第4章材料的固态相变

1 相界面 相变过程中不同的新旧相之间的界面。 相
相 固态相变相界面： 共格界面，半共格界面、非共格界面
共格界面 错配度
半共格界面
非共格界面
a a a a m a a 指其中某一相在平行界面上的原子间距 a 指另一相在平行界面上的原子间距
错配度m很小——共格界面；m增大，弹性应变 增大，界面上产生一些位错降低弹性应变能— —半共格界面；m再大——非共格界面。
4. 2 多晶形性转变 ( Polymorphism transformation)
举例：纯铁相图
Fe
Fe
Fe
P
T
4. 2. 1 相变驱动力 (Driving force of the phase transformation)
由自由能 G=H-TS H：热焓，T：绝对 温度，S：熵 可知 dG=VdP-SdT V：体积，P：压强 恒压下有 dG=-SdT
6 晶体缺陷对固态相变的影响 缺陷是母相中的不稳定因素，有利于相变发生、 新相形成和长大。 原因： 缺陷处能量高，可为新相形成提供驱动力（能量 起伏）； 缺陷处原子排列不规则，促进原子扩散，有利于 相变时新相生核、长大。 7 扩散对固态相变的影响 缓慢冷却：奥氏体—珠光体（扩散型相变， 平衡相变） 快速冷却：奥氏体—马氏体（非扩散型相变）
4. 1. 3 固态相变的分类 (Classfications of solid phase
transformations)
相变的分类：
按热力学分类：一级相变、二级相变 …… 2. 按原子迁移特征分类（固态相变）：扩 散型相变、无扩散型相变。
1.
1 按热力学分类 一级相变 新旧相的化学位相等，但其一阶偏导不同的相变
, T
T P
, P P
P T
T
V , S 知 由于 P T T P
第4章 材料的固态相变 (Solid phase transformation of materials)
重点内容： ① 固态相变的概念 ② 固态相变的分类 ③ 固态相变的特点 ④ 马氏体相变
源自文库
4. 1 固态相变的概念及分类 (Concepts and classfications of solid phase transformations)
T T T
T
+ + +
浓度 浓度

浓度
一级相变：只有在相图 的极大和极小点处新、 旧相的成分才相同
二级相变：两平衡相 的成分总相同
2 按原子迁移情况分类 扩散型相变：相变过程中伴随着原子的扩散， 相变过程受原子扩散控制。
非扩散型相变：相变过程中无原子扩散。
半扩散型相变：相变过程中有原子扩散，相变 部分受原子扩散控制。
固态相变概念:
三种基本变化： ①晶体结构的变化。 纯金属的同素异构转变、固溶体的多形性转变、 马氏体相变 ②化学成分的变化。 只有成分转变而无相结构的变化 ③有序程度的变化。 合金的有序化转变，以及与电子结构变化相关的 转变
4. 1. 2 固态相变的一般特点 (General characters of solid phase transformations)
A3
5 惯习面
固态相变时，为了降低界面能和维持共格关系，新相 往往在母相的一定晶面上开始形成。这个与所生成新 相的主平面或主轴平行的母相晶面称为惯习面。
针 状 铁素体 都 沿 奥氏体 {111} 面 析 出 ， 相互平 行 —— {111} 面 即 惯习面 例：亚共析钢的魏氏组织（针状 铁素体+珠光体）

P
P P T T


2 T 2
2
2 T 2 P
2
2 P 2
2 P 2 T
完全共格
共格界面
半共格界面
新、旧相致密度不同，导致新相形成时的体积变 化受周围母相约束，不能自由胀缩而产生应变， 系统额外增加应变能。
固态相变的阻力除界面能外，还增加了应变能 一项，因此形核要在较大的过冷（热）度下才 能发生。
弹性应变能：大 界面能：小
中 中
小 大
(a) 共格界面 (b) 半共格界面 (c) 非共格界面
（朗文－清华英汉双解科技大词典）
均匀：化学成分、晶体结构和性质在给定的范 围内连续变化，没有突变。
二、相变（phase transformation）
《材料物理》李志林编著 相变是指材料从旧的相存在方式向新的相存在方式的转变。 《合金相与相变》肖纪美主编 相与相之间的转变，或者说母相到新相的变化过程称为相变。 广义上，化学变化也属于相变。 《材料物理》王国梅万发荣 当外界条件如温度、压强等连续变化时，物质自身发生突变的 现象称为相变。 突变：a) 从一种结构变化为另一种结构； b) 化学成分的不连续变化； c) 某些物理性质的突变；
一般认为： m<0.05，完全共格，界面能约0.1J/m2 0.05<m<0.25，半共格，界面能< 0.5J/m2 m>0.25，非共格，界面能约1.0J/m2
2 界面能
1 2 6 3 4 5 相
相 界面能来自界面原子排列不规则导致的能量升 高和新、旧相的化学成分改变引起的化学能。
3 应变能 相界面原子排列的差异引起 弹性应变能 新相形成时的体积变化
4 位向关系
固态相变时，为了降低新相与母相之间的界面能，新旧两相 之间往往存在一定的位向关性新相的某些低指数晶向与母相 的某些低指数晶向平行。
相
例：同素异构转变>450°C -Co (hcp, A3) Co (fcc, A1)
相
111A1 // 0001 A 3
110
// 11 2 0 A1
3 常见固态相变的分类 1．同素异构转变 2．脱溶（析出） 3．共析 4．包析 5．马氏体转变 6．块状体转变 7．贝氏体转变 8．调幅分解 9．有序化转变 10．磁性转变 11．超导转变 一级 一级 一级 一级 一级 一级 一级 一级 一级或二级 二级 二级 扩散型 扩散型 扩散型 扩散型 非扩散型 半扩散型 半扩散型 扩散型 扩散型 非扩散型 非扩散型
G
自 由 能
G
T0
TT0 时 G0
G G
dG S 0 dT
S S， 曲线 斜率不同， 在T0温度相交
温度 T
新、旧相的体积自由能差G 为相变的驱动力。
谢谢！
2 V 1 V V , 其中 为热膨胀系数 TP T P V T P
所以对二级相变有
CP CP , k k ,
相变使热容、压缩系数、热膨胀系数均发生不连 续变化。
两种相变的特点
相 (phase) ：系统中均匀的，与其他部分有界面 分开的部分。（不严格定义） The sum of all those portions of a material system which are identical in chemical composition and physical state, and are separated from the rest of the system by a distinct interface called the phase boundary. 物质体系所有部分之和，这些部分化学组成和 物理状态相同，并通过称作相界面这一特殊界 面和体系的其余部分分开
一级相变：VV ，SS 即一级相变前后熵和体积都呈不连续变化,相变时 有相变潜热和体积突变。
二级相变 新 旧 相 的 化 学 位 及 其 一 阶 偏 导 都 相 等，但二阶偏导不相等的相变。即，



T

T P
P
T
T P T P
由前面叙述知，对二级相变：V＝V ，S＝S 即相变时无熵变和体积变化。


２ CP S 但 T 2 T T 其中CP为定压热容 P P
2 V 1 V P 2 P V k , 其中k V P 为压缩常数 T T T