金属固态相变原理
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3. 按相变方式分类
（1）形核-长大型相变：相变时在很小范围内发生原子 相当激烈的重排，生成新相核心，两相之间产生相界。 相变靠不断的生核和晶核的长大实现。脱溶转变、共析 转变属于此类。 （2）连续型相变：相变时在很大范围内发生原子轻微 的重排，相变的起始状态与最终状态之间存在一系列连 续状态，不需形核，靠连续涨落形成新相。调幅分解属 于此类。
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3.奥氏体的稳定化
概念：马氏体转变中止、停顿后再继续冷却时出 现转变滞后和残余奥氏体量增多的现象。
（1）热稳定化 A体淬火时因缓慢冷却或在MS～Mf之间某温度
停留一段时间后，使过冷奥氏体转变迟滞的现象。
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（2）机械稳定化 在应力—应变作用下可以促进钢中的相变发生，即形变诱发
（3）空位形核
（4）层错形核
新相生成处空位消失，提供能量 空位群可凝结成位错 （在过饱和固溶体的脱溶析出过程中， 空位作用更明显。）
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新相的长大
1.界面过程控制的新相长大 （1）非热激活界面近程控制的新相长大 （2）热激活界面过程控制的新相长大
切
台
变
阶
长
式
大
长
大
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2 扩散控制的新相长大 （1） 界面控制长大 新相生成时无成分变化(有结构、有 序度变化）
S：650～600℃, S0=80～150nm,高倍OM
T: 600～550℃, S0=30～80nm,TEM
组织名称
表示符号
形成温度范围 /℃
硬度
片间距/nm
能分辨片层的 放大倍数
珠光体
P
A1~650
170~200HB 150~450
金属固态相变原理
金属固态相变原理
金属固态相变原理是指金属在一定条件下从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的现象。
金属固态相变是金属材料性质变化的根本原因，对于金属材料的微结构和力学性能具有重要影响。
金属固态相变通常发生在固态下的高温和高压条件下。
当金属的温度或压力发生变化，原子间的相互作用力也会发生变化，从而引起晶体结构的转变。
金属固态相变的过程中，原子重新排列形成新的晶体结构，相应地，金属材料的物理性质和力学性能也会发生改变。
金属固态相变的原理是基于金属的晶体结构和原子间的排列方式。
金属材料的晶体结构可以分为多种不同的形态，包括体心立方结构、面心立方结构、六方最密堆积结构等。
不同的晶体结构具有不同的密堆积方式和原子排列方式，决定了金属材料的力学性能和物理性质。
金属固态相变的原理还涉及到金属的晶格畸变和原子扩散。
晶格畸变是指金属晶体结构在相变过程中的形变和畸变现象，它可以影响金属材料的晶体结构稳定性和力学性能。
原子扩散是指金属内部原子的迁移和重新排列的过程，是金属固态相变发生的基础。
总之，金属固态相变原理是基于金属材料的晶体结构和原子间的相互作用力，通过改变材料的温度、压力和其他外界条件，使金属发生晶体结构的转变，进而影响金属材料的物理性质和
力学性能。
这一原理对于金属材料的研究和应用具有重要的意义。
金属固态相变原理
等离子热处理
形变热处理
真空热处理
化学热处理
• ( 2) 结合产业形势, 反映当前市场需求。
• 现代工业的发展，对制造业提出了更高的要求， 因此材料工业也遇到了很好的提升空间。
• ( 3) 将科研成果引入教学中, 实行产学结合。例 如, 讲到马氏体时，把ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ近分析的T12钢锉刀的失 效工件结合理论分析, 把实际科研成果转变成生 动的教学案例。让学生们明白： 固态相变可以决定产品的内在质量
• 第三章 珠光体转变
3.1 珠光体的组织特征 3.2 珠光体转变机制 珠光体转变时的领先相/ 珠光体的形成过程 亚(过)共析钢的珠光体转变
3.3 珠光体转变动力学
形核率/ 和长大速度 先共析相的长大动力学 影响珠光体转变动力学的因素 3.4 珠光体转变产物的机械性能 珠光体转变动力学图
P的机械性能
• 第五章贝氏体相变
5.1贝氏体相变的基本特征和组织形态 贝氏体相变的基本特征 钢中贝氏体的组织形态 柯俊贝氏体相变假说
5.2贝氏体相变机制
恩金贝氏体相变假说 贝氏体的形成过程 5.3贝氏体相变动力学及其影响因素 贝氏体等温相变动力学 5.4钢中贝氏体的机械性能 影响贝氏体机械性能的主要因素 贝氏体的强度和硬度 贝氏体的韧性 贝氏体相变时碳的扩散
相变、贝氏体相变、钢中的回火转变和合
金的脱溶沉淀与时效等部分，着重讲述金 属材料在热处理过程中的基本原理和理论
知识。
4. 《金属固态相变原理》授课内容及重点
第一章 金属固态相变基础 1.1 金属固态相变概论 主要分类 主要特点 1.2 金属固态相变热力学 热力学条件 形核 晶核长大 1.3 金属固态相变动力学 金属固态相变的速率 钢中过冷奥氏体转变动力学
金属固态相变的主要特点
金属固态相变的主要特点金属固态相变是指金属在固态下由于温度、压力或其他外界条件的变化而引起的物理结构和性质的变化。
金属固态相变的主要特点有以下几个方面：1. 温度变化引起的相变：金属的固态相变主要是由于温度的变化引起的。
当金属的温度超过一定的临界温度时，金属内部的晶体结构会发生变化，从而导致固态相变。
例如，铁在不同的温度下会发生α相到γ相的相变，这种相变是由于温度变化引起的。
2. 压力变化引起的相变：除了温度变化，金属固态相变还可以由压力的变化引起。
当金属受到外界的压力作用时，原子之间的距离和排列会发生变化，从而导致固态相变。
例如，钻石可以在高压下转变为金刚石，这是由于压力变化引起的相变。
3. 结构和性质的变化：金属固态相变不仅会引起晶体结构的变化，还会导致金属的性质发生改变。
例如，铁的相变会引起其磁性的变化，从铁磁性到顺磁性的转变。
这种结构和性质的变化对金属的应用具有重要的影响。
4. 相变的可逆性：金属固态相变通常是可逆的，即当外界条件恢复到原来的状态时，金属可以再次发生相反的相变。
这与金属的液态相变或气态相变不同，液态和气态的相变通常是不可逆的。
5. 相变的影响因素：金属固态相变的发生受到多种因素的影响，包括温度、压力、晶体结构、晶界能量等。
这些因素会影响金属内部原子的排列和运动方式，从而导致相变的发生和性质的改变。
6. 金属固态相变的应用：金属固态相变在材料科学和工程中具有重要的应用价值。
通过控制金属的相变过程，可以制备出具有特定结构和性质的材料，如形状记忆合金和超弹性材料等。
这些材料在医学、航空航天等领域有着广泛的应用。
金属固态相变是金属在固态下由于温度、压力或其他外界条件的变化而引起的物理结构和性质的变化。
它具有温度和压力变化引起的相变、结构和性质的变化、相变的可逆性、影响因素和应用等主要特点。
金属固态相变的研究对于材料科学和工程具有重要意义，并且在实际应用中有着广泛的应用前景。
【固态相变原理】第一章 金属固态相变基础2
（2）过冷度很大 此时，ΔGα→γ »kT， exp（-ΔGα→γ/kT）→ 0，则
v ∝exp（-Δg/kT） 可见，过冷度很大时，新相长大速 度随温度降低呈指数函数减小。
(2) 位错形核
• 新相在位错线上形核，新相形成处 的位错线消失，释放出来的畸变能 使形核功降低，从而促进形核。
• 位错线不消失，依附在新相界 面上，成为半共格界面中的位错 部分，补偿了错配，因而降低了 界面能，故使新相形核功降低。
• 溶质原子在位错线上偏聚（ 形成气团），满足成分起伏 条件。 • 位错线是扩散的短路通道
• 若界面迁移需要借助原子的扩散， 而扩散需要时间，故新相的长大速 度相对较低。
扩散分为短程扩散和长程扩散，原 子只做短程扩散时，表明新相长大 不会引起成分的变化；反之，新相 长大通过原子的长程扩散来实现， 则伴随成分的变化。
短程扩散——受界面扩散控制 只有获得额外能量越过相变势垒的原子
νγ→α = ν0 exp（-Δg/kT）
另一种可能，在非共格界 面的微观区域中也可能呈现 台阶状结构，台阶平面是原 子排列最密的晶面，台阶高 度约相当于一个原子层，小 台阶的横向移动，导致相界 面的纵向推移，使新相长大 。
晶核长大速度 新相长大速度取决于相界面迁 移速度。 • 对于以点阵切变机制实现的界面迁 移，不需要原子扩散，其长大激活 能为零，故一般具有很高的长大速 度。
晶核长大机理 实质上是界面向母相方向的迁移
与界面结构有关 共格 半共格 非共格
共格界面的迁移 如何实现保持共格而实现相界面移动？
协同或切变
第十五章固态相变原理基础1课件
第一节 金属固态相变的特征
一、相界面
固态相变时，新相与母相的界面为两种晶 体的分界面，按结构特点可分为共格界面、半 共格（部分共格）界面和非共格界面。
第一节 金属固态相变的特征
1、共格界面
界面上的原子完全位于两相晶格的结点上， 即两相界面上的原子排列完全匹配，界面上的原 子为两相所共有。
第一节 金属固态相变的特征
凝固理论与固态相变
Solidification Theory and Phase Transformations in Solids
第十五章 金属固态相变理论基础
前言
固态相变是金属热处理的基础。例如, 马氏体相 变使钢得以淬火强化，过饱和固溶体分解使合金得 以时效强化等。
金属相变理论研究不仅在热处理技术的发展中 具有决定性意义，而且在新型金属材料的研制中也 处于举足轻重的地位。
（3） 在新相与母相成分不同的情况下，由于溶质 原子在位错线上的偏聚（形成了气团），有利于 沉淀相核心的形成，对相变起到催化作用。
第二节 金属固态相变的形核
根据估算，当相变驱动力很小而新相与母相 的界面能约为2×105J/cm2时，均匀形核的成核率 仅为10-70/（cm3·s）；如果晶体中的位错密度为 108/cm，则由位错促成的非均匀形核的成核率为 108/（cm3·s）。可见当晶体中存在高密度位错时 ，固态相变很难以均匀形核的方式进行。
半共格界面晶核长大有两种形式——平面迁 移和阶梯推移。
a）
b
）
半共格界面的可能结构，a）平面状，b）阶梯状
第三节 金属固态相变的长大
平界面。刃型位错的柏氏矢量b沿 但是平界面位错攀移困难，故其牵制界面迁移， 阻止晶核长大。
阶梯界面。面间位错分布在阶梯界面上，位错的 滑移运动使阶梯跨过界面侧向迁移，而使界面朝 其法线方向发展，从而使新相长大。
金属固态相变原理PhaseTransformationTheoryofMetalMaterials
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第一节 金属固态相变动力学（扩散型）
将等温相变动力学曲线 转化为时间-温度-转变量的关系曲线 综合反映物相在冷却时 的等温转变温度、等温时间 和转变量之间的关系
等温转变曲线
（Time-Temperature-Transformation）
TTT曲线
C曲线
（a）相变动力学曲线（b）TTT曲线
过饱和固溶体脱 质点由小尺寸长大
溶
1)以恒定速率形核
2)仅在开始转变时形核
针状物增厚
片状物增厚
n值 4 3 2 1
2.5 1.5 1 0.5
金属固态相变原理 Phase Transformation Theory of Metal Materials
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第一节 金属固态相变动力学（扩散型）
金属固态相变原理 Phase Transformation Theory of Metal Materials
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第一节 金属固态相变动力学（扩散型）
（四）C 曲线的测定方法
金相硬度法 奥氏体和转变产物的金相形态和硬度不同。
膨胀法 奥氏体和转变产物的比容不同。
磁性法及电阻法 奥氏体为顺磁性，转变产物为铁磁性。
相变热力学重点内容回顾
1、金属固态相变热力学条件 相变驱动力（自由能降低、相自由能与温度关系） 相变势垒（附加能量、激活能）
2、金属固态相变形核 均匀形核（临界晶核半径、形核功） 非均匀形核（晶界形核、位错形核、空位形核）
3、晶核长大 长大机制 （半共格界面迁移、非共格界面迁移） 新相长大速度 （无成分变化长大、成分变化的新相长大）
dn dV dX (18) dne dVe dX e
金属材料及热处理 01 固态相变篇
N N /( V t ) const .
③ 恒温下生长速率
G R / t const .
④相变过程中母相浓度不变 这里，时间从孕育期τ后算起。
金属材料及热处理
2. 4 相变动力学
3 3 两侧同除V0 ，令Xt= Vt / V0 ，则有， dX t G t 1 X t N dt 3 dX t 4 3 3 G t N dt 解微分方程 ， 1 1 Xt 3 3 4 In (1 X t ) N G t ⇒ 3 1 3 4 X t 1 exp N G t 可得， 3
母相
溶质原子扩散
新相
母相 新相
本课程中涉及的相变，除了马氏体相变，大多为扩散型相变，如沉淀（脱溶、 析出）、珠光体转变、贝氏体转变（介于马氏体相变和珠光体转变之间的中间型相变）
金属材料热及处理
2. 1 概述
金属材料及热处理
2. 2 新相形核
2. 2 新相形核
新相在母相中形核有两种情况：均匀形核（理想情况，任意随机地形核）不均
Al-Ag （球）， Al-Sc（球）；另外，不同合金系的GP区可能为盘、针、球。
金属材料及热处理
2. 4 相变动力学
2. 4 相变动力学
解决相变速率问题，在时间上的可行性和现实性。（热力学从能量角度分析相变的可能性）
通常，影响相转变量的外因很多，这里只考察温度和时间。
（1）恒温条件下相转变量随时间的变化关系 J-M方程——相变动力学的基本方程（关系）式
① ΔT↑,相变驱动力↑ ， 但是，T↓,原子活动能 力↓⇒相变中止或缓慢， 无法达到平衡。 ②相变阻力使之无法 进行下去。 (a)过饱和固溶体
【固态相变原理】第一章 金属固态相变基础1
共格界面示意图
两种情况，两种后果
理想共格界面（如孪晶界）：其弹 性应变能和界面能都接近于零。
非理想共格：实际上，晶体结构或 点阵常数总是存在差异，完全共格是 强制性的，相界面附近必将产生弹性 应变。
➢固态相变的特性
1．相界面 2．位向关系与惯习面 3．弹性应变能 4．过渡相的形成 5．晶体缺陷的影响 6．原子的扩散
➢固态相变的特性——1. 相界面
相界面
共格界面 半共格界面 非共格界面
共格界面：界面上原子所占位置恰 好是两相点阵的共有位置，或界面 上原子为两相所共有，或界面上两 相原子完全匹配。
原子扩散速度快、相变 应力容易被松弛
形核容易
位错形核更次之
晶界非均匀形核 最小
➢固态相变的特性——6.原子的扩散 固态中原子的扩散速度远远低于
液体原子，所以，原子扩散速度对固 态相变影响很大。
有成分变化的相变，原子迁移率 （温度）是相变速度的控制因素。
温度是影响固态相变中原子扩 散的绝对因素，而温度对冷却时发 生的相变有戏剧性影响。可能使相 变类型发生变化
二级相变
相变时新旧两相的化学势相等， 且化学势的一级偏微商也相等， 但化学势的二级偏微商不等的相 变称为二级相变。
已知：
γ等温压缩系数;ε等压膨胀系数;Cp等压比热
发生二级相变时，无相变潜热和 体积的变化，只有比热，压缩系数 和膨胀系数的不连续变化。磁性转 变，有序化等属于二级相变。
Fig.1-1-3 Relationship of thermodynamic functions with temperature. b) second order phase transition.
(完整word版)金属固态相变原理
第2篇热处理原理及工艺第7章钢的热处理教学目标：搞清奥氏体、珠光体、贝氏体、马氏体等基本概念；掌握共析分解、马氏体相变、贝氏体相变基本知识;掌握相变产物的形貌和物理本质。
第8章金属固态相变原理§8 钢的热处理一、热处理的作用机床、汽车、摩托车、火车、矿山、石油、化工、航空、航天等各行各业用的大量零部件需要通过热处理工艺改善其性能。
拒初步统计，在机床制造中，约60%70%的零件要经过热处理;在汽车、拖拉机制造中,需要热处理的零件多达70％80%，而工模具及滚动轴承，则要100％进行热处理。
总之，凡重要的零件都必须进行适当的热处理才能投入使用。
热处理的定义：将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需组织和性能的工艺过程.热处理三大要素：加热、保温和冷却通过以上三个环节,材料的内部组织发生了变化，因而性能也发生变化。
例如:碳素工具钢T8在市场购回的是球化退火的材料其硬度仅为20HRC，作为工具需经淬火并低温回火使硬度提高到60～63HRC,这是因为内部组织由淬火之前的粒状珠光体转变为淬火+低温回火的回火马氏体。
同一种材料，热处理工艺不一样其性能差别很大，导致性能差别如此大的原因是不同的热处理后内部组织截然不同.表 8—1 45号钢经不同热处理后的性能(试样直径15mm)热处理工艺的选择要根据材料的成分来确定.材料内部组织的变化依赖于材料热处理和其他热加工工艺，材料性能的变化又取决于材料的内部组织变化。
所以，材料成分－加工工艺－组织结构－材料性能这四者相互依成的关系贯穿在材料制备的全过程之中。
我们的任务就是要了解和掌握其中的规律性。
二、热处理的基本要素如上所述，热处理工艺中有三大基本要素：加热、保温、冷却。
这三大基本要素决定了材料热处理后的组织和性能。
1、加热按加热温度的高低,加热分为两种：一种是在临界点A1以下加热,此时一般不发生相变;另一种是在A1以上加热,目的是为了获得均匀的奥氏体组织，这一过程称为奥氏体化。
金属固态相变原理Principleofsolid-statephasetransformation
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；
→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
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。
§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
金属固态相变原理 总复习
a.奥氏体晶核的形成 条件：成分起伏、能量起伏、结构起伏 形核位置：球化体：与晶界相连的/Fe3 C 界面上 片状 P：在珠光体团的界面或/Fe3C 片层界面上 b.奥氏体的长大： 片状 P：垂直于片层和平行于片层的两个方向长大 球化体： 1）奥氏体包围渗碳体； 2） /α向α一侧推移， /Fe3C 向 Fe3 C 一侧推移 c.残留碳化物的溶解
金属固态相变原理总复习
第一章 1.多形性转变：纯金属在温度和压力改变时，由一种晶体结构转变为另一种晶 体结构的过程称为同素异构转变。在固溶体中发生的同素异构转变称为多形性 转变 2.调幅分解：某些合金在高温下具有均匀单相固溶体，但冷却到某一温度范围 时可分解成为与原固溶体结构相同但成分不同的两个微区，这种转变称为调幅 分解。 3.共格界面：若两相晶体结构相同、点阵常数相等，或者两相晶体结构和点阵 常数虽有差异，但存在一组特定的晶体学平面可使两相原子之间产生完全匹 配。此时，界面上原子所占位置恰好是两相点阵的共有位置，界面上原子为两 相共有，这种界面称为共格界面。 4.共析钢 C 曲线鼻子产生的原因： a.新相和母相的自由能差ΔG b.原子的扩散系数 D ΔG 和 D 的增大都使 A 的稳定性下降，转变加快，但是这两个因素随过冷度的 变化恰好相反，相互矛盾形成鼻子。 5.过共析钢与共析钢的连续转变温度曲线无奥氏体 6.临界淬火速度（淬火临界冷却速度） ：在连续冷却时，使过冷奥氏体不发生分 解，完全转变为马氏体（包括残余奥氏体）的最低冷却速度称为临界淬火速度 第二章 1.奥氏体：碳溶解在γ铁中形成的间隙固溶体称为奥氏体。 2.以共析钢为例分析奥氏体形成机制：
/α向α迁移速度〉 /Fe3C 向 Fe3 C 迁移速度→α完全转变为后仍有一部份 Fe3C 未溶解，随保温时间延长，残留碳化物溶解 d.奥氏体成分的均匀化 3.解释为什么在铁素体消失的瞬间仍然存在一部分渗碳体？ 在奥氏体晶体长大的过程中，由于 /Fe3C 相界面处的碳浓度差远远大于/α相 界面处的浓度差，所以只需要溶解一小部分渗碳体就可以使其相界面处的奥氏 体达到饱和，而必须溶解大量的铁素体才能使其相界面处奥氏体的碳浓度趋于 平衡。所以，长大中的奥氏体溶解铁素体的速度适中大于溶解渗碳体的速度， 故在共析钢中总是铁素体先消失而有剩余渗碳体残留下来。 4.晶粒度 起始晶粒度：在临界温度以上，奥氏体形成刚刚完成，其晶粒边界刚刚接触的 晶粒大小 实际晶粒度：在某一加热条件下所得到的的实际奥氏体晶粒大小 本质晶粒度：只是表示钢在一定条件下奥氏体晶粒长大的倾向性，与实际晶粒 不太相同 5.本质细晶粒钢加热后的实际晶粒一定比本质粗晶粒钢小？ 错误。原因：本质晶粒度只表示钢在一定条件下奥氏体晶粒长大的倾向性，与 实际晶粒度不尽相同。奥氏体晶粒的实际大小取决于加热条件。通常在一般的 加热速度下，加热温度愈高，保温时间愈长，最后得到的奥氏体实际晶粒就愈 粗大。 6.阐述控制形成奥氏体晶粒大小的的措施 （1）在保证奥氏体形成完全的前提下，尽量降低加热温度，减少保温时间 （2）在保证奥氏体形成均匀的前提下，快速加热并短时保温 （3）增大钢中的碳含量（选择合适的钢的组织） （4）可向钢中适量加入形成难溶化合物的合金元素，将强烈阻止奥氏体晶粒的 长大 第三章 1.为什么随着过冷度的增大，片状 P 的片层间距不断减小？ （1）由于过冷度增大导致碳原子的扩散能力下降，不宜进行较大距离的的迁 移，扩散距离减小，只能形成片层间距较小的珠光体。 （2）片层间距的减小会使铁素体与渗碳体的相界面积增大，界面能增大，但是 这部分增大的能量由增大过冷度所得到的的化学自由能差提供。 2.片状珠光体的形成机理 横向交替形核+纵向长大
金属固态相变基础课件
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在工程领域中的应用
机械制造
金属固态相变在机械制造中发挥 着重要作用，如模具制造、切削
工具、耐磨件等。
航空航天
在航空航天领域，金属固态相变 对于提高飞行器的轻量化、强度
和耐高温性能具有重要意义。
建筑和土木工程
在建筑和土木工程领域，利用金 属固态相变原理制备的钢筋和高 强度钢可以提高结构的强度和耐
久性。
相变过程中的晶体缺陷
晶体缺陷可以作为相变过程中的形核 位置，影响新相的形核和长大过程。
晶体学对称性与相变关系
对称性破缺
在金属固态相变过程中，晶体对称性可能会发生破缺，导致新相的形成。
对称性破缺与物理性质变化
对称性破缺会导致金属的物理性质发生变化，如磁性、电导率等。
PART 04
金属固态相变的动力学基 础
金属固态相变的热力学基 础
热力学基本概念
01
02
03
热力学第一定律
能量守恒定律，表示系统 能量的变化等于系统与环 境之间交换的热量与功的 和。
热力学第二定律
熵增加原理，表示自发过 程总是向着熵增加的方向 进行，即系统总是向着更 加混乱无序的状态发展。
状态函数
描述系统状态的物理量， 其值只取决于系统的状态， 而与达到该状态所经历的 过程无关。
在扩散型相变中，原子通过热激活或 应力驱动，从一个位置移动到另一个 位置，从而在固态中形成新的相。
无扩散型相变
无扩散型相变是指原子不通过 扩散迁移到新相中的过程。
在无扩散型相变中，原子通过 快速重新排列或重组来形成新 的相，而不需要原子进行长距 离的迁移。
无扩散型相变通常在较低的温 度下发生，并且可以在短时间 内完成，因为原子不需要克服 势垒进行迁移。
金属固态相变知识点总结
金属固态相变知识点总结一、金属固态相变概述金属的固态相变是指金属在固态下由于温度、压力等外部条件的变化而发生的结构变化。
金属的固态相变具有一定的规律性，可以通过实验和理论研究来预测和解释金属相变过程中的行为。
金属固态相变对于金属材料的性能和应用具有重要的影响，因此对金属固态相变进行深入的研究具有重要的意义。
二、金属固态相变类型1. 多种金属的固态相变类型金属的固态相变包括晶格变化、相变温度、相变形式等不同的类型，主要有以下几种类型：(1) α-β型固溶体相变α-β型固溶体相变是金属合金中比较常见的相变类型，指的是在金属合金中存在两种不同的固溶体相，分别为α相和β相。
这种相变类型在许多重要的金属合金中都有出现，如Fe-C合金、Ni-Cr合金等。
(2) 费氏体相变费氏体相变是一种典型的金属固态相变类型，指的是金属在一定温度下发生由奥氏体相向费氏体相转变的过程。
这种相变类型在一些铁素体不锈钢中尤为常见。
(3) 莫尔铂相变莫尔铂相变是一种金属固态相变类型，指的是金属在相变过程中由六方最密堆积（HCP）结构向立方最密堆积（FCC）结构的转变。
这种相变类型在一些贵金属合金中具有重要作用。
2. 典型金属的固态相变不同的金属在固态下的相变类型也有所不同，下面以常见的几种金属为例进行介绍：(1) 铁素体不锈钢的固态相变铁素体不锈钢是一种重要的金属材料，其固态相变主要包括奥氏体到费氏体的相变，以及费氏体到马氏体的相变。
这些相变在不锈钢的应用性能中具有重要的影响。
(2) 铝合金的固态相变铝合金是一种广泛应用的金属材料，其固态相变主要包括固溶体相变和析出相变。
这些相变对于铝合金的强度和耐腐蚀性能具有重要的影响。
(3) 镍基高温合金的固态相变镍基高温合金是一种用途广泛的高温合金，其固态相变主要包括γ'-γ''转变、析出相变等。
这些相变对于高温合金的高温强度和高温抗氧化性能具有重要的影响。
三、金属固态相变的影响因素金属的固态相变受到多种因素的影响，主要包括温度、压力、合金元素、晶体结构等因素。
金属与合金中的固态相变
金属与合金中的固态相变引言：金属与合金是人类社会中广泛应用的材料，其固态相变是其性能和结构变化的重要因素。
本文将从金属与合金的固态相变的定义、分类、原因以及应用等方面进行阐述，以期帮助读者更好地理解和应用金属与合金材料。
一、固态相变的定义和分类固态相变是指物质在固态下由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。
金属与合金的固态相变主要包括晶体相变和磁相变两类。
1. 晶体相变晶体相变是指金属或合金在温度或外界条件变化下，晶体结构发生改变的过程。
晶体相变可以分为一级相变和二级相变。
一级相变是指在相变温度下，物质的晶体结构发生突变，伴随着热力学性质的突变，例如金属的熔化和凝固过程。
二级相变是指在相变温度下，物质的晶体结构发生变化，但没有热力学性质的突变，例如金属的铁磁-顺磁相变和反铁磁-顺磁相变等。
2. 磁相变磁相变是指金属或合金在外界磁场或温度变化下，磁性发生改变的过程。
磁相变可以分为一级相变和二级相变。
一级相变是指在相变温度下，磁性发生突变，例如铁磁-顺磁相变和反铁磁-顺磁相变。
二级相变是指在相变温度下，磁性发生变化，但没有突变。
二、固态相变的原因固态相变的原因主要包括温度变化、压力变化、外界磁场变化等。
1. 温度变化温度是影响固态相变的主要因素。
当温度升高或降低到一定程度时，金属或合金的晶体结构会发生变化。
2. 压力变化压力是影响固态相变的另一个重要因素。
当压力增大或减小到一定程度时，金属或合金的晶体结构也会发生变化。
3. 外界磁场变化对于磁性材料来说，外界磁场的变化也会引起固态相变。
当外界磁场强度改变时，磁性材料的磁性特性也会发生相应的变化。
三、金属与合金固态相变的应用金属与合金的固态相变在材料科学和工程中有着广泛的应用。
1. 超弹性材料金属合金中的固态相变可以使材料具有超弹性特性。
例如，钛镍合金在相变过程中可以发生大变形，具有良好的形状记忆和回弹性能，广泛应用于医疗器械、航空航天等领域。
2. 铁磁形状记忆合金铁磁形状记忆合金是一种具有形状记忆和磁性记忆双重特性的材料。
2.金属固态相变
奥 氏 体
转变开始线
变开始线以左的 区域为过冷奥氏
A
A→P
转变终了线
P B
体区。
转变终了线以
A→B
右及Mf以下为转
变产物区。
MS
两线之间及Ms
Mf
A→M
与Mf之间为转变 区。
M 时间
C 曲线的分析
⑴ 转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。
孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小.
正火 油淬
连续冷却转 变曲线 完全退火
冷却速度.
水淬
等温转 变曲线
Vk’ 为TTT曲线的
200
临界冷却速度.
Vk’ 1.5 Vk 。
100
Vk’Vk
M+A’ M+T+A’ S P
共析钢的CCT图
时间/s
2）过共析钢CCT曲线也无贝氏体转变区, 但比共析
钢CCT曲线多一条A→Fe3C转变开始线。由于Fe3C的 析出, 奥氏体中含碳量下降, 因而Ms 线右端升高.
第一章金属固态相变
概述：固态相变---金属性能的多样性：例： ---应用范围广。“变”---就可利用之， “不变”-此材料难堪大用。---各种强化手 段：位错、第二相、固溶、细晶加之金属 的性能均衡---金属材料广泛应用。 本章简介固态相变的特点、类型、过程； 主要介绍钢的热处理原理
第1节 固态相变的特点
第3节 固态相变的形核与长大
不讲。基本概念略提。
第4节 钢的固态转变 （钢的热处理原理）
1、热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，
以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺.
金属固态相变的主要特点
金属固态相变的主要特点金属固态相变是指金属在温度或压力变化下发生的物态转变。
相变是物质由一种物态转变为另一种物态的过程，其中固态相变是指物质从固态转变为其他物态的过程。
金属固态相变具有以下主要特点：1. 温度和压力的影响：金属固态相变通常受到温度和压力的共同影响。
随着温度的升高或压力的增加，金属的晶体结构和原子排列方式发生变化，从而导致相变的发生。
2. 结构转变：金属固态相变中，金属的晶体结构会发生变化。
金属晶体结构可以分为多种类型，如面心立方结构、体心立方结构和六方最密堆积结构等。
相变时，金属晶体结构的类型可能发生改变，从而导致其他性质的变化。
3. 形态变化：金属固态相变还会导致金属的形态发生变化。
例如，金属在相变过程中可能出现晶体的生长、晶界的移动、晶粒的合并或分裂等现象。
这些形态的变化会影响金属的力学性能和微观结构。
4. 热力学性质变化：金属固态相变会引起金属的热力学性质变化。
例如，相变可能导致金属的热导率、电导率、热膨胀系数等物理性质的变化。
这些性质的变化与金属的晶体结构和原子排列方式有关。
5. 相变温度和相变范围：金属固态相变有一定的相变温度和相变范围。
相变温度是指金属从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的温度点，而相变范围是指在相变温度附近金属可以存在的温度范围。
不同金属的相变温度和相变范围各不相同。
6. 相变速率：金属固态相变的速率取决于温度、压力、晶体结构和金属的化学成分等因素。
相变速率较快的金属相变过程称为快速相变，而相变速率较慢的金属相变过程称为慢速相变。
7. 相变过程的可逆性：金属固态相变通常是可逆的，即金属可以在相反的条件下恢复到原来的相态。
例如，当金属从高温相变为低温相时，如果温度重新升高到相变温度以上，金属会再次发生相变，恢复到高温相。
总的来说，金属固态相变是金属在温度和压力变化下发生的物态转变过程，具有结构转变、形态变化、热力学性质变化等特点。
金属固态相变的研究对于理解金属的微观结构和性能变化具有重要意义，也有助于金属材料的设计和应用。
金属固态相变原理
金属固态相变原理金属固态相变是指金属在温度、压力等条件下发生晶体结构和性质的变化。
金属固态相变原理是金属材料学中的重要内容，对于理解金属材料的性能和应用具有重要意义。
首先，我们来看一下金属固态相变的分类。
金属固态相变可以分为两类，一类是在固态下发生的晶体结构的变化，另一类是在固态下发生的晶体结构和相的变化。
晶体结构的变化包括晶格参数、晶胞体积和晶体形态的变化，而晶体结构和相的变化则包括晶体结构和晶体相的变化。
其次，金属固态相变的原理在于金属原子在不同温度、压力等条件下的排列方式发生变化。
金属原子在晶体中的排列方式决定了金属的性能和行为。
当金属原子的排列方式发生变化时，金属的性能和行为也会发生相应的变化。
因此，了解金属固态相变的原理对于控制金属材料的性能具有重要意义。
金属固态相变的原理还涉及到热力学和动力学的知识。
热力学是研究热平衡状态和热平衡过程的科学，而动力学是研究物体运动规律的科学。
金属固态相变的原理可以通过热力学和动力学的知识来解释和理解。
热力学可以揭示金属固态相变的原因和条件，而动力学可以揭示金属固态相变的过程和速率。
金属固态相变的原理对于金属材料的加工、热处理和应用具有重要意义。
通过控制金属固态相变的条件和过程，可以改变金属材料的结构和性能，从而实现对金属材料的调控和优化。
金属固态相变的原理也为金属材料的设计和制备提供了重要的理论基础。
总之，金属固态相变原理是金属材料学中的重要内容，对于理解金属材料的性能和应用具有重要意义。
通过深入研究金属固态相变的原理，可以更好地掌握金属材料的性能调控和应用技术，从而推动金属材料领域的发展和进步。
金属固态相变原理名词解释
金属固态相变原理名词解释1.固态相变:金属盒陶瓷等固体材料在温度和压力改变时，其内部组织或结构会发生变化，即从一种相状态到另一种相状态的转变2.平衡转变；在缓慢加热或冷却时所发生的能获得复合平衡状态图的平衡组织的相变。
3.共析相变；合金在冷却时由一个固相分解为两个不同固相的转变4.平衡脱溶相变；在缓慢冷却条件下，由过饱和固溶体中析出过剩相的过程5.扩散性相变；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也称非协调型6.无扩散性相变；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也称协同型7.均匀形核；晶核在母相中无择优地任意均匀分布8.形核率；单位时间形成的晶核数9.混晶；置换固溶体，两种或多种元素相互溶解而形成的均匀晶相10.异常长大:正常晶粒长大过程被第二相微粒、织构、表面热蚀沟等阻碍，使得大多数晶粒不能长大，从而使少数较大的晶粒得以迅速长大。
11.奥氏体；碳及各种化学元素在γ－Fe中形成的固溶体12.珠光体；共析碳钢加热奥氏体化后缓慢冷却，在稍低于A1温度时奥氏体将分解为铁素体和渗碳体的混合物称为珠光体13.粒状珠光体；通过片状珠光体中渗碳体的球状化而获得的14.贝氏体；钢在奥氏体化后被过冷到珠光体转变温度区间以下，马氏体转变温度区间以上这一中温度区间(所谓“贝氏体转变温度区间”)转变而成的由铁素体及其内分布着弥散的碳化物所形成的亚稳组织，即贝氏体转变的产物。
15.马氏体；对固态的铁基合金(钢铁及其他铁基合金)以及非铁金属及合金而言，是无扩散的共格切变型相转变，即马氏体转变的产物。
就铁基合金而言，是过冷奥氏体发生无扩散的共格切变型相转变即马氏体转变所形成的产物。
铁基合金中常见的马氏体，就其本质而言，是碳和(或)合金元素在α铁中的过饱和固溶体。
就铁-碳二元合金而言，是碳在α铁中的过饱和固溶体。
16.屈氏体；通过奥氏体等温转变所得到的由铁素体与渗碳体组成的极弥散的混合物。
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二、非平衡转变 (non-equilibrium transformation)
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。
三、固态相变的其他分类
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
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
平衡相变
(3)平衡脱溶转变
扩散型相变
相变时原子迁移特征
非扩散型相变
扩散型相变
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。如同素异构转变、多晶型转变，脱溶型 相变、共析型相变、调幅分解和有序化转变等等。
特点：
（1）相变过程中有原子扩散运动，相变速率受原子扩散 速度所控制；
（2）新相和母相的成分往往不同； （3）只有因新相和母相比容不同而引起的体积变化，没
（2）相变不需要通过扩散，新相和母相的化学成分相同。 （3）新相和母相之间存在一定的晶体学位向关系。 （4）某些材料发生非扩散相变时，相界面移动速度极快，可接近声速。
固态相变：金属或陶瓷等固态材料在温度和压力改 变时，其内部组织或结构会发生变化，即发生从一 种相状态到另一种相状态的改变。 相变前的相状态称为旧相或母相， 相变后的相状态称为新相。
固态相变分类
§1-1 金属固态相变的主要类型
按照转变条件，分为：平衡转变、非平衡转变 一、平衡相变(equilibrium transformation)
Fe-C相图的伪共析区
二、非平衡转变 (non-equilibrium transformation)
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。在Cu合金， Ti合金及其无机非金属材料中发现了马 氏体转变。 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。在 Fe-C，Cu-Zn，Cu-Ga合金中存在。
1.012
1.009 1.006
碳含量(%)
0.27 1.4 0.29 1.2 0.29
0.27
0.21 0.14
225
1h
2.861
2.874 1.004
0.08
250ห้องสมุดไป่ตู้
1h
2.863
2.872 1.003
0.06
平衡相变
7.包析转变：两个固相合并转变为一个固相的转变过程。 →。如Fe-B，Mg-Zn，Cu-Sn系合金。
金属固态相变原理
夏鹏成 山东科技大学材料科学与工程学院
教材及其参考书目
教 材：
胡光立主编 《钢的热处理（原理和工艺）》，西工大出版社，1996
参考书：
康煜平主编 《金属固态相变及应用》，化学工业出版社，2007 徐洲等主编 《金属固态相变原理》，科学出版社，2004 崔忠圻主编 《金属学与热处理》，机械工业出版社，1983 赵连成主编 《金属热处理原理》，哈尔滨工业大学出版社，1987 夏立芳主编 《热处理工艺学》，哈尔滨工业大学出版社，1996 刘宗昌主编 《金属固态相变教程》，冶金工业出版社，2004 戚正风主编 《金属热处理原理》，机械工业出版社，1987 安运铮主编 《热处理工艺学》，机械工业出版社，1988 G.克劳斯主编 《钢的热处理原理》，冶金工业出版社，1987
实验名称与学时安排
序 号
章目名称
学时 序 分配 号
1 奥氏体组织的观察
2
6
2 P、B、M的组织观察 2
7
3
常规热处理工艺
2
8
4
末端淬火法
2
9
5
表面渗碳
2 合计
章目名称 综合热处理实验
学时 分配
2
12
第一篇
热处理原理
Principle of Heat Treatment
第一章 金属固态相变概论
Generality of Solid-State Transformation
有宏观形状改变。
非扩散型相变
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
相变称为非扩散型相变，也称为“协同型”转变。非扩散型相变时原子 仅作有规则的迁移以使点阵发生改组。迁移时，相邻原子相对移动距离 不超过一个原子间距，相邻原子的相对位置保持不变。
特点：
（1）存在由于均匀切变引起的宏观形状改变，可在预先制备的抛光试样表 面上出现浮突现象。
含碳 1.4%的马氏体回火后点阵常数、正方度与含碳量的变化
回火温度℃ 回火时间 a
室温
10d
2.846
100
1h
2.846
125
1h
2.846
150
1h
2.852
175
1h
2.857
200
1h
2.859
c
2.880 3.02 2.882 3.02 2.886
2.886
2.884 2.878
c/a
1.012 1.062 1.013 1.062 1.013
➢高温过饱和固溶体缓慢
冷却过程中析出第二相的 过程
➢特点：
(a) 新相的成分和结构始 终与母相的不同； (b)母相不会消失。
➢钢在冷却时，由奥氏体
析出二次渗碳体的过程
可发生脱溶转变的合金
平衡相变
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，→12 特点：转变初期，无明显界面和成分突变，随后通过上坡扩散溶质再分 配，富溶质原子1与贫溶质原子2 。如Al-Zn、Fe-Cr、高碳M在80C 回火时也发生调幅分解。 6.有序化转变 固溶体中，各组元的相对位置从无序→有序转变过程。如Cu-Zn，CuAu，Mn-Ni，Ti-Ni等合金。
1： + → 2： + →
二、非平衡转变 (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。