第1章固态相变概论

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第1章 固态相变概论
第1节 引言
石器时代、铁器时代、青铜器时代、钢铁时代和
新材料时代 。 钢铁材料仍然是社会发展中最重要的结构材料之 一。 材料研究包括四要素：材料的成分、工艺、组织 结构和性能。 相变可以认为是改变金属材料性能的最重要的方 法之一。
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固态相变的相关概念


2G V V P 2 V P V T T
Cp称为材料的等压比热 称为材料的体积压缩系数 称为材料的热膨胀系数
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二级相变时一级偏导数相等，二级偏导数不相等，则有：
S1= S2；V1= V2； Cp1≠Cp2；α1≠ α2 ；β1≠β2
G1=G2 , 1=2
G1 G2 P T P T
G1 G2 T P T P
G V P T
G S T P
V0，S0
的比例并不固定，随奥氏
体成分而变化，故称为伪 共析转变。 。
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2)
马氏体相变：以Fe-C合金为例，如果冷却速度非常快，使钢中 的高温奥氏体母相迅速过冷到很低的温度，奥氏体由面心立方 结构转变成体心正方结构时，其内部的原子来不及进行扩散， 而保留了含过饱和碳的母相成分，获得马氏体组织，称为马氏 体相变。
图1-2 具有脱溶沉淀的二元合金平衡状态图
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5）块状转变
在一定的冷速下（小于马氏体相变需要的冷速），
母相通过界面的短程扩散，转变为成分相同但晶体结 构不同的块状新相，称为块状转变。
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二、按热力学分类
1、一级相变：在相变温度下，新旧两相的自由焓（G）以 及化学位（μ ）均相等。如果相变时化学位的一级偏导数不 相等，则称为一级相变。
调幅分解 :某些合金在高温时形成单相的均匀的固溶体，缓慢冷却
到某一温度范围内时，分解为两相（或两个微区），其结构与原固 溶体相同，但成分不同的转变称为调幅分解。用反应式α→α1+α2
表示。
7) 有序化转变:在平衡条件下，固溶体（包括以中间相为基的固溶体） 中各组元原子在晶体点阵中的相对位置由无序到有序（指长程有序）
2 G1 2 G2 T 2 T 2 P P
G1=G2 , 1=2
G1 G2 P T P T
T
2 G1 2 G2 P 2 P 2 T
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第2节 固态相变的分类
常见的金属固态相变主要分类方法有以下几种： ①按平衡状态分类，可以分为平衡相变和非平衡 相变； ②按热力学分类，可以分为一级相变和二级相变； ③按原子的迁移特征分类，可以分为扩散型相变 和无扩散型相变； ④按相变方式分类，可以分为有核相变和无核相 变。
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一、按平衡状态分类
序程度变化的相变。
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第3节 固态相变的一般特征
一、固态相变中的界面


错配度 ：相邻两相界面上原子间距的相对差值，=a/a。
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三种。
图1-3 固态相变界面结构示意图 （a）共格界面 （b）半共格界面 （c）非共格界面
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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， 界面上原子为两相所共有，这种界面称为共格界面。 半共格界面 ：当新相与母相的晶格错配度δ增大到一 定程度时（超过5% ），界面原子便难以继续维持一 一对应的关系，这时完全共格的界面便被破坏。在界 面上出现了规则排列的位错来抵消晶格的错配，称为 错配位错。此时，界面上的两相原子变成部分保持匹 配，故称为半共格(或部分共格)界面。 非共格界面：当两相界面处的原子排列差异很大，即 错配度δ很大（大于25%）时，两相原子之间的匹配 关系便不再维持，这种界面称为非共格界面。
说明 : 一级相变时，体积 V 和熵 S 将发生不连续变化（有突变）， 即一级相变有体积的胀缩和相变潜热的释放或吸收。
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2、二级相变: 相变时，新、旧两相的化学位相等。如果相变 时，化学位的一级偏导数相等，但二级偏导数不相等，则称 为二级相变。
G1 G2 T P T P


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二、固态相变的驱动力和阻力
1、相变驱动力

相变热力学条件：新旧两相的自由能差和新相自由能 较低是旧相自发转变为新相的驱动力。 G＝H－TS • 由于S总为正值，则一阶导 dG＝dH－TdS－SdT 数应总为负值，即自由能G总 dH＝TdS＋Vdp 是随着温度T的增加而降低的。 dH＝TdS • 由于熵总是随着温度的增加 dG＝－SdT 而增加的，所以二阶导数也总
相：指所研究的合金微观结构中具有均匀一致的成分和 性能的一个组成部分，并且其与系统的其他部分具有物 理上的明显差别和界面。 组元：组成相的元素或者化合物。 合金的微观组织结构：是由所含有的各组成相的状态来 描述的。 相平衡：是一相或者多相的系统，在能量上达到最低的 状态，可以保持长期稳定的存在。 相变：从广义上讲，构成物质的原子 ( 或分子 ) 的聚合状 态(相状态)发生变化的过程均称为相变。
本课程的地位、任务和作用

本课程为金属材料工程专业本科生的一门专业 基础课程。通过本课程的学习，学生应掌握金 属材料固态相变的基本原理和基本知识，从而 为学生以后进入工作岗位时，从事有关金属材 料热处理工作或科研打下必要的专业理论基础。
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本课程的基本内容
第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 固态相变概论 奥氏体与钢在加热时的转变 珠光体与钢在冷却时的高温转变 马氏体与钢在冷却时的低温转变 贝氏体与钢在冷却时的中温转变 过冷奥氏体转变动力学图 钢中的回火转变 合金的脱溶与时效
1、平衡转变：是指在极为缓慢的加ห้องสมุดไป่ตู้或冷却条件下，所发生
的能够获得符合平衡状态图的平衡组织的转变。
1) 纯金属的同素异构转变：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。可表示为αγ
2)
3)
多形性转变 ：在固溶体中发生的同素异构转变。可表示为αγ
共析转变：冷却时，固溶体同时析出并分解为两个不同成分和结 构的相的固态相变。可以用反应式γ→α+β表示。
的转变过程。表示为α→α 。
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2、非平衡转变:在非平衡加热或冷却条件下（如加热速度与冷却速度过 快），平衡转变受到抑制，固态金属将发生平衡图上不能反映的转变类 型，获得不平衡组织或称亚稳状态的组织。
1)
伪共析转变 : 接近共析成 分的钢，在快速冷却到一 定温度时，也可以同时析 出铁素体和渗碳体，类似 于共析转变，但是其转变 产物中的铁素体和渗碳体
2 G1 2 G2 PT PT
Cp 2G S T 2 T T P P
2 G V V V PT T V T V p p
G S T V
2G S T 2 T V V
为负值，这意味着自由能G－ 温度T的特性曲线总是向下凹 的。
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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，即发生从一种相状态到 另一种相状态的转变，这种转变称为固态相变。 相图：在热力学平衡条件下，描述合金中所应该存在的

相与成分、温度（压力）等之间关系的图。


热处理过程：通过控制温度变化来控制固态相变的发生。 相变热力学的研究内容：通过计算平衡或亚稳平衡系统 的能量，给出相变发生的方向和驱动力大小。 相变动力学的研究内容：研究相变发生的过程、速度、 程度等，与时间变化有关的内容。 相变晶体学的研究内容：研究新相与母相之间的各种晶 体学位向关系、惯习面以及其形成的原因等内容。
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4 ） 非平衡脱溶沉淀：合金固
溶体在高温下溶入了较多 的合金元素，在快冷条件
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。 然后，在室温或加热到其 溶解度曲线以下的温度进 行等温保持，将从过饱和 固溶体中析出一种新相，
该新相的成分和结构与平
衡沉淀相不同，故称不平 衡脱溶沉淀（或时效）。
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综上所述，就相变过程的实质而言，其中所发生的 变化不外乎以下三个方面：（1）结构；（2）成分；（3）
有序化程度。
同素异构转变、多形性转变、马氏体转变、块状转变 等只有结构上的变化；调幅分解时只有成分上的变化；共 析转变、脱溶沉淀、贝氏体转变、包析转变等，既有结构 上的变化，又有成分上的变化；有序化转变则属于只有有
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四、按相变方式分类
1、有核相变：通过形核—长大方式进行的。新相晶核可以 在母相中均匀形成，也可以在母相中某些有利部位优 先形成。新相晶核形成后不断长大而使相变过程得以 完成。
2、无核相变：没有形核阶段，通过成分起伏形成高浓度区 和低浓度区。以后依靠上坡扩散使浓度差逐渐增大， 最后导致由一个单相固溶体分解成为成分不同而点阵 结构相同的以共格界面相联系的两个相。
4)
包析转变：冷却时，由两个固相合并转变为一个固相的固态相变 过程。可以用反应式α+β→γ来表示。
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5)
平衡脱溶沉淀 :在高温相中固溶了一定量的合金元素，当温度降低
时其溶解度下降，在缓慢冷却的条件下，由过饱和的固溶体中将析
出新相（脱溶相），此过程称为平衡脱溶沉淀。可以用反应式 α→α+β表示。
6)
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2、无扩散型相变：相变过程中原子不发生扩散，参与转变的 所有原子的运动是协调一致的相变，称为无扩散型相变（也 称“协同型”相变）。
相变时原子仅作有规则的迁移，以使晶体点阵发生改组。迁移时，相
邻原子相对移动距离不超过一个原子间距，相邻原子的相对位置保持 不变。 马氏体相变以及某些纯金属（如Pb、Ti、Li、Co）在低温下进行的同 素异构转变就是无扩散型转变。 无扩散型相变的一般待征是：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某些材料发生无扩散相变时，相界面移动速度极 快，可接近声速。
说明：二级相变时，没有体积和熵的突变，即没有体积的胀缩 和相变潜热的释放和吸收。但是体积压缩系数 β 、热膨胀 系数α、等压比热Cp有突变。材料的部分有序化转变、磁性 转变均属于二级相变。
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三、按原子的迁移特征分类
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 扩散而进行的相变称为扩散型相变（也称“非协同型”转变）。
在相变时，旧相原子越过界面进入新相，新、旧相原子排列顺序不同， 新相中原子打乱重排，界面不断向旧相推移，这种现象被称为相界面 热激活迁移。


同素异构转变、多形性转变、脱溶型相变、共析型相变、调幅分解、
有序化转变等均属于扩散型相变。 扩散型相变的基本特点：①相变过程中有原子扩散运动，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，没有宏观形状改变。
3)
贝氏体转变：以钢为例，当奥氏体被冷却到珠光体转变和马氏 体转变之间的温度范围时，由于温度较低，铁原子已不能扩散 （或者说扩散极困难），但碳原子还具有一定的扩散能力。由 于铁原子已难以扩散，所以不能发生珠光体转变。由于碳原子
还可以扩散，所以也不必按照马氏体转变方式进行转变。因此
就出现了一种独特的有碳原子扩散而铁原子不扩散的非平衡转 变，称为贝氏体转变，又称中温转变。