金属固态相变原理Principleofsolidstatephasetransformation
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4. 贝氏体(bainite)转变
有碳原子扩散而铁原子不扩散的不平衡转变
5. 不平衡脱溶沉淀(non-equilibrium pricipitation )
在不平衡状态下，过饱和固溶体中析出新相的转变。（时效）
金属固态相变原理
三、按原子迁移情况分类
1、扩散型相变：非协同型转变
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。 基本特点：①相变过程依赖原子的扩散；②新相与母相成分不同；
三、热处理是古老的技术又是尖端的技术
蒲 元
三国时蜀国人，长于淬钢。所制造的刀特别锋利。传说可将装满铁珠的竹筒 砍断，故曰神刀。蒲元提出：用汉江之水淬火不行，必须用蜀江之水（“汉
中的水钝弱，不任淬；蜀水爽烈”）。
三点：１）蜀地冶炼业的发达；２）前人制刀技巧和经验的继承； ３）高超的热处理技术－－淬火工艺 綦毋怀文 南北朝著名冶金家，曾用熔态的生铁灌注到未经锻打的熟铁中，使铁渗碳而 成钢；并以熟铁为刀背，使刀富于弹性和韧性；用牲畜的溺和脂来浴淬，使 刀锋刚利，称为“宿铁刀”。－－灌钢法 块炼法－块炼渗碳钢－百炼钢－炒钢－灌钢 淬火介质的选用－－双液淬火法 金属固态相变原理
三、热处理是古老的技术又是尖端的技术
《天工开物》－－宋应星
18卷：乃粒（五谷）、乃服（纺织）、彰施（染色）、粹精（粮食加工）、作 咸（制盐）、甘嗜（制糖）、陶埏（陶瓷）、冶铸（铸造）、舟车（车船）、
锤锻（锻造） 、燔石（烧造）、膏液（油脂）、杀青（造纸） 、五金（冶
金）、佳兵（兵器）、丹青（朱墨）、曲蘖（制酒） 、珠玉 等 《天工开物》中记载：“凡熟铁、钢铁，已经炉锤，水火未济，其质未坚。乘
金属固态相变的主要特点
三、弹性应变能(elastic strain energy) 界面原子强制匹配共格应变能： 共格半共格 非共格（0） 依次降低
比容差应变能 ：新、旧相比容不同体积发生变化新相与旧
相之间必将产生弹性应变和应力
应变能 = 比容应变能 + 共格应变能
与新相几何形状有关
弹性应变能与界面能一样，对相变起阻碍作用。
③只有体积变化无宏观形状的改变
2、非扩散型相变：协同型转变 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。
特征： ①②③④ 四、按相变方式分类
1、有核相变：形核+长大
2、无核相变
金属固态相变原理
小
结
Байду номын сангаас
相变过程的实质： 1、结构：同素异构、多形性、马氏体、块状 2、成分：调幅分解 B、共析、脱 溶沉淀
高科技提高了固态相变的内涵：
激光热处理 电子束热处理
等离子热处理
形变热处理
真空热处理
化学热处理
金属固态相变原理
四、主要参考资料
刘云旭，《金属热处理原理》，机械工业出版社
刘永铨，《钢的热处理》，冶金工业出版社
戚正风，《金属热处理原理》，机械工业出版社 赵连城，《金属热处理原理》，哈尔滨工业大学出版社 G.克劳斯著，谢希文等译，《钢的热处理原理》，冶金工业出版社 胡光立 谢希文 《钢的热处理（原理和工艺）》，西工大出版社
金属固态相变原理
第一章
金属固态相变基础
固态金属 温度、压力变化 组织、结构改变
固态相变理论是金属热处理的理论依据和实践基础。
1.1金属固态相变概论 1.1.1主要分类
一、按热力学分类
1、一级相变：相变时新旧两相的化学势相等，但化学势一级偏微商 不等的相变。最常见的相变。
2、二级相变：相变时新旧两相的化学势相等，化学势一级偏微商
貌似共析体的组织转变。
组成相的相对量由A的碳含量而变。 2. 马氏体(martensite)转变 无扩散的共格切变型相变。 结构： 成分与A相同
金属固态相变原理
二、不平衡转变
3. 块状(massive)转变
冷却速度不够快-----形成相的形状是不规则的块，与母相的成分相
同、 与母相的界面是非共格的、无扩散相变。
者都处于新相与母相之间的一种亚稳状态的相。 过渡相介于新相与母相之间-----减小相变阻力的重要途径 例如：马氏体回火时先形成与M基本保持共格的碳化物。
金属固态相变原理
§1-3
固态相变时的形核
一、均匀形核（homogeneous nucleation）
晶核在母相基体中无择优的任意均匀分布。 ΔG = －ΔgvV +σS + EV = －ΔGv +ΔGs +ΔGE ------------- ⑴
与液态结晶相比：固态相变的阻力增加了一项应变能E。
固态相变的均匀形核率要小得多。 二、非均匀形核( heterogeneous nucleation) 在母相内的择优地点上发生的形核过程。（成分、结构、能量起伏）
如择优在晶体缺陷处形核
------固态相变的主要形核手段 1、晶界形核
界面：两个相邻晶粒的边界
战国中晚期出土的钢铁兵器是目前我国看到的最早淬火器件（1974年在河北易 县燕下都出土）。 从辽阳三道壕出土的西汉钢剑，经金相检查，发现其内部组织完全符合现代的 淬火马氏体组织； 从河北满城出土的西汉佩剑及书刀，检验结果发现其心部为低碳钢，表层为明 显的高碳层。表明早在二千年前，我国已采用了淬火工艺和渗碳工艺。
界棱：三个晶粒共同交界的一条线 界隅：四个晶粒交于一点处 金属固态相变原理
固态相变时的形核
晶界----界面能-----有利晶界形核------降低形核功
2、位错（dislocation）形核
位错可通过多种形式促进形核： ①位错线消失----释放能量----有利形核
②位错依附于新相界面上补偿错配—降低应变能
金属固态相变原理
Principle of solid-state phase transformation of metals
授课教师：
孙宏飞
山东科技大学材料科学与工程学院
金属固态相变原理
绪
论
一、本课程研究的对象及任务 1、研究金属在固态下相变（加热，保温，冷却时的相变）的基本规 律（原理）及相变产物的组织形态与性能间的关系。 2、本课程研究的线索 成分→固态相变→组织形态→性能→应用 3、任务 ⑴正确选材和合理制定材料相变处理的工艺 ⑵重视理论研究，初步掌握材料相变的基本规律 ⑶初步掌握组织与性能的关系 ⑷培养初步的科研能力
→12
上坡扩散
富溶质原子1与贫溶质原子2
6）有序化转变 各组元的相对位置从无序→有序 金属固态相变原理
二、不平衡转变 (non-equilibrium transformation)
快速加热或冷却----平衡转变受到抑制----发生某些在相图上不能反映的 不平衡（亚稳）组织 1. 伪共析(pseudo-eutectoid)转变 由成分偏离共析成分的过冷固溶体形成的
§1-4 固态相变时的晶核长大
一、新相长大机理
实质：界面向母相方向的迁移 界面过程：界面附近原子调整位置使晶核得以长大的过程。
1、半共格界面的迁移
1）切变长大：如马氏体转变 协同型长大、位移式长大、无扩散 2）台阶式长大：界面上的位错沿滑移面滑移位错随界面移动 2、非共格界面的迁移非协同型长大、扩散型相变
二、新相长大的速度
1、无成分变化的新相长大无需传质过程 协同型长大速度快，非协同型长大取决于原子调整位置的速度。
2、有成分变化的新相长大
协同型取决于传质速度，非协同型取决于界面过程（相变驱动力） 和传质速度。 金属固态相变原理
③溶质原子在位错线上偏聚----有利形 核的成分起伏----有利形核 ④位错线作为扩散的短路通道-----降低扩散激活能----加速形核 ⑤位错分解----扩展位错-----层错部分作为新相的核胚 3、空位(vacancy)及空位集团(vacancy cluster) ①加速扩散过程;②释放自身能量提供形核驱动力而促进形核。 ③空位群亦可凝聚成位错而促进形核。 金属固态相变原理
3、有序化程度：有序化转变
金属固态相变原理
1.1.2 金属固态相变的主要特点
相变驱动力：新相与母相间的自由能差 形核+长大 一、相界面 (interphase boundary) 1. 共格(coherent)界面 两相在界面上的原子可以一对一的相互匹配。 2. 半共格(semi-coherent)界面 两相原子在界面上部分地保持匹配。刃型位错 3. 非共格(incoherent )界面 两相的原子在界面上不再保持匹配关系。 二、两相间的晶体学关系 新相与母相之间往往存在一定的取向关系 惯习面（habit plane）-----新相往往是在母 相一定的晶面族上形成的，这些晶面或晶 面族称之为惯习面。 取向关系与惯习面的关系？ 金属固态相变原理
特点：新相的成分与结构与母相不同；随新相析出，母相的成分和体积分
数不断变化，但母相不会消失。
4）共析（eutectoid）转变 一个固相分解为两个不同的固相 γ→
特点：生成的两个相的成分和结构与原母相不同
5）调幅（spinodal)分解 一种固溶体分解为结构相同，而成分明显不同的微区
共析与逆共析
其出火之时，入清水淬之，名曰健钢健铁。言乎未健之时，为钢为铁，弱性尤
存也。”由此可看出最早的热处理工艺是在锻造过程中结合起来的，很可能就 是原始状态的形变热处理。 首次记述了今俗称为“焖钢法”的箱式渗碳制钢工艺
金属固态相变原理
固态相变的发展现状及趋势
固态相变可以决定产品的内在质量 固态相变技术是通过控制材料原子的排列方式来控制材料的使用性能
体组织－－再结晶固溶体，晶粒粗大，共析组织沿加工方
向变形 再结晶退火
陨石加工中的退火----人类最早的钢铁热处理
退火在自然金加工中的应用----金箔
金属固态相变原理
三、热处理是古老的技术又是尖端的技术
西汉时司马迁所铸的《史记· 天官书》中就有“水与火合为（火卒）
东汉班固所著《汉书 王褒传》中有“…….巧冶干将之朴，清水（火卒）其锋”
纯金属：温度和压力改变时----有一种晶体结构转变为另一种晶
体结构的过程------Fe、Ti、Co、Sn 2）多形性转变 固溶体中一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程 FA
注意这两者之间的区别！
金属固态相变原理
金属固态相变概论
3） 平衡脱溶(precipitation)转变
缓慢冷却----由过饱和固溶体析出过剩相的过程 Fe3CⅡ从A中析出
（讨论）固态阻力中，应变能与界面能以何者为主？
金属固态相变原理
金属固态相变的主要特点
四、晶体缺陷(crystal defect)的影响 晶体缺陷的存在对固态相变起促进作用？ 缺陷-----点阵有畸变-----畸变能释放-----易于形核 五、形成过渡相(transition phase)
过渡相（中间亚稳相）：指成分或结构，或者成分和结构二
1965年12月在湖北江陵楚墓出土越王勾践剑。剑长55.6厘米，埋地二千多年，
毫无锈蚀，非常锋利。青铜剑，剑身布满乌黑发亮的格子花纹，非常别致。其 发亮的剑格是表面经过硫化处理的结果。
古代铸铁柔化处理技术：早在春秋（公元前770～前476年），战国（公元前
475～前221年）时代，用生铁铸造生产工具和生活工具。这些铁器一般是白 口铸铁，性硬而脆。故进行柔化处理。 金属固态相变原理
金属固态相变原理
二、本课程的基本内容
奥氏体相变 珠光体相变
马氏体相变
贝氏体相变、
回火相变
脱溶沉淀与时效
TTT、CCT图研究
金属固态相变原理
三、热处理是古老的技术又是尖端的技术
制陶----人类自觉进行热处理的最早事例
铜及其合金的中间退火----人类金属热处理的开端
甘肃永靖秦魏家遗址出土约公元前1700年的青铜椎分析：基
也相等，但化学势二级偏微商不等的相变。有序化转变、磁性转变
金属固态相变原理
金属固态相变概论
二、按平衡状态图分类
分类：平衡转变、不平衡转变 1、平衡相变(equilibrium transformation) 固态金属----缓慢加热或冷却----获得符合相图的平衡组织 1） 同素异构（allotropic）转变
有碳原子扩散而铁原子不扩散的不平衡转变
5. 不平衡脱溶沉淀(non-equilibrium pricipitation )
在不平衡状态下，过饱和固溶体中析出新相的转变。（时效）
金属固态相变原理
三、按原子迁移情况分类
1、扩散型相变：非协同型转变
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。 基本特点：①相变过程依赖原子的扩散；②新相与母相成分不同；
三、热处理是古老的技术又是尖端的技术
蒲 元
三国时蜀国人，长于淬钢。所制造的刀特别锋利。传说可将装满铁珠的竹筒 砍断，故曰神刀。蒲元提出：用汉江之水淬火不行，必须用蜀江之水（“汉
中的水钝弱，不任淬；蜀水爽烈”）。
三点：１）蜀地冶炼业的发达；２）前人制刀技巧和经验的继承； ３）高超的热处理技术－－淬火工艺 綦毋怀文 南北朝著名冶金家，曾用熔态的生铁灌注到未经锻打的熟铁中，使铁渗碳而 成钢；并以熟铁为刀背，使刀富于弹性和韧性；用牲畜的溺和脂来浴淬，使 刀锋刚利，称为“宿铁刀”。－－灌钢法 块炼法－块炼渗碳钢－百炼钢－炒钢－灌钢 淬火介质的选用－－双液淬火法 金属固态相变原理
三、热处理是古老的技术又是尖端的技术
《天工开物》－－宋应星
18卷：乃粒（五谷）、乃服（纺织）、彰施（染色）、粹精（粮食加工）、作 咸（制盐）、甘嗜（制糖）、陶埏（陶瓷）、冶铸（铸造）、舟车（车船）、
锤锻（锻造） 、燔石（烧造）、膏液（油脂）、杀青（造纸） 、五金（冶
金）、佳兵（兵器）、丹青（朱墨）、曲蘖（制酒） 、珠玉 等 《天工开物》中记载：“凡熟铁、钢铁，已经炉锤，水火未济，其质未坚。乘
金属固态相变的主要特点
三、弹性应变能(elastic strain energy) 界面原子强制匹配共格应变能： 共格半共格 非共格（0） 依次降低
比容差应变能 ：新、旧相比容不同体积发生变化新相与旧
相之间必将产生弹性应变和应力
应变能 = 比容应变能 + 共格应变能
与新相几何形状有关
弹性应变能与界面能一样，对相变起阻碍作用。
③只有体积变化无宏观形状的改变
2、非扩散型相变：协同型转变 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。
特征： ①②③④ 四、按相变方式分类
1、有核相变：形核+长大
2、无核相变
金属固态相变原理
小
结
Байду номын сангаас
相变过程的实质： 1、结构：同素异构、多形性、马氏体、块状 2、成分：调幅分解 B、共析、脱 溶沉淀
高科技提高了固态相变的内涵：
激光热处理 电子束热处理
等离子热处理
形变热处理
真空热处理
化学热处理
金属固态相变原理
四、主要参考资料
刘云旭，《金属热处理原理》，机械工业出版社
刘永铨，《钢的热处理》，冶金工业出版社
戚正风，《金属热处理原理》，机械工业出版社 赵连城，《金属热处理原理》，哈尔滨工业大学出版社 G.克劳斯著，谢希文等译，《钢的热处理原理》，冶金工业出版社 胡光立 谢希文 《钢的热处理（原理和工艺）》，西工大出版社
金属固态相变原理
第一章
金属固态相变基础
固态金属 温度、压力变化 组织、结构改变
固态相变理论是金属热处理的理论依据和实践基础。
1.1金属固态相变概论 1.1.1主要分类
一、按热力学分类
1、一级相变：相变时新旧两相的化学势相等，但化学势一级偏微商 不等的相变。最常见的相变。
2、二级相变：相变时新旧两相的化学势相等，化学势一级偏微商
貌似共析体的组织转变。
组成相的相对量由A的碳含量而变。 2. 马氏体(martensite)转变 无扩散的共格切变型相变。 结构： 成分与A相同
金属固态相变原理
二、不平衡转变
3. 块状(massive)转变
冷却速度不够快-----形成相的形状是不规则的块，与母相的成分相
同、 与母相的界面是非共格的、无扩散相变。
者都处于新相与母相之间的一种亚稳状态的相。 过渡相介于新相与母相之间-----减小相变阻力的重要途径 例如：马氏体回火时先形成与M基本保持共格的碳化物。
金属固态相变原理
§1-3
固态相变时的形核
一、均匀形核（homogeneous nucleation）
晶核在母相基体中无择优的任意均匀分布。 ΔG = －ΔgvV +σS + EV = －ΔGv +ΔGs +ΔGE ------------- ⑴
与液态结晶相比：固态相变的阻力增加了一项应变能E。
固态相变的均匀形核率要小得多。 二、非均匀形核( heterogeneous nucleation) 在母相内的择优地点上发生的形核过程。（成分、结构、能量起伏）
如择优在晶体缺陷处形核
------固态相变的主要形核手段 1、晶界形核
界面：两个相邻晶粒的边界
战国中晚期出土的钢铁兵器是目前我国看到的最早淬火器件（1974年在河北易 县燕下都出土）。 从辽阳三道壕出土的西汉钢剑，经金相检查，发现其内部组织完全符合现代的 淬火马氏体组织； 从河北满城出土的西汉佩剑及书刀，检验结果发现其心部为低碳钢，表层为明 显的高碳层。表明早在二千年前，我国已采用了淬火工艺和渗碳工艺。
界棱：三个晶粒共同交界的一条线 界隅：四个晶粒交于一点处 金属固态相变原理
固态相变时的形核
晶界----界面能-----有利晶界形核------降低形核功
2、位错（dislocation）形核
位错可通过多种形式促进形核： ①位错线消失----释放能量----有利形核
②位错依附于新相界面上补偿错配—降低应变能
金属固态相变原理
Principle of solid-state phase transformation of metals
授课教师：
孙宏飞
山东科技大学材料科学与工程学院
金属固态相变原理
绪
论
一、本课程研究的对象及任务 1、研究金属在固态下相变（加热，保温，冷却时的相变）的基本规 律（原理）及相变产物的组织形态与性能间的关系。 2、本课程研究的线索 成分→固态相变→组织形态→性能→应用 3、任务 ⑴正确选材和合理制定材料相变处理的工艺 ⑵重视理论研究，初步掌握材料相变的基本规律 ⑶初步掌握组织与性能的关系 ⑷培养初步的科研能力
→12
上坡扩散
富溶质原子1与贫溶质原子2
6）有序化转变 各组元的相对位置从无序→有序 金属固态相变原理
二、不平衡转变 (non-equilibrium transformation)
快速加热或冷却----平衡转变受到抑制----发生某些在相图上不能反映的 不平衡（亚稳）组织 1. 伪共析(pseudo-eutectoid)转变 由成分偏离共析成分的过冷固溶体形成的
§1-4 固态相变时的晶核长大
一、新相长大机理
实质：界面向母相方向的迁移 界面过程：界面附近原子调整位置使晶核得以长大的过程。
1、半共格界面的迁移
1）切变长大：如马氏体转变 协同型长大、位移式长大、无扩散 2）台阶式长大：界面上的位错沿滑移面滑移位错随界面移动 2、非共格界面的迁移非协同型长大、扩散型相变
二、新相长大的速度
1、无成分变化的新相长大无需传质过程 协同型长大速度快，非协同型长大取决于原子调整位置的速度。
2、有成分变化的新相长大
协同型取决于传质速度，非协同型取决于界面过程（相变驱动力） 和传质速度。 金属固态相变原理
③溶质原子在位错线上偏聚----有利形 核的成分起伏----有利形核 ④位错线作为扩散的短路通道-----降低扩散激活能----加速形核 ⑤位错分解----扩展位错-----层错部分作为新相的核胚 3、空位(vacancy)及空位集团(vacancy cluster) ①加速扩散过程;②释放自身能量提供形核驱动力而促进形核。 ③空位群亦可凝聚成位错而促进形核。 金属固态相变原理
3、有序化程度：有序化转变
金属固态相变原理
1.1.2 金属固态相变的主要特点
相变驱动力：新相与母相间的自由能差 形核+长大 一、相界面 (interphase boundary) 1. 共格(coherent)界面 两相在界面上的原子可以一对一的相互匹配。 2. 半共格(semi-coherent)界面 两相原子在界面上部分地保持匹配。刃型位错 3. 非共格(incoherent )界面 两相的原子在界面上不再保持匹配关系。 二、两相间的晶体学关系 新相与母相之间往往存在一定的取向关系 惯习面（habit plane）-----新相往往是在母 相一定的晶面族上形成的，这些晶面或晶 面族称之为惯习面。 取向关系与惯习面的关系？ 金属固态相变原理
特点：新相的成分与结构与母相不同；随新相析出，母相的成分和体积分
数不断变化，但母相不会消失。
4）共析（eutectoid）转变 一个固相分解为两个不同的固相 γ→
特点：生成的两个相的成分和结构与原母相不同
5）调幅（spinodal)分解 一种固溶体分解为结构相同，而成分明显不同的微区
共析与逆共析
其出火之时，入清水淬之，名曰健钢健铁。言乎未健之时，为钢为铁，弱性尤
存也。”由此可看出最早的热处理工艺是在锻造过程中结合起来的，很可能就 是原始状态的形变热处理。 首次记述了今俗称为“焖钢法”的箱式渗碳制钢工艺
金属固态相变原理
固态相变的发展现状及趋势
固态相变可以决定产品的内在质量 固态相变技术是通过控制材料原子的排列方式来控制材料的使用性能
体组织－－再结晶固溶体，晶粒粗大，共析组织沿加工方
向变形 再结晶退火
陨石加工中的退火----人类最早的钢铁热处理
退火在自然金加工中的应用----金箔
金属固态相变原理
三、热处理是古老的技术又是尖端的技术
西汉时司马迁所铸的《史记· 天官书》中就有“水与火合为（火卒）
东汉班固所著《汉书 王褒传》中有“…….巧冶干将之朴，清水（火卒）其锋”
纯金属：温度和压力改变时----有一种晶体结构转变为另一种晶
体结构的过程------Fe、Ti、Co、Sn 2）多形性转变 固溶体中一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程 FA
注意这两者之间的区别！
金属固态相变原理
金属固态相变概论
3） 平衡脱溶(precipitation)转变
缓慢冷却----由过饱和固溶体析出过剩相的过程 Fe3CⅡ从A中析出
（讨论）固态阻力中，应变能与界面能以何者为主？
金属固态相变原理
金属固态相变的主要特点
四、晶体缺陷(crystal defect)的影响 晶体缺陷的存在对固态相变起促进作用？ 缺陷-----点阵有畸变-----畸变能释放-----易于形核 五、形成过渡相(transition phase)
过渡相（中间亚稳相）：指成分或结构，或者成分和结构二
1965年12月在湖北江陵楚墓出土越王勾践剑。剑长55.6厘米，埋地二千多年，
毫无锈蚀，非常锋利。青铜剑，剑身布满乌黑发亮的格子花纹，非常别致。其 发亮的剑格是表面经过硫化处理的结果。
古代铸铁柔化处理技术：早在春秋（公元前770～前476年），战国（公元前
475～前221年）时代，用生铁铸造生产工具和生活工具。这些铁器一般是白 口铸铁，性硬而脆。故进行柔化处理。 金属固态相变原理
金属固态相变原理
二、本课程的基本内容
奥氏体相变 珠光体相变
马氏体相变
贝氏体相变、
回火相变
脱溶沉淀与时效
TTT、CCT图研究
金属固态相变原理
三、热处理是古老的技术又是尖端的技术
制陶----人类自觉进行热处理的最早事例
铜及其合金的中间退火----人类金属热处理的开端
甘肃永靖秦魏家遗址出土约公元前1700年的青铜椎分析：基
也相等，但化学势二级偏微商不等的相变。有序化转变、磁性转变
金属固态相变原理
金属固态相变概论
二、按平衡状态图分类
分类：平衡转变、不平衡转变 1、平衡相变(equilibrium transformation) 固态金属----缓慢加热或冷却----获得符合相图的平衡组织 1） 同素异构（allotropic）转变