材料科学基础第8章固态相变

1、第8章固态相变机电工程学院严芳芳固态相变 温度、压力、电场、磁场 组织结构转变为另一种组织结构三种变化 1.晶体结构 2.化学成分 3.有序度材料学习惯上分为： 1.扩散型 2.非扩散型驱动力：新相和母相的自由能差；过程：形核和核长大。第一节 固态相变的特点 相变阻力大相变阻力大 界面能增加界面能增加额外弹性应变能额外弹性应变能固态相变扩散困难（新、旧相化学成分不同时）固态相变扩散困难（新、旧相化学成分不同时）原子做弹性位移所需要的能量化学键的数量和强度、化学成分界面能化学能：化学能：应变能：应变能：一一 固态相变的特点固态相变的特点1.相界面共格界面共格界面 半共格界面半共格界面 非共格界面

2、非共格界面 共格界面：共格界面：弹性应变能大，界面能最小弹性应变能大，界面能最小 半共格界面半共格界面 ：居中居中 非共格界面：非共格界面：弹性应变能小，界面能最大弹性应变能小，界面能最大2.位向关系减小界面能：低指数，原子密度大，匹配较佳的晶面互相平行。 非共格界面没有确定位向关系。3.惯习现象惯习现象 * 新相沿新相沿特定的晶向特定的晶向在母相在母相特定晶面特定晶面上形成。上形成。 惯习方向惯习方向 （母相）（母相） 惯习面惯习面 原因：沿应变能最小的方向和界面能最低的界原因：沿应变能最小的方向和界面能最低的界面发展面发展。 4 母相晶体缺陷促进相变母相晶体缺陷促进相变 点点 缺陷类型缺陷

3、类型 线线 晶格畸变、自由能高，促进形核及相变。晶格畸变、自由能高，促进形核及相变。 面面 5 易出现过渡相易出现过渡相* 固态相变阻力大，直接转变困难固态相变阻力大，直接转变困难 协调性中间产物（过渡相）协调性中间产物（过渡相） Fe3C +(3Fe+C) 例例 M +Fe3C6.应变能比体积差应变能：盘状针状球状相变阻力：界面能和应变能。共格和半共格：应变能非共格：界面能二二 固态相变的分类固态相变的分类1 按相变过程中原子迁移情况按相变过程中原子迁移情况 （1）扩散型：依靠原子的长距离扩散；相界面非共格。）扩散型：依靠原子的长距离扩散；相界面非共格。 （如珠光体、奥氏体转变，（如珠光体、

4、奥氏体转变，Fe,C都可扩散。都可扩散。（2）非扩散型：旧相原子有规则地、协调一致地通过）非扩散型：旧相原子有规则地、协调一致地通过 切变转移到新相中；相界面共格、原子间的相邻切变转移到新相中；相界面共格、原子间的相邻 关系不变；化学成分不变。关系不变；化学成分不变。 （如马氏体转变，（如马氏体转变，Fe,C都不扩散。）都不扩散。）（3）半扩散型：既有切变，又有扩散。）半扩散型：既有切变，又有扩散。 （如贝氏体转变，（如贝氏体转变，Fe切变，切变，C扩散。）扩散。） 2 按相变方式分类按相变方式分类 （1）有核相变：有形核阶段，新相核）有核相变：有形核阶段，新相核心可均匀形成，也可择优形成。大

5、多数固心可均匀形成，也可择优形成。大多数固态相变属于此类。态相变属于此类。 （2）无核相变：无形核阶段，以成分）无核相变：无形核阶段，以成分起伏作为开端，新旧相间无明显界面，如起伏作为开端，新旧相间无明显界面，如调幅分解。调幅分解。 二二 固态相变的分类固态相变的分类 3 按热力学函数变化分类按热力学函数变化分类 （1）一级相变：相变时两相的化学位相等，）一级相变：相变时两相的化学位相等，而化学位对温度及压力的一阶偏微分（而化学位对温度及压力的一阶偏微分（S,V）不等的相变。伴随潜热的释放和体积的改变。如不等的相变。伴随潜热的释放和体积的改变。如蒸发、升华、熔化以及大多数固态晶型转变属于蒸发、

6、升华、熔化以及大多数固态晶型转变属于此类。此类。 （2）二级相变：相变时两相的化学位相等，）二级相变：相变时两相的化学位相等，化学位的一阶偏微分也相等，但二阶偏微分不相化学位的一阶偏微分也相等，但二阶偏微分不相等的相变。没有相变潜热和体积改变，有比容、等的相变。没有相变潜热和体积改变，有比容、压缩系数、膨胀系数变化，如磁性转变、有序压缩系数、膨胀系数变化，如磁性转变、有序无序转变、超导转变等属于此类。无序转变、超导转变等属于此类。三三 常见固态相变类型常见固态相变类型 相变名称 相变特征同素异构转变同素异构转变 同一种元素通过形核与长大发生晶体结构的变化同一种元素通过形核与长大发生晶体结构的变

7、化多型性转变多型性转变 合金中晶体结构的变化合金中晶体结构的变化脱溶转变脱溶转变 过饱和固溶体脱溶分解出亚稳定或稳定的第二相过饱和固溶体脱溶分解出亚稳定或稳定的第二相共析转变共析转变 一个固相转变为两个结构不同的固相一个固相转变为两个结构不同的固相包析转变包析转变 两个不同结构的固相转变为一个新的固相，组织中一般两个不同结构的固相转变为一个新的固相，组织中一般 有某相残余有某相残余马氏体转变马氏体转变 新旧相之间成分不变、切变进行、有严格位向关系、有新旧相之间成分不变、切变进行、有严格位向关系、有 浮凸效应浮凸效应贝氏体转变贝氏体转变 兼具马氏体和扩散转变的特点，借助铁的切变和碳的扩兼具马氏体

8、和扩散转变的特点，借助铁的切变和碳的扩 散进行散进行调幅分解调幅分解 非形核转变，固溶体分解成结构相同但成分不同的两相非形核转变，固溶体分解成结构相同但成分不同的两相有序化转变有序化转变 合金元素原子从无规则排列到有规则排列，担结构不变。合金元素原子从无规则排列到有规则排列，担结构不变。第二节 固态相变的形核与长大无扩散性相变：非热形核或变温形核扩散型相变：典型的形核 固态相变形核： 均匀形核 非均匀形核第二节 固态相变的形核与长大 一一 均匀形核（能量条件）均匀形核（能量条件） 1 形核时的能量变化形核时的能量变化 相变驱动力相变驱动力（1）化学自由能（体积自由能，）化学自由能（体积自由能，

9、Gv） GvT曲线随成分变化曲线随成分变化第二节 固态相变的形核与长大 一一 均匀形核（能量条件）均匀形核（能量条件） 1 形核时的能量变化形核时的能量变化 相变阻力相变阻力 （2）界面能（）界面能（ ，S ） 取决于界面结构取决于界面结构 T越大，晶核越小，越大，晶核越小， 共格共格/半共格半共格 :盘状或片盘状或片状状 （与过冷度有关）（与过冷度有关） T越小，晶核越大，越小，晶核越大， 非共格：球状或等轴状非共格：球状或等轴状第二节 固态相变的形核与长大 一一 均匀形核（能量条件）均匀形核（能量条件） 2 形核的能量条件形核的能量条件GVGv+S + V 0第二节 固态相变的形核与长大

10、二二 非均匀形核（能量条件）非均匀形核（能量条件） 固态相变均匀形核的可能性很小，非均匀形核（依固态相变均匀形核的可能性很小，非均匀形核（依靠晶体缺陷）是主要的形核方式。靠晶体缺陷）是主要的形核方式。第二节 固态相变的形核与长大 二二 非均匀形核（能量条件）非均匀形核（能量条件）1 不同晶体缺陷对形核的作用不同晶体缺陷对形核的作用 能量高，降低能量高，降低GK（1）晶界形核）晶界形核 结构混乱，降低结构混乱，降低 易扩散、偏析，利于扩散相变易扩散、偏析，利于扩散相变 新相新相/母相形成共格、半共格界面母相形成共格、半共格界面降降 低界面能低界面能第二节 固态相变的形核与长大 1 不同晶体缺陷对

11、形核的作用不同晶体缺陷对形核的作用（2）位错形核）位错形核新相生成处位错消失，能力释放，提高驱动力新相生成处位错消失，能力释放，提高驱动力位错不消失，可作为半共格界面的形成部分位错不消失，可作为半共格界面的形成部分易于发生偏聚，有利于成分起伏易于发生偏聚，有利于成分起伏易于扩散，有利于发生扩散型相变易于扩散，有利于发生扩散型相变第二节第二节 固态相变的形核与长大固态相变的形核与长大 二二 非均匀形核（能量条件）非均匀形核（能量条件） 1 不同晶体缺陷对形核的作用不同晶体缺陷对形核的作用 促进扩散促进扩散（3）空位形核）空位形核 新相生成处空位消失，提供能量新相生成处空位消失，提供能量 空位群可

12、凝结成位错空位群可凝结成位错 （过饱和固溶体的脱溶析出过程中，（过饱和固溶体的脱溶析出过程中， 空位作用更明显。）空位作用更明显。）第二节 固态相变的形核与长大 二二 非均匀形核（能量条件）非均匀形核（能量条件） 2 非均匀形核的能力变化非均匀形核的能力变化 G-VGv+S + V -GDGD晶体缺陷导致系统降低的能量。晶体缺陷导致系统降低的能量。 第三节 固态相变的晶核长大 1 长大机制长大机制 切变长大切变长大（1）半共格界面）半共格界面 台阶式长大台阶式长大 原子直接迁移原子直接迁移（2）非共格界面）非共格界面 原子迁移至新相台阶端部原子迁移至新相台阶端部 第二节 固态相变的形核与长大

13、三三 晶核的长大晶核的长大 2 新相长大速度新相长大速度 新相生成时无成分变化（有结构、有序度变新相生成时无成分变化（有结构、有序度变化）化） （1） 界面控制长大界面控制长大 u=exp(-Q/kT)1-exp(-Gv/kT) 新相生成时有成分变化新相生成时有成分变化（2）扩散控制长大）扩散控制长大 u=dx/dt=( C / x)D/(C -C ) 第二节 固态相变的形核与长大 三三 晶核的长大晶核的长大 （3）相变动力学）相变动力学 f=1-exp(-btn)2h第三节 过饱和固溶体的分解 一一 脱溶（时效）转变脱溶（时效）转变1 概念：脱溶转变概念：脱溶转变2 脱溶转变过程脱溶转变过程 相的名称形貌尺寸结构点阵常数共格关系相的名称形貌尺寸结构点阵常数共格关系强化作用强化作用3 脱溶动力学脱溶动力学 第三节 过饱和固溶体的分解 二二 调幅分解调幅分解 1 概念：调幅分解概念：调幅分解2 调幅分解的热力学条件和决定因素调幅分解的热力学条件和决定因素3 调幅分解的特点调幅分解的特点 第三节 过饱和固溶体的分解 二二 调幅分解调幅分解 1 概念：调幅分解概念：调幅分解2 调幅分解的热力学条件和