第二章J金属固态相变基础选编课件

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第二章金属固态相变基础2.1金属固态相变概述返回下相：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。一、相变分类2.1金属固态相变概述化学势一级偏微商相等等压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+

L

ⅠT固溶体纯金属2.按平衡状态图分类一、相变分类AB+LⅠT固溶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

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。共析相变(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+

L

ⅠT(2)非平衡相变2.按平衡状态图分类一、相变分类AB+3.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、旧相成分往往不同；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3.按原子迁移情况分类一、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（2）非扩散型相变3.按原子迁移情况分类一、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；

一、相变分类4.按相变方式分类一、相变分类小结：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、（新旧相成分相同、结构不相同）

珠光体相变是扩散相变、（新旧相成分不相同、结构不相同）

一、相变分类思考：同素异构转变，脱溶转变（平衡、非平衡），伪共析相变，贝氏体相变，奥氏体转变，调幅分解等各属于什么相变类型？

非平衡相变、有核相变；平衡相变、有核相变；小结：相变的实质，是相结构、成分或有序化程度发生变化，一、相二、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，弹性畸变能大二、金属固态相变主要特点旧相新相特点：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，共格关系大，半共格关系很大，非共格关系

1.相界面特殊（新相和母相间存在不同的界面）(2)半共格界面新、旧相间错配度小，共格关系大，半共格关系很(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(3)非共格界面1.相界面特殊（新相和母相间存在不同的界界面能：非共格>半共格>共格弹性畸变能：非共格<半共格<共格界面能：非共格>半共格>共格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→

但反过来不成立若无取向关系→

二、金属固态相变主要特点

1.相界面特殊

（不同类型，具有不同界面能和应变能）有取向关系必为非共格界面2.新旧相之间存在一定位向关系与惯习面二、金属固态相变主要2.新旧相之间存在一定位向关系与惯习面二、金属固态相变主要特点

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（不同类型，具有不同界面能和应变能）（弹性应变能作用）2.新旧相之间存在一定位向关系与惯习面二、金属新相形状与弹性应变能之间关系新相形状与弹性应变能之间关系4.原子迁移率低，多数相变受扩散控制固态相变中，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。二、金属固态相变主要特点

4.原子迁移率低，多数相变受扩散控制二、金属固态相变主

5.易产生过渡相（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为过渡相二、金属固态相变主要特点

5.易产生过渡相（降低形核功）二、金属固态相变主要特点

6.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。

二、金属固态相变主要特点

（提供驱动力）6.母相晶体缺陷的促进作用二、金属固态相变主要特点（提供二、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.原子迁移率低，多数相变受扩散控制

5.易产生过渡相

6.母相晶体缺陷的促进作用（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）二、金属固态相变主要特点（提供驱动力）（降低形核功）（不同类2.2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T0——理论转变温度2.2金属固态相变热力学一、相变驱动力γ→α转变，只有在T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：

Gγ→α

＜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——原子间的引力二、相变势垒Gγ→α＜02.3金属固态相变的形核一、均匀形核形核自由能变化假设晶核为球形自由能差界面能应变能r*对ΔG与r之间的函数关系作图得到新相晶胚形成时自由能的改变量与晶核半径的关系曲线图只有晶胚尺寸大于r*时，晶胚的长大才会使系统自由能降低，这种晶胚才可作为稳定的晶核而长大令2.3金属固态相变的形核一、均匀形核形核自由能变化假设晶核2.3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：临界形核功假设晶核为球形当△Gv一定时，固态相变比液-固相变要困难，需要大过冷度令2.3金属固态相变的形核一、均匀形核金属结晶均匀形核＞＞形固态相变均匀形核率：固态转变时的形核功比结晶时的大，固态扩散的激活能要比液态的大几个数量级固态相变的形核率远比相似条件下金属结晶的形核率小得多固态相变均匀形核率：固态转变时的形核功比结晶时的大，固态扩散2.3金属固态相变的形核二、非均匀形核①晶界形核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。2.3金属固态相变的形核二、非均匀形核①晶界形核缺陷提供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：结论：界隅形核的最容易

但界隅占的体积分数太小，而数量最多的界面对形核的贡献最大。。二、非均匀形核Ⅳ界面<界棱<界隅界隅<界棱<界面<均匀形核1.晶界形核二、非均匀形核Ⅳ界面<界棱<界隅界隅<界棱<界面

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2.位错形核二、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.空位及空位集团形核二、非均匀形核2.4金属固态相变的晶核长大

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（传质过程）（长程扩散）——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。（需考虑界面结构的影响）机制速率（短程扩散或无扩散）2.4金属固态相变的晶核长大新相晶核的长大，实质是界面向1、（半）共格界面的迁移(1)均匀切变（协同型长大）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1、（半）共格界面的迁移(1)均匀切变（协同型长大）一、（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（2）台阶机制

（相界面上位错的滑动）特点：通过半共半共格阶梯界面半共格阶梯界面一、长大机制2、非共格界面的迁移：（非协同型）

通过界面扩散进行紊乱排列台阶状结构特点：原子无规律地迁移，迁移的距离不等，相邻关系改变。

母相新相一、长大机制2、非共格界面的迁移：（非协同型）紊乱排列台阶状

晶核长大的控制因素

根据界面类型，金属中的固态相变长大机制可分为

协同型转变（成分不变）

非协同型转变

其中①成分不变，原子在界面处做短程扩散，

长大速度主要受控于界面过程；

②成分改变，需要长程扩散（传质过程），

长大速度取决于扩散过程。二、长大速度（非协同型）①成分不变②成分改变无扩散，受控于界面过程，转变速度极快（界面控制）（扩散控制）晶核长大的控制因素二、长大速度（非协同型）①成分不变二、长大速度（非协同型）1、无成分变化时（受界面控制）新、旧两相成分相同，如纯金属的同素异构转变，只要母相一侧界面处原子做近程运动越过界面，新相就长大，其生长速度为：GΔgγαGγ→αλ讨论：①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；二、长大速度（非协同型）1、无成分变化时（受界面控制）二、长大速度（非协同型）1、无成分变化时：GΔgγαGγ→α讨论：②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。二、长大速度（非协同型）1、无成分变化时：GΔgγαGγ→二、长大速度（非协同型）1、无成分变化时：GΔgγαGγ→αλ结论：在整个相变范围内，新相长大速度随温度降低，先增后减。二、长大速度（非协同型）1、无成分变化时：GΔgγαGγ→二、长大速度（非协同型）2、有成分变化时（扩散控制型）：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。

新相长大需要溶质原子做远程扩散，因此原子的扩散速率是生长的控制因素。二、长大速度（非协同型）2、有成分变化时（扩散控制型）：长长大机制协同型非协同型界面类型（半）共格非共格新旧相成分变化不变不变改变原子迁移过程的本质无扩散短程扩散（越过界面）界面或扩散控制界面控制界面控制例子马氏体转变同素异构转变长程扩散扩散控制珠光体转变长大机制协同型非协同型界面2.5金属固态相变动力学（形核长大型）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：讨论相变的速率问题，即在恒温下相变量与时间的关系。2.5金属固态相变动力学（形核长大型）T1