热处理原理与工艺之金属固态相变基础

金属热处理原理与工艺Principlesandprocessesofheattreatmentformetals金属材料工程专业本科课程：热处理基础01-16周周二03-04节，B203华东理工大学机械与动力工程学院PengZhao@赵鹏金属热处理原理与工艺第一章金属固态相变基础

章节内容

相关概念回顾金属固态相变的主要类型固态相变的主要特点固态相变的形核和长大固态相变动力学平衡状态热力学原子迁移相变方式相：体系中具有相同化学成分、晶体结构和物理化学性质的均匀部分称为相，不同相之间有明显的界面分开。

概念液相固相单相多相单相合金多相合金合金工业上大多数金属材料是合金。相固溶体溶质原子溶入金属溶剂的晶格中所组成的合金相。

金属化合物组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相置换固溶体和间隙固溶体无序固溶体和有序固溶体有限固溶体和无限固溶体

概念组织：是指用肉眼或显微镜观察到的材料的微观形貌。组织=相+相

概念珠光体组织＝F+Fe3C相变：随外界条件的变化(温度)，体系中新相取代旧相的过程。例如：l-g，l-s，g-s，l-l，s-s。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，即发生一种相状态到另一种相状态的转变。相变前的相状态称为旧相或母相。相变后的相状态称为新相。

概念1.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

金属固态相变的主要类型富勒烯(C60)石墨金刚石同素异构体b.c.cf.c.cb.c.cb.c.cf.c.c720℃1100℃复杂立方复杂结构f.c.c

α-Mnβ-Mnγ-Mnδ-Mn1137℃b.c.c872℃h.c.pb.c.c

α-Zrβ-Zrα-Fe910℃1400℃b.c.cf.c.cb.c.cγ-Feδ-Fe

金属固态相变的主要类型1.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：高温过饱和固溶体在缓慢冷却过程中析出第二相的过程。

AB+LⅠT

金属固态相变的主要类型对应于液态转变就是溶解度变化发生沉淀现象。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。包析相变由两个固相合并为一个固相的转变。调幅分解

α

α1+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，并且在低温下形成不均匀的固溶体。有序化转变无序有序固溶体中，各组元原子在晶体点阵中的相对位置从无序到有序的转变过程，称为有序化转变。如：Cu-Zn,Cu-Au,Mn-Ni,Fe-Ni,Ti-Ni合金等。

金属固态相变的主要类型(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。伪共析相变贝氏体相变马氏体相变不平衡脱溶转变（时效）1.按平衡状态图分类

(1)平衡相变

AB+LⅠT

金属固态相变的主要类型不平衡脱溶转变（时效）

上节要点回顾1.按平衡状态分类（1）一级相变：相变时两相的化学位相等但化学位的一阶导数不相等的称为一级相变。此时称为一级相变。2.按热力学分类

金属固态相变的主要类型

一级相变的特点：相变时有热效应，并且熵（S）和体积（V）不连续变化，发生突变。一级相变时两相的自由能、熵及体积的变化T0TVTG1相2相TS自然界的大多数相变为一级相变。如：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）二级相变：

相变时如果两相的化学位相等，化学位的一阶导数也相等，但二阶导数不等的称为二级相变。

此时称为二级相变。二级相变的特点：相变时无热效应，无体积效应，熵（S）和体积（V）连续变化，不发生突变。

二级相变时两相的自由能、熵及体积的变化TST0TVT1相2相G但两相的恒压热容，恒温压缩系数，恒压热膨胀系数不相等（在相变点发生突变）。如材料有序化转变、磁性转变、超导转变等。TT0在二级相变中热容的变化C3.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；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

金属固态相变的主要类型（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。（1）扩散型相变

金属固态相变的主要类型4.按相变方式分类

(1)有核相变（大部分相变）

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；

金属固态相变的主要类型小结：相变的实质，是相结构、成分或有序化程度发生变化，相变可以兼有上述相变类型的一种或几种。如：马氏体相变是非扩散相变、非平衡相变、形核-长大相变；（新旧相成分相同、结构不相同）

珠光体相变是扩散相变、平衡相变、有核相变；（新旧相成分不相同、结构不相同）

金属固态相变的主要类型相变驱动力γ→α转变，只有在T＜T0时才能够进行，即过冷。GT℃T0GαGγGγ→α>0Gγ→α<0αγ

∵Gγ→α

=Gα-Gγ

＜0

固态相变的特点固态相变主要特点

1.相界面特殊（两种晶体的界面，一定的晶体学关系）

1.相界面特殊（新相和母相间存在不同的界面）

(1)共格界面

新、旧相的晶体结构、点阵常数相同；或有差异但存在一组特定晶体学平面可使两相原子之间产生完全匹配。

旧相新相特点：界面能小，弹性畸变能大固态相变主要特点(2)半共格界面新、旧相之间存在少量位错，除此之外的晶体结构和点阵常数均能使两相原子之间产生完全匹配。

1.相界面特殊（新相和母相间存在不同的界面）(3)非共格界面新、旧相界面处原子排列差别很大,两原子之间匹配关系不再维持,为非共格界面。

1.相界面特殊（新相和母相间存在不同的界面）2.新旧相之间存在一定位向关系与惯习面新、旧相之间存在一定位向关系,并且新相往往在旧相的一定晶面上开始形成,这个晶面称为惯习面.（减少界面能）惯习面和位向关系的区别：惯习面指母相的某一主平面；位向关系指新相的某些晶面、晶向∥旧相的某些晶面、晶向固态相变主要特点固态相变主要特点2.新旧相之间存在一定位向关系与惯习面

1.相界面特殊

3.相变阻力大相界面上原子强制匹配引起的共格应变能共格＞半共格＞非共格新、旧相比容差引起弹性应变能

（不同类型，具有不同界面能和应变能）（应变能作用）固态相变主要特点新相形状与弹性应变能之间关系固态相变主要特点4.易出现过渡相（降低形核功）

过渡相的出现有利于减小固态相变的阻力。

固态相变主要特点

5.母相晶体缺陷的促进作用

（提供驱动力）固态相变主要特点

6.原子的扩散（原子迁移率低）固态相变中，成分的改变必须通过组元的扩散才能完成，此时扩散成为相变的控制因素，而固态金属中原子的扩散系数，即使在熔点附近也仅为液态的十万分之一，所以固态相变的转变速率很慢，需有很大的过冷度。随着温度降低，过冷度增大，形核率增高，相变驱动力增大，但同时原子扩散系数降低。这一对矛盾运动的结果，就有可能使相变后得到的组织变细。固态相变主要特点小结1.相变阻力大（界面能和应变能作用），相变的发生需要较大的过冷度。2.新相与母相之间存在一定的晶体学位向关系，导致新相的组织对母相有一定的遗传性。3.母相的晶体缺陷可增加形核能量，同时可加快扩散过程，有利于新相晶体的生长，对相变起促进作用。4.扩散过程对相变的影响较大，扩散不但成为固态相变的控制因素，在温度较低时还可能改变转变的类型，如从扩散型改变为协同型。5.易出现过渡相（降低形核功）。固态相变主要特点

固态相变的形核

固态相变的形核

固态相变的形核一、均匀形核

固态相变的形核一、均匀形核应变能界面能自由能差

固态相变的形核

固态相变的形核一、均匀形核形核率

固态相变的形核固态和结晶的异同金属结晶均匀形核＞＞临界晶核半径：临界形核功形核率在固态相变中，均匀形核相对更加困难,非均匀形核为固态相变的主要形核方式而且固态下，原子扩散激活能Q较大二、非均匀形核

固态相变的形核缺陷提供的相变驱动力二、非均匀形核①空位形核②位错形核③晶界形核

固态相变的形核二、非均匀形核①空位促进形核的方式

固态相变的形核二、非均匀形核②位错促进形核的方式

固态相变的形核二、非均匀形核③晶界促进形核的方式

固态相变的形核晶界具有较高的界面能，从而可释放出来作为驱动力，因此是形核的重要位置。非共格共格或半共格一、长大机制成分变化结构变化——扩散——界面迁移过程——界面附近原子调整位置，使晶核得以长大的过程。

固态相变的晶核的长大

新相晶核的长大，实质是界面向母相方向的迁移。γαα/γ

固态相变的晶核的长大马氏体转变共析转变实际合金中，新相晶核与母相形成完全共格界面的情况极少，通常所见的是形成半共格和非共格界面不同界面结构具有不同的长大机制1、半共格界面的迁移(1)均匀切变（协同相变）。特点：大量的原子有规律地沿某一方向作小于一个原子间距的迁移，迁移后原子保持原有的相邻关系不变。是无扩散型相变R马氏体转变造成表面浮凸。（2）台阶机制

（相界面上位错的滑动）特点：通过阶梯状晶界面上位错的滑移运动，使晶界的台阶发生侧向迁移，从而使界面沿其法线方向推进1、半共格界面的迁移2、非共格界面的迁移：

通过界面扩散进行紊乱排列台阶状结构界面上的原子形成一个无规则排列的过渡层，原子不断地以非协同方式迁移。母相原子从母相台阶端部向新相台阶上转移，致使新相台阶发生侧向移动

固态相变的晶核的长大二、新相的长大速度成分变化结构变化——协同或非协同

固态相变的晶核的长大新相的长大速度取决于相界面的移动速度。γαα/γ成分不变协同成分不变非协同成分变协同成分变非协同二、新相的长大速度

固态相变的晶核的长大要使β的一个原子越过界面跳到

α中，所需要的激活能为△g

GⅠⅡΔgβαgβ→α

固态相变的晶核的长大二、长大速度（扩散型）1、无成分变化时：（界面控制型）二、长大速度（扩散型）1、无成分变化时：（界面控制型）GΔgβαgαβλ过冷度很小时，两相自由能差极小。界面迁移速率与两相的自由能差成正比，随温度降低，两相的自由能差增大，新相长大速率增加；

固态相变的晶核的长大二、长大速度（扩散型）1、无成分变化时：过冷度很大时取决于△g，随温度降低，界面迁移速率减小，新相长大速率随之下降。GΔg