材料科学与工程专业《金属热处理原理及工艺》课件第二章 金属固态

第二章金属固态相变基础2.1金属固态相变概述2.2金属固态相变热力学2.3金属固态相变的形核2.4金属固态相变的长大2.5金属固态相变动力学返回下一页上一页

本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT相：体系中具有相同成分、结构和性质的均匀部分称为相，不同相之间有明显的界面分开。相变：

随外界条件的变化(温度)，体系中新相取代旧相的过程。固态相变：固态金属及合金在温度及压力改变时，组织及结构发生的变化2.1金属固态相变概述一、相变分类1.按热力学分类(1)一级相变对新、旧相α和β，有：μα=μβSα≠SβVα≠Vβ说明一级相变有相变潜热和体积变化。材料凝固、熔化、升华、同素异构转变均为一级相变。固态相变大部分为一级相变。2.1金属固态相变概述一、相变分类1.按热力学分类(2)二级相变对新、旧相α和β，有：

μα=μβSα＝SβVα＝Vβ

2.1金属固态相变概述化学势一级偏微商相等等压比热：Cα≠Cβ等温压缩系数：Kα≠Kβ

等压膨胀系数：λα≠λβ化学势二级偏微商不等因此：无相变潜热和体积变化，而比热、压缩系数、膨胀系数是变化的。如材料有序化转变、磁性转变、超导转变等。2.按平衡状态图分类

(1)平衡相变同素异构转变和多形性转变

平衡脱溶沉淀

一、相变分类AB+LⅠT固溶体纯金属共析相变如珠光体转变。由一个固相分解为两个固相的转变。调幅分解αα1+α2高温合金单相固溶体在冷却到某一温度分解为两个结构相同成分不同两相有序化转变无序有序原子在晶体中相对位置由无序到有序转变，使其电、磁、物理、机械性能变化。如：Cu-Zn,Cu-Au,Mn-Ni,Fe-Ni,Ti-Ni合金等。(2)非平衡相变加热或冷却速度快，使无限缓慢的平衡相变被抑制，产生不平衡相变。伪共析相变马氏体相变贝氏体相变非平衡脱溶转变2.按平衡状态图分类

(1)平衡相变

一、相变分类AB+LⅠT3.按原子迁移情况分类（1）扩散型相变温度足够高、原子活动能力足够强、时间足够长情况下发生的相变。特点：相变过程有原子扩散，相变速率受原子扩散速度控制；新、旧相成分不同；新、旧相比容不同引起体积变化，但宏观形状不变。如：同素异构转变、脱溶转变、共析转变、调幅分解、有序化转变、珠光体转变等一、相变分类（2）非扩散型相变相变过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子运动是协调一致的。原子只作有规则的迁移以使晶体点阵重组，原子迁移范围有限不超过一个原子间距。如：淬火马氏体相变

特点：存在均匀切变引起宏观变形；相变无扩散，新、旧相化学成分相同；新、旧相之间存在一定晶体学取向关系；相变速度快。3.按原子迁移情况分类（1）扩散型相变

一、相变分类4.按相变方式分类(1)有核相变

形核----长大方式进行相变。

(2)无核相变

条件：可以以成分起伏或能量起伏为开始，直接长大形成新相过程。如：调幅分解以成分起伏为开始，进行上坡扩散，形成两个成分不同的新相；

马氏体相变以能量起伏为开始，靠共格切变直接长大形成新相过程。一、相变分类小结结：：相变变的的实实质质，，是是相相结结构构、、成成分分或或有有序序化化程程度度发发生生变变化化，，相变变可可以以兼兼有有上上述述相相变变类类型型的的一一种种或或几几种种。。如：：马氏氏体体相相变变是非非扩扩散散相相变变、、（新新旧旧相相成成分分相相同同、、结结构构不不相相同同））珠光光体体相相变变是扩扩散散相相变变、、（新新旧旧相相成成分分不不相相同同、、结结构构不不相相同同））一、、相相变变分分类类思考考：：同同素素异异构构转转变变，，脱脱溶溶转转变变（（平平衡衡、、非非平平衡衡）），，伪共析相相变，贝贝氏体相相变，奥氏体转转变，调调幅分解解等各属于什什么相变变类型？？非平衡相相变、无核相变变；平衡相变变、有核相变变；二、金属属固态相相变主要要特点1.相界界面特殊殊（新相相和母相相间存在在不同的的界面））(1)共共格界面面新、旧相相的晶体体结构、、点阵常常数相同同；或有有差异但但存在一一组特定定晶体学学平面可可使两相相原子之之间产生生完全匹匹配。旧相新相特点：界面能小小，弹性性畸变能能大(2)半半共格界界面新、旧相相之间存存在少量量位错，，除此之之外的晶晶体结构构和点阵阵常数均均能使两两相原子子之间产产生完全全匹配。。新、旧相相间错配配度δ=|ααβ-αα|/αα小，共格格关系大，半共共格关系系很大，非非共格关关系1.相相界面特特殊（新新相和母母相间存存在不同同的界面面）(3)非非共格界界面新、旧相相界面处处原子排排列差别别很大,两原子子之间匹匹配关系系不再维维持,为为非共格格界面。。1.相相界面特特殊（新新相和母母相间存存在不同同的界面面）特点：界面能大大，弹性性畸变能能小界面能：：非共格格>半共共格>共共格弹性畸变变能：非非共格<半共格格<共格格2.新新旧相之之间存在在一定位位向关系系与惯习习面新、旧相相之间存存在一定定位向关关系,并并且新相相往往在在旧相的的一定晶晶面上开开始形成成,这个个晶面称称为惯习习面.惯习面和和位向关关系的区区别：惯习面指指母相的的某一主主平面；；位向关系系指新相相的某些些晶面、、晶向∥∥旧相的的某些晶晶面、晶向向若两相间间为（半半）共格格界面→但反过来来不成立立若无取向向关系→二、金属属固态相相变主要要特点1.相相界面特特殊（不同类类型，具具有不同同界面能能和应变变能）有取向关关系必为非共共格界面面2.新新旧相之之间存在在一定位位向关系系与惯习习面二、金属属固态相相变主要要特点1.相相界面特特殊3.相相变阻阻力大相界面上上原子强强制匹配配引起的的弹性应应变能共格＞半半共格＞＞非共格格新、旧相相比容差差弹性应应变能弹性应变变能和界界面能共共同构成成金属发发生固态态相变的的阻力（不同类类型，具具有不同同界面能能和应变变能）（弹性应应变能作作用）新相形状状与弹性性应变能能之间关关系4.易出出现过渡渡相（降降低形核核功）在有些情情况下，，固态相相变不能能直接形形成自由由能最低低的稳定定相，而而是经过过一系列列的中间间阶段，，先形成成一系列列自由能能较低的的过渡相相（又称称中间亚稳稳相），然后后在条件件允许时时才形成成自由能能最低的的稳定相相．相变变过程可可以写成成：母相―→→较不稳稳定过渡渡相―→→较稳定定过渡相相―→稳稳定相应特别指指出：温温度越低低时，固固态相变变的上述述特点越越显著。。过渡相的的出现有有利于减减小固态态相变的的阻力。。如：铁碳碳合金中中γ分解解时γ→M→→αα＋Fe3CFe3C→Fe＋CM，Fe3C为过渡渡相二、金属属固态相相变主要要特点5.母相相晶体缺缺陷的促促进作用用晶态固体体中的空空位、位位错、晶晶界等缺缺陷周围围因点阵阵畸变而而储存一一定的畸畸变能。。新相极极易在这这些位置置非均匀匀形核。。它们对对晶核的的长大过过程也有有一定的的影响。。通常，固固态相变变时，母母相中晶晶体缺陷陷起促进进作用。。新相优优先在晶晶体缺陷陷处形核核。二、金属属固态相相变主要要特点（提供驱驱动力））6.原原子的扩扩散（原原子迁移移率低））固态相变变中，成成分的改改变必须须通过组组元的扩扩散才能能完成，，此时扩扩散成为为相变的的控制因因素，而而固态金金属中原原子的扩扩散系数数，即使使在熔点点附近也也仅为液液态的十十万分之之一，所所以固态态相变的的转变速速率很慢慢，可以以有很大大的过冷冷度。随随着温度度降低，，过冷度度增大，，形核率率增高，，相变驱驱动力增增大，但但同时原原子扩散散系数降降低。这这一对矛矛盾运动动的结果果，就有有可能使使相变后后得到的的组织变变细。二、金属固固态相变主主要特点二、金属固固态相变主主要特点1.相界界面特殊2.新旧相相之间存在在一定位向向关系与惯惯习面3.相变变阻力大（（弹性应变变能作用））4.易于于形成过渡渡相5.母相相晶体缺陷陷对相变起起促进作用用6.原子子的扩散（（扩散控制制相变过程程）（提供驱动动力）（降低形核核功）（不同类型型，具有不不同界面能能和应变能能）2.2金属属固态相变变热力学一、相变驱驱动力γ→α转变，只只有在T＜＜T0时才能够进进行，即过过冷。（问题，αα→γγ相变在在何条件下下方可进行行？）GT℃T0GαGγGγ→α>0Gγ→α<0αγ∵Gγ→α=Gα-Gγ＜0过热二、相变势势垒要使γ向αα转变能能够进行还必须越过过△g的势势垒因此相变条条件：△G＜0克服△g的的势垒（能量起伏伏)返回下一页上一页本章首页金属热处理理原理及工工艺,SMSE,CUMTG状态Ⅰ状态ⅡΔgγαGγ→α——原子间间的引力2.3金金属固态相相变的形核核一、均匀形形核金属结晶均均匀形核＞＞形核自由能能变化临界晶核半半径：临界形核功功形核率假设晶核为为球形自由能差界面能应变能2.3金金属固态相相变的形核核二、非均匀匀形核①界面形核核②位错形核核③空位形核核缺陷提供的相变驱动力固态相变中中均匀形核核几乎不可可能，大多多为非均匀匀形核。1.晶界形形核晶界类型：：界面、界界棱、界隅隅晶界形核时时的能量变变化提供的能量量：需要的形核核功：界隅形核的的最容易，，但界隅占占的体积分分数最小，，数量最多的的界面形核核的贡献最最大。二、非均匀匀形核Ⅳ界面<界棱棱<界隅界隅<界棱棱<界面<均匀形核核2.位错形形核位错促进形形核。位错线上形形核，位错错线消失释释放能量，，降低形核核功。位错线不消消失，成为为半共格界界面中的位位错部分，，降低形核核功。溶质原子在在位错上偏偏聚，满足足新相形核核的成分起起伏。扩散的短路路通道，↘↘Q，加速速形核。二、非均匀匀形核3.空位及及空位集团团形核空位及空位位集团促进进形核。释放能量提提供成核驱驱动力凝聚成位错错加速扩散过过程（空位位机制）二、非均匀匀形核2.4金金属固态相相变的晶核核长大一、长大机机制新相晶核的的长大，实质是界面面向母相方方向的迁移移。成分变化结构变化——扩散——界面过过程γαα/γ——界面附附近原子调调整位置，，使晶核得以以长大的过过程。1、半共格格界面的迁迁移(1)均匀匀切变特点：大量的原子子有规律地地沿某一方方向作小于于一个原子子间距的迁迁移，迁移移后原子保保持原有的的相邻关系系不变。是是无扩散型型相变。右下图为马马氏体转变变的表面倾倾动。一、长大机机制（2）台阶阶机制（（相界面上上位错的滑滑动）特点：通过过半共格界界面上的界界面位错的的运动，使使界面作法法线方向迁迁移，从而而实现晶核核的长大。。1、半共格格界面的迁迁移一、长大机机制2.4金金属固态相相变的晶核核长大一、长大机机制2、非共格格界面的迁迁移：通过界面扩扩散进行紊乱排列台阶状结构构2.4金金属固态相相变的晶核核长大二、长大速速度（扩散散型）1、无成分分变化时：：GΔgγαGγ→αλ过冷度很小小时，两相相自由能差差极小。界面迁移速速率与两相相的自由能能差成正比比，随温度度降低，两两相的自由由能差增大大，新相长长大速率增增加；2.4金金属固态相相变的晶核核长大二、长大速速度（扩散散型）1、无成分分变化时：：GΔgγαGγ→α过冷度很大大时λ取决于△g，随温度度降低，界界面迁移速速率减小，，新相长大大速率随之之下降。2.4金金属固态相相变的晶核核长大二、长大速速度（扩散散型）1、无成分分变化时：：GΔgγαGγ→αλ在整个相变变范围内，，新相长大大速度随温温度降低，，先增后减减。2.4金金属固态相相变的晶核核长大二、长大速速度2、有成分分变化时：：是扩散控制制型长大长大速率与与原子的扩扩散系数、、新相/母母相界面上上母相一侧侧的浓度梯梯度成正比比，与新相与母母相间的浓浓度差成反反比。T↘，扩散系数数急剧↘，新相的长大大速率降低低。2.5金金属固态相相变动力学学T1等温动力学曲线转变体积分数xt0T1>T2>T3T2T3100%在一定过冷冷度下的等等温转变动动力学可用用阿弗拉密密方程描述述：3≤n≤4n＞4等温转变曲曲线：将不同温度度下的S曲曲线整理在在时间-温温度曲线上上，可以得得到相变的的综合动力力学曲线，，即等温转转变曲线。。等温转变变曲线表示示了转变量量、转变温温度和转变变时间之间间的关系，，一般是由由两条形状状呈C形的的曲线构成成，所以我我们也将其其称之为C曲线。2.5金金属固态相相变动力学学习题一：1、金属固固态相变有有哪些主要要特征？2、哪些因因素构成固固态相变阻阻力？哪些些构成相变变驱动力？？3、金属固固态相相变主主要有有哪些些变化化？4、固态相相变的的过程程中形形核和和长大大的方方式是是什么么？5、固固态相相变的的长大大速度度受什什么控控制？？本章重重点：：1、各各种固固态相相变的的归类类。2、固固态相相变的的特点点。3、固固态相相变驱驱动力力和阻阻力。。4、固固态相相变的的形核核与长长大（（理解解其基基本过过程和和方式式，公公式不不做要要求））9、静夜夜四无无邻，，荒居居旧业业贫。。。12月月-2212月月-22Tuesday,December20,202210、雨中黄叶叶树，灯下下白头人。。。11:15:4011:15:4011:1512/20/202211:15:40AM11、以以我我独独沈沈久久，，愧愧君君相相见见频频。。。。12月月-2211:15:4011:15Dec-2220-Dec-2212、故人江江海别，，几度隔隔山川。。。11:15:4011:15:4011:15Tuesday,December20,202213、乍见翻翻疑梦，，相悲各各问年。。。12月-2212月-2211:15:4011:15:40December20,202214、他乡生生白发，，旧国见见青山。。。20十十二月202211:15:40上上午11:15:4012月-2215、比不了得就就不比，得不不到的就不要要。。。十二月2211:15上上午12月-2211:15December20,202216、行动动出成成果，，工作作出财财富。。。2022/12/2011:15:4011:15:4020December202217、做前前，能能够环环视四四周；；做时时，你你只能能或者者最好好沿着着以脚脚为起起点的的射线线向前前。。。11:15:40上上午午11:15上上午11:15:4012月月-229、没有失失败，只只有暂时时停止成成功！。。12月-2212月-22Tuesday,December20,202210、很多事事情努力力了未必必有结果果，但是是不努力力却什么么改变也也没有。。。11:15:4011:15:4011:1512/20/202211:15:40AM11、成功就是是日复一日日那一点点点小小努力力的积累。。。12月-2211:15:4011:15Dec-2220-Dec-2212、世间成事事，不求其其绝对圆满满，留一份份不足，可可得无限完完美。。11:15:4011:15:4011:15Tuesday,December20,202213、不知香积寺寺，数里入云云峰。。12月-2212月-2211:15:4011:15:40December20,202214、意志坚强的的人能把世界界放在手中像像泥块一样任任意揉捏。20十二月月202211:15:40上午午11:15:4012月-2215、楚塞三三湘接，，荆门九九派通。。。。十二月2211:15上上午12月-2211:15December20,202216、少少年年十十五五二二十十时时，，步步行行夺夺得得胡胡马马骑骑。。。。2022/12/2011:15:4111:15:4120December202