金属固态相变基础课件

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1、相和相变 相变的分类 金属固态相变的主要特点,第一章 金属固态相变基础,1.1 金属固态相变概论,1.1.1 相与相变概念,相：任何物质都是由原子、分子、离子或分子团组成的，构成物质的这一体系，可以是均匀的，也可以是非均匀的，其中，均匀的部分即称为相。 稳定相: 对于一定的热力学条件，只有当某相的自由能位最低时，该相才是稳定的且处于平衡态 亚稳相: 若某相的自由能虽然并不处于最低，然而与最低自由能态具有能垒相分隔，则该相为亚稳相 能垒:相变时改组晶格所必须克服的原子间引力。,非稳定相：若不存在这种能垒，则体系处于非稳定态，这种状态是不稳定的，它一定会转变为平衡态或亚稳态。 相变：在均匀一相或几

2、个混合相内，出现具有不同成分或不同结构（包括原子、离子或电子的位置或位向）或不同组织形态或不同性质的相，称为相变。 固态相变：固态材料在温度和压力改变时发生的相变。,1.1.2 金属固态相变的主要分类1、按热力学分类:一级相变和二级相变,比热,压缩系数,膨胀系数,熵,体积,一级相变,具有体积和熵的突变； 熵的突变表明在一级相变过程中，有相变潜热的吸收或释放，从而可以应用热膨胀仪来测量一级相变的开始点。 体积的突变说明在相变过程中要发生体积变化。 材料凝固、熔化、升华、同素异构转变均属一级相变。 几乎所有伴随晶体结构变化的固态相变都为一级相变。,，,二级相变,为材料的等温压缩系数 为材料的等压膨

3、胀系数 不能由两相的体积、熵分析二级相变 材料的磁性转变属于二级相变。,，,，,，,，,2、按平衡状态分类分为平衡相变和非平衡相变,（1）平衡相变,同素异构转变 纯金属在温度压力变化时，由一种晶体结构转变为另一种结构的过程称为同素异构转变。,多形性转变 固溶体由一种晶体结构转变为另一种结构的过程称为多形性转变。,平衡脱溶转变 单一的固溶体, 冷至 固溶度曲线MN以下温度时， 相又将逐渐析出，这一 过程称为平衡脱溶沉淀。 其特点是新相的成分 和结构始终与母相的不同； 随着新相的析出，母相的成 分和体积分数将不断变化， 但母相不会消失。 例如：钢在冷却时，二 次渗碳体的析出，即属这种 相变。,共析

4、转变 由一个固相分解为两个固相的转变。 如：珠光体转变。,增幅分解 : 由一种高温固溶体，冷至某一温度范围，分解为两种与原固溶体结构相同，而成分不同的微区的转变称为增幅分解 可用反应式表示: 1+2 其特点是：新形成的微区之间并无明显的界面和成分的突变，但通过上坡扩散，最终使一均匀固溶体变为一不均匀固溶体。,有序化转变 固溶体中，各组元的相对位置从无序过渡到有序的过程，称为有序化转变 如：铜锌合金，金铜合金都发生有序性转变。,（2）非平衡转变,伪共析转变 共析转变:平衡冷却下，奥氏体 转变为铁素体与渗碳体。 但如果奥氏体自高温以较快速度冷却，共析转变来不及进行，非共析成分的奥氏体被过冷到GS和

5、ES的延长线以下温度（图中阴影线区）时，将同时析出铁素体与渗碳体。 这一转变过程类似于共析转变，当转变产物中铁素体量与渗碳体量的比值不是定值，而是随奥氏体碳含量而变，称为伪共析转变。 伪共析转变也称为珠光体转变。,马氏体相变,由奥氏体转变为马氏体的相变 T0为母相与马氏体自由能相等的曲线； 低于T0，母相可转变为马氏体。 除铁碳合金外，其它合金也可以发生马氏体相变。,块状转变 ：纯铁或低碳钢，在一定的冷速下奥氏体可以转变为与母相成分相同而形貌呈块状的相。 贝氏体相变：奥氏体在珠光体转变与马氏体转变温度范围之间发生的相变。,非平衡脱溶转变 ： 自t1快冷，在冷却过程中来不及析出； 故将得到过饱和

6、固溶体； 在室温或在低于固溶度曲线MN的某一温度下等温时将自析出成分与结构均与平衡沉淀相不同的新相，称为不平衡脱溶沉淀。,3、按原子的迁移情况分类,扩散型相变 定义：相变过程受控于原子（或离子）的扩散。 特点：（1）相变的速度取决于原子的扩散速度； （2）新相和母相成分不同； （3）体积变化，但宏观形状不变 无扩散型相变 定义：相变过程不存在原子（或离子）的扩散，原子（或离子）仅做有有规则的迁移使点阵发生改组。 特点：（1）宏观形状变化，试样表面会出现浮凸； （2）新相与母相化学成分相同； （3）新相与母相之间存在一定晶体学位向关系。,4、按相变方式分类,有核相变（形核长大型相变） 定义：通过

7、形核以及核长大方式进行相变。 特点：始于程度大而范围小的成分起伏，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（连续型相变） 定义：没有形核阶段的相变。 特点：始于程度小而范围大的成分起伏，通过成分起伏形成高浓度区和低浓度区，成分由高浓度区连续过渡到低浓度区。以后依靠上坡扩散使浓度差增大，导致一个单相固溶体分解为成分不同的两个相。 典型的相变如spinodal decomposition（增幅分解）。,固态相变总结：,固态相变种类多，单相变过程发生的变化却不外乎三个方面： a. 结构； b. 成分； c. 有序性。 有些转变仅具有一种变化；而有些转变兼有二种或

8、三种变化。,1.1.3 金属固态相变的主要特点,一、相界面（由于均为晶体，不同于固液界面） 根据界面上两相原子在晶体学上匹配程度的不同，分为： (一) 共格界面：两相在界面上的原子可以一对一地相互匹配（即界面上的原子所占位置恰好是两相点阵共有位置）。 实际上两相点阵总有一定差别，或是点阵结构不同，或是点阵参数不同。因此，两相界面要完全共格在界面附近必将产生弹性应变。 特点：界面能低，应变能高。,晶格示意图,(二) 半共格界面：两相在界面上的原子部分地保持匹配,当由于点阵长度差别引起错配度提高，要保证完全共格，使弹性应变能提高；当错配度达到一定程度，难以维持完全共格，在界面上产生一些刃型位错，来

9、补偿两相原子间差距，变成部分匹配。 特点：界面能提高，应变能降低。,错配度,(三) 非共格界面： 两相在界面上由于错配度大，无匹配关系。 特点：界面能高，应变能低。,二、两相间的晶体学关系（位向关系与惯习面）,固态相变时新相与母相往往存在一定的晶体学关系。 惯习面：新相往往在母相一定的晶面族上形成，这种晶面称为惯习面。 特征：(1) 惯习面上新相和母相的原子排列很相近，能较好地匹配，有助于减少两相间界面能。 (2) 惯习面往往为新相主平面所平行的母相晶面。 位向关系：新相、母相某些低指数晶面和晶向的对应平行关系。,举例：,马氏体总是在奥氏体111 晶面上形成， 则111A为惯习面. 密排面11

10、0 与奥氏体密排面111A相平行 密排方向与奥氏体密排方向A相平行 则取向关系为：110|111A；|A,取向关系与相界面的关系：,当新相与母相间为共格或半共格界面时，两相间必然存在一定的晶体学取向关系； 若两相间无一定取向关系，则其界面必定为非共格界面； 但有时两相间虽然存在一定的晶体学取向关系，也未必都具有共格或半共格界面，生长时共格或半共格界面破坏。,三、弹性应变能,1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（应变能为零） 2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

11、性应变能。,以上两项为相变阻力,比容差应变能与新相几何形状的关系：,Nabarro通过理论计算，把不同形状新相看作旋转椭球体。 ca 圆棒（针状） 新相形态和界面取决于： （1）相变驱动力G （T） （2）相变阻力(与液态金属凝固相比，相变阻力增大).,界面能取决于界面匹配程度（球针盘）和共格关系（共格半共格非共格）； 应变能主要取决于比容差，盘针球。（共格应变能相对比容差应变能很小。） 界面能、应变能对新相形态的影响： （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） 比容差大盘（片）状（降

12、低应变能）,举例： 钢中马氏体回火，先形成与马氏体基体保持共格碳物，呈片状； 随着回火温度的升高或回火时间延长，碳化物转变为与基体呈非共格的渗碳体，呈球状。,四、 形成过渡相,过渡相：指成分或结构，或二者都处于新相与母相之间的一种亚稳状态的相。 在固态相变中，有时新相与母相在成分、结构上差别较大，形成困难，而形成过渡相成为减少相变阻力重要途径。 因为过渡相在成分、结构上更接近于母相，两相间易于形成共格成半共格界面，以减少界面能，从而降低形核功，使形核易于进行。 但过渡相由于自由能高于平衡相，在一定条件下，继续转变为平衡相。,五、晶体缺陷的作用,与液态金属不同，固态金属存在各种晶体缺陷，如空位、

13、位错、晶界等。在缺陷周围有点阵畸变，储存畸变能，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。,六、 原子的扩散,固态变相中，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。,1.2 金属固态相变热力学,大部分金属固态相变

14、的过程包括形核和长大两个 过程。 1.2.1金属固态相变的热力学条件 G = GvGsGe 式中，G为系统自由能总变化；Gv为新相与 母相的体积自由能差；Gs为界面能；Ge为弹性 应变能。 相变驱动力 新、旧相的体积自由能差Gv就是固态相变的驱 动力。它随相变温度和相成分的改变而改变。相变 驱动力随过冷度的增大而增大。 相变阻力 界面能和应变能。,1.2.2 固态相变的形核,绝大多数固态相变（除调幅分解）都是通过形核与长大过程完成的，形核过程往往先在母相基体的某些微小区域内形成新相所必须的成分与结构称为核胚； 若这种核胚尺寸超过某一临界尺寸，便能稳定存在，并自发长大，即成为新相晶核。 若晶核在

15、母相基体中无择优地任意均匀分布，称为均匀形核； 若晶核在母相基体中某些区域择优地不均匀分布，则称为非均匀形核。 在固态相变中均匀形核的可能性很小。,一、均匀形核,按经典形核理论、系统自由能总变化：（与液态金属结晶相比，相变阻力增加一相变应变能） G=gVV+S+EV=GV+GS+GE gV 单位体积新相与母相自由能差 单位面积界面能 E 单位体积应变能 V 体积 S 面积 当低于平衡转变温度时，|gVV |S+EV G0自发过程,临界形核功 G*= 由于应变能存在，临界形核功增大 固态相变均匀形核率：（与金属凝固过程相似） N 单位体积每相中的原子数 原子振动频率 Q 原子扩散激活能 K Bo

16、ltzmann常数 T 相变温度 固态下，Q值较大，G*也较高，与凝固过程相比，固态相变均匀形核率要小得多。,二、非均匀形核,在母相的晶体缺陷处形核，金属固态相变主要依赖于非均匀形核。其系统自由能总变化为： G=gVV+S+EVGd 与均匀形核相比，多出一项Gd，表示非均匀形核时，由于晶体缺陷消失或减少而降低的能量，gVVGd为相变的驱动力，使临界形核降低，促进形核。,各种晶体缺陷对形核的作用：,(一) 空位：通过加速扩散过程或释放自身能量一提供形核驱动力，促进形核。 (二) 位错 从以下几个方面促进形核： 1位错线上形核，可借形核处位错线消失所释放畸变能作为相变驱动力，降低形核功。 2新相形核时，位错并不消失，而依附于新相界面上构成半共格界面上的位错部分，以补偿错配，从而降低应变能，使形核功降低。,G*=,3溶质原子在位错线上偏聚（柯氏气团），使溶质含量增高，便于满足新相形成时作需的成分条件，使新相晶核易于形成。 4位错线或作为扩散和短路通道，降低扩散激活能，加速形核。 由于晶粒内分布有大