核在母相中无择优地任意均匀分布4.非均匀形核：晶核在母相中某些区域择优地不均匀分布5.惯习面：新相往往在母相一定的晶面上开始形成，这个晶面为惯习面6.共格界面：界面上的原子所占据的位置恰好是两相点阵共有的位置时，两相在界面上的原子可以一对一的相互匹配。
7.球化退火：使片状渗碳体球状化，获得球状p的热处理工艺。
8.派敦处理：使高碳钢获得细珠光体（索氏体）组织，再经过深度冷拔而获得高强度钢丝。
9.魏氏组织：工业上将具有片（针）状铁素体或渗碳体加珠光体的组织（消除：细化晶粒的正火、退火以及锻造）10.伪共析转变：过冷奥氏体将全部转变为珠光体型组织，但合金的成分并非共析成分，并且其中铁素体和渗碳体的相对含量也与共析成分珠光体不同，随奥氏体的碳含量变化而变化。
11.切变共格界面：Ms的形成是以切变方式进行的，且Ms和r之间的界面上的原子是共有的。
这种界面。
12.冷处理：若Ms点在室温以上，Mf点在室温以下，则淬火到室温时将保留相当残余r。
若继续冷却至室温以下，则残余r转变为M。
13.相变诱发塑性：金属及合金在相变过程中塑性增加，往往在低于母相屈服强度时即可发生塑性变形。
14.二次淬火：回火加热、保温过程中不发生分解，冷却时残余奥氏体转变为马氏体的现象。
15.回火抗力（抗回火性）：合金元素这种阻碍α相中碳含量降低和碳化物颗粒长大而使钢件保持高硬度、高强度的性质。
16.二次硬化：当马氏体中含有足够量的碳化物形成元素时，在500℃以上回火时将会析出细小的特殊碳化物，导致因回火温度升高，θ-碳化物粗化而软化的钢再度硬化。
17.回火脆性：随回火温度升高，冲击韧性反而下降的现象。
18.脱溶（沉淀）：从过饱和固溶体中析出第二相（沉淀相）或形成溶质原子聚集区以及亚稳定过渡相的过程，是一种扩散型相变。
金属学与热处理课后习题答案9
第九章钢得热处理原理91 金属固态相变有哪些主要特征？哪些因素构成相变得阻力？答:固体相变主要特征:1、相变阻力大2、新相晶核与母相晶核存在一定得晶体学位向关系。
3、母相中得晶体学缺陷对相变其促进作用。
4、相变过程中易出现过渡相。
相变阻力构成:1、表面能得增加。
2、弹性应变能得增加,这就是由于新旧两相得比体积不同,相变时必然发生体积得变化,或者就是由于新旧两相相界面得不匹配而引起弹性畸变,都会导致弹性应变能得增加。
3、固态相变温度低,原子扩散更困难,例如固态合金中原子得扩散速度为107—108cm/d,而液态金属原子得扩散速度为107 cm/s。
92 何谓奥氏体晶粒度？说明奥氏体晶粒大小对钢得性能影响？答:奥氏体晶粒度:就是奥氏体晶粒大小得度量。
当以单位面积内晶粒得个数或每个晶粒得平均面积与平均直径来描述晶粒大小时,可以建立晶粒大小得概念。
通常采用金相显微镜100倍放大倍数下,在645mm2范围内观察到得晶粒个数来确定奥氏体晶粒度得级别。
对钢得性能得影响:奥氏体晶粒小:钢热处理后得组织细小,强度高、塑性好,冲击韧性高。
奥氏体晶粒大:钢热处理后得组织粗大,显著降低钢得冲击韧性,提高钢得韧脆转变温度,增加淬火变形与开裂得倾向。
当晶粒大小不均匀时,还显著降低钢得结构强度,引起应力集中,容易产生脆性断裂。
93 试述珠光体形成时钢中碳得扩散情况及片、粒状珠光体得形成过程？答:珠光体形成时碳得扩散:珠光体形成过程中在奥氏体内或晶界上由于渗碳体与铁素体形核,造成其与原奥氏体形成得相界面两侧形成碳得浓度差,从而造成碳在渗碳体与铁素体中进行扩散,简言之,在奥氏体中由于碳得扩散形成富碳区与贫碳区,从而促使渗碳体与铁素体不断地交替形核长大,直至消耗完全部奥氏体。
片状珠光体形成过程:片状珠光体就是渗碳体呈片状得珠光体。
首先在奥氏体晶界形成渗碳体晶核,核刚形成时与奥氏体保持共格关系,为减小形核得应变能而呈片状。
渗碳体长大得同时,使其两侧得奥氏体出现贫碳区,从而为铁素体在渗碳体两侧形核创造条件,在渗碳体两侧形成铁素体后,铁素体长大得同时造成其与奥氏体体界面处形成富碳区,这又促使形成新得渗碳体片。
金属固态相变概论
两种观点
母相不断地以非协同方式向新相中转移，界面便沿其法向推进，从而 使新相逐渐长大；
在非共格界面的微观区域中，也可能呈现台阶状结构。这种台阶平面 是原子排列最密的晶面，台阶高度约相当于一个原子层，通过原子从 母相台阶端部想新相台阶上转移，便使新相台阶发生侧向移动，从而 引起界面推进，使新相长大。
✓目前，还没有一个能够精确反映 各类固态相变速度与温度之间关 系式的数学表达式。在实际工作 中，通常采用一些物理方法测出 在不同温度下从转变开始到转变 不同量，以至转变终了时所需的 时间，做出“温度—时间—转变量 ”曲线，即等温转变曲线（TTT曲 线）。
新相几何形状对比容差应变能的影响
1、共格界面
界面上的原子同时位于两相的结点上，即两相界 面上的原子排列匹配，界面上的原子为两相所共 有。
只有对称孪晶界才是理想的 共格界面。
两相点阵总是有一定差别， 或者是点阵结构不同，或者 点阵参数不同，因此两相界 面要完全共格，在界面附近 就必须产生弹性应变。
弹性应变能的大小取决于两相界面上原子间距的相对差值 ，即错配度：
3、晶界
大角晶界具有高的界面能，在晶界形核时可使界面能释放出来作为相 变驱动力，以降低形核功。因此，晶界是固态相变时形核的重要基地 。
金属学与热处理课后习题答案9
第九章钢的热处理原理9-1 金属固态相变有哪些主要特征？哪些因素构成相变的阻力？答：固体相变主要特征：1、相变阻力大2、新相晶核与母相晶核存在一定的晶体学位向关系。
3、母相中的晶体学缺陷对相变其促进作用。
4、相变过程中易出现过渡相。
相变阻力构成：1、表面能的增加。
2、弹性应变能的增加，这是由于新旧两相的比体积不同，相变时必然发生体积的变化，或者是由于新旧两相相界面的不匹配而引起弹性畸变，都会导致弹性应变能的增加。
3、固态相变温度低，原子扩散更困难，例如固态合金中原子的扩散速度为10-7—10-8cm/d，而液态金属原子的扩散速度为10-7 cm/s。
9-2 何谓奥氏体晶粒度？说明奥氏体晶粒大小对钢的性能影响？答：奥氏体晶粒度：是奥氏体晶粒大小的度量。
当以单位面积内晶粒的个数或每个晶粒的平均面积与平均直径来描述晶粒大小时，可以建立晶粒大小的概念。
通常采用金相显微镜100倍放大倍数下，在645mm2范围内观察到的晶粒个数来确定奥氏体晶粒度的级别。
对钢的性能的影响：奥氏体晶粒小：钢热处理后的组织细小，强度高、塑性好，冲击韧性高。
奥氏体晶粒大：钢热处理后的组织粗大，显著降低钢的冲击韧性，提高钢的韧脆转变温度，增加淬火变形和开裂的倾向。
当晶粒大小不均匀时，还显著降低钢的结构强度，引起应力集中，容易产生脆性断裂。
9-3 试述珠光体形成时钢中碳的扩散情况及片、粒状珠光体的形成过程？答：珠光体形成时碳的扩散：珠光体形成过程中在奥氏体内或晶界上由于渗碳体和铁素体形核，造成其与原奥氏体形成的相界面两侧形成碳的浓度差，从而造成碳在渗碳体和铁素体中进行扩散，简言之，在奥氏体中由于碳的扩散形成富碳区和贫碳区，从而促使渗碳体和铁素体不断地交替形核长大，直至消耗完全部奥氏体。
片状珠光体形成过程：片状珠光体是渗碳体呈片状的珠光体。
首先在奥氏体晶界形成渗碳体晶核，核刚形成时与奥氏体保持共格关系，为减小形核的应变能而呈片状。
渗碳体长大的同时，使其两侧的奥氏体出现贫碳区，从而为铁素体在渗碳体两侧形核创造条件，在渗碳体两侧形成铁素体后，铁素体长大的同时造成其与奥氏体体界面处形成富碳区，这又促使形成新的渗碳体片。
热处理习题及答案(吴超版)
金属热处理原理及工艺复习题一、金属固态相变有哪些主要特征？哪些因素构成相变阻力？哪些构成相变驱动力？1．相变特征：（1）新相和母相间存在不同的界面（相界面特殊），按结构特点可分为三种：共格界面、半共格界面、非共格界面。
（2）新相晶核与母相间有一定的位向关系、存在惯习面（3）产生应变能，相变阻力大（4）易出现过渡相：在有些情况下，固态相变不能直接形成自由能最低的稳定相，而是经过一系列的中间阶段，先形成一系列自由能较低的过渡相（又称中间亚稳相），然后在条件允许时才形成自由能最低的稳定相．相变过程可以写成：母相―→较不稳定过渡相―→较稳定过渡相―→稳定（5）母相晶体缺陷的促进作用：固态相变时，母相中晶体缺陷起促进作用。
新相优先在晶体缺陷处形核。
（6）原子的扩散速度对固态相变有显著的影响。
固态相变必须通过某些组元的扩散才能进行，扩散成为相变的主要控制因素。
2．相变阻力：相界面的存在，产生应变能，原子的扩散3．相变驱动力：存在位相关系和惯习面，过渡相的形成，晶体缺陷二、奥氏体晶核优先在什么地方形成？为什么？奥氏体晶核优先在铁素体和渗碳体的两相界面上形成，原因是：(1)两相界面处碳原子的浓度差较大，有利于获得奥氏体晶核形成所需的碳浓度；(2)两相界面处原子排列不规则，铁原子可通过短程扩散由母相点阵向新相点阵转移，形核所需结构起伏小(3)两相界面处杂质和晶体缺陷多，畸变能高，新相形核可能消除部分缺陷使系统自由能降低，新相形成的应变能也容易释放；三、简述珠光体转变为奥氏体的基本过程。
奥氏体转变（由α到γ的点阵重构、渗碳体的溶解、以及C在奥氏体中的扩散重新分布的过程）：奥氏体形核→奥氏体晶核向α和Fe3C两个方向长大→剩余碳化物溶解→奥氏体均匀化四、什么是奥氏体的本质晶粒度、起始晶粒度和实际晶粒度，说明晶粒大小对钢的性能的影响。
本质晶粒度：根据标准试验方法，在930＋ 10℃保温足够时间（3～8小时）后测得的奥氏体晶粒大小。
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
第二讲 金属固态相变概论及热力学
（2）半共格界面
当错配度在0.05 0.25 当错配度在0.05—0.25时，在界面上将产生一些 0.05 0.25时 刃型位错，两相原子变成部分共格。 刃型位错，两相原子变成部分共格。 半共格界面：界面能较大，弹性应变能较小； 半共格界面：界面能较大，弹性应变能较小；
（3）非共格界面 当错配度大于0.25 0.25时 当错配度大于0.25时，两相原子之间的匹 配关系便不再维持，变成非共格界面。 配关系便不再维持，变成非共格界面。 非格界面：界面能大，弹性应变能小。 非格界面：界面能大，弹性应变能小。
两相中存在着保持平行关系的密排晶面和晶向
例如：K-S关系 例如：
{111}r//{110}a’ {111}r//{110}a 〈110〉r//〈111〉a’ 110〉r//〈111〉
1）错配度小于0.05时两相完全共格，且有一定的位相关系； 错配度小于0.05时两相完全共格，且有一定的位相关系； 0.05时两相完全共格 2）错配度在0.05~0.25之间时两相为半共格，有一定的位相关 错配度在0.05~0.25之间时两相为半共格， 0.05~0.25之间时两相为半共格 系； 3）错配度大于0.25时，两相之间易形成非共格，无位向关系。 错配度大于0.25时 两相之间易形成非共格，无位向关系。 0.25
无成分变化的新相长大
当过冷度很小时，新相长大速度为： 当过冷度很小时，新相长大速度为：
新相长大速度随温度降低而增大
当过冷度很大时，新相长大速度为： 当过冷度很大时，新相长大速度为：
新相长大速度随温度降低而减小
（2）有成分变化的新相长大
一定温度下相界面上两相的成分由平衡状态图所确定 新相长大通过溶质原子的长程扩散来实现， 新相长大通过溶质原子的长程扩散来实现，长大速度取决 于溶质原子的扩散速度。 于溶质原子的扩散速度。
金属固态相变概论
§1-5 晶核的长大
一、长大过程 传质过程：满足成分条件 界面过程：满足结构条件（协同型长大、 非协同型长大） 二、界面长大的控制因素 成分不变协同型长大－长大速度快 成分不变非协同型长大－取决于界面过 程 成分改变协同型长大－取决于传质过程 成分改变非协同型长大－取决于两者
图1-1 可发生脱溶转变的合金
（3）共析转变 ） 合金冷却时， 合金冷却时，由一个固相同时析出两个不同 固相的过程称为共析转变 钢中的珠光体相变 （4）调幅分解 ） 由一种高温固溶体，冷至某一温度范围， 由一种高温固溶体，冷至某一温度范围，分解 为两种与原固溶体结构相同， 为两种与原固溶体结构相同，而成分不同的微区 的转变称为调幅分解 α→ α1 + α2
（3）晶界 ） 大角晶界具有较高的界面能， 大角晶界具有较高的界面能，在晶界上形核可利 用晶界能量，使形核功降低。 用晶界能量，使形核功降低。 有三种位置： 有三种位置：a) 晶界面 b) 棱边 c)隅角 隅角
图1-6 晶界形核时三种位置
影响优先形核位置的因素
从能量障碍分析 界隅＜界棱＜界面 从过冷度∆T影响分析 ∆T↑→ ∆Gv ↑ → ∆G*↓ ∆T↑→ ∆Gv ↑ → ∆G*↓ 所有位置均无障 碍，从贡献的角度看，界面＞界棱＞界 隅（晶界多） ∆T ↓ → ∆Gv ↓ → ∆G* ↑ 先界隅、次界 棱，后界面
特点 ： (a) 新形成的微区之间无明显的界面和成分 的突变； 的突变； (b) 通过上坡扩散，最终使均匀固溶体变为 通过上坡扩散， 不均匀固溶体。 不均匀固溶体。 (5) 有序化转变 固溶体中， 固溶体中，各组元的相对位置从无序过渡到 有序的过程，称为有序化转变。 有序的过程，称为有序化转变。 Cu-Zn、Au-Cu等合金中均可发生这种转变 、 等合金中均可发生这种转变
第9章 金属固态相变
• 形核的取向关系和成长的惯习现象是两个完全不同的概念。前 者完全指两种晶体之间的晶体学位向关系，即新相和母相某些 晶面、晶向的对应平行关系；而后者主要是指新相优先发展时 所取的母相的位向，以母相的晶面和晶向表示。 12
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五、母相晶体缺陷促进相变
9.1 固态相变的特点
五、母相晶体缺陷对相变起促进作用
与液态金属不同，固态金属中存在各种晶体缺陷，如位错、 空位、晶界和亚晶界等。固态相变时，母相中存在的点、线、 面缺陷，必然会对相变有明显的促进作用。新相晶核往往优 先在这些缺陷处形成，这是由于在缺陷周围晶格有畸变，自 由能较高，在此处形成同样大小的晶核比在其它区域能获得 更大的驱动力(△GV大)，因此容易在这些区域首先形成晶核。 实验表明，母相晶粒越细，晶界越多，晶内缺陷越多，从而， 提高了形核率，使转变速度越快。
Solid Solution phase B atoms in A
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三、新旧相晶体学位向关系
9.1 固态相变的特点
三、新相晶核界与母相之间存在一定的晶体学位向关系 固态相变时，为了减小新相和母相间的界面能，两种晶体之 间往往存在一定的位向关系。 • 实验证明，新生相α的某一晶面{hkl}和晶向<uvw>分别与母 相γ的某一晶面{h'k'l'}和晶向<u'v'w'>相互平行，即 {hkl}α//{h'k'l'}γ， <uvw>α//<u'v'w'>γ。 • 如纯铁的同素异构转变 α-Fe ↔ γ-Fe ，晶体学位向关系为： {110}α//{111}γ， <111>α//<110>γ。
金属固态相变
金属固态相变一、概论1.基本概念相：金属或合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。
固态相变：固态金属或合金中固态相之间的转变。
2.分类：（1）转变条件：平衡转变：同素异构转变、多形性转变、共析转变、包析转变、平衡脱溶沉淀、调幅分解、有序化转变。
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）原子迁移特征：扩散型相变、无扩散型相变。
（3）热力学：一级相变、二级相变。
（4）相变方式：形核-长大型相变、无核相变。
3.特点（1）根据新相和母相原子在相界面上的晶体学匹配程度，形成具有晶体学特征的相界面。
基本条件：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有差异，但在某一组特定的晶体学平面可使两相原子之间产生完全匹配。
共格晶面：界面上原子所占位置恰好是两相点阵的共有结点位置，两相在界面上的原子可以一对一地相互匹配。
δ<0.05。
第一类共格（正应变），第二类共格（切应变）。
界面能最小，应变能最大。
半共格晶面：在界面上两相原子部分保持匹配。
0.05<δ<0.25。
非共格晶面：两相界面处的原子排列差异很大，即错配度大，其原子连半共格关系也不能维持。
δ>0.25。
界面能最大，应变能最小。
错配度：两相界面上原子间距的相对差值。
δ=Δa/a（2）弹性应变能和界面能一起成为相变阻力。
弹性应变能：①共格应变能：固态相变时新相与母相界面上的原子由于要强制地实行匹配，以建立共格或半共格联系，在界面附近区域将产生应变能。
（共格最大，半共格次之，非共格为0。
）。
②比体积差应变能：由于新相和母相的比体积不同，新相形成时的体积变化将受到周围母相的约束而产生的弹性应变能。
（圆盘状最小，针状次之，球状最大。
）。
界面能：①界面上原子排列的不规则性造成能量的增加。
②新旧两相化学成分的改变引起的化学能改变。
（3）原子的迁移率低。
10-12-10-11cm·s-1。
金属固态相变的主要特点
金属固态相变的主要特点金属固态相变是指金属在温度或压力变化下发生的物态转变。
相变是物质由一种物态转变为另一种物态的过程，其中固态相变是指物质从固态转变为其他物态的过程。
金属固态相变具有以下主要特点：1. 温度和压力的影响：金属固态相变通常受到温度和压力的共同影响。
随着温度的升高或压力的增加，金属的晶体结构和原子排列方式发生变化，从而导致相变的发生。
2. 结构转变：金属固态相变中，金属的晶体结构会发生变化。
金属晶体结构可以分为多种类型，如面心立方结构、体心立方结构和六方最密堆积结构等。
相变时，金属晶体结构的类型可能发生改变，从而导致其他性质的变化。
3. 形态变化：金属固态相变还会导致金属的形态发生变化。
例如，金属在相变过程中可能出现晶体的生长、晶界的移动、晶粒的合并或分裂等现象。
这些形态的变化会影响金属的力学性能和微观结构。
4. 热力学性质变化：金属固态相变会引起金属的热力学性质变化。
例如，相变可能导致金属的热导率、电导率、热膨胀系数等物理性质的变化。
这些性质的变化与金属的晶体结构和原子排列方式有关。
5. 相变温度和相变范围：金属固态相变有一定的相变温度和相变范围。
相变温度是指金属从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的温度点，而相变范围是指在相变温度附近金属可以存在的温度范围。
不同金属的相变温度和相变范围各不相同。
6. 相变速率：金属固态相变的速率取决于温度、压力、晶体结构和金属的化学成分等因素。
相变速率较快的金属相变过程称为快速相变，而相变速率较慢的金属相变过程称为慢速相变。
7. 相变过程的可逆性：金属固态相变通常是可逆的，即金属可以在相反的条件下恢复到原来的相态。
例如，当金属从高温相变为低温相时，如果温度重新升高到相变温度以上，金属会再次发生相变，恢复到高温相。
总的来说，金属固态相变是金属在温度和压力变化下发生的物态转变过程，具有结构转变、形态变化、热力学性质变化等特点。
金属固态相变的研究对于理解金属的微观结构和性能变化具有重要意义，也有助于金属材料的设计和应用。
金属固态相变
3、奥氏体晶粒大小的控制
奥氏体晶粒尺寸/μm
⑴加热温度和保温时间: 加热温
度高、保温时间长, 晶粒粗大.
⑵加热速度: 加热速度越快,过热
度越大, 形核率越高, 晶粒越细. ⑶钢的化学成分：
Nb/%
Nb、Ti对奥氏体晶粒的影响
1）C:共析成分长大倾向最 大，远离共析成分长大倾向 减小。（未溶碳化物阻碍之）
金属固态相变
2、半扩散相变：介于前二者之间 的过渡型相变。
例：钢的贝氏体转变：A--B(B=F+Fe3C)
即：A---F为切变，非扩散型，C的 析出(C---Fe3C)为扩散型相变
金属固态相变
3、非扩散相变：新相的生成不是靠扩 散，而是以类似塑性变形过程中的滑 移、孪生的形式---产生切变和转动而 进行的---又称“切变型相变”。
母相---较不稳定相（接近母相）---较稳 定相（接近新相）---稳定新相
金属固态相变
第2节 固态相变的基本类型
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，无严格的晶体学对应关 系 例：钢的共析相变
金属固态相变
析出颗粒 对黄铜晶 界的钉扎
2)合金元素：碳化物和氮化物形成元素。 强烈阻碍奥氏体晶粒长大元素: Ti、V、Nb、
Al 、Zr 一般阻碍奥氏体晶粒长大元素: Mo、Cr、W 不显著阻碍奥氏体晶粒长大元素: Ni、Cu、Si
（ Si 微弱促进长大） 促进奥氏体晶粒长大元素:Mn、P、N、C (4)钢的原始组织
一、钢在加热时的组织转变
加热是热处理的第一道工序。加热分两种：一种是在A1以下加 热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，目的是获得均 匀的奥氏体组织，称奥氏体化。组织遗传性 。热惯性。加热目 的：“热透”，均、细A.
影响Ms点的主要因素有哪些
一、金属固态相变有哪些主要特征？哪些因素构成相变阻力？哪些构成相变驱动力？金属固态相变主要特点1. 不同类型相界面，具有不同界面能和应变能2. 新旧相之间存在一定位向关系与惯习面新、旧相之间存在一定位向关系,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.3. 相变阻力大（新相于母相之间必然存在弹性应变和应力，系统额外增加一项弹性应变能）相界面上原子强制匹配引起的弹性应变能共格＞半共格＞非共格? 新、旧相比容差弹性应变能4. 易于形成过渡相5. 母相晶体缺陷对相变起促进作用6. 原子的扩散速度对固态相变起有显著影响阻力：界面能和弹性应变能驱动力：过冷度或过热度二、奥氏体晶核优先在什么地方形成？为什么？1.奥氏体的形核球状珠光体中：优先在F/Fe3C界面形核片状珠光体中：优先在珠光体团的界面形核也在F/Fe3C片层界面形核奥氏体在F/Fe3C界面形核原因：(1) 易获得形成A所需浓度起伏，结构起伏和能量起伏.(2) 在相界面形核使界面能和应变能的增加减少。
△G = -△Gv + △Gs + △Ge△Gv—体积自由能差，△Gs —表面能，△Ge —弹性应变能四、什么是奥氏体的本质晶粒度、起始晶粒度和实际晶粒度，说明晶粒大小对钢的性能的影响。
奥氏体本质晶粒度：根据标准试验方法，在930±10°C保温足够时间后测得的奥氏体晶粒大小。
奥氏体起始晶粒度：在临界温度以上，奥氏体形成刚刚完成，其晶粒边界刚刚相互接触时的晶粒大小,奥氏体实际晶粒度：在某一加热条件下所得的实际奥氏体晶粒大小。
金属的晶粒越细小,晶界区所占的比例就越大，晶界数目越多（则晶粒缺陷越多，一般位错运动到晶界处即停），在金属塑变时对位错运动的阻力越大，金属发生塑变的抗力越大，金属的强度和硬度也就越高。
晶粒越细，同一体积内晶粒数越多，塑性变形时变形分散在许多晶粒内进行，变形也会均匀些，虽然多晶体变形具有不均匀性，晶体不同地方的变形程度不同，位错塞积程度不同，位错塞积越严重越轻易导致材料的及早破坏，晶粒越细小的话，会使金属的变形更均匀，在材料破坏前可以进行更多的塑性变形，断裂前可以承受较大的变形，塑性韧性也越好。
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• ２）位错 • Ｉ）在位错线 • ＩＩ）补偿错配 • ＩＩＩ）在位错线偏聚 • ３）晶界
晶界形核时晶核的形状
晶粒１ 晶粒２
新相
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
3.溶质原子在晶界上的不均匀分布
应变能Es 溶质原子浓度%
Why?
晶界 溶质原子分布位置
二、位向关系（orientation relationship）
• 1.位向关系:低指数、原子密度大、匹配较好的晶面相 互平行。
• ２.Ｋ－Ｓorientation relationship
• Austenite(FCC) Martensite(Body-Centred
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)
一、相界面（phase interface ）
四、应变能
• 1.盘状最小，其次是针状，球形最大。 • ２.主导作用：具体分析。
五、晶体缺陷的影响
• 缺陷的促进作用。
• 思考：晶体中常见的缺陷有哪些？
六、原子的扩散 七、过渡相的形成
§２ 固态相变的形核
• 成核主要在母相的晶界、层错、位错等 晶体缺陷处形成。是非均匀形核。
一、均匀形核 １.形核功： △ G=V △gv+Aσ ＋εV
• 二、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
tetragonal)
•
{111}γ // {110}α’
•
<110>γ // <111>α’
• 共格（半共格）必有位向关系
• 没有位向关系必定非共格
三、惯习面
• １ 定义：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 为惯习面。
• 奥氏体－－先共析铁素体 • １）奥氏体晶界 • ２）惯习面{111}γ
动力 阻力 当温度低于转变温度， △gv为负值。
只有|V △gv |> Aσ ＋εV △ G<０ 形核可能
• 临届晶胚尺寸：r*=2 σ/ (△gv—ε) 形核功： △ G*=16π σ 3/3 (△gv—ε)2
2.非均匀形核
△ G=V △gv+Aσ ＋εV —△gd
动力 阻力
3.晶体缺陷对形核的作用： １）空位