固态相变绪论

固态相变

授课人：沈冬冬联系方式：教六楼6359室

1教学目的

本课程主要讲解材料中固态相变的驱动力、阻力、形核、长大的基础理论，在此基础上对各种类型的相变进行分析和讨论，主要目的是通过本课程的学习，使学生对各种材料的相变行为有比较系统的认识，并能将相变的基本理论和实际问题有机地联系起来，为新材料及材料加工新技术的研究与开发提供理论依据。使学生在今后的研究工作中具有较好的理论基础和较强的分析问题和解决问题的能力。2教学基本要求掌握固态原子扩散的宏观规律及扩散驱动力等基本知识；对于固态相变中的一般性问题，包括固态相变的形核、长大、粗化的热力学和动力学的基本理论，要求掌握；对于具体相变，包括扩散型相变(如脱溶析出、珠光体转变、块状转变等)及非扩散型相变(马氏体相变)的基本特征等基本问题，要求深入了解、认识；对于当前争论颇多、尚不完善的马氏体、贝氏体相变机理，要做基本了解。

3教材与参考书教材：刘宗昌、任慧平、宋义全编著，《金属固态相变教程》，冶金工业出版社，2003参考书：1.戚正风主编，《固态金属中的扩散与相变》，机械工业出版社，19982.陈景榕、李承基编著,《金属与合金中的固态相变》,冶金工业出版社，19973.D.A.波特、K.E.伊斯特林著，李长海、余永宁译，《金属和合金中的相变》，冶金工业出版社，1988

4教学内容绪论第一章扩散理论（简单复习）第二章固态相变基本规律第三章脱溶与时效第四章珠光体转变第五章马氏体转变第六章贝氏体转变5绪论

INTRODUCTION

金属材料的价值在于其使用性能的好坏。材料性能除了直接与材料的成分有关外，还与材料的组织和结构有关。对于成分一定的金属材料而言，可以通过相的转变使其组织和结构发生变化从而使性能得到改善。6一、什么是相及相变？

相是成分相同、结构相同、有界面同其他部分分隔的物质均匀组成部分；7

珠光体形貌像光镜下形貌电镜下形貌FFe3C相的概念8F晶体结构Fe3C晶体结构9相变相变是当外界约束（温度或压强）作连续变化时，在特定条件（温度或压强达到某定值）下，物相所发生质突变。10奥氏体的形成FFe3C未溶Fe3CA残余Fe3CAAAA形核A长大残余Fe3C溶解A均匀化11二、物相的突变体现在那些方面？（1）从一种结构变化为另一种结构，例如：液相——固相；固相中不同晶体结构之间的转变12奥氏体（A）铁素体（F）13（2）化学成分的不连续变化：例如固溶体的脱溶分解（3）某种物理性质的跃变：金属——非金属转变；顺磁体——铁磁体转变14三、相变解决什么问题？（1）相变为何会发生？（热力学、动力学问题）（2）相变是如何进行的？（相变机理——与扩散、切变、位错等相关的理论）15四、相变科学研究的发展关于相变科学研究开始于十九世纪的后半期。1、金属学家利用金相显微术对钢铁材料热处理中相变前后的各种显微组织（奥氏体、马氏体、珠光体）进行组织鉴定，初步掌握了钢铁中相变的一些经验规律。162、矿物学家对于石英等多种晶体进行了研究，发现同种化学成分可以对应不同的结构，而且他们之间有多形性转变的迹象。17

金刚石C60碳纳米管183、1878年吉布斯（J.W.Gibbs）发表了题为“论复相物质的平衡”的有名论文，对于复相平衡的热力学规律进行了全面的阐述，并且以高度的物理洞察力首次提出了有关相变动力学的一些基本概念。如新相的成核，光滑界面生长，匀相转变的可能性194、上个世纪初，塔曼（G.Tammann)及其合作者进行了相变的实验研究，在凝固过程中观察到成核的现象。5、二、三十年代，福尔默（M.Volmer）等建立完备的成核的经典理论6、四十年代末，夫兰克（F.C.Frank）提出界面微观形貌控制长大的理论，其中螺型位错露头处的台阶扮演重要角色。7、三，四十年代中期，迈尔（R.F.Mehl）等建立了扩散控制的新相长大和等温转变曲线理论20相变跨越多种学科领域，因而受到物理学家、化学家、金属学家、陶瓷学家和地质学家的关注。物理金属学者重点研究的是金属和合金中一级相变动力学，主要研究方法为光学和电子显微术和X射线与电子衍射。21常用措施热处理

－加热：温度、速度，保温时间－冷却：速度、方式

--环境：磁场、电场、力场原理：解决有哪些相变，相变条件、机理、特征工艺：解决如何实现这些相变从而达到预期的性能22掌握金属材料固态相变的规律，就可以采取措施（如特定的加热和冷却工艺）控制相变过程以获得所预期的组织和性能，从而使之具有所预期的性能，最大限度地发挥现有金属材料的潜力，并可以根据性能要求开发出新型材料。五、23相图表示了材料的成分、温度与最终平衡相之间的关系。

成分的变化决定了材料中组成相及其相对数量。组织取决于材料的组成相，不同的组成相对应的组织自然不相同，决定材料组织的还有这些组成相的数量、形状、大小和分布。

六、材料的组织与力学性能的关系24构成材料中的组成相的类型有：固溶体化合物纯金属为基体化合物为基体25固溶体类型ZXY间隙原子间隙固溶体置换固溶体置换原子YXZ26金属化合物化合物类型合金组元形成晶格类型与任一组元都不相同的新相正常价化合物——按化合价规律形成，如，Mg2Si间隙化合物——过渡金属+小半径非金属元素电子化合物——按电子浓度规律形成，如，Cu3Al{间隙相r非/r金0.59，如，WC、TiC、VC复杂结构的间隙化合物r非/r金0.59如，Fe3C、Cr23C6间隙化合物熔点高、硬度高，脆性大。27材料的组织与力学性能的关系

应用材料首先要达到必需的强度(硬度)，同时也要考虑相应的塑性。以下总结提高材料强度若干途径所应用的原理。提高材料的强度本质上是增加材料发生塑性变形的阻力。（塑性变形方式及滑移的本质？）

28（1）固溶强化：溶质原子进入溶剂的晶格中，无论是处在晶格的间隙，还是处在晶格节点的异类原子，都会造成一定的晶格畸变。利用溶质原子造成的晶格畸变，提高强度和硬度。

材料的组织与力学性能的关系29晶格畸变小原子置换引起的晶格畸变间隙原子引起的晶格畸变30α-Fe与γ-Fe的置换固溶和C、N在γ-Fe正八面体的间隙固溶造成点阵对称畸变—均匀强化。间隙溶质原子的应力场具有正应力分量，故与刃位错产生交互作用；与位错及其它晶体缺陷作用造成Cottrell气团等—非均匀强化。固溶强化：311、多晶体金属的晶粒通常是以大角度晶界相间界的，相邻的晶粒具有不同的晶体取向。当受拉力而产生塑性变形时，在Schmid（cosλcosφ）因子大的晶粒内位错源先开动，并沿一定晶面产生滑移和增殖。由于相邻晶粒的晶体取向不相同，以及晶界包含位错和异类原子，且具有一定的厚度，滑移到晶界前的位错便被晶界阻挡。故，一个晶粒的塑性变形就无法直接传播到相邻的晶粒中去只要进一步增加外力，使得邻近晶粒的位错启动。（2）细晶强化材料的组织与力学性能的关系

32表示屈服强度与晶粒尺寸关系的hell－path公式：33晶界处位错34晶粒度等级35材料的组织与力学性能的关系（3）第二相硬质点强化

第二相硬质点是指那些在韧性材料中存在的不易发生塑性变形的化合物，它们一般几乎不能发生塑性变形，在大的应力下将脆性断裂。在外力作用下，运动位错遇到第二相硬质点时的运动方式有两种，切割或绕过，都会增加运动阻力，可以提高材料的强度。

3637（4）位错强化位错强化也是金属材料中最有效地强化方式之一。金属材料流变应力以及屈服强度与位错密度ρ之间的关系为：式中α为比例系数。大量的研究工作指出立方金属多晶体α＝0.5。38加工硬化或形变强化金属塑性变形以后，流变应力随变形程度的增加而增加，要继续变形只有不断增加外力，这种现象称加工硬化或形变强化。产生强化的原因：（1）位错的交割及增殖3