第一章金屬固態相變概論一、金屬固態相變的主要類型（一）平衡轉變

固態金屬在緩慢加熱和冷卻時發生的能獲得符合相圖所示平衡組織的相變。包括同素異構轉變、多形性轉變、平衡脫溶沉淀、共析轉變、調幅（增幅）分解、有序化轉變。（二）非平衡轉變

固態金屬在快速加熱或冷卻時，由于平衡轉變受到抑制，可能發生某些非平衡轉變而得到在相圖上不能反映的非平衡組織。包括偽共析轉變、馬氏體轉變、塊狀轉變、貝氏體轉變、不平衡脫溶沉淀（時效）。

二、金屬固態相變的主要特點金屬固態相變與凝固過程相同處：以新相和母相的自由能差作為相變的驅動力；大多數固態相變也都包含形核和長大兩個基本過程，并遵循結晶過程的一般規律。但因其為固態下的結晶過程，故又具有不同于液態金屬結晶的一系列特點。（一）相界面不同于金屬凝固過程中的固—液界面，固態相變時，新相與母相之間的界面是兩種晶體的界面。根據界面上兩相原子在晶體學上匹配程度的不同，可分為共格界面、半共格界面、非共格界面等三類。1、共格界面界面上的原子同時位于兩相的結點上，即兩相界面上的原子排列匹配，界面上的原子為兩相所共有。只有對稱孿晶界才是理想的共格界面。兩相點陣總是有一定差別，或者是點陣結構不同，或者點陣參數不同，因此兩相界面要完全共格，在界面附近就必須產生彈性應變。彈性應變能的大小取決于兩相界面上原子間距的相對差值，即錯配度：顯然，錯配度越大，彈性應變能就越大。2、半共格界面當錯配度增大到一定程度是，便難以繼續維持完全共格，于是將在界面上產生一些位錯，以降低界面的彈性應變能，這時界面上的兩相原子變成部分地保持匹配，即半共格界面上的兩相原子部分地保持匹配。3、非共格界面兩相界面處的原子排列相差很大，即錯配度很大時，只能形成非共格界面。這種界面與大角度晶界相似，是由原子不規則排列的很薄的過渡層所構成。由于界面上原子排列的不規則性會導致界面能升高，因此，非共格界面能最高，半共格界面能次之，而共格界面能最低。因此，界面結構的不同，對新相的形核、長大過程以及相變后的組織形態等都將產生很大影響。(二）兩相間間的晶體學關關系固態相變時，，為了減少新新相與母相之之間的界面能能，兩種晶體體之間往往存存在一定的位位向關系，他他們常以低指指數的、原子子密度大而又又彼此匹配較較好的晶面互互相平行。如如馬氏體轉變變時馬氏體的的密排面{011}與奧奧氏體的密排排面{111}平行。一般說來，當當新相與母相相間為共格或或半共格界面面時，兩相間間必然存在一一定的晶體學學取向關系；；若兩相間無無一定的取向向關系，則其其界面必定為為非共格界面面。1、取向（位位向）關系固態相變時，，新相往往在在母相一定的的晶面族上形形成，這種晶晶面被稱為慣慣習面，通常常用母相的晶晶面指數來表表示。如馬氏氏體總是在奧奧氏體的{111}面上上形成。慣習面的存在在意味著在該該晶面上新相相與母相的原原子排列很相相近，能較好好的匹配，有有助于減少兩兩相之間的界界面能。2、慣習面包括共格應變變能與比容差差應變能；共格界面的共共格應變能最最大，半共格格界面次之，，非共格界面面能最小；比容差應變能能為新相與母母相之間比容容差，在相變變時產生體積積約束而產生生彈性應變能能，與新相的幾何形形狀有關。(三）應變能能應變能與界面面能的總和為為固態相變的的阻力。與液液態金屬結晶晶過程相比，，固態相變的的阻力是很大大的。在固態相變阻阻力中，應變變能與界面能能究竟何者為為主體需視具具體條件而定定。在過冷度很大大時，臨界晶晶核小，比表表面積較大，，界面能增大大占主要地位位，因而需形形成共格界面面以降低界面面能，故新相相傾向于形成成盤狀。過冷度很小時時，臨界晶核核大，比表面面積大，使新新相界面能減減少居于次要要地位，傾向向于形成非共共格界面以降降低應變能。。（四）晶體缺缺陷的作用固態金屬中存存在各種晶體體缺陷如位錯錯、晶界和亞亞晶界；晶體缺陷周圍圍有晶格畸變變，儲存著畸畸變能，可在在固態相變時時釋放出來作作為相變驅動動力；新相往往在缺缺陷處優先形形核，提高形形核率；晶體缺陷對晶晶核的生長和和組元的擴散散過程也有促促進作用。過渡相也稱中中間亞穩相，，指成分或結結構，或者成成分和結構二二者都處于新新相與母相之之間的一種亞亞穩狀態的相相；形成過渡相是是減少相比阻阻力的有效途途徑之一；過渡相在一定定條件下仍然然能轉變成平平衡相。（五）形成過過渡相三、固態相變變時的形核（一）均勻形形核與液態金屬相相比，固態相相變的阻力增增加了一項應應變能。按照照經典形核理理論，系統自自由能總變化化為：其中DG為系統自由由能變化；V為新相體積積；Dgv是新相與母相相的自由能差差；s為新相、母相相間單位面積積界面能；E為新相單位體積積應變能上式中，DgvV項為體自由由能差即相變變的驅動力，，當低于平衡衡轉變溫度時時為負值，sS和EV項為為相變阻力。。可見，只有有當DgvV的絕對值大于于后兩項的和和時，才能使使DG＜0，即形形核稱為可能能。臨界晶核的半半徑大小可由由上式導出，，為：形成臨界晶核核的形核功為為：由此可見，當當應變能和表表面能增大時時，臨界晶核核的臨界半徑徑增大，形核核功升高。因此，具有低的界面面能但有很高高的應變能的的共格晶胚，，傾向于呈盤盤狀或片狀；；而具有高的界界面能但有低低的應變能的的非共格晶胚胚則容易形成成等軸狀；如因體積膨脹脹而引起的應應變能較大或或界面能的各各向異性很顯顯著時，也可可呈片狀或針針狀。（二）非均質質形核母相中的晶體體缺陷可以作作為形核位置置，因此，金金屬固態相變變主要依賴于于非均質形核核，其系統自自由能總變化化為：與均質形核相相比，多了一一項-DGd，它表示非均均質形核時由由于晶體缺陷陷消失而釋放放出的能量。。因此，相變變驅動力增加加，這將導致致臨界形核功功降低，從而而大大促進形形核過程。晶體缺陷對形形核的具體作作用1、空位空位可通過加加速擴散過程程或釋放自身身能量提供形形核驅動動力而促進形形核。此外，，空位群亦可可以凝聚成位位錯而促進形形核。2、位錯位錯可以通過過多種形式促促進形核：（1）新相在在位錯線上形形核，可借形形核處位錯消消失時所釋放放出來的能量量作為相變驅驅動力，以降降低形核功；；（2）新相形形核時位錯并并不消失，而而是依附于新新相界面上構構成半共格界界面上的位錯錯部分，以補補償錯配，從從而降低應變變能，使形核核功降低；（3）溶質原原子在位錯線線上偏聚，使使溶質含量增增高，便于滿滿足新相形成成時所需的成成分條件，使使新相晶核易易于形成。（4）位錯線線可作為擴散散的短路通道道，降低擴散散激活能，加加速形核過程程；（5）位錯可可以分解形成成由兩個分位位錯與其間的的層錯組成的的擴散位錯，，使其層錯部部分作為新相相的核胚而有有利于形核。。3、晶界大角晶界具有有高的界面能能，在晶界形形核時可使界界面能釋放出出來作為相變變驅動力，以以降低形核功功。因此，晶晶界是固態相相變時形核的的重要基地。。晶界形核時，，新相與母相相的某一個晶晶粒有可能形形成共格或半半共格界面，，以降低界面面能，減少形形核功。這時時共格的一側側往往呈平直直界面，新相相與母相有一一定的取向關關系。但大角角晶界兩側的的晶粒通常無無對稱關系，，故晶核一般般不可能同時時與兩側晶粒粒都保持共格格關系，而是是一側為共格格，另一側為為非共格。為為了降低界面面能，非共格格一側往往呈呈球冠狀。四、固態相變變時的晶核長長大1、半共格界界面的遷移因為半共格界界面具有較低低的界面能，，故長大過程程中往往繼續續保持為平面面。晶核長大大時，界面作作法向遷移，，半共格界面面上的界面位位錯亦隨之移移動。（一）新相長長大機理A）為平界面面，若刃型位位錯的柏氏矢矢量b沿界面面方向，則其其不能通過滑滑移而必須借借位錯攀移才才能隨界面移移動。但是平平界面位錯攀攀移困難，故故其牽制界面面遷移，阻礙礙晶核長大。。B）為階梯界界面面間位錯錯分布在階梯梯狀界面上，，其位錯的滑滑移運動使階階梯跨過界面面側向遷移，，而使界面沿沿其法線方向向發展，從而而使新相長大大。2、非共格格界面的遷遷移非共格界面面是原子排排列混亂的的過渡薄層層。在這種種界面上原原子的移動動的步調是是不協同的的，亦即原原子的移動動無一定的的先后順序序，相對位位移距離不不等，其相相鄰關系也也可能變化化。兩種觀點母相不斷地地以非協同同方式向新新相中轉移移，界面便便沿其法向向推進，從從而使新相相逐漸長大大；在非共格界界面的微觀觀區域中，，也可能呈呈現臺階狀狀結構。這這種臺階平平面是原子子排列最密密的晶面，，臺階高度度約相當于于一個原子子層，通過過原子從母母相臺階端端部想新相相臺階上轉轉移，便使使新相臺階階發生側向向移動，從從而引起界界面推進，，使新相長長大。擴散型相變變和非擴散散型相變擴散型相變變：大多數固固態相變是是依靠擴散散來進行的的特點：相變過程中中有原子擴擴散運動，，轉變速率率受擴散控控制；在合金的相相變中，新新相和母相相的成分往往往不同；；只有因新相相和母相比比容不同引引起的體積積變化，沒沒有形狀改改變。無擴散型相相變：相變是通通過切變完完成。其晶晶核長大是是通過半共共格晶面上上母相一側側原子的切切變來完成成的。即大大量原子有有規則地沿沿某一方向向作小于一一個原子間間距的遷移移，并保持持原有的相相鄰關系不不變，故稱稱其為協同同型轉變。。特點：相變不需要要通過擴散散，新相和和母相的化化學成分相相同；新相和母相相之間存在在一定的晶晶體學位向向關系。（二）新相相長大速度度新相長大速速度決定于于界面遷移移速度。對于無擴散散型相變，，如馬氏體體轉變，由由于界面遷遷移是通過過點陣切變變來完成的的，不需原原子擴散，，故具有很很高的長大大的速度。。對于擴散型型相變來說說，界面遷遷移需借助助于原子的的短程或長長程擴散，，故新相的的長大速度度相對較低低。1、無成分分變化的新新相長大原子在a相和b相中的自由由能水平和和越過相界界的激活能能b相的一個原原子躍過相相界跳到a相上所需的的激活能為為Dg，若原子子振動頻率率為u0,則b相的原子能能夠越過相相界跳到a相上的概率率為：同理，a相中的原子子也可能越越過相界跳跳到b相上去，但但其需要的的激活能應應為Dg+Dgab，則a相中中的原子能能夠越界跳跳到b相上上去的概率率為：若原子跳一一次的距離離為l，每當相界界上有一層層原子從b相上跳到a相后，a相便增厚l，則a相相的長大速速度為：若相變時過過冷度很小小，則Dgab趨近于零。。上式可以以簡化為：：若相變時過過冷度很大大，Dgab遠大于kT，則有有：可見，當過過冷度很小小時，新相相長大速度度與新、母母相間的自自由能差（（相變驅動動力）成正正比。但實實際上相間間自由能差差是過冷度度或溫度的的函數，故故新相的長長大速度隨隨著溫度的的降低而增增大。當過冷度很很大時，新新相的長大大速隨著溫溫度降低而而呈指數函函數減少。。在整個相變變溫度范圍圍內，新相相長大速度度隨著溫度度降低呈現現先增后減減的規律。。2、有成分分變化的新新相長大新相的長大大必須通過過溶質原子子