第1章_金属固态相变基础
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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 金属固态相变概论
贝氏体：由铁素体和渗碳体组成的非层片 状组织。
(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。
(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。
第一章金属固态相变
界面弹性应变能降低。在这种界面上两相原子变为部分地保持匹
配，故称为半（或部分）共格界面。
（b）伸缩型半共格
来不及析出，待冷到室温时
便得到一过饱和固溶体a´。
如在室温或低于MN线的温度
下，溶质原于尚具有一定扩
散能力，则在上述温度停留
α
期间过饱和固溶体便会自发地发生分解，从中逐渐析出
γ
新相。 ——不平衡脱熔沉淀或时效
综上所述，尽管金属固态相变的类型很多，但就相变过程 的实质来说，其变化不外乎以下三个方面：
（三）共析转变 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
称为共析转变。如钢中的共析转变 γ → a + Fe3C
（四）调幅(增幅)转变 某些合金在高温下为均匀的单一固溶体，待冷却至某一温度范围 时，将分解成为两种与原固溶体的结构相同，而成分明显不同的 微区的转变称为调幅（或增幅）分解。反应式：γ → a + β
（一）共格界面 当界面上的原子所占位置恰好是两相点阵的共有位置 时，两相在界面上的原子可以一对一地相互匹配，这种 界面叫做共格界面。
（二）半共格界共格面晶面上弹性应变能的大小取决于相邻
两相界面上原子间距的相对差值δ,该相对
界面上弹性应变能的大小取决差于值即两为相错界配面度。上b原ram子fi间tt通距过的试相验得对出差，
值，即错配度
δ
= aβ − aα aβ
在非均质形核时，δ<6%的形核最有效，
。显然δ，=6δ-12愈%大的形，核弹中性等应有变效，能δ便≥愈12大%。的形
核无效。而且取向的三组晶向之间的夹角
当δ增大到一定程度时，便难以不继应该续为维钝持角完。全共格，这样就会在
界而上产生一些刃型位措，以补偿原子间距差别过大的影响，使
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
第1章 金属固态相变基础
41
d. 调幅分解 ：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，而成分不同的微 区的转变称为调幅分解 α→ α1 + α2 特点 ： (a) 新形成的微区之间无明 显的界面和成分的突变； (b) 通过上坡扩散，最终使 均匀固溶体变为不均匀固 溶体。
42
e. 有序化转变： 固溶体中，各组元的相对位置
部（固溶体）原子的扩散，使铸锭（或铸件）晶
内化学成分均匀，组织达到或接近平衡状态，改 善复相合金中第二相的形状和分布，提高合金塑 性，改善加工性能和最终使用性能。
19
b. 基于回复、再结晶的退火 金属冷变形后组织处于亚稳状态，内能高、
强度硬度增加、组织发生变化，有时还出现织
构。若加热到一定温度，会发生回复、再结晶， 变形织构也会发生变化，从而在一定程度上消 除了由冷变形造成的亚稳定状态，使金属材料 获得所需组织、结构和性能。这种热处理还包
31
在实际应用中，无论哪一种具体的热处理工艺过程都 可归诸于上述某种热处理类型，或上述几种热处理类型 的结合。但必须指出，实际应用的热处理工艺多种多样， 而且迄今为止，我国尚无统一的热处理分类标准，在生 产中有些热处理也不一定按上述类别的名称命名。 各种形式的热处理在生产中不总是单独分开的，往往 在一次热处理过程中，同一种金属材料内部就发生了多 种形式热处理的复杂过程，即在金属材料内部进行着多 种固态转变，因此，在遇到实际问题时，必须从具体情 况出发，进行全面、综合分析。
16
基本热处理的主要类型
a. 均匀化退火（扩散退火） ① 退火 b. 基于回复、再结晶的退火 c. ② 淬火 ③ 时效或回火 基于固态相变退火
17
淬火
退火 温 度 时效/回火
材料热处理原理第一章金属固态相变基础
材料热处理原理
1#楼203 周二 5-6节 周四 1-2节
热处理
热处理原理与工艺
• 热处理：将金属或工件放在一定的介质中，通 过加热、保温和冷却的方法，使金属或合金的 内部组织结构发生变化，从而获得所需性能的 技术。
• 金属材料生产和机械制造过程的重要组成部分 之一。
• 热处理的特点：
– 一般不改变材料或工件的形状和整体的化学成分 – 改变材料或工件的微观组织和结构，或表面的化学成
特点：
（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。
4. 按相变方式分类
➢ 有核相变：通过形核-长大方式进行的。
• 其两个生成相的结构和 成分均与母相不同
• 加热时也可发生 α+→转变，称为逆 共析相变
平衡相变
④调幅分解
• 某些合金在高温下具有均匀单相固溶体，但冷却到 某一温度范围时可分解成为与原固溶体结构相同但 成分不同的两个微区，这种转变称为调幅分解。
特点：转变初期不存在明显的相界面和成分突变； 通过上坡扩散实现成分变化； 一个自发分解过程； 不经历形核阶段； 分解速度快
3. 按原子迁移特征分类
扩散型相变
相变时原子迁移特征
非扩散型相变
3. 按原子迁移特征分类
（1）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。
如：脱溶型相变、共析型相变(珠光体型转变）、调幅分解和有序化 转变等。
特点：
（1）有原子扩散运动，相变速率受原子扩散速度所控制； （2）新相和母相的成分往往不同； （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
1#楼203 周二 5-6节 周四 1-2节
热处理
热处理原理与工艺
• 热处理：将金属或工件放在一定的介质中，通 过加热、保温和冷却的方法，使金属或合金的 内部组织结构发生变化，从而获得所需性能的 技术。
• 金属材料生产和机械制造过程的重要组成部分 之一。
• 热处理的特点：
– 一般不改变材料或工件的形状和整体的化学成分 – 改变材料或工件的微观组织和结构，或表面的化学成
特点：
（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。
4. 按相变方式分类
➢ 有核相变：通过形核-长大方式进行的。
• 其两个生成相的结构和 成分均与母相不同
• 加热时也可发生 α+→转变，称为逆 共析相变
平衡相变
④调幅分解
• 某些合金在高温下具有均匀单相固溶体，但冷却到 某一温度范围时可分解成为与原固溶体结构相同但 成分不同的两个微区，这种转变称为调幅分解。
特点：转变初期不存在明显的相界面和成分突变； 通过上坡扩散实现成分变化； 一个自发分解过程； 不经历形核阶段； 分解速度快
3. 按原子迁移特征分类
扩散型相变
相变时原子迁移特征
非扩散型相变
3. 按原子迁移特征分类
（1）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。
如：脱溶型相变、共析型相变(珠光体型转变）、调幅分解和有序化 转变等。
特点：
（1）有原子扩散运动，相变速率受原子扩散速度所控制； （2）新相和母相的成分往往不同； （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
第一章合金固态相变基础_合金固态相变
如果相平衡时，两相自由能对温度和压强的一阶偏导数相等， 但二阶偏导数不相等，称为二级相变。
⎛ ∂G ⎞ ⎛ ∂G1 ⎞ ⎜ ⎟ =⎜ 2 ⎟ ⎝ ∂T ⎠ P ⎝ ∂T ⎠ P
⎛ ∂G1 ⎞ ⎛ ∂G 2 ⎞ = ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ∂ ∂ P P ⎠T ⎝ ⎠T ⎝
⎞ ⎟ ⎟ ⎠T
⎛ ∂ 2 G2 ⎛ ∂ 2 G1 ⎞ ⎜ 2 ⎜ ⎟ ≠⎜ ⎜ ∂T 2 ⎟ ⎠ P ⎝ ∂T ⎝
性能
工艺
结构
相变
成分
掌握固态相变规律，采取措施，控制固态相变过程以获得预 期的组织和结构，从而获得预期的性能，最大限度地发挥现 有金属材料的潜力，并可以根据性能要求开发新型材料。
常用措施
热处理 －加热：温度、速度，保温时间 －冷却：速度 固态相变亦称热处理原理（工艺） 原理：解决有哪些相变，相变条件，机理及特征 工艺：解决如何实现这些相变从而达到预期的性能
1.2.1 相变驱动力
固态相变的驱动力来源于新相与母相的体积自由能的差ΔGV， 如图所示。在高温下母相能量低，新相能量高，母相为稳定相。 随温度的降低，母相自由能升高的速度比新相快。达到某一个 临界温度Tc，母相与新相之间自由能相等，称为相平衡温度。 低于Tc温度，母相与新相自由能之间的关系发生了变化，母相 能量高，新相能量低，新相为稳定相，所以要发生母相到新相 的转变。
位向关系：
新旧相某些低指数晶面（晶向)相互平行。 K-S关系： 如钢中发生奥氏体（γ）向马氏体（α）的转变时，奥 氏体的密排面｛111｝γ 与马氏体的密排面｛110｝α 平行，马氏体的密排向﹤111﹥α 与奥氏体的密排方 向﹤110﹥ γ平行。 记为：｛110｝α ||｛111｝γ，﹤111﹥ α ||﹤110﹥ γ
第一章__金属固态相变基础
T A + B
一、相变分类
3. 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； 新、旧相比容不同引起体积变化，但宏观形状不变。 如：同素异构转变、脱溶转变、共析转变、调幅分解、 有序化转变、珠光体转变等
化学势一级偏微商相等
化学势二级偏微商不等
因此：无相变潜热和体积变化，而比热、压缩系数、膨胀系 数是变化的。如材料有序化转变、磁性转变、超导转变等。
一、相变分类
2.按平衡状态图分类
(1)平衡相变
同素异构转变和多形性转变 纯金属 固溶体
纯金属在温度和压力改变时，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。
冷却时：γ→α+Fe3C 共析相变 加热时：α+Fe3C→γ 逆共析型相变
调幅分解
某些合金在高温下具有均匀单相固溶体，但 冷却到某一温度范围时可分解成为与原固溶体结 构相同但成分不同的两个微区，如α→α1+α2，这 种转变称为调幅分解。
调幅分解的特点
在转变初期形成的两个微区之间并无明 显界面和成分突变，但是通过上坡扩散，最 终使原来的均匀固溶体变成不均匀固溶体。
1.1 金属固态相变概述
一、相变分类
1.按热力学分类 (1)一级相变 对新、旧相α和β，有： μα=μβ Sα≠ Sβ Vα≠Vβ 说明一级相变有相变潜热和体积变化。 材料凝固、熔化、升华、同素异构转变均为一级相变。 固态相变大部分为一级相变。
1.1 金属固态相变概述
一、相变分类
3. 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； 新、旧相比容不同引起体积变化，但宏观形状不变。 如：同素异构转变、脱溶转变、共析转变、调幅分解、 有序化转变、珠光体转变等
化学势一级偏微商相等
化学势二级偏微商不等
因此：无相变潜热和体积变化，而比热、压缩系数、膨胀系 数是变化的。如材料有序化转变、磁性转变、超导转变等。
一、相变分类
2.按平衡状态图分类
(1)平衡相变
同素异构转变和多形性转变 纯金属 固溶体
纯金属在温度和压力改变时，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。
冷却时：γ→α+Fe3C 共析相变 加热时：α+Fe3C→γ 逆共析型相变
调幅分解
某些合金在高温下具有均匀单相固溶体，但 冷却到某一温度范围时可分解成为与原固溶体结 构相同但成分不同的两个微区，如α→α1+α2，这 种转变称为调幅分解。
调幅分解的特点
在转变初期形成的两个微区之间并无明 显界面和成分突变，但是通过上坡扩散，最 终使原来的均匀固溶体变成不均匀固溶体。
1.1 金属固态相变概述
一、相变分类
1.按热力学分类 (1)一级相变 对新、旧相α和β，有： μα=μβ Sα≠ Sβ Vα≠Vβ 说明一级相变有相变潜热和体积变化。 材料凝固、熔化、升华、同素异构转变均为一级相变。 固态相变大部分为一级相变。
1.1 金属固态相变概述
固态相变知识点整理 辽宁科技大学
第1章：奥氏体的形成1.金属固态相变的基础⑴热力学原理（自由能下降）：固体中有元素扩散、自由能最低原则、降低自由能的过程⑵动力学原理（时间和温度）：成份起伏，结构起伏，能量起伏→相变过程（形核、长大）发生相转变2.奥氏体的形成⑴热处理：通过加热、保温和冷却的方法，改变金属及合金的组织结构，使其获得所需要的性能的热加工工艺。
⑵奥氏体化：钢加热获得奥氏体的过程。
⑶奥氏体形成的热力学条件系统总的自由能变化ΔG：ΔG=-ΔG V+ΔG S+ΔGεΔGV——奥氏体与旧相体积自由能之差；ΔGS ——形成奥氏体时所增加的表面能；ΔGε——形成奥氏体时所增加的应变能ΔG<0，形成奥氏体。
⑷实际加热时临界点的变化加热：偏向高温，存在过热度；A C1，A C3，A CCm冷却：偏向低温，存在过冷度。
A r1，A r3，A rCm3.奥氏体的组织、结构⑴奥氏体的组织通常由多边形的等轴晶粒所组成，有时可观察到孪晶。
⑵奥氏体的结构①具有面心立方结构。
（奥氏体是C溶于γ-Fe中的固溶体。
合金钢中的奥氏体是C及合金元素溶于γ-Fe中的固溶体。
）②C是处于γ-Fe八面体的中心空隙处，即面心立方晶胞的中心或棱边的中点；③最大空隙的半径为0.052nm，与C原子半径（0.077 nm）比较接近。
C原子的存在，使奥氏体点阵常数增大④实际上奥氏体最大碳含量是2.11%（重量）4.奥氏体的性能⑴顺磁性。
用于相变点和残余奥氏体含量的测定等。
⑵比容最小。
也常利用这一性质借膨胀仪来测定奥氏体的转变情况。
⑶线膨胀系数最大。
利用奥氏体钢膨胀系数大的特性来做仪表元件。
⑷奥氏体的导热性能最差（除渗碳体外）。
奥氏体钢要慢速加热。
⑸奥氏体的塑性高，屈服强度低。
5.奥氏体的形成机制⑴奥氏体的形核①在铁素体与渗碳体的界面处依靠系统内的成分起伏、结构起伏和能量起伏形成。
②奥氏体形核于相界面处的原因：Ⅰ界面处碳浓度差大，有利于获得奥氏体晶核形成所需的碳浓度。
第01章 金属固态相变概论
系统自由焓总增值：
∆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
∆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
金属固态相变基础
通过控制有色金属的成分、热处理条件和冷变形程度，可以控制其相变过程，从而获得所需的机械性能和物理性 能。
THANK YOU
相变过程的能量转换与热效应
能量转换
固态相变过程中会发生能量的转换，包括化学能、机械 能、电磁能和热能的转换。这些能量转换对于理解固态 相变机制和开发新的相变材料具有重要意义。
热效应
固态相变通常伴随着明显的热效应，包括吸热和放热。 这些热效应可以用来进行材料加工和制造，也可以用来 开发新的热管理技术和材料。
熵
表示系统无序度的量，系统有序度越高，熵值越小。
固态相变的热力学条件
相变驱动力
固态相变需要满足热力学上的稳定性条件， 即新相的自由能必须低于旧相的自由能。
温度和压力的影响
固态相变通常需要在一定的温度和压力条件 下发生，这些因素会影响相变的驱动力和相
界面的稳定性。
热力学相图
01
02
03
定义
描述不同温度、压力条件 下，物质不同相之间稳定 存在的区域和界限的图。
3
晶体缺陷
晶体缺陷是影响固态相变的另一个重要因素。点 缺陷、线缺陷和面缺陷等不同类型的晶体缺陷可 以促进或阻碍相变过程。
02
金属固态相变的晶体学基础
晶体结构与对称性
晶体结构
金属的晶体结构取决于其原子间的键合 方式，常见的有面心立方、体心立方和 密排六方结构。
VS
对称性
金属晶体的对称性对其物理和化学性质有 重要影响，如电子能带结构、光学和电学 性质等。
钢铁中的相变涉及多种固态相变过程，如马氏体相变 、贝氏体相变等。这些相变过程对钢铁的性能具有重 要影响。
钢铁相变的控制
通过控制钢铁的成分、冷却速度和热处理条件，可以 控制其相变过程，从而获得所需的机械性能和物理性 能。
THANK YOU
相变过程的能量转换与热效应
能量转换
固态相变过程中会发生能量的转换，包括化学能、机械 能、电磁能和热能的转换。这些能量转换对于理解固态 相变机制和开发新的相变材料具有重要意义。
热效应
固态相变通常伴随着明显的热效应，包括吸热和放热。 这些热效应可以用来进行材料加工和制造，也可以用来 开发新的热管理技术和材料。
熵
表示系统无序度的量，系统有序度越高，熵值越小。
固态相变的热力学条件
相变驱动力
固态相变需要满足热力学上的稳定性条件， 即新相的自由能必须低于旧相的自由能。
温度和压力的影响
固态相变通常需要在一定的温度和压力条件 下发生，这些因素会影响相变的驱动力和相
界面的稳定性。
热力学相图
01
02
03
定义
描述不同温度、压力条件 下，物质不同相之间稳定 存在的区域和界限的图。
3
晶体缺陷
晶体缺陷是影响固态相变的另一个重要因素。点 缺陷、线缺陷和面缺陷等不同类型的晶体缺陷可 以促进或阻碍相变过程。
02
金属固态相变的晶体学基础
晶体结构与对称性
晶体结构
金属的晶体结构取决于其原子间的键合 方式，常见的有面心立方、体心立方和 密排六方结构。
VS
对称性
金属晶体的对称性对其物理和化学性质有 重要影响，如电子能带结构、光学和电学 性质等。
钢铁中的相变涉及多种固态相变过程，如马氏体相变 、贝氏体相变等。这些相变过程对钢铁的性能具有重 要影响。
钢铁相变的控制
通过控制钢铁的成分、冷却速度和热处理条件，可以 控制其相变过程，从而获得所需的机械性能和物理性 能。
第一章金属固态相变基础-2013
c=a
应变能最小 应变能居中 应变能最大
3. 弹性应变能
相变阻力：弹性应变能、界面能 界面类型对界面能和弹性应变能的影响是不同的
共格界面： 可以降低界面能，但使弹性应变能增大。 非共格界面：
盘（片）状新相的弹性应变能最低，但界面能较高； 球状新相的弹性应变能却最大，但界面能最低。
界面能：界面处原子排列混乱 而使系统升高的能量
弹性应变能：固体在外力作用下，因 变形而储存能量称为变形能或应变能。
错配度
共格界面上的弹性应变取 决于错配度
若以aα 和aβ 分别表示两相沿平行于界 面的晶向上的原子间距，在此方向上的两相原 子间距之差以Δ a=|aβ -aα |表示，则错配度δ 为:
非平衡相变
④非平衡脱溶沉淀
• 若b成分的合金自T1温度快冷 时，相在冷却过程中来不及 析出，则冷到室温时便得到 过饱和的α固溶体。
• 若在室温或低于固溶度曲线 MN的某一温度下溶质原子尚 具有一定的扩散能力，则在 上述温度等温时，过饱和α固 溶体仍可能发生分解，逐渐 析出新相。但在析出的初期 阶段，新相的成分和结构均 与平衡脱溶沉淀相有所不同， 这一过程称为非平衡脱溶沉 淀(或时效)。
平衡相变
③共析相变
• 合金在冷却时由一个固 相分解为两个不同固相 的转变称为共析相变 (或珠光体型转变)
• 其两个生成相的结构和 成分均与母相不同
• 加热时也可发生 α+→转变，称为逆 共析相变
平衡相变
④调幅分解
• 某些合金在高温下具有均匀单相固溶体，但冷却到 某一温度范围时可分解成为与原固溶体结构相同但 成分不同的两个微区，这种转变称为调幅分解。
新相晶核可以在母相中均匀形核，或在母相中某些有利部 位优先形成（非均匀形核）。大部分的固态相变均属于有 核相变。
金属固态相变
第一章金属固态相变的基本规律1.固态相变：指在金属陶瓷等固态材料中，当温度或压力改变时，内部组织或结构发生变化，即由一种相状态转变为另一种相状态。
2.平衡转变：在极为缓慢的加热或者冷却条件下形成符合状态图的平衡组织的相得转变。
3.非平衡转变：在非平衡加热或冷却的条件喜爱，平衡转变受到抑制，将发生平衡图上不能反映的转变类型，获得不平衡组织或平稳状态的组织。
4.纯金属的同素异构转变：纯金属在温度压力改变时，由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。
5.多形性转变：固溶体的同素异构转变。
6.共析转变：冷却时，固溶体同时析出分解为两个不同成分和结构的相的固态相变。
7.包析转变：冷却时，由俩个固相合并转变为一个固相的固态相变过程。
8.钢种的马氏体相变：将A以较大的冷却速度过冷到低温区，替代原子难以扩散，则A以无扩散方式发生转变，即在Ms点以下进行的马氏体转变，即称为马氏体转变。
9.平衡脱溶：在高温相中固溶了一定量合金元素，当温度降低时，溶解度下降，在缓慢冷却的条件下，过饱和固溶体将析出新相的过程。
10.非平衡脱溶：合金固溶体在高温下溶入了较多的合金元素，在快速冷却条件下，固溶体中来不及析出新相，一直冷却到较低温度下，得到过饱和固溶体的过程。
11.按原子迁移特征分为：（1）扩散型相变：原子的迁移造成原有原子的邻居关系的破坏。
①界面控制扩散型相变②体扩散控制扩散型相变；（2）原子的迁移没有破坏原有原子的邻居关系，原子位移不超过原子间距。
12.按热力学分：（1）一级相变：在相变温度下，两相得自由焓及化学位均相等，但是化学位一级偏导数不等；（2）二级相变：相变时，化学位的一级偏导数相等，但是二级偏导数不等。
13.相变的驱动力和阻力：相变过程驱动力阻力热力学条件相结晶成固相△G相变=G固-G液新相表面能△G表驱动力>阻力固态相变△G相变=G新-G旧△G界面+△G畸变14.界面能△G界面：由结构界面能和化学界面能组成：（1）δSt结构界面能：由于界面处的原子键合被切断或被削弱，引起了势能的升高而形成的界面能：（2）δCh化学界面能：由于原子的结合键与两相内部原子键合的差别而导致的界面能量的升高。
金属固态相变原理 总复习
a.奥氏体晶核的形成 条件：成分起伏、能量起伏、结构起伏 形核位置：球化体：与晶界相连的/Fe3 C 界面上 片状 P：在珠光体团的界面或/Fe3C 片层界面上 b.奥氏体的长大： 片状 P：垂直于片层和平行于片层的两个方向长大 球化体： 1）奥氏体包围渗碳体； 2） /α向α一侧推移， /Fe3C 向 Fe3 C 一侧推移 c.残留碳化物的溶解
金属固态相变原理总复习
第一章 1.多形性转变：纯金属在温度和压力改变时，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 2.调幅分解：某些合金在高温下具有均匀单相固溶体，但冷却到某一温度范围 时可分解成为与原固溶体结构相同但成分不同的两个微区，这种转变称为调幅 分解。 3.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，但存在一组特定的晶体学平面可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 相共有，这种界面称为共格界面。 4.共析钢 C 曲线鼻子产生的原因： a.新相和母相的自由能差ΔG b.原子的扩散系数 D ΔG 和 D 的增大都使 A 的稳定性下降，转变加快，但是这两个因素随过冷度的 变化恰好相反，相互矛盾形成鼻子。 5.过共析钢与共析钢的连续转变温度曲线无奥氏体 6.临界淬火速度（淬火临界冷却速度） ：在连续冷却时，使过冷奥氏体不发生分 解，完全转变为马氏体（包括残余奥氏体）的最低冷却速度称为临界淬火速度 第二章 1.奥氏体：碳溶解在γ铁中形成的间隙固溶体称为奥氏体。 2.以共析钢为例分析奥氏体形成机制：
/α向α迁移速度〉 /Fe3C 向 Fe3 C 迁移速度→α完全转变为后仍有一部份 Fe3C 未溶解，随保温时间延长，残留碳化物溶解 d.奥氏体成分的均匀化 3.解释为什么在铁素体消失的瞬间仍然存在一部分渗碳体？ 在奥氏体晶体长大的过程中，由于 /Fe3C 相界面处的碳浓度差远远大于/α相 界面处的浓度差，所以只需要溶解一小部分渗碳体就可以使其相界面处的奥氏 体达到饱和，而必须溶解大量的铁素体才能使其相界面处奥氏体的碳浓度趋于 平衡。所以，长大中的奥氏体溶解铁素体的速度适中大于溶解渗碳体的速度， 故在共析钢中总是铁素体先消失而有剩余渗碳体残留下来。 4.晶粒度 起始晶粒度：在临界温度以上，奥氏体形成刚刚完成，其晶粒边界刚刚接触的 晶粒大小 实际晶粒度：在某一加热条件下所得到的的实际奥氏体晶粒大小 本质晶粒度：只是表示钢在一定条件下奥氏体晶粒长大的倾向性，与实际晶粒 不太相同 5.本质细晶粒钢加热后的实际晶粒一定比本质粗晶粒钢小？ 错误。原因：本质晶粒度只表示钢在一定条件下奥氏体晶粒长大的倾向性，与 实际晶粒度不尽相同。奥氏体晶粒的实际大小取决于加热条件。通常在一般的 加热速度下，加热温度愈高，保温时间愈长，最后得到的奥氏体实际晶粒就愈 粗大。 6.阐述控制形成奥氏体晶粒大小的的措施 （1）在保证奥氏体形成完全的前提下，尽量降低加热温度，减少保温时间 （2）在保证奥氏体形成均匀的前提下，快速加热并短时保温 （3）增大钢中的碳含量（选择合适的钢的组织） （4）可向钢中适量加入形成难溶化合物的合金元素，将强烈阻止奥氏体晶粒的 长大 第三章 1.为什么随着过冷度的增大，片状 P 的片层间距不断减小？ （1）由于过冷度增大导致碳原子的扩散能力下降，不宜进行较大距离的的迁 移，扩散距离减小，只能形成片层间距较小的珠光体。 （2）片层间距的减小会使铁素体与渗碳体的相界面积增大，界面能增大，但是 这部分增大的能量由增大过冷度所得到的的化学自由能差提供。 2.片状珠光体的形成机理 横向交替形核+纵向长大
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。
金属固态相变原理(徐洲,赵连城主编)PPT模板
第四章马氏体相变
4.4马氏体相变动力学
a
4.4.1降温 瞬时形核、 瞬时长大
b
4.4.2等温 形核、瞬
时长大
c
4.4.3自触 发形核、 瞬时长大
d
4.4.4表面 马氏体相
变
第四章马氏 体相变
4.5钢中马氏体的晶体结 构
a
4.5.1马氏体点阵常 数和碳含量的关系
4.5.2马氏体的点 阵结构及其畸变
5.1贝氏体相变的基本特征和组织 形态
1
5.1.1贝氏体相变的基本特征
2
5.1.2钢中贝氏体的组织形态
第五章贝氏体相变
5.2贝氏体相变机制
01
5.2.1恩金 贝氏体相变
假说
02
5.2.2柯俊 贝氏体相变
假说
03
5.2.3贝氏 体的形成过
程
第五章贝氏体相变
5.3贝氏体相变动力学及其影响因素
0 1 5.3.1贝氏体等温相变动力学 0 2 5.3.2贝氏体相变时碳的扩散 0 3 5.3.3影响贝氏体相变动力学的因素
1.3.1金属固态相变的速率 1.3.2钢中过冷奥氏体转变动 力学
one
02
第二章钢中奥氏体的形成
第二章钢 中奥氏体 的形成
2.1奥氏体的组织特征 2.2奥氏体的形成机制 2.3奥氏体形成动力学 2.4奥氏体晶粒长大及其控制
第二章钢中奥氏体的形成
2.1奥氏体的组织特征
2.1.1奥氏体形成的 温度范围
2.1.2奥氏体的组织 和结构
2.1.3奥氏体的性能
第二章钢中奥氏体的形成
2.2奥氏体的形成机制
2.2.1奥氏 体形核
1
2.2.2奥氏 体晶核长大
2.金属固态相变
温 A1 度 过 冷
奥 氏 体
转变开始线
变开始线以左的 区域为过冷奥氏
A
A→P
转变终了线
P B
体区。
转变终了线以
A→B
右及Mf以下为转
变产物区。
MS
两线之间及Ms
Mf
A→M
与Mf之间为转变 区。
M 时间
C 曲线的分析
⑴ 转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。
孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小.
正火 油淬
连续冷却转 变曲线 完全退火
冷却速度.
水淬
等温转 变曲线
Vk’ 为TTT曲线的
200
临界冷却速度.
Vk’ 1.5 Vk 。
100
Vk’Vk
M+A’ M+T+A’ S P
共析钢的CCT图
时间/s
2）过共析钢CCT曲线也无贝氏体转变区, 但比共析
钢CCT曲线多一条A→Fe3C转变开始线。由于Fe3C的 析出, 奥氏体中含碳量下降, 因而Ms 线右端升高.
第一章金属固态相变
概述：固态相变---金属性能的多样性：例： ---应用范围广。“变”---就可利用之， “不变”-此材料难堪大用。---各种强化手 段：位错、第二相、固溶、细晶加之金属 的性能均衡---金属材料广泛应用。 本章简介固态相变的特点、类型、过程； 主要介绍钢的热处理原理
第1节 固态相变的特点
第3节 固态相变的形核与长大
不讲。基本概念略提。
第4节 钢的固态转变 （钢的热处理原理）
1、热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，
以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺.
奥 氏 体
转变开始线
变开始线以左的 区域为过冷奥氏
A
A→P
转变终了线
P B
体区。
转变终了线以
A→B
右及Mf以下为转
变产物区。
MS
两线之间及Ms
Mf
A→M
与Mf之间为转变 区。
M 时间
C 曲线的分析
⑴ 转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。
孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小.
正火 油淬
连续冷却转 变曲线 完全退火
冷却速度.
水淬
等温转 变曲线
Vk’ 为TTT曲线的
200
临界冷却速度.
Vk’ 1.5 Vk 。
100
Vk’Vk
M+A’ M+T+A’ S P
共析钢的CCT图
时间/s
2）过共析钢CCT曲线也无贝氏体转变区, 但比共析
钢CCT曲线多一条A→Fe3C转变开始线。由于Fe3C的 析出, 奥氏体中含碳量下降, 因而Ms 线右端升高.
第一章金属固态相变
概述：固态相变---金属性能的多样性：例： ---应用范围广。“变”---就可利用之， “不变”-此材料难堪大用。---各种强化手 段：位错、第二相、固溶、细晶加之金属 的性能均衡---金属材料广泛应用。 本章简介固态相变的特点、类型、过程； 主要介绍钢的热处理原理
第1节 固态相变的特点
第3节 固态相变的形核与长大
不讲。基本概念略提。
第4节 钢的固态转变 （钢的热处理原理）
1、热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，
以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺.
固态相变基础-1
每个临界晶核的成核速率f
f=ωexp ( -Gm /kT )
温度对形核率的影响
随着温度的下降， 代表晶核潜在密度的 exp(-G*/kT)升高很 快； 而原子迁移激活 能Gm几乎不随温度 变化， 所以exp(Gm/kT)随温度降低 而减小。N均匀随温度 下降先增加后降低， 在某一温度呈现极大 值。
晶界形核 如果基体和晶核相互适应以形成低能量界面，那么形核功可以进一步减少。如 图1-9所示，晶核与其中的一个晶粒有某种位向关系，形成共格或半共格晶 界，这在固态相变中是极常见的现象。其它面缺陷，如夹杂—基体界面、堆
T P T
P
P T P
T
所以S≠S，V≠V。 因此，在一级相变时，熵S和体积V将发生不连续变化，即一 级相变有相变潜热和体积改变。材料的凝固、熔化、升华以及同 素异构转变等均属于一级相变。几乎所有伴随晶体结构变化的金属 固态相变都是一级相变。
二、非均匀形核：固相中的形核几乎总是非均匀的
各种缺陷如空位、位错、晶界、层错、夹杂物和自由表面等 都能提高材料的自由能，如果晶核的形成能使缺陷消失，就会释 放出一定的自由能(Gd)，与GV一样，成为转变的驱动力，各 种缺陷成为合适的形核位置。 形核方程为：G = -V GV + S + V Gs - Gd
ΔG -VΔGV∝r3
-V(ΔGV-ΔGS)∝r3
2 r* Gv Gs
16 3 G* 3(GV G s )2
固态相变增加弹性应变能，相变阻力增加， 临界晶核直径和形核功增大，固态相变中形核比液→ 固相变困难。 临界晶核半径和形核功都是自由能差GV的函数，也 将随过冷度（过热度）而变化。 随过冷度（过热度）增大，临界晶核半径和形核功都 减小，即相变容易发生。 由于固态相变中存在弹性应变能Gs，因此只有当 GV>Gs时相变才能发生，亦即过冷度（过热度）必须 大于一定值，固态相变才能发生，这是与液→固相变的一 个根本区别。 此外，当界面能和弹性应变能Gs增大时，临界晶 核半径r*增大，形核功G*增高，形核困难。
f=ωexp ( -Gm /kT )
温度对形核率的影响
随着温度的下降， 代表晶核潜在密度的 exp(-G*/kT)升高很 快； 而原子迁移激活 能Gm几乎不随温度 变化， 所以exp(Gm/kT)随温度降低 而减小。N均匀随温度 下降先增加后降低， 在某一温度呈现极大 值。
晶界形核 如果基体和晶核相互适应以形成低能量界面，那么形核功可以进一步减少。如 图1-9所示，晶核与其中的一个晶粒有某种位向关系，形成共格或半共格晶 界，这在固态相变中是极常见的现象。其它面缺陷，如夹杂—基体界面、堆
T P T
P
P T P
T
所以S≠S，V≠V。 因此，在一级相变时，熵S和体积V将发生不连续变化，即一 级相变有相变潜热和体积改变。材料的凝固、熔化、升华以及同 素异构转变等均属于一级相变。几乎所有伴随晶体结构变化的金属 固态相变都是一级相变。
二、非均匀形核：固相中的形核几乎总是非均匀的
各种缺陷如空位、位错、晶界、层错、夹杂物和自由表面等 都能提高材料的自由能，如果晶核的形成能使缺陷消失，就会释 放出一定的自由能(Gd)，与GV一样，成为转变的驱动力，各 种缺陷成为合适的形核位置。 形核方程为：G = -V GV + S + V Gs - Gd
ΔG -VΔGV∝r3
-V(ΔGV-ΔGS)∝r3
2 r* Gv Gs
16 3 G* 3(GV G s )2
固态相变增加弹性应变能，相变阻力增加， 临界晶核直径和形核功增大，固态相变中形核比液→ 固相变困难。 临界晶核半径和形核功都是自由能差GV的函数，也 将随过冷度（过热度）而变化。 随过冷度（过热度）增大，临界晶核半径和形核功都 减小，即相变容易发生。 由于固态相变中存在弹性应变能Gs，因此只有当 GV>Gs时相变才能发生，亦即过冷度（过热度）必须 大于一定值，固态相变才能发生，这是与液→固相变的一 个根本区别。 此外，当界面能和弹性应变能Gs增大时，临界晶 核半径r*增大，形核功G*增高，形核困难。
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化学势二级偏微商不等
因此：相变潜热和体积无变化，而比热、压缩系数、膨 胀系数是变化的。如材料有序化转变、磁性转变、超导 转变等。
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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
同素异构转变和多形性转变 平衡脱溶沉淀 共析相变
（1）平衡相变
调幅分解
有序化转变 伪共析转变 马氏体相变
1.1 金属固态相变的主要类型
小结：相变的实质是相结构、成分或有序化程度发生变化， 相变可以兼有上述相变类型的一种或几种。 马氏体相变：非扩散相变、非平衡相变、无核相变； （新旧相成分相同、结构不相同） 珠光体相变：扩散相变、平衡相变、有核相变； （新旧相成分不相同、结构不相同） 思考：同素异构转变，脱溶转变（平衡、非平衡），伪 共析相变，贝氏体相变，奥氏体转变，调幅分解等各属 于什么相变类型？
特点：界面能大，弹性畸变能小
29/74
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）
界面能：非共格＞半共格＞共格
弹性畸变能：非共格＜半共格＜共格
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1.2 金属固态相变的主要特点
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。 例如，低碳钢中马氏体的惯习面为{111}γ 惯习面和位向关系的区别：惯习面指母相的某一主平面； 位向关系指新相的某些晶面、晶向∥旧相的某些晶面、晶 向。钢中发生马氏体相变，具有K-S关系：
第一章
金属固态相变概论
1.1 金属固态相变概述 1.2 金属固态相变热力学 1.3 金属固态相变的形核 1.4 金属固态相变的长大
1.5 金属固态相变动力学
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预备知识：
相： 体系中具有相同成分、结构和性质的均匀部 分称为相，不同相之间有明显的界面分开。可 分为固溶体和金属间化合物两种类型。 如：钢中奥氏体相就是碳在面心立方铁形成 的间隙固溶体，铁素体相则是碳在体心立方铁 中形成的间隙固溶体。
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1.1.2 按平衡状态图分类 1.平衡转变 ③平衡脱溶沉淀——在缓慢冷却的条件下，由过饱
和固溶体析出过剩相的过程称为平衡脱溶沉淀。
平衡脱溶沉淀特点是新相 的成分与结构始终与母相的 不同；随着新相的析出，母 相的成分和体积积分数将不 断变化，但母相不会消失。 钢在冷却时，二次渗碳体从 奥氏体中析出即属这种转变.
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1.1.3 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； 新、旧相比容不同引起体积变化，但宏观形状不变。 如：同素异构转变、脱溶转变、共析转变、调幅分解、 有序化转变、珠光体转变等.
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⑵ 半共格界面
新、旧相之间存在少量位错，除此之外的晶体结构和 点阵常数均能使两相原子之间产生完全匹配。
新、旧相间错配度 |a﹣ a | / a 小，共格关系 大，半共格关系 很大，非共格关系
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⑶ 非共格界面
新、旧相界面处原子排列差别很大，两原子之间匹配 关系不再维持，为非共格界面。
A T + B Ⅰ
L
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1.1.2 按平衡状态图分类 2. 非平衡转变 ① 伪共析转变 以钢为例。当奥氏体以较快 冷速被过冷到GS和ES的延长线 以下温度时，将从奥氏体中同 时析出铁素体和渗碳体。从这 一转变过程和转变产物的组成 相来看，与钢中共析转变相同,
但其组成相的相对量却并非定
织的合金，冷却到某一温度范围内时，可分解为两种
结构与原固溶体相同但成分有明显差别的微区的转变 称为调幅分解。 调幅分解可以用反应式 1+2表示。其特点是： 在转变初期，新形成的两个微区之间并无明显的界面 和成分的突变，但通过上坡扩散，最终使一个均匀固 溶体变为一个不均匀固溶体。
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1.1.2 按平衡状态图分类 1.平衡转变 ⑥有序化转变——固溶体中，各组元原子的相对位臵
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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
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值，而是随奥氏体的碳含量而 变化，故称为伪共析转变。
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1.1.2 按平衡状态图分类 2. 非平衡转变 ② 马氏体转变 若进一步提高冷速，使奥氏体来不及进行伪共析转 变而被过冷到更低温度，由于在低温下铁原子和碳原 子都难于扩散，这时奥氏体便以一种特殊的机理，即
无需借助于原子扩散的方式将点阵改组为点阵，这
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⑵ 半共格界面
新、旧相之间存在少量位错，除此之外的晶体结构和 点阵常数均能使两相原子之间产生完全匹配。 界面上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（ |a﹣ a|/ a ）。 愈大，弹性应变能便愈大。当增 大到一定程度时，界面便难以继续 维持完全共格，在界面上产生一些 刃型位错，以补偿原子间距差别过 大的影响，使界面弹性应变能降低.
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1.1.3 按原子迁移情况分类
2. 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运 动是协调一致的。原子只作有规则的迁移以使晶体点阵 重组，原子迁移范围有限不超过一个原子间距。如淬火 马氏体相变。 特点： 存在均匀切变引起宏观变形； 相变无扩散，新、旧相化学成分相同； 新、旧相之间存在一定晶体学取向关系； 相变速度快。
（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 图所示平衡组织的相变。
①同素异构转变——纯金属在温度和压力改变时，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
种相变称为马氏体转变，其转变产物称为马氏体。
马氏体的成分与母相奥氏体的相同。除铁碳合金以
外，在许多其它合金（如铜合金、钛合金）中也能发 生马氏体转变。
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1.1.2 按平衡状态图分类 2. 非平衡转变 ③ 贝氏体转变 以钢为例。当奥氏体被过冷至珠光体转变和马氏体 转变之间的温度范围时，由于铁原子已难以扩散，而 碳原子尚具有一定扩散能力，故出现一种不同于马氏
{111}γ// {110}α′；<110> γ// <111> α′
2. 新旧相之间存在一定位向关系与惯习面
若两相间为（半）共格界面 → 有取向关系；但反过来
不成立。即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。 若无取向关系→ 必为非共格界面
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1.2 金属固态相变的主要特点
由无序到有序的转变过程称为有序化转变。 在Cu-Zn、Cu-Au、Mn-Ni、Fe-Ni、Ti-Ni等60多种
合金系中都可发生这种转变。
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1.1.2 按平衡状态图分类 2. 非平衡转变 加热或冷却速度快，使无限缓慢的平衡相变被抑
制，产生不平衡相变。铁碳合金的不平衡转变包括:
伪共析相变 马氏体相变 贝氏体相变 非平衡脱溶转变
3. 相变阻力大（弹性应变能作用）
在许多情况下，固态相变时，新相与母相界面上的原子 由于要强制性地实行匹配，以建立共格或半共格联系，在 界面附近区域内将产生弹性应变，从而产生弹性应变能， 也称为共格应变能。
新相和母相的比容往往不同，故新相形成时的体积变化 将受到周围母相的约束而产生弹性应变能，称为比容差应 变能。这种比容差应变能的大小与新相的几何形状有关。 弹性应变能和界面能共同构成金属发生固态相变的阻力。
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预备知识：
相变： 随外界条件的变化(温度)，构成物质的原子 (或分子)的聚合状态(相状态)发生变化的过程称 为相变。
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。 相变就是体系中新相取代旧相的过程。
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预备知识：
固态相变： 金属（合金）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 发生一种相状态到另一种相状态的转变，这种 转变称为固态相变。
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1.1 金属固态相变的主要类型
1.1.1 按热力学分类
① 一级相变：相变时两相的化学势相等，而化学势对温 度及压力的一阶偏微分（-S，V）不等的相变。对新、 旧相 和 ，有：
( )P ( )P ; ( )T ( )T T T P P ( ) P S ; ( )T V T P S S ;V V
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新相形状与弹性应变能之间关系
圆盘状新相引起的比容差应变能最小，针状的次之，而 球状的最大。但是对于体积相等的新相来说，盘状的表面 积比其它两种都大。因此，应变能和界面能对新相形状的 影响是互相矛盾的。究竟哪一个起支配作用，要视具体情 况而定。
⑴ 共格界面
新、旧相的晶体结构、点阵常数相同；或有差异但存 在一组特定晶体学平面可使两相原子之间完全匹配。
旧相
新相
只有对称孪晶界才是理想的共格界面。实际上，两相点 阵总有一定差别，或者是点阵结构不同，或者是点阵参数 不同，因此两相界面要完全共格，在界面附近必将产生弹 性应变。
特点：界面能小，弹性畸变能大
转变。
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1.1.2 按平衡状态图分类 1.平衡转变 ③平衡脱溶沉淀——在缓慢冷却的条件下，由过饱
因此：相变潜热和体积无变化，而比热、压缩系数、膨 胀系数是变化的。如材料有序化转变、磁性转变、超导 转变等。
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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
同素异构转变和多形性转变 平衡脱溶沉淀 共析相变
（1）平衡相变
调幅分解
有序化转变 伪共析转变 马氏体相变
1.1 金属固态相变的主要类型
小结：相变的实质是相结构、成分或有序化程度发生变化， 相变可以兼有上述相变类型的一种或几种。 马氏体相变：非扩散相变、非平衡相变、无核相变； （新旧相成分相同、结构不相同） 珠光体相变：扩散相变、平衡相变、有核相变； （新旧相成分不相同、结构不相同） 思考：同素异构转变，脱溶转变（平衡、非平衡），伪 共析相变，贝氏体相变，奥氏体转变，调幅分解等各属 于什么相变类型？
特点：界面能大，弹性畸变能小
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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）
界面能：非共格＞半共格＞共格
弹性畸变能：非共格＜半共格＜共格
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1.2 金属固态相变的主要特点
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。 例如，低碳钢中马氏体的惯习面为{111}γ 惯习面和位向关系的区别：惯习面指母相的某一主平面； 位向关系指新相的某些晶面、晶向∥旧相的某些晶面、晶 向。钢中发生马氏体相变，具有K-S关系：
第一章
金属固态相变概论
1.1 金属固态相变概述 1.2 金属固态相变热力学 1.3 金属固态相变的形核 1.4 金属固态相变的长大
1.5 金属固态相变动力学
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预备知识：
相： 体系中具有相同成分、结构和性质的均匀部 分称为相，不同相之间有明显的界面分开。可 分为固溶体和金属间化合物两种类型。 如：钢中奥氏体相就是碳在面心立方铁形成 的间隙固溶体，铁素体相则是碳在体心立方铁 中形成的间隙固溶体。
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1.1.2 按平衡状态图分类 1.平衡转变 ③平衡脱溶沉淀——在缓慢冷却的条件下，由过饱
和固溶体析出过剩相的过程称为平衡脱溶沉淀。
平衡脱溶沉淀特点是新相 的成分与结构始终与母相的 不同；随着新相的析出，母 相的成分和体积积分数将不 断变化，但母相不会消失。 钢在冷却时，二次渗碳体从 奥氏体中析出即属这种转变.
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1.1.3 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； 新、旧相比容不同引起体积变化，但宏观形状不变。 如：同素异构转变、脱溶转变、共析转变、调幅分解、 有序化转变、珠光体转变等.
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⑵ 半共格界面
新、旧相之间存在少量位错，除此之外的晶体结构和 点阵常数均能使两相原子之间产生完全匹配。
新、旧相间错配度 |a﹣ a | / a 小，共格关系 大，半共格关系 很大，非共格关系
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⑶ 非共格界面
新、旧相界面处原子排列差别很大，两原子之间匹配 关系不再维持，为非共格界面。
A T + B Ⅰ
L
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1.1.2 按平衡状态图分类 2. 非平衡转变 ① 伪共析转变 以钢为例。当奥氏体以较快 冷速被过冷到GS和ES的延长线 以下温度时，将从奥氏体中同 时析出铁素体和渗碳体。从这 一转变过程和转变产物的组成 相来看，与钢中共析转变相同,
但其组成相的相对量却并非定
织的合金，冷却到某一温度范围内时，可分解为两种
结构与原固溶体相同但成分有明显差别的微区的转变 称为调幅分解。 调幅分解可以用反应式 1+2表示。其特点是： 在转变初期，新形成的两个微区之间并无明显的界面 和成分的突变，但通过上坡扩散，最终使一个均匀固 溶体变为一个不均匀固溶体。
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1.1.2 按平衡状态图分类 1.平衡转变 ⑥有序化转变——固溶体中，各组元原子的相对位臵
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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
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值，而是随奥氏体的碳含量而 变化，故称为伪共析转变。
17/74
1.1.2 按平衡状态图分类 2. 非平衡转变 ② 马氏体转变 若进一步提高冷速，使奥氏体来不及进行伪共析转 变而被过冷到更低温度，由于在低温下铁原子和碳原 子都难于扩散，这时奥氏体便以一种特殊的机理，即
无需借助于原子扩散的方式将点阵改组为点阵，这
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⑵ 半共格界面
新、旧相之间存在少量位错，除此之外的晶体结构和 点阵常数均能使两相原子之间产生完全匹配。 界面上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（ |a﹣ a|/ a ）。 愈大，弹性应变能便愈大。当增 大到一定程度时，界面便难以继续 维持完全共格，在界面上产生一些 刃型位错，以补偿原子间距差别过 大的影响，使界面弹性应变能降低.
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1.1.3 按原子迁移情况分类
2. 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运 动是协调一致的。原子只作有规则的迁移以使晶体点阵 重组，原子迁移范围有限不超过一个原子间距。如淬火 马氏体相变。 特点： 存在均匀切变引起宏观变形； 相变无扩散，新、旧相化学成分相同； 新、旧相之间存在一定晶体学取向关系； 相变速度快。
（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 图所示平衡组织的相变。
①同素异构转变——纯金属在温度和压力改变时，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
种相变称为马氏体转变，其转变产物称为马氏体。
马氏体的成分与母相奥氏体的相同。除铁碳合金以
外，在许多其它合金（如铜合金、钛合金）中也能发 生马氏体转变。
18/74
1.1.2 按平衡状态图分类 2. 非平衡转变 ③ 贝氏体转变 以钢为例。当奥氏体被过冷至珠光体转变和马氏体 转变之间的温度范围时，由于铁原子已难以扩散，而 碳原子尚具有一定扩散能力，故出现一种不同于马氏
{111}γ// {110}α′；<110> γ// <111> α′
2. 新旧相之间存在一定位向关系与惯习面
若两相间为（半）共格界面 → 有取向关系；但反过来
不成立。即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。 若无取向关系→ 必为非共格界面
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1.2 金属固态相变的主要特点
由无序到有序的转变过程称为有序化转变。 在Cu-Zn、Cu-Au、Mn-Ni、Fe-Ni、Ti-Ni等60多种
合金系中都可发生这种转变。
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1.1.2 按平衡状态图分类 2. 非平衡转变 加热或冷却速度快，使无限缓慢的平衡相变被抑
制，产生不平衡相变。铁碳合金的不平衡转变包括:
伪共析相变 马氏体相变 贝氏体相变 非平衡脱溶转变
3. 相变阻力大（弹性应变能作用）
在许多情况下，固态相变时，新相与母相界面上的原子 由于要强制性地实行匹配，以建立共格或半共格联系，在 界面附近区域内将产生弹性应变，从而产生弹性应变能， 也称为共格应变能。
新相和母相的比容往往不同，故新相形成时的体积变化 将受到周围母相的约束而产生弹性应变能，称为比容差应 变能。这种比容差应变能的大小与新相的几何形状有关。 弹性应变能和界面能共同构成金属发生固态相变的阻力。
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预备知识：
相变： 随外界条件的变化(温度)，构成物质的原子 (或分子)的聚合状态(相状态)发生变化的过程称 为相变。
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。 相变就是体系中新相取代旧相的过程。
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预备知识：
固态相变： 金属（合金）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 发生一种相状态到另一种相状态的转变，这种 转变称为固态相变。
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1.1 金属固态相变的主要类型
1.1.1 按热力学分类
① 一级相变：相变时两相的化学势相等，而化学势对温 度及压力的一阶偏微分（-S，V）不等的相变。对新、 旧相 和 ，有：
( )P ( )P ; ( )T ( )T T T P P ( ) P S ; ( )T V T P S S ;V V
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新相形状与弹性应变能之间关系
圆盘状新相引起的比容差应变能最小，针状的次之，而 球状的最大。但是对于体积相等的新相来说，盘状的表面 积比其它两种都大。因此，应变能和界面能对新相形状的 影响是互相矛盾的。究竟哪一个起支配作用，要视具体情 况而定。
⑴ 共格界面
新、旧相的晶体结构、点阵常数相同；或有差异但存 在一组特定晶体学平面可使两相原子之间完全匹配。
旧相
新相
只有对称孪晶界才是理想的共格界面。实际上，两相点 阵总有一定差别，或者是点阵结构不同，或者是点阵参数 不同，因此两相界面要完全共格，在界面附近必将产生弹 性应变。
特点：界面能小，弹性畸变能大
转变。
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1.1.2 按平衡状态图分类 1.平衡转变 ③平衡脱溶沉淀——在缓慢冷却的条件下，由过饱