第一章 金属固态相变概论

1、第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论 一、一、 平衡转变平衡转变 1. 同素异晶转变同素异晶转变 l 纯金属在一定的温度和压力下，由一种结纯金属在一定的温度和压力下，由一种结 构转变为另一种结构的现象称为构转变为另一种结构的现象称为同素异晶同素异晶 转变。转变。 l若在固溶体中发生这种结构的转变，则称若在固溶体中发生这种结构的转变，则称 为为多形性转变多形性转变。 F A 第一节第一节 固态相变的主要类型固态相变的主要类型 2 平衡脱溶转变平衡脱溶转变 l 高温过饱和固溶体高温过饱和固溶体缓缓 慢冷却慢冷却过程中析出第过程中析出第 二相的过程二相的过程 l 特点。特点。 u新相的新相

2、的成分和结构始终成分和结构始终 与母相的不同与母相的不同； u母相不会消失母相不会消失。 A Fe3CII 3 共析转变共析转变 合金冷却时，由一种母相同时合金冷却时，由一种母相同时析出两析出两 种不同固相种不同固相的过程称为共析转变。的过程称为共析转变。 4 有序化转变有序化转变 固溶体中，各组元的相对位置从无序过固溶体中，各组元的相对位置从无序过 渡到有序的过程，称为有序化转变。渡到有序的过程，称为有序化转变。 5 增幅分解增幅分解 由一种高温固溶体，由一种高温固溶体， 冷至某一温度范围，分解冷至某一温度范围，分解 为两种为两种与原固溶体结构相与原固溶体结构相 同，而成分不同同，而成分不同

3、的微区的的微区的 转变称为增幅分解转变称为增幅分解,可用反可用反 应式表示为应式表示为: 特点特点 ： l 新形成的微区之间新形成的微区之间无明显的界无明显的界 面和成分的突变面和成分的突变； l 通过通过上坡扩散上坡扩散，最终使均匀固，最终使均匀固 溶体变为不均匀固溶体。溶体变为不均匀固溶体。 l 无需驱动力无需驱动力，且进行的速度极，且进行的速度极 快快。 21 二、二、 非平衡转变非平衡转变 1. 伪共析转变伪共析转变 铁素体和渗碳铁素体和渗碳 体的相对量随奥氏体的相对量随奥氏 体的含碳量而变，体的含碳量而变， 故称为伪共析体。故称为伪共析体。 2. 马氏体相变马氏体相变 经经无扩散无扩

4、散过程形成的、过程形成的、与母相成分相同与母相成分相同的一的一 种组织。种组织。 3. 块状转变块状转变 在一定的冷速下奥氏体转变为在一定的冷速下奥氏体转变为与母相成分相与母相成分相 同而形貌呈块状同而形貌呈块状的的相的过程。相的过程。 4. 贝氏体相变贝氏体相变 由铁素体和渗碳体组成的由铁素体和渗碳体组成的非层片状非层片状组织。组织。 5. 非平衡脱溶转变非平衡脱溶转变 在等温条件下，由过饱和固溶体中析出第二相的在等温条件下，由过饱和固溶体中析出第二相的 过程。恒温下析出的过程。恒温下析出的相粒子保持相粒子保持细小、均匀分细小、均匀分 布布。 具有不同结构的两相之间的分界面称为具有不同结构的

5、两相之间的分界面称为“相界相界”。 按结构特点，相界面可分为按结构特点，相界面可分为： 共格相界共格相界 半共格相界半共格相界 非共格相界非共格相界 （1）共格相界）共格相界 所谓所谓共格共格是指界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，即两相的晶格是是指界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，即两相的晶格是 彼此衔接的，界面上的原子为两者共有。但是理想的完全共格界面，只有在孪晶彼此衔接的，界面上的原子为两者共有。但是理想的完全共格界面，只有在孪晶 界，且孪晶界即为孪晶面时才可能存在。界，且孪晶界即为孪晶面时才可能存在。 （2）半共格相界）半共格相界 若两相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大，则在相

6、界面上不可能做到完若两相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大，则在相界面上不可能做到完 全的全的-一对应，于是在界面上将产生一些位错，以降低界面的弹性应变能，这时一对应，于是在界面上将产生一些位错，以降低界面的弹性应变能，这时 界面上两相原子部分地保持匹配，这样的界面称为半共格界面或部分共格界面。界面上两相原子部分地保持匹配，这样的界面称为半共格界面或部分共格界面。 半共格相界上位错间距取决于相界处两相匹配晶半共格相界上位错间距取决于相界处两相匹配晶 面的错配度。错配度面的错配度。错配度 定义为定义为 式中式中a 和和b分别表示相界面两侧的分别表示相界面两侧的 相和相和 相相 的点阵常数，且的点

7、阵常数，且a a 。 0.05 - 共格界面共格界面 0.05 0.25 - 非共格界面非共格界面 1.相界面相界面 二、固态相变特点二、固态相变特点 l完全共格相界完全共格相界 l半共格相界半共格相界 l弹性畸变共格相界弹性畸变共格相界 l非共格相界非共格相界 2 惯习面和位向关系惯习面和位向关系 新相往往在母相的一定晶面上形成，该晶面即称新相往往在母相的一定晶面上形成，该晶面即称 为为惯习面惯习面。 马氏体在奥氏体的(111)上形成， (111)既是 惯习面。 惯习面可能是原子移动最小距离就能形成新相的惯习面可能是原子移动最小距离就能形成新相的 面。面。 新相和母相之间的晶面和晶向往往存在

8、一定的位新相和母相之间的晶面和晶向往往存在一定的位 向关系，以减小两相间的界面能。向关系，以减小两相间的界面能。 马氏体与奥氏体的晶体学关系：马氏体与奥氏体的晶体学关系： 011 / 111 / l 完全共格相界的应变能完全共格相界的应变能 当当沉淀相的切变模量沉淀相的切变模量较小较小时，球状沉淀相的应时，球状沉淀相的应 变能最大，柱状次之，片状最小，若只考虑应变变能最大，柱状次之，片状最小，若只考虑应变 能，则能，则新相倾向于呈片状析出新相倾向于呈片状析出； 当当沉淀相的切变模量沉淀相的切变模量较大较大时，片状沉淀相的应时，片状沉淀相的应 变能最大，柱状次之，球状最小，若只考虑应变变能最大，

9、柱状次之，球状最小，若只考虑应变 能，则能，则新相倾向于呈球状析出新相倾向于呈球状析出。 3.第二相的形状第二相的形状 与应变能的关系与应变能的关系 比容差应变能比容差应变能-新相形成时体积变化受到母相约束而产生的弹性应变能新相形成时体积变化受到母相约束而产生的弹性应变能 比容比容比重比重 l非共格相界的应变能非共格相界的应变能 新相呈球状时，体积新相呈球状时，体积 应变能最大；针状次应变能最大；针状次 之；片状时最低。之；片状时最低。 新相母相相界为新相母相相界为非非 共格界面时共格界面时，考虑到，考虑到 降低相变时的应变能，降低相变时的应变能， 新相往往呈片状。新相往往呈片状。 4.晶体缺

10、陷的作用晶体缺陷的作用 大多固态相变的形核功较大，晶内存在的大多固态相变的形核功较大，晶内存在的 缺陷对固态相变具有明显的促进作用。缺陷对固态相变具有明显的促进作用。 5.形成亚稳相形成亚稳相 减少相变阻力减少相变阻力 三、固态相变的形核三、固态相变的形核 1. 经典形核理论简介经典形核理论简介 l 在未饱和蒸汽中是不在未饱和蒸汽中是不 可能形成液滴的；可能形成液滴的； l 即使在过饱和的蒸汽即使在过饱和的蒸汽 中，也只有半径超过中，也只有半径超过 的液滴才能是体系的液滴才能是体系 的自由能降低，相变的自由能降低，相变 的阻力为增加的界面的阻力为增加的界面 能能 。 r s G 称称r为临界晶

11、核半径，为临界晶核半径， 相应的相应的G为形核功为形核功 G。 按照按照Gibbs理论，只有理论，只有 当当 ，使得，使得 的晶坯的晶坯 才能稳定地生长。才能稳定地生长。 () 0 r r G r 2 rr GGkT 2. 固态相变的均匀形核固态相变的均匀形核 设新相晶核的原子数为设新相晶核的原子数为n，则形成新相时的，则形成新相时的 自由能变化为自由能变化为 为每个原子母相转变为新相时的自由为每个原子母相转变为新相时的自由 能变化；能变化； 为晶核的形状因子；为晶核的形状因子； Es为单位面积界面能；为单位面积界面能； E为新相晶核每个原子的应变能。为新相晶核每个原子的应变能。 2 3 Vs

12、 Gn Gn EnE V G 由由 ，可求得，可求得 1）、E的减小，均使形核功降低，从而有的减小，均使形核功降低，从而有 利于形核。利于形核。 2）若新相）若新相/母相的界面为母相的界面为共格或半共格界面共格或半共格界面， 由于界面能较低，影响形核功的主要因素为新由于界面能较低，影响形核功的主要因素为新 相的应变能。为降低应变能，相的应变能。为降低应变能，新相趋向于呈片新相趋向于呈片 状或针状。状或针状。 3）若新相）若新相/母相的界面为母相的界面为非共格界面非共格界面，由于界，由于界 面能较高，影响形核功的主要因素为新相面能较高，影响形核功的主要因素为新相/母相母相 界面面积。为减小界面面

13、积，界面面积。为减小界面面积，新相趋向于呈球新相趋向于呈球 状。状。 () 0 n n G n 3 8 9() s V E n GE 33 2 4 27 () V G GE 4）由于固态相变时，相变阻力较大，为）由于固态相变时，相变阻力较大，为 减小形核功，需使新相和母相间的自由能减小形核功，需使新相和母相间的自由能 差增大，这就需要增加相变的过冷度，所差增大，这就需要增加相变的过冷度，所 以以固态相变时的过冷度均较大固态相变时的过冷度均较大，特别是无，特别是无 扩散相变时过冷度甚至达到了几百度。扩散相变时过冷度甚至达到了几百度。 3. 形核率形核率 为无量纲常数，数值在为无量纲常数，数值在0

14、.55之间。之间。 exp()exp() G NzN kTt 1 22 2 1() 2 n n G z kTn 非平衡因子非平衡因子 为为Feder孕核期孕核期 2 2 2 () n n kT G n 4. 固态相变的非均匀形核固态相变的非均匀形核 为母相在晶界上消失的原子数，为母相在晶界上消失的原子数， 为为 这部分原子所构成界面的面积；这部分原子所构成界面的面积；、分分 别为别为/、/单位面积界面能。单位面积界面能。 22 33 V Gn GnnEn n 2 3 n （1）晶界形核）晶界形核 新相新相在三晶粒相在三晶粒相 交的棱边上形核交的棱边上形核 新相新相在在/晶界上形核晶界上形核 新

15、相新相在四晶粒相交的隅角上形核在四晶粒相交的隅角上形核 （2）位错形核）位错形核 刃型位错比螺型位错更为有利；刃型位错比螺型位错更为有利； 较大柏氏矢量的位错促进形核的作用更为有效；较大柏氏矢量的位错促进形核的作用更为有效； 在位错结和位错割阶处易于形核；在位错结和位错割阶处易于形核； 单独位错比亚晶界上的位错对形核更为有效；单独位错比亚晶界上的位错对形核更为有效； 小角度晶界或亚晶界上惯习面选择性形核；小角度晶界或亚晶界上惯习面选择性形核； （3）其它缺陷形核）其它缺陷形核 基体中出现层错，使结构近于沉淀相就容易促基体中出现层错，使结构近于沉淀相就容易促 使沉淀相形核。使沉淀相形核。 四、固

16、态相变的晶核长大四、固态相变的晶核长大 新相晶核一旦形成后，将按照其自身相变新相晶核一旦形成后，将按照其自身相变 的需要，采取一定的方式长大。的需要，采取一定的方式长大。 若新相的成分不同于母相，则其长大的过若新相的成分不同于母相，则其长大的过 程必然伴随原子的迁移，扩散型相变、珠程必然伴随原子的迁移，扩散型相变、珠 光体相变、脱溶分解、贝氏体相变等均伴光体相变、脱溶分解、贝氏体相变等均伴 有这种传质过程；有这种传质过程； 若新相成分与母相的相同，例如马氏体相若新相成分与母相的相同，例如马氏体相 变，则只需结构改变，而无需原子的迁移。变，则只需结构改变，而无需原子的迁移。 晶面能较小的晶面，晶

17、面能较小的晶面，其法线方向的长大速其法线方向的长大速 率较小，将率较小，将在长大过程中扩展；在长大过程中扩展； 晶面能较大的晶面，晶面能较大的晶面，其法线方向的长大速其法线方向的长大速 率反而较大，将率反而较大，将在长大过程中收缩，以致在长大过程中收缩，以致 消失。消失。 新相晶核的长大实质上是界面向母相新相晶核的长大实质上是界面向母相 方向的迁移；方向的迁移； （1）半共格界面的迁移）半共格界面的迁移 （2）非共格界面的迁移）非共格界面的迁移 l 扩散控制型长大扩散控制型长大 长大速率与原子的扩散系长大速率与原子的扩散系 数、新相数、新相/母相界面上母母相界面上母 相一侧的浓度梯度成正比，相

18、一侧的浓度梯度成正比， 而与新相与母相间的浓度而与新相与母相间的浓度 差成反比。差成反比。 温度下降，溶质在母相中温度下降，溶质在母相中 的扩散系数急剧减小，故的扩散系数急剧减小，故 新相的长大速率降低。新相的长大速率降低。 0 x x dxDC G dCCx l 晶界控制型长大晶界控制型长大 1）过冷度较小时过冷度较小时，两相的自由能差极小，两相的自由能差极小 界面迁移速率与两相的自由能差成正比，界面迁移速率与两相的自由能差成正比， 随随温度降低，两相的自由能差增大，新相温度降低，两相的自由能差增大，新相 长大速率增加；长大速率增加； exp()1exp() V QG v kTkT 界面迁移速率界面迁移速率 V GkT exp() V GQ v kTkT 2）过冷度较大时过冷度较大时 随随温度降低，界面迁移速率减小，新相长大温度降低，界面迁移速率减小，新相长大 速率随之下降。速率随之下降。 exp()1exp() V QG v kTkT V GkTexp()0 V G kT exp() Q v kT 五、固态相变动力学五、固态相变动力学 研究新相形成量与时间、温度关