11金属及合金的固态转变

高 能量
低
晶体内、外表面 晶界、相界、孪晶界、亚晶界 位错 空位、其它点缺陷
实验结果
当过冷度小时，绝大多数固态转变总是只沿表面和晶界进行， 并形成形成网状组织；
过冷度增大时，境内和晶界才可以同时进行，并形成比较均 匀的组织。
c)核心的取向关系
界面能与应变能的竞争：
共格界面 半共格界面 非共格一般界面
11. 金属及合金的固态转变
1. 合金相图中的各种固态转变
固态转变
a. 同素异形转变
多形性转变 β→α
b. 固溶体转变为化合物
或二次固溶体 γ→β
对应的液态转变
a.纯金属和 固溶体的结晶
L→α
b. 化合物或
二次固溶体结晶 L→β
c. 固溶度间隙 α→α1+α2
c. 溶解度间隙 L→L1+L2
d. 单析转变 α→α1+β
2

μ1 T
P


μ2 T
P
CP1 T


2 μ1 T 2
P


2 μ2 T 2
P

CP2 T
②按相变时原子迁移特征(生核和成长特点)分类
(1) 扩散型相变： 相变主要依靠原子长距离的扩散， 相变是依靠相界面的扩散移动而进行， 相界面是非共格界面。
1E-140
I (个/cm3S)
考虑应变能， I会更小！
1E-150 1E-160
1E-170
不可能非共格 均匀形核！
1E-180
1E-190
1E-200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
T (K)
例：Sn的Diamond→BCT相变
Sn：Ttr=286.202 K，γ=0.06 J/m2，ΔHV=1.2×108 J/m3， n=3.68×1022 个/cm3, f=1013 S-1
C
浓度
C0 Ca
早期
后期
形核长大型转变
最终结果
3. 固态相变的一般特点
固相与液相的不同： ● 固相的弹性模量不为0，液相的近似为0； ● 固相各向异性，而液相各向同性； ● 存在各种分布很不均匀的结构缺陷。
固态相变具有新的特点 (1) 形核 (2) 新相成长方向 (3) 新生相的组织形态 (4) 过渡相


I K exp
16 3


3(H V
T Ttr
GV )2 kBT

固态相变驱动力比凝固小很多，且多一个应变能阻力项
凝固：ΔHV=~109 J/m3 固体相变：ΔHV=~108 J/m3
ΔGεV =106-108J/m3
指数项差~100倍！ 注意： ΔHV是负值
r

2γ
(GV GV )
临界核心形成功为： G 3
16 3 GV GV
2
形核率：
I

K
exp(
G ） kBT
K
exp

16 3
3(GV GV
)2 kBT

将 GV H V T 代入上式得
Ttr
Ttr: 平衡相变温度
忽略应变能，γ取 0.06J/m2
1E-160 1E-170
1m3中产生一个晶核 需要3.710141亿年
I (个/cm3S)
1E-180
1E-190
不可能均匀形核！
1E-200
0
50 100 150 200 250 300
T (K)
锡疫
b) 非均匀形核
非均匀形核的有利位置：点、线、面和体缺陷 能量越高的缺陷越易于促进形核
(2) 非扩散型相变(切变型相变、马氏体转变)： 旧相中的原子通过切变和转动，有组织地、 协调一致地转移到新相中。 相界面是共格界面。
③按相变转变方式分类 连续型相变—原子大范围发生轻微重排的涨落，连续 地长大成新相。
C
浓度
C0 Ca
早期
后期
连续型相变
最终结果
形核长大型转变—由涨落形成新相核心，然后向周围长大。
d. 偏晶转变
L→L1+β
e. 共析转变 γ→α+β
e. 共晶转变
L→α+β
f. 包析转变 α+β→γ
f. 包晶转变
L+α→β
g. 固溶度变化发生脱溶现象
g. 溶解度变化发生沉淀现象
h. 有序无序转变 i. 磁性转变 j. 调幅分解 k. 切变式转变（马氏体转变）
材料通常经过热处理来改变它的性能，固态转变就是热处理根据。
2.相变分类
一级相变 按热力学参数分类
二级相变
固体 相变 分类
扩散性相变 按原子迁移分类
非扩散性相变
连续型相变 按相变方式分类
形核长大型相变
①按相变时热力学参数变化的特征分类
μ μ 一级相变： 1
2
S1


μ1 T
P


μ2 T
Hale Waihona Puke BaiduP

S2
μ μ 二级相变： 1
(1) 形核
a）非共格均匀形核
设核心是半径为r的球，则形核的能量变化：
G

4 3
r3 (GV

GV
)

4r 2
ΔGV : 单位体积自由能差
γ : 单位面积相界能
A : 是两相界面面积
ΔGεV : 相变引起的单位体积应变能
固态相变多了ΔGεV阻力项 注意，ΔGV是负值，ΔGεV是正值
临界核心半径r*为：
{110}bcc//{111}fcc 两相的密排面平行 <111>bcc//<110>fcc 两相的密排方向平行
新相习惯于以针状或片状的形式沿着一定的方向躺卧在母相 的特定晶面上。这种现象叫惯习现象。 母相的这一特定的晶面称惯习面
(2) 新相成长的特点
出现惯习现象时，新相往往呈针状或片状的形态。
取向关系和惯习现象出现后，不一定能保存下来。它们可以随 母相的消失而消失；取向关系也可以因新相的再结晶（有相变 产生的应变能为动力）而消除。
固态相变的非共格均匀形核率多大？
例：Fe的BCC→FCC相变
Fe：Ttr=1667.47K，γ=0.1-2.5 J/m2，ΔHV=1.16×108 J/m3， n=8.44×1022 个/cm3, f=1013 S-1
忽略应变能，γ取 最小值0.1J/m2
1E-120 1E-130
1m3中产生一个晶核 需要1.610100亿年
界面能最低 界面能中等 界面能最高
共格应变能最高 应变能中等 应变能可以忽略
形核时，应变能很小，更容易出现共格界面。
为降低相变阻力，新相与母相的晶体学取向相关： {hkl}∥ {h’k’l’} 新旧相的某一晶面平行 <uvw>//<u’v’w’> 新旧相的某一晶向相平行
例如：纯铁进行多形性转变γ-Fe(fcc)→α-Fe(bcc)时,