1-金属固态相变概论课件

第1章金属固态相变概论本章主要内容固态相变的类型及特点经典形核理论及长大机制相变动力学扩散及非扩散型相变1.0概论金属固态相变：固态金属(包括纯金属和合金)在温度和压力改变时，组织和结构发生变化的统称。固态相变理论是施行金属热处理的理论依据和实践基础。固态相变的应用利用其理化性能(功能材料)相变储能材料温控材料薄膜材料提高材料力学性能(结构材料)金属热处理固态相变的分类(1)按相变过程中原子迁移情况扩散型：依靠原子的长距离扩散；相界面非共格。如P、A转变，Fe，C都可扩散。非扩散型：母相原子有规则地、协调一致地通过切变转移到新相中；相界面共格、原子间的相邻关系不变；化学成分不变。如M转变，Fe，C都不扩散。半扩散型：既有切变，又有扩散。如B转变，Fe切变，C扩散。固态相变的分类(2)按相变方式分类有核相变(形核—长大型)：形核和长大。始于程度大而范围小的相起伏，已相变区与未相变区以相界面相分隔。钢中的相变大多为形核—长大型相变。无核相变(连续型)：无形核阶段。始于程度小而范围大的相起伏，由于相起伏的程度小，故母相中到处可以形核。如增幅分解。

固态相变的分类(3)按热力学函数变化分类一级相变：相变时两相的化学位相等，而化学位对温度及压力的一阶偏微分(-S，V)不等的相变。伴随潜热的释放和体积的改变。如蒸发、升华、熔化以及大多数固态晶型转变属于此类。(3)按热力学函数变化分类相变类型一级相变二级相变固态相变的分类(3)按热力学函数变化二级相变：相变时两相的化学位相等，化学位的一阶偏微分也相等，但二阶偏微分不相等的相变。没有相变潜热和体积改变，有比容、压缩系数、膨胀系数变化。如磁性转变、有序-无序转变、超导转变等属于此类。固态相变的分类4)按平衡状态分类平衡相变：同素异构转变、多形性转变、平衡脱溶沉淀、共析转变、调幅分解、有序化转变。非平衡相变：伪共析转变、马氏体转变、块状转变、贝氏体转变、不平衡脱溶沉淀。1.1金属固态相变的主要类型1.1.1平衡转变(1)同素异构转变和多形性转变同素异构转变：纯金属在温度和压力变化时，晶体结构发生变化。如Fe、Ti、Co、Sn等。多形性转变：固溶体在温度和压力变化时，晶体结构发生变化。如钢在加热时F向A的转变，冷却时A向F的转变。(2)平衡脱溶沉淀定义：高温过饱和固溶体缓慢冷却过程中析出第二相的过程。特点：(a)新相的成分和结构始终与母相的不同；(b)母相不会消失。举例：A中析出Fe3CII，F中析出Fe3CIII。(3)共析转变定义：合金在冷却时，由一个固相同时分解为两个不同的固相的转变。反应式：γ→α+β。举例：钢在冷却时由A转变为P(F和Fe3C)。(4)调幅(或增幅)分解定义：过饱和固溶体在一定温度下分解成与原固溶体结构相同、成分不同的两个相的过程。特点：(a)不需要形核，新形成的两个微区之间无明显的界面和成分的突变，分解速度快；(b)通过上坡扩散实现成分变化。

反应式：α→α1+α2。(5)有序化转变定义：固溶体(包括以中间相为基的固溶体)中，各组元原子的相对位置从无序到有序(指长程有序)的转变过程。举例：Cu-Zn、Au-Cu、Mn-Ni、Fe-Ni、Ti-Ni等合金中均可发生这种转变。1.1.2不平衡转变(1)

伪共析转变接近共析点成分的合金，过冷到共析点以下发生共析转变的过程。铁素体和渗碳体的相对量随奥氏体的含碳量而变，故称为伪共析体。(2)

马氏体转变定义：钢在快冷时，若能避免其发生扩散型转变，则将无需原子的扩散，以一种切变共格的方式实现点阵改组，而转变为与母相成分相同的一种组织。举例：Fe-C合金、铜合金、钛合金。(3)块状转变定义：在一定的冷速下奥氏体转变为与母相成分相同而形貌呈块状的α相的过程。特点：通过原子的短程扩散使非共格相界面在母相中推移。举例：纯铁、低碳钢、Cu-Zn、Cu-Ga合金中存在。(4)贝氏体相变当奥氏体过冷至珠光体转变与马氏体转变温度范围之间(中温)，Fe原子不能扩散，C原子可以扩散，从而转变为贝氏体。贝氏体：由铁素体和渗碳体组成的非层片状组织。(5)不平衡脱溶转变(时效)在等温条件下，由过饱和固溶体中析出第二相的过程。析出相为非平衡亚稳相。举例：低碳钢和铝、镁等有色合金中会发生这种转变。固态相变总结所发生的变化：结构；成分；有序化程度。结构变化(一种变化)：同素异构转变、多形性转变、马氏体转变、块状转变等；成分变化(一种变化)：调幅分解；结构和成分变化(两种变化)：共析转变、贝氏体转变、脱溶沉淀等。固态相变总结同一种材料在不同条件下可发生不同的相变，从而获得不同的组织和性能。温度：敏感，易控制，成为控制固态相变的主要因素(热处理炉)；压力：不易控制，不敏感(等压)。固态相变总结(1)共析碳钢平衡转变：珠光体组织，硬度约为HRC23；快速冷却：马氏体组织，硬度达HRC60以上。(2)Al-4%Cu合金平衡组织：抗拉强度仅为150MPa；不平衡脱溶沉淀：抗拉强度可达350MPa。改变加热与冷却条件，使之发生某种转变继而获得某种组织，则可在很大程度上改变材料的性能。1.2金属固态相变的主要特点驱动力：新相与母相的自由能差。过程：形核和长大。1.2.1相界面定义：具有不同晶体结构的两相之间的分界面。按界面上两相原子在晶体学上匹配程度不同分类：共格、半共格、非共格界面。(1)共格界面两相界面上的原子排列完全匹配，即界面上的原子为两相所共有。点阵结构或点阵参数不同，产生弹性应变。特点：界面能很小，弹性应变能大。错配度δ=(aβ-aα)/aβ越大，界面上弹性应变能越大。1.2.1相界面(2)半共格界面：相界面上分布若干位错，界面上的两相原子部分地保持匹配，弹性应变能降低。(3)非共格界面：两相界面完全不匹配，即存在大量缺陷的界面，为很薄的一层原子不规则排列的过渡层，界面能较高。1.2.2两相间的晶体学关系(取向关系与惯习面)惯习面：新相往往在母相一定的晶面族上形成，该晶面称为惯习面。通常用母相的晶面指数来表示。如亚共析钢中，在{111}A析出先共析铁素体—魏氏组织。位向关系：新相与母相某些低指数晶面(晶向)相互平行。如{110}M//{111}A；<111>M//<110>A。若两相间为(半)共格界面→有取向关系，但反过来不成立。若无取向关系→必为非共格界面。1.2.3应变能共格应变能：相界面上原子由于强制性的匹配，以形成共格或半共格界面，在界面附近产生弹性应变能。共格界面>半共格界面>非共格界面(应变能为0)比容差应变能：由于新相与母相比容不同，新相形成时体积变化受到周围母相约束而产生的弹性应变能。球状>针状>盘状固态相变的阻力：应变能(共格+比容差应变能)+界面能。界面能、应变能对新相形态的影响界面能取决于界面匹配程度；应变能主要取决于比容差(共格应变能相对比容应变能很小)。界面能和应变能最低，两者兼顾。∆T大：临界晶核小→界面能为主→共格或半共格→盘状(降低应变能)；∆T小：临界晶核大→应变能为主→非共格。比容差小→球状(降低界面能)

比容差大→针状(兼顾界面能和应变能)1.2.4晶体缺陷的作用固态金属中的空位、位错、晶界等缺陷周围因点阵畸变而储存一定的畸变能，在固态相变时，释放出来作为相变的驱动力，对固态相变起促进作用。具体作用：(1)新相往往在缺陷处形核，提高形核率。(2)促进扩散过程，促进晶核生长。1.2.5形成过渡相过渡相(中间亚稳相)：指成分或结构，或两者都处于新相与母相之间的一种亚稳状态的相。固态相变阻力大，直接转变困难→协调性中间产物(过渡相)。相变过程：母相→较不稳定过渡相→较稳定过渡相→稳定相。1.3固态相变时的形核1.3.1均匀形核与凝固过程相比，增加了一项应变能。∆G=-∆gvV+σS+EV=-∆Gv+∆GS+∆GE

其中∆gv为新母相间单位体积自由能差；σ为单位面积界面能；E为单位体积应变能。相变驱动力：∆gvV，新母相间自由能差相变阻力：Sσ+EV，界面能+应变能设形成的新相晶核为球形，对于r求导：可得临界晶核尺寸：形成临界晶核的形核功1.3.1均匀形核1.3.1均匀形核固态相变的形核率—单位体积母相中所形成的核心数。其中N为单位体积母相中的原子数；ν为原子振动频率；∆G*为形核功；Q为原子扩散激活能。固态相变较难均匀形核。1.3.2非均匀形核固态相变均匀形核的可能性很小，非均匀形核(依靠晶体缺陷)是主要的形核方式。晶体缺陷储存的能量可使形核功降低，促进形核。∆G=-∆gvV+σS+EV-∆Gd

其中∆Gd为由于晶体缺陷消失所降低的能量。(1)空位空位通过促进溶质原子扩散或利用本身能量提供形核驱动力而促进形核；空位团可凝聚成位错而促进形核。(2)位错围绕位错形核后，位错消失，释放出畸变能。对于半共格晶核，原有的位错成为界面位错，补偿了错配，降低了形核功。溶质原子常在位错线上偏聚，容易满足新相成分上的要求。位错线可作为扩散的短路通道，加速形核过程。位错可分解，其中的层错部分有利于形核。(3)晶界大角度晶界具有高的界面能，在晶界形核时，可使界面能释放出来作为相变驱动力，以降低形核功。晶界是固态相变主要形核位置。新相/母相形成共格、半共格界面降低界面能。1.4固态相变时的晶核长大1.4.1新相长大机理长大实质：界面向母相方向的迁移。(1)半共格界面的迁移1)台阶机制半共格界面上存在位错列；要随界面迁移，位错要攀移；台阶侧向移动，位错可滑移。(1)半共格界面的迁移2)协同型(位移式)长大—切变机制无扩散型相变，原子通过切变方式协同运动，相邻原子的相对位置不变。如马氏体相变，会发生外形变化，出现表面浮凸。新相与母相之间有一定的位向关系。(2)非共格界面的迁移—非协同型长大母相原子不断地以非协同方式向新相中转移，界面沿其法线方向向母相推进，使新相逐渐长大。是扩散型相变。特点：原子无规律地迁移，迁移的距离不等，相邻关系改变。1.4.2新相长大速度(1)无成分变化的新相长大(界面控制型长大)(1)

无成分变化的新相长大原子在母相α和新相β间往返的频率分别为其中υ0为原子振动频率；k为波尔兹曼常数；∆G为母相和新相自由能差；Q为α→β激活能；Q+∆G为β→α激活能。(1)

无成分变化的新相长大设单原子层厚度为δ，则界面迁移速率为：(1)

无成分变化的新相长大过冷度较小时，∆G→0随温度降低，两相的自由能差增大，新相长大速率增加。(1)

无成分变化的新相长大过冷度较大时，∆G>>kT随温度降低，新相长大速率按指数函数减小。(2)有成分变化的新相长大成分发生改变的相变，受传质过程，也就是扩散速度所控制。(2)有成分变化的新相长大根据Fick第一定律，扩散通量为随着温度的下降，溶质在母相中的扩散系数急剧减小，故新相的长大速率降低。1.5固态相变动力学研究相变速度问题。转变量取决于形核率、长大速度和转变时间。相变动力学的实质：相变温度-时间-转变量之间的关系。1.5.1等温转变动力学(1)等温动力学方程(Johnson-Mehl)方程当形核率和长大速度恒定时，等温转变动力学：

其中f为转变量(体积分数)