第1章 金属固态相变概论

密排面 密排方向 堆垛方向 堆垛次序
fcc bcc {111} {110} <110> <111> <111> <110> ABC AB
2、位相关系和惯习面（共格、半共格）
惯习面：在母相上开始形成新相的一定晶面。 表示：以母相的晶面指数。 结构：晶面上新相和母相原子排列相近，界面能小。
两相中存在着保持平行关系的密排晶面和晶向
1394C 912 C 体心立方-Fe—面心立方 -Fe—体心立方-Fe 2) 多形性转变：固溶体的同素异构转变。
如：
AF
冷却
加热
3）共析相变： 定义：冷却时，一个
固溶体同时分解为两 个不同结构、成分的
固相的转变
如：图中c成份合金
如：钢中的珠光体转变
A F+Fe3C
4）平衡脱溶沉淀：

金属固态相变及应用，康煜平主编，化学工业出版社 金属热处理原理，徐洲主编，科学出版社

金属热处理工艺学，夏立芳编，哈尔滨工业大学出版社
金属固态相变教程，刘宗昌编著，冶金工业出版社 相变理论基础及应用，宫秀敏编著，武汉理工大学出版社

金属材料及热处理领域概况

金属材料
黑色金属(本课程主要研究对象)：
770 C： -Fe的磁性转变点，
> 770C ，顺磁性； < 770 C，铁磁性。
见材料分析方法：磁性分析
碳在钢铁中的存在形式：
1. 铁素体F、 ：ferrite
C溶于体心立方的-Fe中形成 的固溶体
2. 奥氏体A、：austenite
C溶于面心立方的 -Fe中形成 的固溶体 3. 渗碳体Fe3C：cementite 碳与铁原子形成的复杂结构 的化合物 4. 石 墨：六方结构，游离态
由能态具有能垒相分隔，则该相为亚稳相。 非稳定相：若不存在
这种能垒，则体系处
于非稳定态，这种状 态是不稳定的，它一
定会转变为平衡态或
亚稳态。

相变：在均匀单相或几个混合相内，出现具有不同成 分、或不同结构、或不同组织形态、或不同性质的相， 称为相变。
1.
固态相变：固态材料在温度和压力改变时，其 内部组织、成份或结构会发生变化，不同固相 之间的转变—固态相变。

不能由两相的体积、熵及焓的的变化分析二级相变 β为材料的等温压缩系数 α为材料的等压膨胀系数
4 按相变方式分类
4.1 有核相变
相变方式：通过形核—核长大进行
形核部位：晶核在母相中有利部位优先形成，一般为晶界、 亚晶界、位错等晶体缺陷处
特
点：新相和母相之间有相界面隔开。
相变时没有形核阶段，以成份起伏为开端，依靠上坡扩 散使单相固溶体分解为成份不同而点阵结构相同的以共 格界面相联系的两相。
例如：马氏体转变
3 按热力学分类：
3.1 一级相变：（参考材料科学基础）
体系的自由能：G=G(T,P,n……)
化学势：某组元的偏摩尔自由能，是体系内物质传 输的驱动力 定义：新旧两相的化学势相等，化学势的一级偏微 商不等的相变称为一级相变 即：
因为：
T P S
4.2 无核相变
相变的实质：结构、成分、有序化程度的变化
二、金属固态相变主要特点

界面能：界面处的原子结合键与两相内部原子键合的 差别所导致的能量升高。（由界面上原子排列不规则产生
点阵畸变，引起能量升高，这部分能量称为界面能）
界面上原子排列不规则将导致两相界面能升高。 两相界面有吸附溶质原子的作用。
2）马氏体相变
条件：快速冷却
特点：原子不扩散、成份
不改变（与母相相同） 点阵重组(以切变方式）
Ms ：马氏体相变开始点。
钢中的马氏体：碳溶于Fe中形成的过饱和固溶体
3）贝氏体相变
贝氏体：铁素体与渗碳体的混合物，但与珠光 体不同。 条件：冷却速度在珠光体和马氏体转变之间。 特点：铁原子不扩散、碳原子扩散。


金属材料及热处理领域概况

特殊性能钢：
※ 不锈钢：用于各种管道、容器、阀门、泵
等
※ 耐热钢：喷气发动机的涡轮、排气管 、
叶片等

铸 铁：管道、拖拉机或柴油机的曲轴、机 器底座等
金属材料及热处理领域概况


金属材料的化学成分不同---性能不同
金属材料的化学成分相同---不同的热处
理工艺---材料内部的组织结构不同---性
例如：K-S关系
{111}r//{110}a’
〈110〉r//〈111〉a’
1）错配度小于0.05时两相完全共格，且有一定的位相关系；

错配度：
错配度小于0.05
特点：共格界面界面能小，弹性应变能大。共格 界面必须依靠弹性畸变来维持。
（2）半共格界面
当错配度在0.05—0.25时，在界面上将产生一些
刃型位错，两相原子变成部分共格。

半共格界面：界面能较大，弹性应变能较小；
（3）非共格界面 当错配度大于0.25时，两相原子之间的匹 配关系便不再维持，变成非共格界面。 非格界面：界面能大，弹性应变能小。
在平衡条件下，固溶体中各组元的相对位置由无 序到有序的转变过程。
1.2 非平衡相变：
形成条件：快速加热或冷却 获得组织：亚稳或不平衡， 不能用平衡图来解释。
1）伪共析相变 定义：某些非共析成分
合金，当奥氏体被快速冷 却到图中影线区，将同时 析出类似共析转变的铁素 体和渗碳体。
特点：转变产物中铁素
体和渗碳体的比例随奥氏 体的碳含量变化而变化。
无宏观形状改变。
2.2 无扩散型相变
定义：所有参与转变的原子的运动协调一致，原有 原子的邻居关系不被破坏，原子位移不超过一个 原子间距。 结构：晶体点阵发生改组
条件：低温，原子已不能扩散。
特点：1.有宏观形状改变；
2.新相和母相的化学成分相同； 3.新相和母相间有一定的晶体学位相关系。 4.不破坏化学键，转变速率快
恒温转变：
包晶转变：1495 C
L+ (奥氏体) 共晶转变：1148C L + Fe3CⅠ(莱氏体)
共析转变：727C F+Fe3C Ⅱ
(珠光体) — F与Fe3C的
混合物）
固态转变线：
1. GS线(A3) ：降温时，奥 氏体中开始析出铁素体 的转变线,或升温时… 2. ES线(Acm) ：碳在奥氏体 中的溶解度曲线 3. PQ线：碳在铁素体中的 溶解度曲线 4.PSK线（A1）:
结论：


相变总是朝着能量降低的方向进行的；
相变总是遵循阻力最小的途径进行；
相变可以有不同的终态，只有最适合结构环 境的新相才能生存。
铁 碳 合 金 状 态 图
研究钢铁材料的组织、性能、热处理工艺的重要工具。
纯铁转变温度： 1538C：熔点
1538~1394 C: -Fe，体心立方
1394~912 C： -Fe，面心立方 912 C~室温：-Fe，体心立方
溶质原子趋向于在界面处偏聚，使总的能量降低。

弹性应变能：新旧相比容不同、相界面原子排列差异 而产生的应力、应变所引起的能量。(与新旧相的比容差
、弹性模量、新相形状有关)

固态相变的阻力：界面能，弹性应变能
1、相界面
（1）共格界面： 定义：
两相结构、点阵常数基本相同
或相近，两相原子之间完全匹配。 分类： 第一类共格，靠正应变维持 第二类共格，靠切应变维持
结论：
1）金属固态相变时，两相之间将产生界面能和弹性应 变能。
2）金属固态相变的相变阻力：界面能和弹性应变能； 3）两相界面共格时，界面能最小、弹性应变能最大； 4）新相呈球状时，界面能最低，应变能最大。
5）过冷度大时，临界晶核尺寸很小，两相界面易取共 格方式以降低界面能，从而降低总的形核功，易于 形核。 6）过冷度小时界面能不起主导作用，易形成非共格界 面。
金属热处理
先修专业课： 材料科学基础、物理化学、工程化学
金属热处理原理
钢中奥氏体转变,珠光体转变,贝氏体转变,马 氏体转变,钢的回火转变: 特征、热力学、动力学、目的等。
金属热处理工艺
金属材料经加热、保温、冷却以获得所需要 性能的过程。钢的淬火、回火、正火、退火、 表面淬火、化学热处理等.
主要参考书：
能不同
金属材料及热处理领域概况
金属材料的热处理：

是将金属材料在固态下通过加热、保温、 冷却的方法，使金属材料内部的组织结构 发生变化，从而获得所需性能的工艺方法.
第一章 金属固态相变基础
第一节 金属固态相变概论
几个概念：

任何物质都是由原子、分子、离子或分子团组成的，构成 物质的这一体系，可以是均匀的，也可以是非均匀的，其 中，均匀的部分即称为相。

铁碳合金的分类
1.工业纯铁：C<0.0218%
2.碳钢：0.0218%<C<2.11% 共析钢：C=0.77%, 亚共析钢： 过共析钢： 3.铸铁：2.11%<C<6.69%
共析钢
45钢
T12钢
一、金属固态相变的类型
1 按平衡状态图分类：平衡相变 非平衡相变
1.1 平衡相变：
形成条件：缓慢加热或冷却 获得组织：符合平衡状态图的平衡组织 1）纯金属的同素异构转变： 纯金属在温度、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。如：
主要是钢铁和其它铁基合金
有色金属 ：
以铝、铜等为基的合金
金属材料及热处理领域概况
钢铁的分类和用途

构件用钢：用于制作各种大型金属结构，如：桥梁、船 舶、车辆、锅炉、压力容器
机器零件用钢： 用于制作轴类零件、齿轮、弹簧、轴 承 工具钢： ※ 刃具钢：车刀、铣刀、刨刀、钻头等 ※ 模具钢：制造各种锻造、冲压、压铸成型工件的模 具 ※ 量具钢：制作各种度量工具，如：卡尺、千分尺等
1 T P 2 T P
1 P T 2 P T
1 2 T P
2
2 1 2 P T 2 2 P 2 T
4）非平衡脱溶沉淀
快速冷却时，固溶体中的过剩相来不及析出， 但在室温或低于固溶度曲线的某一温度等温时， 将从过饱和的固溶体中析出一种成分和结构与平 衡沉淀相不同的新相。
2、按原子迁移情况分类：
2.1 扩散型相变
定义：在化学位差的驱动下，相界面的移动通过原子近程或 远程扩散而进行的，原子的迁移造成原有原子的邻居关 系的破坏。 条件：温度足够高、原子活动能力足够强。 例如：同素异构转变、多形性转变、共析转变、 调幅分解、有序化转变等。 特点：1.相变中有原子扩散； 2.新相和母相的成分不同； 3.只有因新旧相比容不同而引起的体积变化，

相：具有同一化学成分、结构、性质、聚集状态， 与其它部分有界面分开的均匀组成部分。 相界面：相与相之间以界面分隔。


组织：相的种类、形状、大小与分布的总和。

稳定相: 对于一定的热力学条件，只有当某相的自由
能最低时，该相才是稳定的且处于平衡态。

亚稳相: 若某相的自由能虽不处于最低，然而与最低自
2 1 TP
2 2 T 2 P
2 2 TP
即：
S 0 V 0
CP 0
H 0
0
0
结论：成份、熵、体积不变，比热、压缩系数、 膨胀系数变化。例：材料的有序化、磁性转变等
条件：缓慢冷却，
结果：过饱和固溶 体中析出新相。 特点：母相不消失， 新相的结构和成分 与母相不同。
5）调幅分解：
某些合金高温时——形成均匀单相固溶体 缓慢冷却到某一温度——发生上坡扩散 过饱和固溶体分解成与原固溶体结构相同、成分 不同的两相。
特点：上坡扩散使原来的均匀固溶体变成不均匀 的固溶体。 6）有序化转变：
P T V
所以在一级相变过程中：
S 0

V 0
H 0
结论： 在一级相变过程中，具有体积和熵（及焓）的 突变 焓的突变表明，有相变潜热的吸收或释放 例：材料的凝固、熔化、同素异构转变等 金属及合金中的大多数相变为一级相变
3.2 二级相变：
新旧两相的化学势相等，化学势的一级偏微 商相等，但化学势的二级偏微商不等
新相、母相： 新、旧相间的差别可能表现在：
晶体结构：原子、离子或电子位置和位相的变化
化学成分： 物理性质：有序程度、原子的配位、电子结构
2.

只要发生了以上的一种变化，就发生了相变
相变理论要解决的问题

相变为什么发生，朝着什么方向进行？ 相变是如何进行的？它的途径和速度如何？ 相变产物的结构有什么特征？