金属学--金属及合金中的固态转变 (2)

第七章：金属及合金中的固态转变

1．固态转变主要表现的五个方面：组织上的变化，结构类型上的变化，化学成分或浓度的变化，有序度方面的变化，体积（比容）和形状的变化。

2．相变与非相变：通常将那些能够引起化学成分和结构类型变化的转变称为相变，或一级转变，其余转变列为非相变，或称二级转变。

3．固态相变的类型：根据固态相变过程中生核和成长特点，可将固态相变分为三类：①扩散型相变：新相的生核和成长主要依靠原子长距离的扩散而进行，或者说相变是依靠相界面的扩散移动而进行的。

相界面是非共格的。②非扩散型相变（切变型相变）：新相的成长不是通过扩散，而是通过类似范性形变过程中的滑移和孪生那样的切变和转动而进行。相界面是共格的。通称为马氏体转变③介于上述两类相变只的一种过渡型转变，包括块形转变和贝氏体转变。

4．脱溶：脱溶是指过饱和固溶体析出第二相，而其本身仍然保留，但其浓度由过饱和达到饱和的一种转变过程。凡是固溶度随温度的降低而减小的合金，都可能发生脱溶。

5．固态相变的一般特点：

①相变的阻力方面的特点固态相变的驱动力是新旧两相间的自由能差，差值越大，越有利于相

变进行。阻力一方面是新旧相间由于产生相界面而引起的界面自由能的升高，这与结晶过程相

似，另一方面新旧相间由于比容差或其它原因而导致的应变能的产生，这在固态相变中起很重

要的作用。固态相变比液态结晶阻力大，原因一是多出一项应变能，二是扩散较困难。

②形核方面的特点ⅰ非均匀形核固态相变主要依靠非均匀形核，这一方面是因为固态介质中的

各种点、线、面和体缺陷分布不均，能量高低不一给非均匀形核创造了条件，另一方面均匀形

核的形成需相当大的过冷度，过冷度太大，扩散又变的困难，又不利于形成均匀形核。界面是

各种缺陷中能量最高的一类，所以晶体的外表面、内表面（缩孔、气孔、裂纹的表面）、晶界、

相界以及孪晶界和亚晶界等往往是最先形核的地方，相变最易在这里开始和扩展；其次是位错

处，再其次是空位和其它点缺陷的地方。ⅱ核心的取向关系在形核过程中，新相的晶体学取向

受母相制约，不象结晶过程形核时晶核是可以任意取向的，这是固态相变力求沿着阻力最小的

方向而进行的有效途径之一。ⅲ共格晶界及半共格晶界固态形核的另一特点是相界面易成共格

或半共格界面，这是固态相变力求沿着阻力最小的方向而进行的有效途径之二。

③新相成长方面的特点ⅰ惯习现象ⅱ共格成长与半共格成长共格形核大多有利于相变，但共

格晶界在新相成长过程中，对于马氏体型或贝氏体型转变是必需的，但对于扩散型转变来说，

共格晶界则成了阻碍成长的因素。

④新生相的组织形态固态相变新生相的形态是为了适应固态介质的结构和组织特点、克服相变阻

力而表现出来的综合结果，它既受应变能和界面能的影响，也受母相结构和组织的影响。应变

能和总界面能对新相形状来说是相互矛盾的，当两个因素作用相近时，新相成针状的机会较大，

如果应变能成为相变阻力主要因素，则新相的形状以饼状或片状为有利，若总的界面能变为相

变阻力的主要因素，则新相以球状为有利。

⑤过渡相固态相变过程中形成过渡相是克服相变阻力的一个重要途径。

⑥非扩散转变——马氏体转变液态金属或合金非扩散凝固不是真正的非扩散，真正的非扩散转变

只有在固态中才会进行。已经发现一些固态转变，由于温度低，原子扩散困难而无法进行，且

旧相又难于稳定存留时，则可以切变的方式无扩散的转变为另一新相——马氏体。马氏体转变

是固态转变的又一特点。

6．态相变比液态相变需更大的过冷度固态相变时系统自由能变化的一般公式△G总=-V△GP+Sσ+Vω与液态时相比△G总=-V△GP+Sσ多出一项阻力项，会抵消相变的部分驱动力，只有增大过冷度，使新旧相间的自由能差△GP进一步增大，才有可能启动相变。

7．马氏体转变的一般特点：①马氏体转变不会引起化学成分的变化，只产生结构类型的变化，但有时会发生有序度的变化。②马氏体转变虽然也可划分为生核和成长两个元过程，但它不同于扩散型转变过程中的生核和成长，马氏体的成长速度非常快，马氏体转变的体积速度几乎完全由其形核速率所控制。

③马氏体转变不需要原子扩散，而是依靠复杂的切变过程来进行的，通过切变，母相的原子有组织的

依次经过界面转移到马氏体中，在整个过程中，马氏体与母相之间界面必须保持切变式的共格关系，共格一旦破坏，马氏体就停止成长。切变和共格是马氏体转变不可分割的两个重要属性。

8．界面能与畸变能在形核中的作用：理想的完全共格界面，不但界面能低，而且截面附近几乎不发生应变，因而引起的应变能也很低。在实际条件下，共格界面大多属于压缩、膨胀式的共格，但在共格使界面能降低的同时，界面附近一定距离内的应变所引起的共格应变能也升高。因此，界面能和共格应变能是决定共格界面的一对矛盾因素。在形核阶段，形成共格界面对相变最为有利，只有当共格应变能超过一定限度后，才不利于相变。

9．固态相变的非均匀形核固态介质中的各种点、线、面和体缺陷分布不均，能量高低不一给非均匀形核创造了条件，相对来说，界面是各种缺陷中能量最高的，所以晶体的外表面、内表面（缩孔、气孔、裂纹表面）、晶界、相界以及孪晶界和亚晶界等往往是优先形核的地方，相变最易在这里扩展，其实是位错处，再其次是空位及其它点缺陷的地方。过冷度较小时，绝大多数固态转变只沿着表面和晶界进行，并形成所谓网状组织，只有增大过冷度时，晶内和晶界才同时进行固态转变，形成比较均匀的组织。

10．惯习现象：固态相变过程中新相成长时多易于沿着母相的某些特定的晶面和晶向以针状或片状的形式优先发展，或者说，新相习惯于以针状或片状的形式沿着一定方向躺卧在母相的特定晶面上，这种现象叫惯习现象。

11．过渡相：过渡相是指成分或结构、或二者都处于新旧相之间的一种亚稳相。形成过渡相是固态相变克服相变阻力的另一个途径。

12．连续脱溶：在脱溶过程中，随着新相的形成，母相的成分连续的、平缓的由过饱和状态逐渐达到饱和状态，这样叫连续脱溶。即在脱溶过程中，除了新旧相间产生相界面外，在母相内部并不产生新界面，保持着连贯性，但脱溶相附近母相的浓度较低，并由相界面向内，母相的浓度逐步升高，而呈现连续的浓度梯度，新相依靠远距离的扩散而成长。

13．不连续脱溶：脱溶相形成后，其周围一定距离内的固溶体立即由过饱和状态达到饱和状态，并与原始成分形成截然的分界面。在很多情况下，这个界面相当于一个大角度晶界，即通过这个界面不但浓度发生了突变，取向也发生了变化。

14．普遍脱溶：脱溶在整个固溶体中基本同时发生，因而新相基本上均匀分布。

15．局部脱溶：脱溶相只在局部区域（如晶界或晶内某些晶面）产生，其它区域或不发生脱溶，或依靠远距离的扩散将溶质原子输送到脱溶区来达到脱溶的实际效果。

16．脱溶过程：

1．GP区的形成

2．相的形成