第一章 固态相变概论

1.1 金属固态相变概论
6、原子扩散 、
原子的扩散速度对固态相变有显著影响。 原子的扩散速度对固态相变有显著影响。受扩散 控制的相变在冷却时可以产生较大程度的过冷。 控制的相变在冷却时可以产生较大程度的过冷。 过冷度增大，相变驱动力增大，相变速度增大。 过冷度增大，相变驱动力增大，相变速度增大。 但过冷度增大到一定程度，原子扩散能力下降， 但过冷度增大到一定程度，原子扩散能力下降，相 变速度反而下降。若过冷度进一步增大， 变速度反而下降。若过冷度进一步增大，可使扩散 性相变受到抑制，在低温下发生无扩散型相变， 性相变受到抑制，在低温下发生无扩散型相变，形 成亚稳定的过渡相。 成亚稳定的过渡相。
1.1 金属固态相变概论
4 按相变方式分类 按相变方式分类—Gibbs分类法 分类法
有核相变：相变是通过形核—长大方式进行的转 有核相变 ： 相变是通过形核 长大方式进行的转 大部分金属的固态相变是有核相变。 变。大部分金属的固态相变是有核相变。 无核相变：相变时没有形核阶段， 无核相变 ： 相变时没有形核阶段 ， 通过成分起伏 形成高浓度区和低浓度区。 形成高浓度区和低浓度区 。 调幅分解是典型的无 核相变。 核相变。
目的： 目的： 1、搞清楚内在联系（内部转变、组织、性能〕 、搞清楚内在联系（内部转变、组织、性能〕 2、掌握变化规律（在化学成分、温度、冷速 、掌握变化规律（在化学成分、温度、 形变作用下〕 形变作用下〕 制定热处理工艺
改善钢材的使用性能
本课程的适用性： ---金属材料（黑色、有色金属） 本课程的适用性： ---金属材料（黑色、有色金属） 金属材料 ---无机非金属材料 ---无机非金属材料 ---高分子材料 ---高分子材料 ---电子材料 ---电子材料 ---生物体材料 ---生物体材料
材料相变原理
相变：从广义上讲，构成物质的原子 或 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） 分子 的聚合状态（相状态）发生变化的 的聚合状态 过程均称为相变。 过程均称为相变。
材料相变原理
本课程的任务及在工业生产中的地位
任务：研究固态相变的规律性， 任务：研究固态相变的规律性，研究金属或合金热 处理组织与性能之间的关系。 处理组织与性能之间的关系。 地位： 工业生产领域 工业生产领域： 地位：(1)工业生产领域：工业生产中不可缺少的技 是提高产品质量和寿命的关键工序， 术，是提高产品质量和寿命的关键工序，是发挥材 料潜力、达到机械零部件轻量化的主要手段。 材 料潜力、达到机械零部件轻量化的主要手段。(2)材 料研究领域：研制和开发新材料。 料研究领域：研制和开发新材料。
平衡相变
同素异构转变和多形性转变 纯金属——同素异构性（Allotropic）例：纯铁α → γ → δ 同素异构性（ 纯铁α 纯金属 同素异构性 ） 固溶体——多型性转变例：低碳钢 α（c）→ γ （c） → δ （c） 多型性转变例： 固溶体 多型性转变例 ） ） ） 平衡脱溶沉淀（ 平衡脱溶沉淀（Precipitation） ） 共析转变（ 共析转变（eutectoid tranformation） ） 有序化转变（ 有序化转变（ordering transformation) 调幅分解（spinodal decomposition） 调幅分解（ ）
一般说来，当新相与母相间为共格或半共格界面时， 一般说来，当新相与母相间为共格或半共格界面时， 必然存在一定的位相关系，若无一定的位相关系， 必然存在一定的位相关系，若无一定的位相关系，则 两相必定为非共格界面，但反过来， 两相必定为非共格界面，但反过来，有时两相间虽然 存在一定的位相关系，却未必是共格或半共格界面。 存在一定的位相关系，却未必是共格或半共格界面。
∆G = −V ∆GV + Sαβ σ αβ + V ε − Sαα σ αα
式中： β相表面积 相表面积； 式中： Sαβ 为β相表面积；
1-6
σ αβ 为β相与 相的单位界面积的界面能； 相与α相的单位界面积的界面能 相与 相的单位界面积的界面能；
1.1 金属固态相变概论
非平衡相变
伪共析转变（Pseudotransformation） 伪共析转变（Pseudo-eutectoid transformation） 非共析成分的钢加热后经过较快速冷却而产生的共析 转变即伪共析转变。 转变即伪共析转变。 马氏体相变（ transformation） 马氏体相变（Martensitic transformation） 贝氏体相变（ transformation） 贝氏体相变（Bainitic transformation） 非平衡脱溶沉淀（nonprecipitation） 非平衡脱溶沉淀（non-equilibrium precipitation）
1.1 金属固态相变概论
5、晶体缺陷的影响 、
几乎所有的晶体中的点、线、面缺陷对相变都有 几乎所有的晶体中的点、 显著的促进作用。 显著的促进作用。 原因：晶体缺陷是能量起伏、结构起伏和成分起伏 原因：晶体缺陷是能量起伏、 最大区域，在此区域成核时，原子扩散激活能低， 最大区域，在此区域成核时，原子扩散激活能低， 扩散速度快，相变应力容易被松驰。 扩散速度快，相变应力容易被松驰。 实验表明：母相晶界越多、晶内缺陷越多， 实验表明：母相晶界越多、晶内缺陷越多，相变速 度越快。 度越快。
第一章 金属固态相变基础
1.1 金属固态相
变概论
1.1 金属固态相变概论
1.1.1 金属固态相变分类
1 按热力学分类
一级相变：相变时新旧两相化学势相等， 一级相变 相变时新旧两相化学势相等，但化学势的一 相变时新旧两相化学势相等 阶偏微商不等。 阶偏微商不等。
一级相变：金属的凝固、熔化、升华等大多数金属固态相变。 一级相变：金属的凝固、熔化、升华等大多数金属固态相变。
1.1 金属固态相变概论
3 按原子迁移情况分类
扩散型相变 只有当温度较高， 只有当温度较高，原子活动能力较强时才能发生扩 散型相变。 散型相变。 扩散性相变的基本特点： 扩散性相变的基本特点： •相变速率受原子扩散速度所控制； 相变速率受原子扩散速度所控制； 相变速率受原子扩散速度所控制 •新相和母相的成分不同； 新相和母相的成分不同； 新相和母相的成分不同 •只有因新相和母相比容不同而引起的体积变化，没 只有因新相和母相比容不同而引起的体积变化， 只有因新相和母相比容不同而引起的体积变化 有宏观形状改变。 有宏观形状改变。
固态相变时系统总的自由能∆G 变化为： 变化为： 固态相变时系统总的自由能
∆G = −V • ∆GV + Sσ + Vε
式中： 式中：V—新相体积 新相体积 ∆G—新相和母相单位体积自由能差 新相和母相单位体积自由能差 S—新相表面积 新相表面积 σ—新相与母相间的单位面积界面能差 新相与母相间的单位面积界面能差 ε—新相单位体积弹性应变能 新相单位体积弹性应变能
晶界形核 晶界的类型：界面、晶棱、 晶界的类型：界面、晶棱、界隅 晶界促进形核的原因：界面、 晶界促进形核的原因：界面、晶棱和界隅都可 以提供其储存的畸变能促进形核。 以提供其储存的畸变能促进形核。
1.2 金属固态相变热力学 若设为α母相， 为新相 为新相， 若设为 母相，β为新相，则晶界形核时系统自由能的 母相 总变化可表示为： 总变化可表示为：
1.1 金属固态相变概论 非扩散型相变 温度较低，原子失去扩散能力， 温度较低，原子失去扩散能力，只能通过切变方式 发生转变。 发生转变。 非扩散性相变的特征： 非扩散性相变的特征： •存在由于均匀切变引起的宏观变形； 存在由于均匀切变引起的宏观变形； 存在由于均匀切变引起的宏观变形 •新相和母相的成分相同； 新相和母相的成分相同； 新相和母相的成分相同 •新相和母相之间存在一定的晶体学位相关系； 新相和母相之间存在一定的晶体学位相关系； 新相和母相之间存在一定的晶体学位相关系 •相变速度非常快； 相变速度非常快； 相变速度非常快
1-4
1.2 金属固态相变热力学
2、非均匀形核 、 非均匀形核时，系统的自由能变化为：
∆G = −V • ∆GV + Sσ + Vε − ∆Gd
1-5
与均匀成核时相比增加了最后一项，为 非均匀成核时，由于晶体缺陷消失或被破 坏所降低的能量。因此，晶体缺陷的存在 将促进成核过程。
1.2 金属固态相变热力学
1.1 金属固态相变概论
3、弹性应变能 、
图 1-2 新相形状与相应应变能的关系
1.1 金属固态相变概论
金属固态相阻力包括界面能和弹性应变 能。究竟是界面能和弹性应变能哪一种起 主导作用，则与具体情况有关。 主导作用，则与具体情况有关。
临界晶 核尺寸
过冷度
界面能来自百度文库
1.1 金属固态相变概论
4、过渡相的形成 、
当固态相变阻力较大，难以形成稳定相时， 当固态相变阻力较大，难以形成稳定相时，往往 形成成分和结构介于新相和母相之间的过渡相， 形成成分和结构介于新相和母相之间的过渡相，以 降低形核功，使成核易于进行。 降低形核功，使成核易于进行。 过渡相有继续转变为平衡相的倾向。 过渡相有继续转变为平衡相的倾向。 如马氏体在一定条件下可以分解为α（铁素体） 如马氏体在一定条件下可以分解为 （铁素体） 和Fe3C。 。
1.1 金属固态相变概论
2、位相关系与惯析面 、
金属固态相变时， 金属固态相变时，新相和母相之间常常存在一定 的位相关系。 的位相关系。 如：钢中奥氏体相马氏体转变时的K-S关系。 关系。 钢中奥氏体相马氏体转变时的 关系
{111}γ //{110}α ' ; 〈110〉 γ // 〈111〉 α '
二级相变：相变时新旧两相化学势、 二级相变 相变时新旧两相化学势、化学势的一阶偏微 相变时新旧两相化学势 商均相等，但化学势的二阶偏微商不等。 商均相等，但化学势的二阶偏微商不等。
二级相变：材料的有序化、磁性转变、超导转变。 二级相变：材料的有序化、磁性转变、超导转变。
1.1 金属固态相变概论
2 按平衡状态图分类
1、相界面 、
(a) 共格界面
(b)半共格界面
(c)非共格界面
图1-1 固态相变界面结构示意图
1.1 金属固态相变概论
相界面与弹性应变能、界面能。 相界面与弹性应变能、界面能。 界面能：非共格界面能最高，半共格次之， 界面能：非共格界面能最高，半共格次之， 共格界面能最低。 共格界面能最低。 弹性应变能：共格界面的弹性应变能最大， 弹性应变能：共格界面的弹性应变能最大， 半共格次之，非共格界面弹性应变能最小。 半共格次之，非共格界面弹性应变能最小。
1.1 金属固态相变概论
金属固态相变实质： 金属固态相变实质：
综上所述，固态相变的类型繁多， 综上所述，固态相变的类型繁多，但就相变的实 质而言，其所发生的变化不外乎以下三个方面：结 质而言，其所发生的变化不外乎以下三个方面： 构、成份和有序化程度。 成份和有序化程度。
1.1 金属固态相变概论
1.1.2 金属固态相变的主要特点
材料相变原理
（金属热处理原理与工艺）
新材料 1.新材料 (两种方法 ) 热处理 2.热处理
材料 要求
热处理： 热处理：
把钢加热到预定的温度， 把钢加热到预定的温度，在此温度下保 持一定时间， 持一定时间，然后以预定的速度冷却下 来的一种综合工艺。 来的一种综合工艺。 加热 冷却 各种相变 组织
性能
1.2 金属固态相变热力学
1.2 金属固态相变 热力学
1.2 金属固态相变热力学
1.2.1 金属固态相变的热力学条件
1、相变驱动力 、
图1-3 各相自由能与温度的关系
1.2 金属固态相变热力学
2、相变势垒 、
图1-4 态相变势垒示意图
1.2 金属固态相变热力学
1.2.2 金属固态相变的形核
1、均匀形核 、
1-1
1.2 金属固态相变热力学 临界晶核尺寸为： 临界晶核尺寸为：
2σ rc = ∆GV − ε
1-2
形成临界核胚的成核功为： 形成临界核胚的成核功为：
W = ∆ G max 16 πσ 3 = 3 (∆ G v − ε
)2
1-3
均匀形核时的形核率为： 均匀形核时的形核率为：
Q +W I = nv exp( − ) kT