固态相变概论

1、物理冶金学原理物理冶金学原理研究对象研究对象: :New MaterialsProcessing Innovations金属固态相变概论金属固态相变概论Introduction to Solid-State Phase Transformation of Metals相变及其对材料科学与工程的意义相变及其对材料科学与工程的意义相相 Phase相变相变 Phase Transformation or Transition 气气-固相变固相变（Condensation or Vapor Deposition） 液液-固相变固相变（Solidification） 固态相变固态相变（Solid-Sta

2、te Phase Transformation）一、固态相变及意义一、固态相变及意义控制材料组织结构、提高挖掘材料控制材料组织结构、提高挖掘材料性能的主要途径性能的主要途径加热时的加热时的及及固态相变固态相变冷却时的冷却时的及及相变相变固态相变亚稳组织的进一步固态相固态相变亚稳组织的进一步固态相变（过饱和固溶体的时效、马氏体变（过饱和固溶体的时效、马氏体的回火等）的回火等）Thermodynamically Stable StatesMetastable StatesRadical, Non-Equilibrium Processing of MaterialsControlled Secon

3、dary Processing for Required or Optimum Properties固态相变的分类固态相变的分类Classifications of Solid-State Phase Transformation 根据相变时热力学函数的变化：根据相变时热力学函数的变化：一级相变（一级相变（First Order Phase Transition）：）：相变时有体积变化及相变潜热释放的固态相变相变时有体积变化及相变潜热释放的固态相变 (物态变化及同素异构物态变化及同素异构)二级相变（二级相变（Second Order Phase Transition） ：相变时无体积变化、无相

4、变潜热，只有比热、相变时无体积变化、无相变潜热，只有比热、膨胀系数、压缩系数等的变化膨胀系数、压缩系数等的变化 （磁性转变、有序化、超导转变等）（磁性转变、有序化、超导转变等）固态相变的分类固态相变的分类Classifications of Solid-State Phase Transformation 根据相变时有无原子扩散：根据相变时有无原子扩散：扩散型相变（扩散型相变（Diffusive Phase Transformation）非扩散型相变非扩散型相变(Diffusionless Phase Transformation or Martensite Transformation)固态

5、相变热力学固态相变热力学Thermodynamics of Solid-State Phase Transformation固态相变的特点固态相变的特点Characteristics of Solid-State Phase Transformation 由于相变阻力大由于相变阻力大相变的过冷度一般很大相变的过冷度一般很大 固态相变都是非自法形核固态相变都是非自法形核 晶体缺陷（空位、位错、界面）对固态相晶体缺陷（空位、位错、界面）对固态相变形核、生长及固态相变组织与性能具有变形核、生长及固态相变组织与性能具有决定性影响决定性影响 新相与母相间往往存在严格的晶体学取向新相与母相间往往存在严格的

6、晶体学取向关系（关系（Habit Planes） 相变历程复杂，往往经历溶质偏析过渡相变历程复杂，往往经历溶质偏析过渡相析出稳定相析出及粗化等一系列过程相析出稳定相析出及粗化等一系列过程扩散性相变过程动力学扩散性相变过程动力学 存在形核的孕育期（存在形核的孕育期（Incubation Time） 转变量服从转变量服从Avrami方程方程 f = 1 exp(-k tn) C-曲线曲线固态相变动力学固态相变动力学Kinetics of Solid-State Phase Transformation固态相变动力学固态相变动力学Kinetics of Solid-State Phase Trans

7、formation典型的扩散型相变：过饱和固溶体典型的扩散型相变：过饱和固溶体的时效（沉淀析出）的时效（沉淀析出）Typical Diffusive Transformation：Aging of Supersaturated Solid Solution时效热力学时效热力学共格界面共格界面Coherent Interface 特点：特点：界面能很低界面能很低！但应变能较高！但应变能较高！a ab b沉淀析出第二相粒子的强化效果及沉淀析出第二相粒子的强化效果及强化机制与粒子尺寸的关系：强化机制与粒子尺寸的关系：Strengthening Effect and Mechanisms by Pre

8、cipitation Particles炮状沉淀或非连续沉淀：炮状沉淀或非连续沉淀：Cellular Precipitation or Discontinuous Precipitation过固溶体的调幅分解过固溶体的调幅分解一种特殊的沉淀析出转变一种特殊的沉淀析出转变Spinodal Decomposition过固溶体的调幅分解过固溶体的调幅分解一种特殊的沉淀析出转变一种特殊的沉淀析出转变Spinodal Decomposition马氏体转变无扩散型马氏体转变无扩散型转变或切变型转变转变或切变型转变Martensitic or Shear Transformation马氏体转变的条件：马氏体

9、转变的条件：1、冷却速度很高（高于、冷却速度很高（高于Vc），抑制了高温的），抑制了高温的扩散型相变扩散型相变2、亚稳相应力或应变诱发相变、亚稳相应力或应变诱发相变固态相变动力学固态相变动力学Kinetics of Solid-State Phase Transformation马氏体转变无扩散型马氏体转变无扩散型转变或切变型转变转变或切变型转变Martensitic or Shear Transformation钢中马氏体转变的意义钢中马氏体转变的意义钢中马氏体晶格常数与钢中马氏体晶格常数与C%的关系的关系马氏体马氏体 Martensite: 通过母相中原子的整体通过母相中原子的整体协调运动（协调运动（Military Movement）、以母相特定晶）、以母相特定晶面（惯析面）为基面通过共格面（惯析面）为基面通过共格（孪晶）方式转（孪晶）方式转变成的新相！变成的新相！马氏体转变的基本特征马氏体转变的基本特征低碳马氏体（位错马氏体）低碳马氏体（位错马氏体）高碳马氏体（片状马氏体）高碳马氏体（片状马氏体）高碳马氏体（片状马