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1、1,第八章 固态相变,第八章 固态相变,2,第一节 概 述,一 固态相变的特点 1 界面类型:错配度=（-）/ 完全共格界面：=0，应变能和界面能接近于零； 弹性应变共格界面：0.05，界面能 0.1 J/m2，应变能增加； 半共格界面：0.050.25，界面能 0.5 J/m2，应变能降低； 非共格界面：0.25，界面能 1.0 J/m2，应变能进一步降低。,第九章 固态相变 第一节 概 述,界面能依共格界面、半共格界面和非共格界面的顺序而递增 应变能恰恰相反。,3,第一节 概 述,一 固态相变的特点 界面能 固-固两相界面能远比液-固两相界面能高： 一部分是形成新相界面时，因同类键、异类键
2、的结合强度和数量变化引起的化学能； 另一部分是由界面原子的不匹配产生的点阵畸变能 界面能依共格界面、半共格界面和非共格界面的顺序而递增,第八章 固态相变 第一节 概 述,4,第一节 概 述,一 固态相变的特点 应变能:包括共格应变能和体积应变能。 共格应变能：共格界面新旧两相点阵常数差异引起的应变能。 体积应变能：由于新相与母相的比容不同，固态相变时新相的生成必然受到周围母相的约束而产生弹性应变而增加的应变能。 新相与母相的比容差别越大，则体积应变能越大。 单位体积应变能的大小还与新相的几何形状有关。,第八章 固态相变 第一节 概 述,球状应变能最大，针状次之，片状（盘状）应变能最小。,5,第
3、一节 概 述,一 固态相变的特点 2 位向关系 当两相界面为共格或半共格时，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。一般是新旧两相原子密度最大的晶面互相平行，原子密度最大的晶向互相平行。如：钢由奥氏体转变为正方马氏体: 111/110 ，/ 。,第八章 固态相变 第一节 概 述,6,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。,第八章 固态相变 第一节 概 述,7,第一节 概 述,一 固态相变的特点 3 惯习现象,
4、第八章 固态相变 第一节 概 述,魏氏组织（白色片状）,8,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。）,第八章 固态相变 第一节 概 述,9,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
5、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。,第八章 固态相变 第一节 概 述,10,第二节 固态相变的形核,一 均匀形核 1 形核的能量条件 GnGv+n2/3+ nEs 临界晶核形核功： G*=4 /27 33 /(Gv+Es)2,第八章 固态相变 第二节 形核长大,11,第二节 固态相变的形核,一 均匀形核 1 形核时的能量变化 （1）相变驱动力:体积自由能Gv （2）相变阻力:界面能,应变能Es,具有低表面能和高应变能的共格/半共格晶核：为了降低应变能，新相倾向于呈盘状和片状； 具有高表面能和低应变能的非共格晶核
6、： 为了降低表面能，新相倾向于呈球状。 若相变后应变能显著增加，则新相趋向于呈片状或针状。,第八章 固态相变 第二节 形核长大,12,第一节 概 述,一 均匀形核 相变阻力大：界面能增加 额外弹性应变能：比体积差 扩散困难（新、旧相化学成分不同时） 固态相变困难 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。,第八章 固态相变 第一节 概 述,13,第二节 固态相变的形核,二 非均匀形核 表面能高，降低G* （1）晶界形核 新相在母相表面部分界面重建，降低 界面能,第八章 固态相变 第二节 形核长大,结构混乱，易扩散，利于扩散相变,14,第二节 固态相变的形核,二
7、非均匀形核 新相生成处位错消失，能量释放，提 高驱动力 （2）位错形核 新相生成处位错不消失，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,第八章 固态相变 第二节 形核长大,15,第二节 固态相变的形核,二 非均匀形核 促进扩散 新相生成处空位消失，提供能量 （3）空位形核 空位群可凝结成位错促进形核 （在过饱和固溶体的脱溶析出过程 中，空位作用更明显。）,第八章 固态相变 第二节 形核长大,16,第二节 固态相变的形核,二 非均匀形核 2 非均匀形核的能量变化 G nGv +n2/3+ nEs - GD GD晶体缺陷导致系统降低的能
8、量。,2h,第八章 固态相变 第二节 形核长大,17,第三节 固态相变的晶核长大,第八章 固态相变 第二节 形核长大,对扩散型相变来说，新相长大分为界面控制和扩散控制的两种过程。 界面控制：新旧两相成分相同，通过相界面附近原子的短程迁移进行长大，如同素异构转变、再结晶； 扩散控制：新旧两相成分不同，通过原子的长程扩散进行长大，如脱熔相的长大、共析转变。,18,第三节 固态相变的晶核长大,晶核生长机制 （1）非共格界面,第八章 固态相变 第二节 形核长大,19,第三节 固态相变的晶核长大,1 晶核生长机制,第八章 固态相变 第二节 形核长大,20,第三节 固态相变的晶核长大,2 晶核生长速率 （
9、1）界面控制长大 新相生成时无成分变化(只有结构、 有序度变化）短程输送 u=exp(-Q/kT)1-exp(-Gv/kT),第八章 固态相变 第二节 形核长大,晶核长大速率是扩散系数D和相变驱动力Gv的综合影响。,21,第三节 固态相变的晶核长大,2 晶核生长速率 新相生成时有成分变化 远程扩散 （2）扩散控制长大 u=dx/dt=(C/x)D/(C-C),第八章 固态相变 第二节 形核长大,22,第三节 固态相变的晶核长大,3 相变动力学 f=1-exp(-btn) f 转变量（体积分数）； b-常数，取决于相变温度、母相 成分和晶粒大小等； n-常数，取决于相变类型和形核 位置； t-时
10、间。,第八章 固态相变 第二节 形核长大,TTT 曲线,23,第四节 扩散型相变示例,一 脱熔转变 脱熔转变概念：当固溶体因温度变化等而呈过饱和状态时，将自发地发生分解过程，其所含的过饱和溶质原子通过扩散而形成新相析出，此过程称为脱溶。相图中具有溶解度变化的体系，从单相区经过溶解度饱和线进入两相区时，就要发生脱溶分解。 许多热处理过程都与过饱和固溶体的脱熔有关， 奥氏体析出铁素体的先共析转变、铁素体中析出渗碳体、淬火后的时效处理、回火处理都是典型的脱熔转变。,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,24,第四节 扩散型相变示例,一 脱熔转变,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,25,第四节
11、 扩散型相变示例,一 脱熔转变 新相的脱溶通常以形核和生长方式进行。温度高时发生平衡脱溶，析出平衡的第二相；如温度较低，可能先形成亚稳的过渡相；如快速冷却至室温或低温(称为淬火或称固溶处理)，还可能保持原先的过饱和固溶体而不分解，但这种亚稳态很不稳定，在一定条件下会发生脱溶析出过程（沉淀或时效），生成亚稳的过渡相。 由于固态中原子扩散速率低尤其在温度较低时更为困难，故脱溶过程难以达到平衡，脱溶产物往往以亚稳态的过渡相存在。,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,26,第四节 扩散型相变示例,固态相变的特点：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 +
12、(3Fe+C) 例 M +Fe3C,第八章 固态相变 第一节 概 述,27,第四节 扩散型相变示例,一 脱熔转变 按照系统自由焓取最低原则，脱熔相应为平衡相。但实际发生的过程中，相当多的情况都是介稳平衡的，但它并非过程终态，在一定的条件下，介稳相会转变为平衡相，形成所谓脱熔贯序现象。在工业生产过程中，工艺目标或实际可能获得的状态，几乎都是脱熔贯序中的介稳状态，而并非平衡状态。,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,28,第四节 扩散型相变示例,一 脱熔转变 A1-Cu合金的时效（脱熔转变） Al-Cu合金加热到550保温，得到单相固溶体，淬火后于130保温进行时效处理，随保温时间延长的脱熔贯
13、序为： G.P,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,29,第四节 扩散型相变示例,一 脱熔转变 A1-Cu合金的时效（脱熔转变） Al-Cu合金加热到550保温，得到单相固溶体，淬火后于130保温进行时效处理，随保温时间延长的脱熔贯序为： G.P,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,30,第四节 扩散型相变示例,一 脱熔转变 A1-Cu合金的时效（脱熔转变） Al-Cu合金加热到550保温，得到单相固溶体，淬火后于130保温进行时效处理，随保温时间延长的脱熔贯序为： G.P,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,31,第四节 扩散型相变示例,A1-Cu合金的时效脱熔贯序为： G.P
14、相： A1-Cu合金固溶体（面心立方） G.P：圆盘状的熔质原子Cu富集区，与母相完全共格。 ：成分接近CuAl2，圆片状过渡相（脱熔相），正方点阵，与母相共格，强化作用最强。 ：成分接近CuAl2，圆片状过渡相（脱熔相），与母相呈半共格关系，强化作用减弱。 ：平衡相， CuAl2。与母 相呈非共格关系，强 化作用显著减弱。,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,32,第四节 扩散型相变示例,二 脱熔类型 根据脱熔过程中母相成分变化的特点，脱熔过程分为连续脱熔和不连续脱熔。,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,33,第四节 扩散型相变示例,脱溶组织形貌（连续脱熔）,第八章 固态相变 第四
15、节脱溶与调幅分解,34,第四节 扩散型相变示例,二 脱熔类型 连续脱熔：如果脱熔是在母相中各处同时发生，且随新相的形成母相成分连续变化，但其晶粒外形及位向均不改变，则称之为连续脱熔。如时效、回火等。 析出相的形态取决于析出相的结构和点阵常数与母相的接近程度，若两相能保持共格关系，析出相呈圆盘形，针状；若不存在共格关系，则呈等轴状。 另外，连续脱熔还可能只呈现在某一局部区域，如脱熔物优先在晶界、滑移带、非共格孪晶界和位错处形成。,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,35,第四节 扩散型相变示例,二 脱熔类型 连续脱熔：均匀脱熔,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,36,第四节 扩散型相变示例,二 脱熔类型 连续脱熔： 不均匀脱熔,第八章 固态相变 第四节脱溶与调幅分解,37,第四节 扩散型相变示例,二 脱熔类型 不连续脱熔：多发生在过饱和度很大的置换固熔体中，是从母相中同时析出片层相间的两个相：+，与共析转变相类似。是过饱和固溶体，是仍含有一定过饱和度的相，是脱熔相。与结构相同，但成分不同，有界面分开，故称不连续脱熔。由于脱熔产物是靠着晶界突出的胞状组织，又称胞状脱熔。脱熔胞长大时，熔质原子只需在界面附近扩散(短程扩散)，双相胞向未发生成分变化的母相中生长，所以
