材料科学与工程专业《金属热处理原理及工艺》课件-第二章-金属固态相变基础

第三节金属固态相变基础3.1金属固态相变概述3.2金属固态相变热力学3.3金属固态相变的形核3.4金属固态相变的长大3.5金属固态相变动力学返回下一页上一页

本章首页相：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3.1金属固态相变概述金属固态相变主要特点

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(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。新、旧相间错配度δ=|αβ-αα|/αα小(<0.05)，共格关系大(0.05-025).，半共格关系很大(>0.25)，非共格关系

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）特点：界面能大，弹性畸变能小界面能：非共格>半共格>共格弹性畸变能：非共格<半共格<共格7共格相界Daa半共格相界非共格相界半共格相界上位错间距取决于相界处两相匹配晶面的错配度。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.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、晶向若两相间为（半）共格界面→

若无取向关系→

金属固态相变主要特点

有取向关系必为非共格界面降低界面能和应变能以减小相变阻力是惯习现象出现的原因。金属固态相变主要特点

3.相变阻力大相界面上原子强制匹配引起的弹性应变能共格＞半共格＞非共格新、旧相比容差弹性应变能弹性应变能和界面能共同构成金属发生固态相变的阻力（弹性应变能作用）新相形状与弹性应变能之间关系4.易出现过渡相（降低形核功）在有些情况下，固态相变不能直接形成自由能最低的稳定相，而是经过一系列的中间阶段，先形成一系列自由能较低的过渡相（又称中间亚稳相），然后在条件允许时才形成自由能最低的稳定相．相变过程可以写成：母相―→较不稳定过渡相―→较稳定过渡相―→稳定相应特别指出：温度越低时，固态相变的上述特点越显著。

过渡相的出现有利于减小固态相变的阻力。如：铁碳合金中γ分解时

γ→M→α＋Fe3CFe3C→Fe＋C

M，Fe3C为过渡相金属固态相变主要特点

5.母相晶体缺陷的促进作用晶态固体中的空位、位错、晶界等缺陷周围因点阵畸变而储存一定的畸变能。新相极易在这些位置非均匀形核。它们对晶核的长大过程也有一定的影响。通常，固态相变时，母相中晶体缺陷起促进作用。新相优先在晶体缺陷处形核。

金属固态相变主要特点

（提供驱动力）

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，可以有很大的过冷度。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。金属固态相变主要特点

金属固态相变主要特点

1.相界面特殊

2.新旧相之间存在一定位向关系与惯习面

3.相变阻力大（弹性应变能作用）

4.易于形成过渡相

5.母相晶体缺陷对相变起促进作用

6.原子的扩散（扩散控制相变过程）（提供驱动力）（降低形核功）（不同类型，具有不同界面能和应变能）3.2金属固态相变热力学一、相变驱动力γ→α转变，只有在T＜T0时才能够进行，即过冷。（问题，α→γ相变在何条件下方可进行？）GT℃T0GαGγGγ→α>0Gγ→α<0αγ

∵Gγ→α

=Gα-Gγ

＜0过热二、相变势垒要使γ向α转变能够进行还必须越过△g的势垒

因此相变条件：

△G＜0克服△g的势垒（能量起伏)返回下一页上一页

本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMTG状态Ⅰ状态ⅡΔgγαGγ→α——原子间的引力3.3金属固态相变的形核一、均匀形核金属结晶均匀形核＞＞形核自由能变化临界晶核半径：临界形核功形核率假设晶核为球形自由能差界面能应变能3.3金属固态相变的形核二、非均匀形核①界面形核②位错形核③空位形核缺陷提供的相变驱动力固态相变中均匀形核几乎不可能，大多为非均匀形核。1.晶界形核晶界类型：界面、界棱、界隅晶界形核时的能量变化提供的能量：需要的形核功：界隅形核的最容易，但界隅占的体积分数最小，数量最多的界面形核的贡献最大。二、非均匀形核Ⅳ界面<界棱<界隅界隅<界棱<界面<均匀形核图晶界形核时晶核的形状

2.位错形核位错促进形核。位错线上形核，位错线消失释放能量，降低形核功。位错线不消失，成为半共格界面中的位错部分，降低形核功。溶质原子在位错上偏聚，满足新相形核的成分起伏。扩散的短路通道，↘Q，加速形核。二、非均匀形核3.空位及空位集团形核空位及空位集团促进形核。释放能量提供成核驱动力凝聚成位错加速扩散过程（空位机制）二、非均匀形核3.4金属固态相变的晶核长大一、长大机制

新相晶核的长大，实质是界面向母相方向的迁移。成分变化结构变化——扩散——界面过程γαα/γ——界面附近原子调整位置，使晶核得以长大的过程。1、半共格界面的迁移(1)均匀切变特点：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。右下图为马氏体转变的表面倾动。一、长大机制（2）台阶机制

（相界面上位错的滑动）特点：通过半共格界面上的界面位错的运动，使界面作法线方向迁移，从而实现晶核的长大。1、半共格界面的迁移一、长大机制3.4金属固态相变的晶核长大一、长大机制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3.4金属固态相变的晶核长大二、长大速度（扩散型）1、无成分变化时：GΔgγαGγ→αλ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；3.4金属固态相变的晶核长大二、长大速度（扩散型）1、无成分变化时：GΔgγαGγ→α过冷度很大时λ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。3.4金属固态相变的晶核长大二、长大速度（扩散型）1、无成分变化时：GΔgγαGγ→αλ在整个相变范围内，新相长大速度随温度降低，先增后减。3.4金属固态相变的晶核长大二、长大速度2、有成分变化时：是扩散控制型长大长大速率与原子的扩散系数、新相/母相界面上母相一侧的浓度梯度成正比，与新相与母相间的浓度差成反比。T↘，扩散系数急剧↘，新相的长大速率降低。

3.5金属固态相变动力学T1等温动力学曲线转变体积分数xt0T1>T2>T3T2T3100%

在一定过冷度下的等温转变动力学可用阿弗拉密方程描述：3≤n≤4n＞4等温转变曲线：将不同