金屬固態相變基礎5/8/2023第1頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第一章金屬固態相變基礎5/8/2023第2頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第一章金屬固態相變基礎相變：構成物質的原子（或分子）的聚合狀態（相狀態）發生變化的過程稱為相變。固態相變：金屬和陶瓷等固態材料在溫度和壓力改變時，其內部組織或結構會發生變化，即發生一種相狀態到另一種相狀態的轉變，這種轉變稱為固態相變。相變前的相狀態稱為舊相或母相。相變后的相狀態稱為新相。5/8/2023第3頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第一章金屬固態相變基礎新相與母相的差別相變發生后，新相與母相之間必然存在某些差別。這些差別或者表現在晶體結構上（如同素異構轉變）化學成分上（如調幅分解）表面能上（如粉未燒結）應變能上（如形變再結晶）界面能上（如晶粒長大）兼而有之（如過飽和固溶體脫溶沉淀）5/8/2023第4頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第一節金屬固態相變的主要類型一、固態相變的分類5/8/2023第5頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第一節金屬固態相變的主要類型一、固態相變的分類1.按熱力學函數變化分類⑴一級相變：相變時兩相的化學勢相等，而化學勢對溫度及壓力的一階偏微分（-S，V）不等的相變。伴隨潛熱的釋放和體積的改變。如蒸發、升華、熔化以及大多數固態晶型轉變屬于此類。5/8/2023第6頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第一節金屬固態相變的主要類型一、固態相變的分類1.按熱力學函數變化分類⑵二級相變：相變時兩相的化學勢相等，化學勢的一階偏微分也相等，但二階偏微分不相等的相變。沒有相變潛熱和體積改變，有比容、壓縮系數、膨脹系數變化，如磁性轉變、有序-無序轉變、超導轉變等屬于此類。5/8/2023第7頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第一節金屬固態相變的主要類型一、固態相變的分類2.按平衡狀態圖分類（1）平衡相變平衡脫溶沉淀共析相變調幅分解有序化轉變

（2）非平衡相變偽共析轉變馬氏體相變貝氏體相變非平衡脫溶沉淀同素異構轉變和多形性轉變5/8/2023第8頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第一節金屬固態相變的主要類型一、固態相變的分類2.按平衡狀態圖分類⑴同素異構轉變——純金屬在溫度和壓力改變時，由一種晶體結構轉變為另一種晶體結構的過程叫做同素異構轉變。⑵多形性轉變——固溶體的同素異構轉變稱為多形性轉變。

⑶平衡脫溶沉淀——在緩慢冷卻的條件下，由過飽和固溶體析出過剩相的過程稱為平衡脫溶沉淀。⑷共析轉變——冷卻時由一個固相分解為兩個不同固相的轉變稱為共析轉變。⑸包析轉變——冷卻時由兩個固相合并為一個固相的轉變稱為包析轉變。5/8/2023第9頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第一節金屬固態相變的主要類型一、固態相變的分類2.按平衡狀態圖分類⑹調幅分解——某些在高溫下具有均勻單相固溶體組織的合金，冷卻到某一溫度范圍內時，可分解為兩種結構與原固溶體相同但成分有明顯差別的微區的轉變稱為調幅分解。⑺有序化轉變——固溶體中，各組元原子的相對位置由無序到有序的轉變過程稱為有序化轉變。5/8/2023第10頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第一節金屬固態相變的主要類型一、固態相變的分類2.按平衡狀態圖分類⑻鐵碳合金的不平衡轉變：主要包括：偽共析轉變、馬氏體轉變、貝氏體轉變。5/8/2023第11頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第一節金屬固態相變的主要類型一、固態相變的分類2.按平衡狀態圖分類⑼非平衡脫溶沉淀：

5/8/2023第12頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第一節金屬固態相變的主要類型一、固態相變的分類3.按相變過程中原子遷移情況分類⑴擴散型：相變時，相界面的移動是通過原子的近程或遠程擴散而進行的相變。也稱非協同型轉變。只有溫度足夠高，原子活動能力足夠強時才能發生擴散型相變。包括同素異構轉變、多形性轉變、脫溶型相變、共析型相變、調幅分解和有序化轉變等（如珠光體、奧氏體轉變，Fe、C都可擴散。）

5/8/2023第13頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第一節金屬固態相變的主要類型一、固態相變的分類3.按相變過程中原子遷移情況分類⑵非擴散型：舊相原子有規則地、協調一致地通過切變轉移到新相中；相界面共格、原子間的相鄰關系不變；化學成分不變。也稱協同型轉變。（如馬氏體轉變，Fe，C都不擴散。）⑶半擴散型：既有切變，又有擴散。（如貝氏體轉變，Fe切變，C擴散。）5/8/2023第14頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第一節金屬固態相變的主要類型一、固態相變的分類4.按相變方式分類⑴有核相變：有形核階段，新相核心可均勻形成，也可擇優形成。大多數固態相變屬于此類。⑵無核相變：無形核階段，以成分起伏作為開端，新舊相間無明顯界面，如調幅分解。5/8/2023第15頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第一節金屬固態相變的主要類型二、常見固態相變類型⑴同素異構轉變：同一種元素通過形核與長大發生晶體結構的變化。⑵多型性轉變：合金中晶體結構的變化。⑶脫溶轉變：過飽和固溶體脫溶分解出亞穩定或穩定的第二相。⑷共析轉變：一個固相轉變為兩個結構不同的固相。⑸包析轉變：兩個不同結構的固相轉變為一個新的固相，組織中一般有某相殘余。⑹馬氏體轉變：新舊相之間成分不變、切變進行、有嚴格位向關系、有浮凸效應。⑺貝氏體轉變：兼具馬氏體和擴散轉變的特點，借助鐵的切變和碳的擴散進行。5/8/2023第16頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第一節金屬固態相變的主要類型二、常見固態相變類型⑻調幅分解：非形核轉變，固溶體分解成結構相同但成分不同的兩相。⑼有序化轉變：合金元素原子從無規則排列到有規則排列，但結構不變。5/8/2023第17頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第二節金屬固態相變的主要特點一、新相和母相間存在不同的界面（相界面特殊）1.共格界面5/8/2023第18頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第二節金屬固態相變的主要特點一、新相和母相間存在不同的界面（相界面特殊）1.共格界面5/8/2023第19頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第二節金屬固態相變的主要特點一、新相和母相間存在不同的界面（相界面特殊）2.半共格界面5/8/2023第20頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第二節金屬固態相變的主要特點一、新相和母相間存在不同的界面（相界面特殊）3.非共格界面5/8/2023第21頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第二節金屬固態相變的主要特點一、新相和母相間存在不同的界面（相界面特殊）一般認為：錯配度小于0.05時兩相可以構成完全的共格界面錯配度大于0.25時易形成非共格界面錯配度介于0.05—0.25之間，易形成半共格界面5/8/2023第22頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第二節金屬固態相變的主要特點二、新相晶核與母相間的晶體學關系（有一定的位向關系、存在慣習面）在許多情況下，固態相變時新相與母相往往存在一定的位向關系，而且新相往往在母相一定的晶面上開始形成，這個晶面稱為慣習面。通常以母相的晶面指數表示。例如K-S關系。鋼中發生由A向M轉變時，A的密排面{111}與M的密排面{110}相平行；A的密排方向<110>與M的密排方向<111>相平行，這種位向關系稱為K-S關系。5/8/2023第23頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第二節金屬固態相變的主要特點二、新相晶核與母相間的晶體學關系（有一定的位向關系、存在慣習面）當新相與母相間為共格或半共格相界面時必然有一定的位向關系，若無一定的位向關系，則兩相界面必定是非共格界面。但是，有時兩相之間雖然有一定的位向關系，也未必都具有共格或半共格界面，這可能是在新相長大過程中其界面的共格或半共格性已遭破壞所致。5/8/2023第24頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第二節金屬固態相變的主要特點三、相變阻力大（應變能的產生）固態相變時，由于新相與母相的比體積不同，使新相形成時發生的體積變化受母相的約束而引起彈性畸變，產生畸變能。共格、半共格界面兩側原子的錯配也會產生應變能。界面能和應變能均是相變的阻力，因此固態相變的相變阻力比較大。5/8/2023第25頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第二節金屬固態相變的主要特點三、相變阻力大（應變能的產生）新相形狀與相對應變能的關系5/8/2023第26頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第二節金屬固態相變的主要特點三、相變阻力大（應變能的產生）界面共格時：界面能，彈性應變能界面不共格時：盤(片)狀新相：界面能，彈性應變能球狀新相：界面能，彈性應變能5/8/2023第27頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第二節金屬固態相變的主要特點三、相變阻力大（應變能的產生）由上述可知，固態相變時的相變阻力應包括界面能和彈性應變能兩項。新相和母相的界面類型對界面能和彈性應變能的影響是不同的。當界面共格時，可以降低界面能,但使彈性應變能增大。當界面不共格時，盤(片)狀新相的彈性應變能最低，但界面能較高，而球狀新相的界面能最低，但彈性應變能卻最大。5/8/2023第28頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第二節金屬固態相變的主要特點三、相變阻力大（應變能的產生）固態相變時究竟是界面能還是彈性應變能起主導作用取決于具體條件。過冷度大，臨界晶核尺寸小，單位體積新相界面積大，界面能增加巨大，此時界面能起主導作用，兩相界面易取共格方式以降低界面能。過冷度小，臨界晶核尺寸大，界面能不起主導作用，易形成非共格界面．若兩相比容差較大，彈性應變能起主導作用，則形成盤（片）狀新相；若兩相比容差較小，彈性應變能作用不大，則形成球狀新相。5/8/2023第29頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第二節金屬固態相變的主要特點四、母相晶體缺陷的促進作用點…缺陷線…晶格畸變、自由能高，促進形核及相變。類型面…（思考：晶粒細化對相變的影響）形核功的大小均勻形核最大；空位形核次之；位錯形核更次之；晶界非均勻形核最小。5/8/2023第30頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第二節金屬固態相變的主要特點五、易出現過渡相（過渡相（中間亞穩相）的形成）固態相變阻力大，直接轉變困難協調性中間產物（過渡相）

＋Fe3C+(3Fe+C)例

M+Fe3C5/8/2023第31頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三節固態相變的形核一、均勻形核（能量條件）1.形核時的能量變化相變驅動力⑴化學自由能（ΔGv）ΔGv～T曲線隨成分變化5/8/2023第32頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三節固態相變的形核一、均勻形核（能量條件）1、形核時的能量變化相變阻力⑵界面能（γ，Sγ）取決于界面結構（與過冷度有關）

ΔT越大，晶核越小，Sγ大，共格/半共格

ΔT越小，晶核越大，Sγ小，非共格5/8/2023第33頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三節固態相變的形核一、均勻形核（能量條件）1、形核時的能量變化⑶彈性應變能(，V)相變阻力共格應變能：共格大，半共格小，非共格分類比體積差球狀最大體積應變能新相幾何形狀片狀最小針狀居中5/8/2023第34頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三節固態相變的形核一、均勻形核（能量條件）2、形核的能量條件形成球形晶核5/8/2023第35頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三節固態相變的形核一、均勻形核（能量條件）2、形核的能量條件臨界晶核半徑和形核功都是自由能差的函數，也隨過冷度（過熱度）而變化，過冷度增大，臨界晶核半徑和形核功都減小，新相形核幾率增大，新相晶核數量也增多，即相變容易發生，因此，只有在一定的溫度滯后條件下系統才能發生相變。5/8/2023第36頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三節固態相變的形核二、非均勻形核（能量條件）固態相變均勻形核的可能性很小，非均勻形核（依靠晶體缺陷）是主要的形核方式。5/8/2023第37頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三節固態相變的形核二、非均勻形核（能量條件）1、不同晶體缺陷對形核的作用能量高，降低ΔGmax⑴晶界形核結構混亂，降低易擴散、偏析，利于擴散相變新相/母相形成共格、半共格界面降低界面能5/8/2023第38頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三節固態相變的形核二、非均勻形核（能量條件）1、不同晶體缺陷對形核的作用⑴晶界形核非均勻形核類型：界面、界棱、界隅。5/8/2023第39頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三節固態相變的形核二、非均勻形核（能量條件）1、不同晶體缺陷對形核的作用⑴晶界形核非均勻形核類型：界面、界棱、界隅。界面：多晶體中兩個相鄰晶粒的邊界。界面形核時一個界面提供給晶核。界棱：多晶體中三個晶粒的共同交界是一條線。界棱形核時三個界面提供給晶核。界隅：多晶體中四個晶粒的共同交界是一個點。界偶形核時六個界面提供給晶核。晶界形核時的能量：提供的能量：界面<界棱<界隅需要的形核功：界面<界棱<界隅<均勻形核5/8/2023第40頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三節固態相變的形核二、非均勻形核（能量條件）1、不同晶體缺陷對形核的作用⑴晶界形核非均勻形核類型：界面、界棱、界隅。為了減小晶核表面積，降低界面能，非共格形核時各界面均呈球冠形。界面、界棱和界隅上的非共格晶核應分別呈雙凸透鏡片、兩端尖的曲面三棱柱體和球面四面體等形狀。5/8/2023第41頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三節固態相變的形核二、非均勻形核（能量條件）1、不同晶體缺陷對形核的作用⑵位錯形核新相生成處位錯消失，能量釋放，提高驅動力……位錯不消失，可作為半共格界面的形成部分易于發生偏聚（氣團），有利于成分起伏易于擴散，有利于發生擴散型相變5/8/2023第42頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三節固態相變的形核二、非均勻形核（能量條件）1、不同晶體缺陷對形核的作用⑵位錯形核根據估算，當相變驅動力甚小而新相和母相之間的界面能約為2*10-5J/cm2時，均勻形核的形核率僅為10-70/(cm3*s)。如果晶體中位錯密度為108/cm，則由位錯促成的非均勻形核形核率高達108/(cm3*s)。可見，當晶體中存在較高密度位錯時，固態相變很難以均勻形核方式進行。5/8/2023第43頁，共49頁，2023年，2月20日，星期四第三節固態相變的形核二、非均勻形核（能量條件）1、不同晶體缺陷對形核的作用促進擴散新相生成處空位消失，提供能量⑶空位形核空位群可凝結成位錯（在過飽和固溶體的脫溶析出過程中，