材料科学基础讲义第十章

第十章目录

第一节固态相变的特点及分类第二节相变热力学

第三节相变动力学

第四节过饱和固溶体的分解转变第五节钢的加热转变

第六节钢在冷却时的转变

第七节钢的退火与正火处理

第八节钢的淬火

第九节钢的回火

第十节钢的表面热处理

小结

第十章固态相变及材料热处理

固态相变—固态物质内部发生的组织结构变化。

1.晶体结构的变化,如纯金属的同素异构转变、马氏体相变。

2.化学成分的变化,如单相固溶体的调幅分解,其特点是只有成分转变而无相结构的变化。

3.有序程度的变化,如合金的有序化转变,即点阵中原子的配位发生变化,以及与电子结构变化相关的转变(磁性转变、超导转变等）。

固态相变是材料热处理的基础。

第一节固态相变的特点及分类

一、固态相变的特点

1、相界面

按其结构特点可分为共格界面、半共格（部分共格）界面和非共格界面三种，如图10-1

3．位向关系

2．应变能

固态相变时，由于新相与母相的比体积不同，使新相形成时发生的体积变化受母相的约束而引起弹性畸变，产生应变能.

3.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.通常是以原子密度大而彼此匹配较好的低指数晶面互相平行.

4．惯析面

固态相变时,新相往往在母相的一定晶面开始形成,这个晶面称为惯析面.

6．原子扩散5.晶体缺陷的影响晶体缺陷对固态相变有促进作用（非均匀形核）。新相晶核常常优先在母相的晶体缺陷(晶界、位错、空位)处形成。

6.原子扩散

在很多情况下，新相与母相的成分不同，相变时必须通过组元的扩散才能进行。此时扩散成为相变的控制因素。

7.过渡相(中间亚稳相)的形成

相变过程可以写成：

母相—较不稳定过渡相—较稳定过渡相—稳定相固态相变根据具体条件分阶段进行的规律，称为相变阶段规则。

二、固态相变的分类二、固态相变的分类

1．一级相变与二级相变（按热力学分类）一级相变二级相变没有相变潜热和体积变化

有比热容、压缩系数和膨胀系数的变化

2．扩散相变和非扩散相变（按动力学分类）扩散相变有原子的扩散运动，相变前后有成分改变

如：过饱和固溶体的分解转变，钢的共析转变

非扩散相变没有原子扩散和成分改变，相结构的改变依靠共格切变完成如马氏体相变

半扩散相变原子只作短程扩散如贝氏体转变T T P P P P T T

⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂≠⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂≠⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=21212

1μμμμμμV P S T T

P =⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-=⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂μμ

第二节相变热力学

一、形核的条件(均匀形核）

（1）化学自由能

单位体积的化学自由能△gv ，生成新相的体积V ，总的化学自由能变化V △gv

（2）界面能

单位面积界面能σ，生成新相晶核的界面面积S ，总的界面能S σ

（3）应变能

单位体积的应变能ε，总的应变能V ε

固态相变时，系统自由能总的变化：△G =-V △gv +S σ+ V ε临界晶核半径形核功εσ-∆=V g r 2*2*

)(316επσ-∆=∆V g G

二、化学自由能（体积自由能）-相变驱动力1．相变驱动力与温度的关系

2．相变时成分变化与相变驱动力的关系

三、界面能

1.共格界面<半共格界面<非共格界面

半共格界面上位错的间距与错配度有关δδ

αβ=D α

β

αδa a a -=D 2.若小，相对值大，生成界面能小的共格亚稳相；若大，相对值小，易于非共格形核。*r s σ*r

s σ

四、应变能四、应变能

1．共格应变能

错配度大,共格应变能大

2．比体积应变能

与比体积差、弹性模量有关

外，还与新相的几何形状有关

片状

应变能最小，比体积差大，↓应变能球状应变能最大，比体积差小，↓界面能针状

应变能居中δ1<<a c 1≈a c

五、晶体缺陷的作用（非均匀形核）

系统自由能总的变化：△G=-V△gv+Sσ+ Vε-△G B 1．晶界形核

⑴晶界具有较高能量，

↓形核功

⑵结构疏松，弹性应

变易被松弛

⑶易于原子扩散

⑷溶质偏析，易满足

成分起伏

2．位错线上生核

⑴位错消失，释放出能量，↓形核功

⑵若不消失↓形成相界面所需的能量，阻力↓

⑶柯氏气团，铃木气团，提供了成分起伏的条件

⑷有时层错处可作为形核的位置

⑸易于扩散，对扩散型相变有利

3．空位的作用

⑴促进原子扩散

⑵空位具有能量，生核，空位消失，相当于增加了相变驱动力

⑶溶质原子富集，有利于形核

第三节相变动力学(扩散型相变）

一、生核速率

)

/exp()/exp(*KT Q KT G k I -∙∆-=形核功影响因子扩散影响因子

二、新相长大速率

1.界面控制长大—无成分改变，只要紧邻相界的母相原子作近程

扩散越过相界，新相即长大。

新相长大速率u受相变驱动力△G和扩散系数D两个因素控制。

2.扩散控制长大

x C C C D dt dx u ∂∂∙-==)(αβdx C C dt dx dC D )(αβ-=