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1、固态相变1-2原文地址：http:/ 固 态 相 变Phase?transformations?in?metals?and?alloys授课人:?徐洪辉 (教授)? Email:? Tel:?13077377087参考教材金属固态相变原理徐洲,?赵连城 科学出版社，2004（索书号： TG111.5/XZ）固态相变原理朱景川，来忠红 编著 科学出版社，2010.7(索书号O414.13/ZJC)金属与合金中的固态相变 陈景榕、李承基编著 冶金工业出版社，1997.5（索书号：75.33/CJR）参考教材材料相变徐祖耀著 科学出版社，2013（索书号：TB303/XZY?）合金固态相变赵乃勤主编
2、 中南大学出版社，2008（索书号： TG111.5/ZNQ）参考教材金属和合金中的相变波特，伊斯特林等著， 陈冷，余永宁译 高等教育出版社，2011 （ 索书号：TG111/BT）金属固态相变及应用康煜平 化学工业出版社，2007（索书号： TG111.5/KYP）固态相变原理新论刘宗昌，任慧平，计云萍 科学出版社；2015主要内容第一章 1.1 1.2 第二章 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 3.1 3.2 3.3 3.4绪论 相变研究的意义 相变研究发展简况 相变概论相及相变 固态相变的分类 固态相变特征 相变热力学基础 固态相变的形核 固态相变的长大 固
3、态相变动力学 固态相变产物的粗化第四章 4.1 4.2 第五章 第六章 第七章 第八章珠光体共析转变 珠光体共析转变 相间沉淀 马氏体相变 贝氏体相变 其它相变 近代相变理论简介(自学)第三章 脱溶沉淀和Spinodal分解脱溶沉淀 时效硬化合金中的脱溶沉淀 胞状脱溶 Spinodal分解主要内容材料相变过程涉及热力学、动力学和晶体学7大晶系和14个布拉维点阵图1.1?相变及能量变化图1.2?7大晶系和14个布拉维点阵第一章 绪论 1.1 相变研究的意义?固态相变是金属材料热处理的基础。利用相变可改善材料 的显微组织，提高材料的性能，充分发挥材料的潜力。图1.1?材料研究的四要素第一章 绪论
4、1.1 相变研究的意义淬火1. 热处理退火回火 正火2. 形状记忆合金（TiNi合金） 3. 陶瓷的相变增韧 4. 相变潜热图1.2?主要的热处理工艺温度范围1.2 相变研究发展简况第一章 相变概论天然矿石的研究（积累晶体学知识），金属材料的分析研究?1808年，Widmanstabtten铁陨石（铁镍合金）的魏氏组织图1.3?金相组织（稀硝酸腐刻，1820年发表）图1.4?Sorby当年观察过的珠光体试样（保存于Sheffield大学，1953照）? 1863年，英国Sorby用反射式显微镜观察抛光腐刻钢铁的微 观组织（魏氏组织），并对钢的淬火和回火组织做了基本正确 的解释。（论文于1864
5、年发表）1.3 相变研究发展简况?1869年，安德鲁斯发现（气-液相变）临界点和临界现象 ?1873年，范德瓦尔斯(Van der Waals )提出了范德瓦尔斯(非理 想气体)方程 a ( p ? 2 )( v ? b ) ? R T v ? 1876和1878年，Gibbs分两部分发表了“论复相物质的平衡” Gibbs主要贡献： 引入Gibbs函数和化学势导出相率和热力学基本方程1.3 相变研究发展简况? 1878年和1885年，德国A Martens和法国F Osmond分别独 立地用显微镜观察了钢铁的显微组织。Osmond测出了钢铁的 三个转变点（900、750和700?C），发现了铁
6、的三种同素异构体?、? 和?。 1895年,Osmond建义用Martens命名钢的淬火组织：马氏体图1.5?1.6%C钢中珠光体 （Osmond，1901）图1.6?冷却曲线1.3 相变研究发展简况? 1897年，Austen在B和Sauveur等人的工作基础上， 绘制了第一张Fe-C 相图,两年后发表了改进的Fe-C相图。图1.7a?Austen第一幅FeC相图，1897图1.7b?Austen第二幅FeC相图，18991.3 相变研究发展简况? 1900年，荷兰Roozeboom根据相率修订了Austen1899年发 表的Fe-C相图。图1.8a?Roozeboom 修订的FeC相图，1
7、900年图1.8b?目前接受的FeC相图为纪念Austen在?固溶体和FeC相图的贡献，1900年命名?固溶体为奥氏体。1.3 相变研究发展简况? 1906年，Wilm发现Al合金室温析出硬化现象。 ? 1919年，Tammann (塔姆曼)提出晶格的概念。 ? 1921年，Westgren确定铁素体和奥氏体的晶体结构。 ? 1926-1927年, F. Campbell用X射线方法测得马氏体是体心正 方结构，曾一度认为马氏体就是碳在-Fe中的过饱和固溶体。 ? 1930年，西山测定了马氏体和奥氏体的一种晶体学关系，被 称为西山关系。 ? 1930年，Bain等开始研究钢的等温相变过程，观察到
8、了后来 被称为贝氏体的组织。 ? 1937-38年，法国Guinier(吉尼尔)、英国Preston(普雷斯顿) 用X衍射分 析发现Al-Cu合金时效析出的GP区。1.3 相变研究发展简况? 1945-49年，Zener系统研究了珠光体的长大以及新相长大过 程的相互干扰，建立了扩散控制相变长大的基本动力学理论。 ? 1948年， Kurdjumov提出马氏体相变也是形核长大的过 程，但不发生组元扩散的切变相变。 ? 1949年，Greniger，Troiano提出马氏体相变是无扩散切变 相变，无需形核和长大过程；提出马氏体转变的 G-T 关系； G-T切变模型。 ? 1953-54年，Wech
9、sler、Bowles和Mackenzie等提出马氏体 相变的晶体学唯像理论。 ? 1958年，Massalski提出块状转变的理论。 ? 1960年，Duwze利用快冷技术获得了金属非晶。1.3 相变研究发展简况? 1961年，Hillert、Cahn和Hilliard等建立了Spinodal分解理 论。 ? 1964年，Wayman，“马氏体相变晶体学导论”阐述了晶体学 表象理论，较好地解释了马氏体转变晶体学机制。 ? 1970年，Bollomann提出了0点阵理论。 ? 1980年，Aaronson等提出了金属相界面能及其随温度和界面 位向变化的计算方法。 ? 1983年，徐祖耀通过理论
10、计算确认低碳钢在马氏体相变时， （由于 MS 温度较高） 间隙原子碳的扩散率较大，可能存在碳的扩 散。给出马氏体相变定义：“替换原子经无扩散位移 (均匀和不均匀形 变 ) ，由此产生形状改变和表面浮突出、呈不变平面应变特征的一 级、形核-长大相变”。1.3 相变研究发展简况Landau理论 Ginzburg-Landau理论 ? 近代相变理论 电子-声子理论 软模理论（Soft Mode） ?计算机技术+现代实验技术 相场方法（Phase Field method）：以GinzburgLandau理论为物理基础，通过微分方程来体现具有特定物理机制的扩散、有序化势和热力学驱动的综合作用，通过计算
11、机编程求解 上述方程，从而获取研究体系在时间和空间上的瞬时状态。 http:/web.access.rwthaachen.de/MICRESS/Landau二级相变理论现代实验技术：SEM、TEM、HRTEM、XRD、EBSD、FIM、STM、 AFMEXAFS? Extended?Xray?Absorption?Fine?Structure XSAS? Xray?small?angle?scattering HAADFSTEM? high-angle annular detector dark-field scanning transmission electron microscope E
12、BSD Electron?BackScattered?Diffraction第二章 相变概论 2.1 相及相变?相：系统中结构相同、成分和性质连续变化（均匀 一致、无突变）、与其他部分有界面分开的部分。 相的状态 稳定态（平衡态）、亚稳态、非稳定态 气（汽）、固、液，? 单质（元素） 初次固溶体，如?-(Fe)、 ?-(Mg)等 化合物，如Al2Cu、AlNi和Fe3C等晶态 相的种类非晶态：石英玻璃、金属玻璃 准晶相的标记方法Phase Pearson symbol Space groupStrukturbericht designationStructure Symbol Prototyp
13、e2.1 相及相变 Parameters?Fe ?Fe ?Ti FeTi TiAl (?) TiAl3(h)cF4 cI2 hP2 cP2 tP4 tI8Fm3mA1 A2 A3 B2 L10 D022Cu W Mg CsCl AuCu TiAl3(h)?Pearson符号，如?Fe： cF4第一个小写英文字母表示所属晶系 第二个大写英文字母表示它所属的布喇菲点阵类型（例如P、I、F、C等）， 第三个数字表示单胞中的原子数? Structure Symbol，如?Fe： A1第一个大写字母表示结构的类型，后面的数字为顺序号 不同的顺序号表示不同的结构，例如A1: 面心立方， A2: 体心立方，
14、A3: 密排六 方， B1：NaCl结构（立方）， B2：CsCl结构（立方），?空间群(Space Group)7个晶系 32个点群 （平移）14种Bravais格子（旋转、反射、反演）2.1 相及相变230个空间群格子类型p2mg3 由上到下( 由上到下(x方向) 方向)的对称元素1 垂直纸面方向的对称元素2 从左至右( 从左至右(y方向) 方向)的对称元素?最前面的大写英文字母表示Bravais 点阵类型：P简单点阵，C底心点阵 ，I体心点阵，F面心点阵 ，R菱方体点阵； ?其后是各晶系特定取向上的宏观和微观对称元素。七大晶系晶系的关系2.1 相及相变从空间群符号辨认晶系(1) 立方第2
15、个对称符号： 3 或 ?3 (如： Ia3, Pm3m, Fd3m)2.1 相及相变(2) 四方第1个对称符号： 4, ?4 , 41, 42 或 43 (如： P41212, I4/m, P4/mcc) (3) 六方第1个对称符号： 6, ?6 , 61, 62, 63, 64 或 65 (如： P6mm, P63/mcm) (4) 三方第1个对称符号： 3, ?3 ，31 或 32 (如： P31m, R3, R3c, P312) (5)正交点阵符号后的全部三个符号是镜面，滑移面，2次旋转轴或2次螺旋轴 (即Pnma, Cmc21, Pnc2） (6)单斜点阵符号后有唯一的镜面、滑移面、2次旋转或者螺旋轴，或者轴/平 面符号(即Cc、P2、P21/n) (7)三斜点阵符号后是1或(- 1)相的主要分析表征 技术XRD TE
