第九章 固态相变

第九章固态相变第1页，课件共34页，创作于2023年2月1第一节概述一固态相变的特点

界面能增加1相变阻力大额外弹性应变能：比体积差固态相变扩散困难（新、旧相化学成分不同时）困难

第九章固态相变第一节概述第2页，课件共34页，创作于2023年2月2第一节概述一固态相变的特点

2新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系*新相的某一晶面和晶向分别与母相的某一晶面、晶向平行。共格…界面类型半共格…降低界面能,形成共格、半共格界面位向关系非共格…第九章固态相变第一节概述第3页，课件共34页，创作于2023年2月3第一节概述一固态相变的特点

3惯习现象*新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成。

惯习方向（母相）惯习面

原因：沿应变能最小的方向和界面能最低的界面发展。第九章固态相变第一节概述第4页，课件共34页，创作于2023年2月4第一节概述一固态相变的特点

4母相晶体缺陷促进相变点…

缺陷类型线…晶格畸变、自由能高，促进形核及相变。面…（思考：晶粒细化对相变的影响）第九章固态相变第一节概述第5页，课件共34页，创作于2023年2月5第一节概述一固态相变的特点

5易出现过渡相*固态相变阻力大，直接转变困难协调性中间产物（过渡相）

＋Fe3C

+(3Fe+C)

例

M

+Fe3C第九章固态相变第一节概述第6页，课件共34页，创作于2023年2月6第一节概述二固态相变的分类

1按相变过程中原子迁移情况（1）扩散型：依靠原子的长距离扩散；相界面非共格。（如珠光体、奥氏体转变，Fe,C都可扩散。）（2）非扩散型：旧相原子有规则地、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。（如马氏体转变，Fe,C都不扩散。）（3）半扩散型：既有切变，又有扩散。（如贝氏体转变，Fe切变，C扩散。）第九章固态相变第一节概述第7页，课件共34页，创作于2023年2月7第一节概述二固态相变的分类

2按相变方式分类（1）有核相变：有形核阶段，新相核心可均匀形成，也可择优形成。大多数固态相变属于此类。（2）无核相变：无形核阶段，以成分起伏作为开端，新旧相间无明显界面，如调幅分解。第九章固态相变第一节概述第8页，课件共34页，创作于2023年2月8第一节概述二固态相变的分类

3按热力学函数变化分类（1）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。（2）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。第九章固态相变第一节概述第9页，课件共34页，创作于2023年2月9第一节概述三常见固态相变类型

相变名称相变特征同素异构转变同一种元素通过形核与长大发生晶体结构的变化多型性转变合金中晶体结构的变化脱溶转变过饱和固溶体脱溶分解出亚稳定或稳定的第二相共析转变一个固相转变为两个结构不同的固相包析转变两个不同结构的固相转变为一个新的固相，组织中一般有某相残余马氏体转变新旧相之间成分不变、切变进行、有严格位向关系、有浮凸效应贝氏体转变兼具马氏体和扩散转变的特点，借助铁的切变和碳的扩散进行调幅分解非形核转变，固溶体分解成结构相同但成分不同的两相有序化转变合金元素原子从无规则排列到有规则排列，担结构不变。第九章固态相变第一节概述第10页，课件共34页，创作于2023年2月10第二节固态相变的形核与长大

一均匀形核（能量条件）

1形核时的能量变化相变驱动力（1）化学自由能（体积自由能，△Gv）△Gv～T曲线随成分变化第九章固态相变第二节形核长大第11页，课件共34页，创作于2023年2月11第二节固态相变的形核与长大

一均匀形核（能量条件）

1形核时的能量变化

相变阻力（2）界面能（

，S

）取决于界面结构△T越大，晶核越小，

S

大共格/半共格（与过冷度有关）△T越小，晶核越大，

S

小非共格第九章固态相变第二节形核长大第12页，课件共34页，创作于2023年2月12第二节固态相变的形核与长大

一均匀形核（能量条件）

1形核时的能量变化（3）应变能(

,V

)

相变阻力共格应变能：共格大，半共格小，非共格0

分类比体积差球状最大体积应变能新相几何形状片状最小针状居中第九章固态相变第二节形核长大第13页，课件共34页，创作于2023年2月13第二节固态相变的形核与长大

一均匀形核（能量条件）

2形核的能量条件△G＝－V△Gv+S

+V

<0rK=2

/(△Gv-

)△GK=16

/3(△Gv-

)2第九章固态相变第二节形核长大第14页，课件共34页，创作于2023年2月14第二节固态相变的形核与长大

二非均匀形核（能量条件）

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。第九章固态相变第二节形核长大第15页，课件共34页，创作于2023年2月15第二节固态相变的形核与长大

二非均匀形核（能量条件）

1不同晶体缺陷对形核的作用能量高，降低△GK

（1）晶界形核结构混乱，降低

易扩散、偏析，利于扩散相变新相/母相形成共格、半共格界面降低界面能第九章固态相变第二节形核长大第16页，课件共34页，创作于2023年2月16第二节固态相变的形核与长大

二非均匀形核（能量条件）

1不同晶体缺陷对形核的作用

新相生成处位错消失，能量释放，提高驱动力（2）位错形核……位错不消失，可作为半共格界面的形成部分易于发生偏聚（气团），有利于成分起伏易于扩散，有利于发生扩散型相变第九章固态相变第二节形核长大第17页，课件共34页，创作于2023年2月17第二节固态相变的形核与长大

二非均匀形核（能量条件）

1不同晶体缺陷对形核的作用

促进扩散（3）空位形核新相生成处空位消失，提供能量空位群可凝结成位错（在过饱和固溶体的脱溶析出过程中，空位作用更明显。）第九章固态相变第二节形核长大第18页，课件共34页，创作于2023年2月18第二节固态相变的形核与长大

二非均匀形核（能量条件）

2非均匀形核的能量变化△G＝－V△Gv+S

+V

－△GD△GD－晶体缺陷导致系统降低的能量。

第九章固态相变第二节形核长大2h第19页，课件共34页，创作于2023年2月19第二节固态相变的形核与长大

三晶核的长大

1长大机制切变长大（1）半共格界面台阶式长大（位错滑移）原子直接迁移（2）非共格界面原子迁移至新相台阶端部

第九章固态相变第二节形核长大第20页，课件共34页，创作于2023年2月20第二节固态相变的形核与长大

三晶核的长大

2新相长大速度新相生成时无成分变化(有结构、有序度变化）（1）界面控制长大

u=

exp(-Q/kT)[1-exp(-△Gv/kT)]

新相生成时有成分变化（2）扩散控制长大

u=dx/dt=(

C

/

x)D/(C

-C

)

第九章固态相变第二节形核长大第21页，课件共34页，创作于2023年2月21第二节固态相变的形核与长大三晶核的长大

（3）相变动力学

f=1-exp(-btn)

b-取决于相变温度、母相成分和晶粒大小等；

n-取决于相变类型和形核位置。第九章固态相变第二节形核长大第22页，课件共34页，创作于2023年2月22第三节钢中固态相变要点

一奥氏体的形成

1转变机制

+Fe3C第九章固态相变第四节钢中相变第23页，课件共34页，创作于2023年2月23第三节钢中固态相变要点

一奥氏体的形成

2转变温度

完全奥氏体化不完全奥氏体化

第九章固态相变第四节钢中相变SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E第24页，课件共34页，创作于2023年2月24第三节钢中固态相变要点

一奥氏体的形成

3晶粒度（1）起始晶粒度：刚刚完成奥氏体化时的晶粒大小。（2）实际晶粒度：在具体的奥氏体化工艺条件下获得的晶粒大小。（3）本质晶粒度：钢在930±10℃

加热，保温3-8h冷却后的奥氏体晶粒大小。

第九章固态相变第四节钢中相变第25页，课件共34页，创作于2023年2月25第三节钢中固态相变要点

二钢的冷却转变

第九章固态相变第四节钢中相变SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E第26页，课件共34页，创作于2023年2月26第三节钢中固态相变要点

二钢的冷却转变

1马氏体转变

（1）转变特点无扩散性。切变共格与表面浮凸。惯习面及位向关系。转变是在一个温度范围内进行的。转变不完全。

第九章固态相变第四节钢中相变第27页，课件共34页，创作于2023年2月27第三节钢中固态相变要点

二钢的冷却转变

1马氏体转变（2）结构与形态第九章固态相变第四节钢中相变©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E第28页，课件共34页，创作于2023年2月28第三节钢中固态相变要点

二钢的冷却转变1马氏体转变

（2）结构与形态第九章固态相变第四节钢中相变板条马氏体片状马氏体位错马氏体孪晶马氏体低碳马氏体高碳马氏体SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E第29页，课件共34页，创作于2023年2月29第三节钢中固态相变要点

二钢的冷却转变

1马氏体转变（3）性能-高强度、高硬度

相变强化