固态相变
固态相变
按相变方式分类
相变过程的实质
1、结构：同素异构、多形性、马氏体、
块状转变、 2、成分：调幅分解
3、有序化程度：有序化转变
4、结构和成分：贝氏体转变、共析、脱 溶沉淀
注意
同一种材料在不同条件下可发生不同的相变，从而获得不同的组织
和性能。
共析碳钢
平衡转变:珠光体组织，硬度约为HRC23；
快速冷却:马氏体组织，硬度达HRC60以上。
A1-4%Cu合金
平衡组织:抗拉强度仅为150MPa； 不平衡脱溶沉淀:抗拉强度可达350MPa。
由此可见，通过改变加热与冷却条件，使之发生某种转变继而获得
某种组织，则可在很大程度上改变材料的性能。
金属固态相变的一般特征
大多数固态相变（除调幅分解）都是通 过形核和长大过程完成的。因此，液态 结晶理论及其基本概念原则上仍适用于 固态相变。但是，由于相变是在“固态”
固体相变
重点内容：
① 相变的分类及相变分析；
② 液-固相变过程的热力学和动力学分析，晶 体生长过程动力学； ③ 固态相变的特点，固态相变的形核与晶核 长大。
1.基本概念 相变：指当外界条件如温度、压力等发生变化 时，物相在某一特定条件下发生的突变。 *狭义相变：过程前后相的化学组成不变， 即不发生化学反应。 如：单元系统中,晶体I晶体Ⅱ *广义相变：包括过程前后相组成的变化。 相变表现：1）从一种结构转变为另一种结构； 2）化学成分的不连续变化； 3）物质物理性能的突变。 应用：相变可以控制材料的结构和性质。
P T 1 T P
一般类型： 晶体的熔化、升华； 液体的凝固、气化； 气体的凝聚以及晶体中的多数晶型转变等。
结果：有相变潜热，并伴随有体积改变。
固态相变的一般特点
固态相变的一般特点
嘿，朋友们！今天咱来聊聊固态相变的一般特点哈！你知道吗，就像冬天的雪花变成水，这就是一种相变呀！固态相变也是这么神奇呢！
比如说钢铁的热处理，那就是固态相变在大显身手啦！加热的时候，钢铁的结构就开始发生变化，就好像一个人换了身新衣服一样。
从一种组织变成另一种组织，这变化可大了去了！这不是很神奇吗？
固态相变还有个特点，它有时候慢得像蜗牛，有时候又快得像闪电！比如某些合金在特定条件下的相变，哎呀呀，那速度的差别可太惊人了。
它还有个有趣的地方，就好像一场无声的战斗！新的相要努力生长，旧的相还不想轻易让位呢！这竞争多激烈呀，是不是？
固态相变就是这么有意思，充满了各种奇妙和变化！我觉得呀，这固态相变就像是一个神秘的魔法世界，等着我们去探索和发现呢！。
固态相变初步
第六章 固态相变初步固态相变是从固相到固相的转变，即反应相和生成相均是固态。
固态相变的生成相可能是平衡相， 也可能是亚稳相；可能是稳态组织，也可能是亚稳态组织。
即：稳态组织，平衡相 固态相变的产物 亚稳态组织，平衡相 亚稳态组织，亚稳相 固态相变可分为两大类：扩散型相变和非扩散型相变 6.1 扩散型相变扩散型相变有五种：1）沉淀 (脱溶、析出)相变 新相从母相中沉淀析出 β α脱溶相变一般都是经过形核和长大两个过程，与结晶过程相似。
2) 共析分解γ α＋β典型实例：珠光体转变3) 调幅分解α α1+α2特征：1、α、α1、α2结构相同，点阵常数不同 2、没有形核过程3、成分分布呈调幅波 （图1、图2）形成条件： 从化学成分的角度，调幅分解必需发生在G －X 曲线的拐点内（化学调幅），如图3所示。
图1图2图34) 块状转变 （图4、图5）βα 不同于脱溶晶界形核，快速长大，形貌无规则（图4）图55) 有序化转变 分两种类型（图6）：一种有形核（有序畴）长大过程属一级相变（图7），另一种没有形核长大过程 （图8)，属二级相变。
图6 图7 图8 6.2 沉淀相变从组织的角度，沉淀相变可分为连续沉淀和非连续沉淀，连续沉淀的生成相可能是稳态组织，也可能是非稳态组织。
从工艺的角度，沉淀相变可以在冷却过程中发生，也可以在时效过程中发生。
所谓时效是指将材料置于一定的温度下保温。
时效分人工时效和自然时效。
后者是在室温下自然放置，前者则是人为地将材料置于设定的温度，时效的时间根据时效时间和材料性能之间的关系而决定。
因此，在工业上也有时效相变的说法。
沉淀相变的分类方法可参看图9.图96.2.1连续沉淀和非连续沉淀 （1） 连续沉淀一般情况下脱溶是以连续沉淀的方式进行的连续脱溶的形核大多数是非均匀形核（因为晶体内部存在大量缺陷），形核借助于缺陷，因此可能的形核位置有，晶界、位错、和空位。
如：高温合金中的γ’相。
（图10） 脱溶相呈均匀分布一般不是均匀形核。
固态相变
非连续脱溶与连续脱溶的主要区别： 连续脱溶属于长程扩散，非连续脱溶属于短程 扩散。 非连续脱溶的产物主要集中于晶界上，并形成 胞状物；连续脱溶的产物主要集中于晶粒内部， 较为均匀。
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四、调幅分解（Spinodal Decomposition） 调幅分解（也称为增幅分解）是指过饱和固溶 体在一定温度下分解成结构相同、成分不同两 个相的过程。
20
3）空位对形核 促进扩散
空位形核 被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。）
21
第三节 固态相变的的晶核长大
扩散
长大
切变
界面控制
相界面附近 原子的短程 迁移进行
扩散控制
原子的长 程扩散完 成
一、长大机制 共格、半共格界面的晶核，长大方式不同。 实际长大的界面：非共格和半共格界面。
22
1.非共格界面的迁移 非共格界面的迁移方式有两种。 1)直接迁移模式：母相原子通过热激活越过界 面不断地短程迁入新相，界面随之向母相中迁 移，新相长大。 2)原子迁移至新相台阶端部：
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2 半共格界面的长大
1）切变长大
界面长大通过半共格界面上母相一侧的原子的 均匀切变完成，大量原子沿着某个方向作小间 距的迁移并保持原有的相邻关系不变。——协 同型长大。
7
2 半共格界面 3 非共格界面
8
二、位向关系 固态相变中，新相常与低指数、原子密度大且 彼此匹配较佳的晶面互相平行，借以减小新相 与母相之间的界面能。典型的关系是K-S关系。 {111}γ//{110}α,<110>γ//<111>α 表明晶体发生固态相变时新相和母相存在特定 的关系。
5. 固态相变
α
∂ G ≠ ∂p 2 T
2
β
T
∂ G ∂ G ≠ ∂T∂p ∂T∂p
2 2
α
β
由于
cp ∂ 2G ∂S 2 = − =− ∂T T p ∂T p
迁移使点阵发生改组。马氏体转变 固态相变不一定都属于单纯的扩散型或非扩散 型。
3. 按相变方式分类 有核相变和无核相变
有核相变：有形核阶段， （1）有核相变：有形核阶段，新相核心可均匀形 也可择优形成。大多数固态相变属于此类。 成，也可择优形成。大多数固态相变属于此类。 （2）无核相变：无形核阶段，通过扩散偏聚的方 无核相变：无形核阶段， 式进行。以成分起伏作为开端， 式进行。以成分起伏作为开端，新旧相间无明显界 如调幅分解。 面，如调幅分解。
第五章
固态相变
第一节
总论
固态相变的定义：
固体材料的组织、结构在温度、压力、成分改 变时所发生的转变统称为固态相变。
一、固态相变的特点
驱动力: 大多数固态相变是通过形核和长大完 成的，驱动力是新相和母相的自由焓之差。 阻力: 界面能和应变能。
1. 相界面
a) 共格界面
b) 半共格界面
c) 非共格界面
晶粒1 晶粒2
新相
非共格界面 晶界
共格或半共格界面
晶界形核示意图
四、晶核的长大 1. 晶核长大的方式 “平民式”散漫无序位移 非协同型长大 “军队式”有序位移 协同型长大 2. 晶核长大类型
• 成分不变协同型长大 • 成分不变非协同型长大 • 成分改变协同型长大 • 成分改变非协同型长大 前两类无需溶质原子扩散，长大速度仅与界面点 阵重构过程有关，故晶核长大速度很快。
固态相变原理
固态相变原理1、相变的基础理论涉及三个方面的共性问题：1）相变能否进行，相变的方向2）相变进行的途径及速度3）相变的结果，即相变时结构转变的特征。
分别对应相变热力学、相变动力学和相变晶体学。
相变是朝着能量降低的方向进行；相变是选择阻力最小、速度最快的途径进行；相变可以有不同的终态，但只有最适合结构环境的新相才易于生存下来。
2、固态相变的特殊性（相界面、弹性应变能、位向关系与惯习面、亚稳过渡相、原子迁移率、晶体缺陷）。
固态相变除满足热力学条件外，还须获得额外能量来克服晶格改组时原子间的引力，即存在相变势垒。
相变势垒由激活能决定，也与是否有外加机械应力有关。
3、相变驱动力和相变阻力驱动力：体积自由能，来自晶体缺陷（点，线，面缺陷）的储存能。
储存能由大到小的排序：界面能，线缺陷，点缺陷。
界面能中界隅提供的能量最大，但体积分数小，界棱次之，界面最小，但体积分数最大。
相变阻力是界面能和弹性应变能。
弹性应变能与新旧相的比容差和弹性模量，及新相的几何外形有关。
从能量的角度来看：共格界面的弹性应变能最大，非共格界面的界面能最大。
球形新相界面能最小，但应变能最大，圆盘状新相相反，针状新相居中。
4、长大方式新相晶核的长大分为协同（共格或半共格，切变）和非协同（非共格或扩散）两种，前者速度快，后者速度慢。
原子只能短程扩散时，长大速度与过冷度（温度）存在极大值；长程扩散时，长大速度与扩散系数和母相的浓度梯度成正比，与相界面处两相的浓度差呈反比。
5、相变速率相变速率满足Johnson-Mehl方程或Avrami经验方程。
相变之初和相变结束其，相变速率最小，转变量约50%时，相变速度最大。
扩散型相变的动力学曲线呈“C”形。
是由驱动力和扩散两个矛盾因素共同决定的。
6、C曲线“C”曲线建立的原理：一定外界条件下，只要发生了相变，宏观上就能检测出某种变化（组织，结构，性能等），确定该条件下这种变化与新相转变量的关系。
相变进行的难以程度决定“C”曲线的位置。
固态相变的分类
固态相变的分类
固态相变是固态物质在温度、压力、电场、磁场改变时，从一种组织结构转变成另一种组织结构的过程。
这个过程可以包括以下三种基本变化：晶体结构的变化、化学成分的变化和有序程度的变化。
固态相变可以根据不同的标准进行分类。
根据相变中是否发生原子扩散，固态相变可以分为扩散型相变和无扩散型相变。
在扩散型相变中，原子通过热激发运动进行扩散，这需要较高的温度。
而无扩散型相变则是在原子不发生扩散的情况下发生的相变。
回答完毕。
材料科学基础第8章固态相变
第二节 固态相变的形核与长大
二 非均匀形核（能量条件） 2 非均匀形核的能力变化 △ G＝-V△Gv+S+ V-△GD △GD－晶体缺陷导致系统降低的能量。
第三节 固态相变的晶核长大
三 常见固态相变类型 相变名称
同素异构转变 多型性转变 脱溶转变 共析转变 包析转变 马氏体转变 贝氏体转变 调幅分解 有序化转变
相变特征
同一种元素通过形核与长大发生晶体结构的变化 合金中晶体结构的变化 过饱和固溶体脱溶分解出亚稳定或稳定的第二相 一个固相转变为两个结构不同的固相 两个不同结构的固相转变为一个新的固相，组织中一般 有某相残余 新旧相之间成分不变、切变进行、有严格位向关系、有 浮凸效应 兼具马氏体和扩散转变的特点，借助铁的切变和碳的扩 散进行 非形核转变，固溶体分解成结构相同但成分不同的两相 合金元素原子从无规则排列到有规则排列，担结构不变。
3.惯习现象
* 新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成。
惯习方向 （母相） 惯习面
原因：沿应变能最小的方向和界面能最低的界 面发展。
4 母相晶体缺陷促进相变
缺陷类型
点… 线… 晶格畸变、自由能高，促进形核及相变。 面…
5 易出现过渡相
* 固态相变阻力大，直接转变困难 协调性中间产物（过渡相） ＋Fe3C +(3Fe+C) 例 M +Fe3C
第二节 固态相变的形核与长大
三 晶核的长大
（3）相变动力学 f第三节 过饱和固溶体的分解
一 脱溶（时效）转变
1 概念：脱溶转变 2 脱溶转变过程 相的名称－形貌－尺寸－结构－点阵常数－共格关系 －强化作用 3 脱溶动力学
材料科学基础固态相变PPT课件
固态相变
《材料科学基础》第八章
固态相变 1
第四章第一节
固态相变总论
《材料科学基础》第八章 第一节
固态相变 2
固态相变的定义：
固体材料的组织、结构在温度、压力、成 分改变时所发生的转变统称为固态相变。
一、固态相变的特点
大多数固态相变是通过形核和长大完成的， 驱动力同样是新相和母相的自由焓之差。 阻力: 界面能和应变能
V
所以 Sα≠Sβ, Vα≠Vβ
一级相变有体积和熵的突变， △V≠0，△S≠0
固态相变
7
二级相变：
若相变时，Gα＝Gβ，μαi=μβi ，并且自由焓的 一阶偏导数也相等，但自由焓的二阶偏导数 不相等，称为二级相变。
G T
p
G T
p
G p
T
G p
T
固态相变
8
2TG2
p
2G T2
固态相变
19
3. 晶核长大控制因素
对于冷却过程中发生的相变，当相变 温度较高时原子扩散速率较快，但过 冷度和相变驱动力较小，晶核长大速 率的控制因素是相变驱动力；相变温 度较低时，过冷度和相变驱动力较大， 原子的扩散速率将成为晶核长大的控 制因素。
固态相变
20
<1>受界面过程控制的晶核长大 过冷度较小时，新相长大速率u与驱动力 △G成正比；过冷度较大时，长大速率随温 度下降而单调下降。
γαβ
θ β
rθ
△G=V△GV+Aαβγαβ +V△GE -Aααγαα
固态相变
界面形核示意图
16
推导出：
r* =-2γαβ/(△GV+△GE)
△G*非=△G*均 f( θ)
材料科学基础_第6章_固态相变的基本原理
，随着温度的降低，即过冷度的增大，相变驱动力增大， 相变速度加快；但是当过冷度增大到一定程度，扩散称为 决定性因素，进一步增大过冷度，反而使得相变速度减小 。
15
➢ ①共格界面：当界面上的原子所占据的位置恰好是两相点 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 。
➢ ②半共格界面：如果一相的某一晶面上的原子排列和另一 相的某晶面的原子排列不能达到完全相同，但相近，这样 形成的界面在小区域内可以利用少量得到弹性变形来维持 共格关系，适当利用位错的半原子面来进行补偿，达到能 量较低。
9
2）. 非扩散型（位移型）： 在相变过程中没有原子的扩散运动，相变前后没有成分
的变化，原子以切变的方式，即相对周围原子发生有规律 的少量的偏移，基本维持原来的相邻关系，而发生晶体结 构的改变。
新旧相的界面有共格 马氏体相变就是属于非扩散型相变。
10
3）.过度型相变： 介于二者之间的，具有扩散型和非扩散型的综合特征Hale Waihona Puke 2T 2P
( S T
)P
CP T
CP等压热容
2 1
P 2
T
22
P 2
T
2
P2
T
V V
V ( P )T
VB
B压缩系数
2 1
TP
22
TP
2
TP
V V
( V T
)P
VA
A膨胀系数
7
二级相变
V V ,S S CP CP , B B , A A
固态相变
固态相变：金属和陶瓷等固态材料在温度和压力改变时，其内部或结构会发生变化，即发生从一种相状态到另一种相状态的的转变，这种转变成为固态相变。
热力学分类一级相变：想便是新旧两厢的化学势相等，但化学势的一级偏微商不等的相变二级相变：相变时新旧两相的化学势相等，且化学势的一级偏微商也相等，但化学势的二级偏微商不等的相变平衡状态分类平衡相变：在缓慢加热或冷却时所发生的能获得负荷平衡状态图的平衡组织的相变1同素异构转变和多形转变: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。
2平衡脱溶沉淀:在缓慢冷却条件下，由过饱和固溶体中析出过剩相的过程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4调幅分解:某些合金在高温下具有均匀单项固溶体，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。
5有序化转变：固溶体中，各组元原子在晶体点阵中的相对位置由无序到有序的转变（长程有序）非平衡相变：托加热或冷却速度很快，平衡相变将被抑制，固态材料可能发生某些平衡状态图上不可能反映的转变并获得被称为不平衡或亚稳态的组织的转变1伪共析相变：Fe-C为例，转变过程和转变产物类似于共析相变，但转变产物中铁素体量与渗碳体量的比值不是定值，而是随奥氏体含量变化而变化2马氏体相变：Fe-C合金为例，进一步提高冷却速度，使伪共析相变也来不及进行而将奥氏体过冷到更低温度，则由于在低温下铁原子和碳原子都已不能或不易扩散，故奥氏体只能一步发生源自扩散，不引起成分改变的方式，通过切变由γ点阵改组为α点阵的转变3贝氏体相变：铁原子不能扩散，但碳原子尚具有一定的扩散能力，因此出现了一种独特的碳原子扩散而铁原子不扩散的非平衡相变4非平衡脱溶沉淀：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原子迁移分类扩散相变：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称为扩散型相变基本特点：1相变过程中由原子扩散，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提及变化，没有宏观形状改变非扩散型相变：想必那过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子的运动时协调一致的相变。
固态相变总论
（2）非均匀形核的形核率及受扩散控制的长大速度随时间而变化，则 恒温转变时的相变动力学方程（Avrami方程）：
f ( ) 1 exp( B n )
固态相变
上面两个转变方程所描述的是在给定温度下的等温转变过程，据 此可以计算不同温度下的等温转变动力学曲线－TTT图
六、固态相变动力学
固态相变一般经历形核－长大过程
固态相变
固态相变速度决定于新相的形核率和长大速度
（1）设均匀形核的形核率及受点阵重构控制的长大速度在恒温转变时
均为常数，相变动力学方程（Johnson-Mehl方程）：
转变量
f ( ) 1 exp( KIu 3 4 / 4)
形核率
长大速率
K为形状系数， 当新相为球形时 K=4π/3
TIPS：过渡相从热力学来说不利，
但从动力学来说有力，也是减小相 变阻力的重要途径之一！！！
过渡相
过渡相
稳定相
固态相变
3. 固态相变的三种基本变化：
①晶体结构的变化
纯铁的同素异构转变
1538℃, bcc的δ－Fe
②化学成分的变化 ③有序程度的变化
1394℃,fcc的γ－Fe
912℃, bcc的α－Fe
当新/母相成分不同时，新相界面的推移除了需要上述的界面最邻近的原 子过程外，还可能要涉及原子的长程扩散过程。因而长大过程可能受界面 过程控制或受扩散过程控制，也可能同时受界面过程和扩散过程控制。
晶核长大的控制因素依相变温度和扩散速率而定： （1）相变温度较高时，原子扩散速率较快，但过冷度和相变驱动力较小，晶核长大 速率的控制因素是相变驱动力； （2）相变温度较低时，过冷度和相变驱动力较大，原子的扩散速率将成为晶核长大 的控制因素。
固态相变_(考试必备)
固态相变：金属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，即发生从一种状态到另一种相态的转变，这种转变称之为固态相变。
固态相变的阻力有哪些：金属固态相变时的相变阻力应包括界面能和弹性应变能两项。
当界面共格时，可以降低界面能，但使弹性应变能增大。
当界面不共格时，盘(片)状新相的弹性应变能最低，但界面能较高；而球状新相的界面能最低，但弹性应变能却最大。
为什么固态相变中出现过渡相?晶体缺陷对固态相变形核有什么影响？1.当稳定的新相与母相的晶体结构差异较大时，母相往往不直接转变为自由能最低的稳定新相，而是先形成晶体结构或成分与母相比较接近，自由能比母相稍低些的亚稳定的过渡相。
此时，过渡相往往具有界面能较低的共格界面或半共格界面，以降低形核功，使形核容易进行。
2.晶体缺陷是能量起伏、结构起伏和成分起伏最大的区域，在这些区域形核时，原子扩散激活能低，扩散速度快，相变应力容易被松弛。
在固态相变中，从能量的观点来看，均匀形核的形核功最大，空位形核次之，位错形核更次之，晶界非均匀形核的形核功最小。
为什么新相形成的时候，常常呈薄片状或针状？如果新相呈球状，新相与母相之间是否存在位相关系？①金属固态相变时，因新相与母相恶比容不同，可能发生体积变化，但由于受到周围母相的约束，新相不能自由膨胀产生弹性应变能。
而片状或针状的弹性应变能最小，所以新相形成时常常呈片状或针状 ②存在位相关系。
许多情况下，金属固态相变时，新相与母相之间往往存在一定的位相关系，且新相呈球状时与母相的弹性应变能最大，是由新、母相的比容不同或两相界面共格或半共格关系造成的，所以必然存在一定的位相关系。
TTT 曲线的建立：将不同温度下的等温转变开始时间和终了时间以及某些特定的转变量所对应的时间绘制在温度—时间半对数坐标系中，并将不同温度下的转变开始点和转变终了点以及转变50%点分别连接成曲线，则可得到过冷奥氏体等温转变图，即TTT 曲线。
固态相变知识点总结
固态相变知识点总结相变是物质在温度、压强或其他外部条件改变时，从一种物态转变为另一种物态的现象。
固态相变是指物质从固态状态转变到其他固态状态的过程，通常包括晶体-晶体相变和晶体-非晶相变，以及液晶-固体相变等。
固态相变是材料科学和固态物理领域的重要研究课题，掌握固态相变的基本原理和规律对于材料设计、制备和性能改进具有重要意义。
本文将从固态相变的基本概念、分类和特征等方面进行总结，并通过实例来说明固态相变的重要意义和应用。
一、固态相变的基本概念1. 固态相变是指物质在固态状态下由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。
固态相变是晶体学和固态物理学的重要研究课题，可以帮助我们深入了解物质的内部结构和性质。
2. 固态相变的基本特征包括晶格结构的改变、原子位置的重新排列、晶体的晶界和缺陷等。
固态相变通常伴随着能量的吸收或释放，使得固态物质的性能和特性发生变化。
3. 固态相变的驱动力包括温度、压强、外界场等，这些外部条件的改变可以引起晶体结构和性质的改变，从而产生相变现象。
4. 固态相变可以分为等温相变和非等温相变两种类型。
等温相变指的是在恒定温度下发生的相变过程，例如固态合金的热处理过程；非等温相变指的是在变化温度下发生的相变过程，例如冰的熔化过程。
二、固态相变的分类根据相变过程中晶体结构的改变和外部条件的影响，固态相变可以分为以下几种类型：1. 晶体-晶体相变：指的是物质在固态状态下由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。
晶体-晶体相变通常伴随着晶粒形状、大小和取向的变化，对材料的组织结构和性能产生重要影响。
2. 晶体-非晶相变：指的是物质在固态状态下由晶体结构转变为非晶结构的过程。
晶体-非晶相变可以发生在非晶态金属、非晶态合金和非晶态陶瓷等材料中，对于提高材料的强度、硬度和耐腐蚀性具有重要意义。
3. 液晶-固体相变：指的是液晶分子在固态基体中发生有序排列的过程。
液晶-固体相变广泛应用于液晶显示器、液晶材料和光学器件等领域。
金属固态相变基础课件
THANKS
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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。
金属固态相变知识点总结
金属固态相变知识点总结一、金属固态相变概述金属的固态相变是指金属在固态下由于温度、压力等外部条件的变化而发生的结构变化。
金属的固态相变具有一定的规律性，可以通过实验和理论研究来预测和解释金属相变过程中的行为。
金属固态相变对于金属材料的性能和应用具有重要的影响，因此对金属固态相变进行深入的研究具有重要的意义。
二、金属固态相变类型1. 多种金属的固态相变类型金属的固态相变包括晶格变化、相变温度、相变形式等不同的类型，主要有以下几种类型：(1) α-β型固溶体相变α-β型固溶体相变是金属合金中比较常见的相变类型，指的是在金属合金中存在两种不同的固溶体相，分别为α相和β相。
这种相变类型在许多重要的金属合金中都有出现，如Fe-C合金、Ni-Cr合金等。
(2) 费氏体相变费氏体相变是一种典型的金属固态相变类型，指的是金属在一定温度下发生由奥氏体相向费氏体相转变的过程。
这种相变类型在一些铁素体不锈钢中尤为常见。
(3) 莫尔铂相变莫尔铂相变是一种金属固态相变类型，指的是金属在相变过程中由六方最密堆积（HCP）结构向立方最密堆积（FCC）结构的转变。
这种相变类型在一些贵金属合金中具有重要作用。
2. 典型金属的固态相变不同的金属在固态下的相变类型也有所不同，下面以常见的几种金属为例进行介绍：(1) 铁素体不锈钢的固态相变铁素体不锈钢是一种重要的金属材料，其固态相变主要包括奥氏体到费氏体的相变，以及费氏体到马氏体的相变。
这些相变在不锈钢的应用性能中具有重要的影响。
(2) 铝合金的固态相变铝合金是一种广泛应用的金属材料，其固态相变主要包括固溶体相变和析出相变。
这些相变对于铝合金的强度和耐腐蚀性能具有重要的影响。
(3) 镍基高温合金的固态相变镍基高温合金是一种用途广泛的高温合金，其固态相变主要包括γ'-γ''转变、析出相变等。
这些相变对于高温合金的高温强度和高温抗氧化性能具有重要的影响。
三、金属固态相变的影响因素金属的固态相变受到多种因素的影响，主要包括温度、压力、合金元素、晶体结构等因素。
固态相变
• （1）伪共析转变 某些非共析成分的奥氏体在快 速冷却到ES线和GS线的延长线以下的区域内所发 生的共析转变，转变产物与共析转变没有本质上 的区别，但伪共析转变产物两相比列不同
•
6
E G
S
MS
伪共析转变示意图
• （2）马氏体转变 奥氏体在过冷到MS以下的低温 区所发生的转变，转变后马氏体成分与母相相同， 但结构不同。
固态相变
Phase Transformation in solid State
1
1 固态相变概论
• 1.1基本概念 • 组元： 金属和合金最基本的、独立的物质 • 相：金属和合金中结构相同、成分和性能
均一并以界面相互分开的组成部分 • 相变：金属和合金中新产生的相称为新相，
导致新相产生的称为母相。母相向新相的 转变成为相变 • 固态相变：在固态状态下产生的相变
相中的转变，但固态相变是在固态状态下 发生的转变过程，由此固态相变与液态相 变相比既有相同的地方又有不同的地方。
• 相同的：相变驱动力都是新旧两相的自由 能差，相变都包含形核和长大两个基本过 程；
• 不同的：固态相变新相和母相都是固体， 与液态相变发生的结晶有显著的不同，主 要在如下几方面。
11
• 1.3.1 相变阻力大 • 固态相变新旧两相比容不同会引起体积变
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 α 1 +α 2
• （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。
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作业一2.奥氏体形核时需要过热度△T ，那么金属熔化时（S-L ）,要不要过热度，为什么？答：固态金属熔化时会出现过热度。
原因：由热力学可知，在某种条件下，熔化能否发生取决于液相自固态金属熔化时会出现过热。
原因：自由度是否低于固相的自由度，即0<-=∆S L G G G ，只有当温度高于理论结晶温度Tm 时，液态金属的自由能才能低于固态金属的自由能，固态金属才能自发转变为液态金属。
因此，金属熔化时移动要有过热度。
3.相变热力学条件是什么？答：金属固态相变的热力学条件：（1）相变驱动力相变热力学指出，一切系统都有降低自由能以达到稳定状态的自发趋势。
若具备引起自由能降低的条件，系统将由高能到低能转变转变，称为自发转变。
金属固态相变就是自发转变，则新相自由能必须低于旧相自由能。
新旧两相自由能差既为相变的驱动力，也就是所谓的相变热力学条件。
（2）相变势垒要使系统有旧相转变为新相除了驱动力外，还要克服相变势垒。
所谓相变势垒是指相变时改组晶格所必须克服的原子间引力。
4.简述固态相变的主要特征。
答：⑴相界面：根据界面上新旧两相原子在晶体学上匹配程度的不同，可分为共格界面、半共格界面和非共格界面。
⑵位向关系与惯习面：在许多情况下，金属固态相变时新相与母相之间往往存在一定的位向关系，而且新相往往在母相一定的晶面上开始形成，这个晶面称为惯习面通常以母相的晶面指数来表示。
⑶弹性应变能：金属固态相变时，因新相和母相的比容不同可能发生体积变化。
但由于受到周围母相的约束，新相不能自由膨胀，因此新相与其周围母相之间必将产生弹性应变和应力，使系统额为地增加了一项弹性应变能。
⑷过渡相的形成：当稳定的新相与母相的晶体结构差异较大时，母相往往不直接转变为自由能最低的稳定新相，而是先形成晶体结构或成分与母相比较接近，自由能比母相稍低些的亚稳定的过渡相。
⑸晶体缺陷的影响：固态晶体中存在着晶界、亚晶界、空位及位错等各种晶体缺陷，在其周围点阵发生畸变，储存有畸变能。
一般地说，金属固态相变时新相晶核总是优先在晶体缺陷处形成。
⑹原子的扩散：在很多情况下，由于新相和母相的成分不同，金属固态相变必须通过某些组织的扩散才能进行，这时扩散便成为相变的控制因素。
5.固态相变的阻力是哪几项？答：固态相变阻力包括界面能和应变能。
这是由于发生相变时形成新界面，比容不同都需要消耗能量。
（1）界面能：是指形成单位面积的界面时，系统的赫姆霍茨自由能的变化值。
与大小和化学键的数目、强度有关。
共格界面的化学键数目、强度没有发生大的变化，最小；半共格界面产生错配位错，化学键发生变化，次之；非共格界面化学键破坏最厉害，最大。
（2）应变能A ．错配度引起的应变能（共格应变能）共格界面由错配度引起的应变能最大；半共格界面次之，非共格界面最小。
B ．比容差引起的应变能（体积应变能）和新相的形状有关，球状由于比容差引起的应变能最大，针状次之，片状最小。
6.什么是共格界面，根据其共格性界面有哪几类？请比较它们的界面能和弹性应变能的大小。
答：共格界面是指在两相界面上，原子成一一对应的完全匹配，即界面上的原子同时处于两相晶格的节点上，为相邻晶体所共有的界面。
7.综述奥氏体的主要性能。
（200字以内）答：性能：（1）奥氏体的硬度和屈服强度不高。
（2）塑性好，易变形、加工成形性好。
（3）具有最密排结构，致密度高，比容最小。
（4）铁原子自扩散激活能大，扩散系数小，热强性好，可用作高温钢。
（5）具有顺磁性，转变产物胃铁磁性，可作为无磁性钢。
（6）线膨胀系数大，可作热膨胀灵敏仪表元件（7）导热性差，加热应采用小热速度，以免工件变形。
8．采用哪些方法可以研究奥氏体的等温转变？答：可以采用膨胀法、磁性法、金相—硬度法等研究奥氏体等温转变曲线。
金相法-硬度法：以厚为1-2mm 的薄片，在盐浴中加热到AC1以上某一指定温度，保温不同时间后淬火，观察金相。
因加热转变所得的奥氏体在淬火时转变为马氏体，故根据观察到的马氏体量的多少，即可了解奥氏体形成过程。
根据观察结果，做出在一定温度下等温时，奥氏体形成量与等温时间的关系曲线，称为奥氏体等温形成动力学曲线。
将不同温度下的A 等温转变的开始及终了时间绘于同一图中，即可得A 等温形成动力学图。
膨胀法：是利用过冷奥氏体转变时发生的比容变化来测定转变曲线的。
每测一个温度的等温转变只需一个试样，适合于确定不同转变量所需的时间。
电阻法：利用过冷奥氏体转变时出现的电阻变化来表征珠光体或贝氏体等温转变，测量精度有限，以至于目前电阻法用得不多。
9．发生奥氏体转变的热力学条件是什么？答：奥氏体形成的的热力学条件是：0<-=∆P A V G G G式中：△G v 为相变驱动力，即奥氏体与珠光体的自由能差，G A 为奥氏体自由能，G P 为珠光体自由能。
发生转变时：t>A 1(727℃)，A 1即奥氏体转变临界点。
实际转变温度与临界点A 1之差称为过热度，过热度越大，驱动力也越大，转变也越快。
10．共析钢的奥氏a 体化过程中，为什么铁素体会先消失，而渗碳体会残留下来？答：首先，奥氏体是由铁素体转变而来的，第二，奥氏体的溶解碳能力大大高于铁素体，第三，奥氏体中的碳是由碳化物溶解而来的，第四，只有当碳化物完全溶解后共析钢奥氏体中的平均碳浓度才是共析成分，第五，碳化物溶解是一个过程，需要时间，第六，铁素体转变成奥氏体是瞬间转变的同素异构体转变。
当钢加热到奥氏体化温度后，铁素体瞬间转变成奥氏体，而渗碳体的完全溶解还需要一定的时间，所以共析钢奥氏体刚形成时必有部分碳化物残留。
11．亚共析钢的奥氏体化过程与共析钢的奥氏体化过程有何区别？答：（1）共析钢的奥氏体等温形成是通过碳、铁原子的扩散，通过形核-长大-碳化物溶解-奥氏体均匀化四个步骤实现的。
（2）在AC 3以上，亚共析钢的先共析组织转变a 、通过碳原子在奥氏体中扩散而进行的b 、不形成新核，是通过原有奥氏体长大向先共析组织而完成。
（3）过程的最大区别就是亚共析钢的奥氏体化中没有形核过程。
12．连续加热时的奥氏体转变有何特点？答：连续加热的奥氏体转变有如下特点：（1）临界点随加热速度增加而增加（2）转变时在一定的温度范围内进行的（3）加热速度越大，转变时间越短（4）加热速度越大，奥氏体越不均匀（转变被推向高温，C A-F 与C A-C 差别加大）（5）加热速度越大，奥氏体越细（与形核有关）13．叙述奥氏体晶粒度测定的方法。
答：绝大部分钢的奥氏体只是在高温下才稳定的。
因此，欲测定奥氏体晶粒就得设法将高温状态奥氏体轮廓的痕迹在温度显示出来，常用的显示奥氏体晶粒的方法可归纳为渗入外来元素法、化学试剂腐蚀法和控制冷却速度法3种。
渗入外来元素法：如渗碳法和氧化法，是利用奥氏体晶界优先形成渗碳体和氧化亚铁等组成物，形成网络显示出奥氏体轮廓。
渗碳法一般适用于不高于0.3%C的渗碳钢和含不高于0.6%C而碳化物元素较高的其他类型钢。
氧化法却适用于任何结构钢和工具钢。
化学试剂腐蚀法：钢材经不同温度的淬火-回火处理后，磨光并用饱和苦味酸水溶液和新洁尔灭几滴浸蚀能抑制马氏体组织，促使奥氏体晶界的显示。
或者直接用1-5ml盐酸、饱和苦味酸和乙醇浸蚀，使马氏体直接显示出来，利用马氏体深浅不同和颜色的差异而显示出奥氏体和晶粒大小，此法适用于合金化程度高的能直接淬硬的钢。
控制冷却速度法：低碳钢、亚共析钢、共析钢、过共析钢可控制冷却速度使钢的奥氏体周围先共析析出网状铁素体、网状渗碳体，或使屈氏体沿晶界少量显示出奥氏体晶粒。
14．奥氏体晶粒长大的驱动力是什么?答：奥氏体晶粒的长大是通过晶界的迁移而实现的，晶界迁移的驱动力来自界面自由能的降低。
对于球面晶界，当其曲率半径为R，界面能为γ，指向曲率中心的驱动力P为：P=2γ/R。
可见，R降低，P增加；R趋于无穷大，P=0。
即晶粒半径越小，长大驱动力越大。
当半径无穷大或为平直界面时，驱动力为零。
15．说明奥氏体晶粒异常长大的原因。
答：用A1脱氧或含Nb、Ti、V的钢，在晶界上会存在这些元素的碳氮化合物粒子，一个粒子可使A晶界面积减少pr2（r为小粒子半径）。
当晶界在驱动力作用下移动时，将使A晶界与这些粒子脱离从使A 晶界面积增大，界面能增高。
所以粒子对晶界就有了钉扎作用，一个粒子对晶界移动提供的最大阻力为：F max=pry，其中，γ为单位面积界面能。
设单位体积重粒子的体积分数为f，则作用于单位面积晶界上的最大阻力F max：3fγ/2r。
由上式可知，当粒子半径r越大，对晶界移动的阻力就越大。
异常长大的原因即为由于问题T升高，第二相颗粒（碳氮化合物）的溶解，使阻力F=0，而此时驱动力P却很大，故晶粒急剧长大。
16．根据奥氏体形成规律讨论细化奥氏体晶粒的方法。
答：细化奥氏体晶粒的措施很多，主要是加强过冷和增多晶核。
凡是提高扩散的因素，如温度、时间、均可加快奥氏体长大。
第二相颗粒体积分数f增大，线度r减小，均能阻止奥氏体长大。
提高其实晶粒度的均匀性与促使晶界平直化均能降低驱动力，减弱A长大。
常规的正火和退火工艺，主要是通过二次奥氏体化来达到晶粒细化的目的，也就是说细化晶粒主要是通过重新奥氏体化（包括晶粒形核、长大过程）实现的，并不是靠的冷却过程，冷却快慢只影响珠光体片层间距，并不影响实际晶粒度。
1.奥氏体起始晶粒随着加热速度增大而细化：快速加热时，相变过热度大，奥氏体形核率急剧增大，同时，加热时间又短，因而，奥氏体晶粒来不及长大，晶粒较细，甚至获得超细化奥氏体晶粒；2.加入第二相粒子：由于第二相粒子对奥氏体晶界的钉扎作用，阻碍奥氏体晶粒长大，有利于奥氏体晶粒的细化。
3.缩短保温时间：保温时间短，奥氏体晶粒来不及长大，晶粒细小。
作业二1. 影响珠光体片层间距的因素有哪些？答：珠光体的片层间距大小主要取决于珠光体的形成温度。
随着珠光体转变温度下降，片状珠光体的片层间距S0减小。
在连续冷却条件下，冷却速度愈大，珠光体的形成温度愈低，即过冷度愈大，则片层间距就愈小。
此外，钢中碳含量及合金元素对片层间距也有一定影响。
2. 以共析钢为例，试述片状珠光体的形成机制，并根据铁碳状态图用图解法说明片状珠光体形成时碳的扩散行为。
答：珠光体转变是一个形核长大的过程，可分为片状珠光体和粒状珠光体。
珠光体是由铁素体和渗碳体两相组成的，因此有领先相的问题，一般认为，过冷度小的时候渗碳体是领先相，过冷度大时铁素体是领先相。
片状珠光体的形成是由于均匀的奥氏体冷却到A1点以下时，因为能量，成分和结构起伏，首先在形核功较小的晶界上形成一小片渗碳体晶核，长大过程中，纵向长大是渗碳体片和铁素体片同时连续的向奥氏体中延伸，而横向长大是渗碳体片与铁素体片交替堆叠增多。
3. 试述粒状珠光体的形成机制。
答：由铁素体和粒状碳化物组成的机械混合物。