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1、固 态 相 变金属学与焊接原理材料连接方向系列专业课之一：Metallography & welding principium 主讲人：朱浩材料学院金属材料系固 态 相 变 第一章 固态相变第一节 固态相变总论 一. 引言：相变（广义）：是指外界条件（如温度、压力等）发生变化时，物质从一种相转变为另一种相的过程 。关于相变的理解： 相变是物质系统不同相之间的转变； 相变是有序和无序两种倾向相互竞争的结果。相变是自然界普遍存在的一种突变现象.u 初秋早晨湖面上的袅袅轻烟u 高山上的缕缕薄雾，u 万里晴空中的朵朵彩云u 冬日雪后琳琅满目的雪花和冰晶相变现象丰富多彩:是水的各种相变形态固 态 相 变
2、1. 固态相变：指固体材料的组织、结构在外界条件（如温度、压力等）发生变化时所发生的转变。固态相变表现为： n 从一种结构转变为另一种结构。n 化学成分的不连续变化。n 物质物理性能的突变。二. 固态相变：TIPS: (1) 大多数固态相变与结晶过程一样，是通过形核和长大完成的(2) 固态相变的驱动力：新相与母相之间自由焓之差。Fe Fe 固 态 相 变2. 固态相变的特点：与气态相变、金属液态结晶发生的相变相比，固态相变具有自身的一些特 点：u 相变阻力大 界面能增加 弹性应变能增加 扩散困难固态相变困难！u 新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系！u 惯习现象新相沿特定的晶向在母相特定
3、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。固 态 相 变u 母相晶体缺陷促进相变缺陷类型点线面晶格畸变、自由能升高、促进形核及相变u 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）例如，在Al-Cu合金时效时母相0 1GP区 2 3 3 （CuAl2）稳定相过渡相过渡相TIP:这种情况通常发生在稳定相的成 分与母相相差较远，转变温度较低， 原子扩散慢，稳定相的形核困难。TIPS：过渡相从热力学来说不利 ，但从动力学来说有力，也是减小 相变阻力的重要途径之一！说明：有些反应不能进行到底 ，过渡相可以长期保留。固 态 相 变晶体结构的
4、变化纯铁的同素异构转变1538, bcc的Fe 1394,fcc的Fe 912, bcc的Fe化学成分的变化有序程度的变化3. 固态相变的三种基本变化：某些合金在高温下时，溶质，溶剂原子在点阵中无则分布无序状态，而在 低温时，溶质和溶剂原子分布在各自特定的点阵位置上有序状态。无序有序固 态 相 变4. 几个重要的概念：（1）相界面 不同相晶体晶粒之间的界面。 共格界面 两相晶格在界面上彼此完全衔接，错配度 =（- ）/ 0.05； 半共格界面 大到一定程度时，相界面不能继续维持完全共格学要一系列调配位错来调节，0.05 0.25；完全共格伸缩型半共格切变型半共格固 态 相 变 非共格界面 由于
5、（ 0.25）界面处两相原子无法配合。性质与大角度晶界相似！（2）界面能 ：由于新相与母相的点阵常数总会存在差异，在共格界面两侧必 然存在一定的弹性应力场。 固固相界面能比液固相界面高一部分同类键、异类键的结合强度和数 量变化引起的化学能；另一部分是由界面原子不匹配产生的点 阵畸变能。界面能：共格界面针状片状或盘状TIP：单位体 积界面能分 布：球状 r0时，固态相变可以自发进行。r0固 态 相 变 2. 非均匀形核 （1）晶界形核 界面形核时自由焓的变化：借助于固体中表面、晶界、晶体缺陷等而形成晶核的过程。母相中晶界、位错等晶体缺陷，都使系统的自由能升高： 新相依赖它们形核时，它们所储存的能
6、量可使形核功有所降低； 这些晶体缺陷消失时会释放一定的自由能，使系统向热力学稳定的状态变化。为由于核的形成而被 吞食的界面的面 积。 结论：晶界形核时 ，临界晶核半 径r*与晶界存 在无关！形核功取决 于晶界的存在 ！固 态 相 变f()为晶核形状因子 讨论： cos相对对于 f()晶核形状接近球 状； cos相对于 f()晶核形状接近片 状由于片状形核功较小， 所以，实际晶核形核时 一般总是以片状存在！说明： 只有晶界两侧的 界面都不共格时时 ，晶核才类类似球形； 若两侧与母相存在 取向关系而成共格或 半共格关系时，晶核 一般呈片状； 若晶界两侧的晶粒 一边共格，一边非共 格，则晶核呈球冠状
7、 。固 态 相 变结论：晶核最易在界隅形成，其次是界棱，最后是晶界！讨论晶界形核时，不仅要讨论两个相邻晶粒的界面，还有考虑： 3个晶粒共同交界线构成的界棱（晶棱）； 4个晶粒交于一点的界隅（晶角）在界棱 或界隅 处形核 ，可以 进一步 降低形 核势垒 ！固 态 相 变（2）沿位错形核u位错与溶质原子交互作用形成溶质原子气团，使溶质原子偏聚在位错线附近，在成分上有利于形核；u位错形核形成的新相如果能使原来的位错消失，可降低成核功；u短路扩散作用，可降低原子的扩散激活能，有利于晶胚长大到临界晶核；u比容大和比容小的的新相可分别在刃型位错的拉应力区和压应力区形核，降低弹性应变能，从而减小形核阻力。优
8、先形核原因：（3）沿空位形核u 空位团达到一定尺寸会崩塌成位错环，促进位错的形核的作用。u 当两相比容差很大时，相变阻力增大，形核比较困难，若存在一定数量的空位，就可以通过吸收或释放空位来改变两相的比容，使形核容易。u 对于扩散型相变，空位可增大置换型溶质原子的扩散系数，有利于形核。固 态 相 变五.晶核的长大 本 质： 长大是新相界面向母相中的迁动过程。驱动力：新相和母相的自由能差G。1、晶核的长大方式按原子的运动规律可分为：（1）非协同型长大 原子移动无序主要特点：晶核长大时，原子向新相移动没有一定的顺序，为“平民式”散漫无序位移，相邻原子相对位移不等，相邻关系可能发生改变！固 态 相 变
9、（2）协同型长大 母相原子有规则的向新相运动！主要特点：为“军队式”有序位移，相邻原子的相对位移相等，通常小于原子间距，点阵重构后，这些原子仍保持原有的相邻关系。通常表现为“切变”方式。固 态 相 变2、晶核长大的控制因素根据晶核的长大方式及母相和新相的化学成分的变化情况，可将固态相变长大分为4类：成分不变协同型长大；成分不变非协同型长大；成分改变协同型长大；成分改变非协同型长大 。相变无需溶质原子扩散，晶核长大 速度仅与界面点阵重构过程有关。晶核长大的控制因素视具体情况而 定。固 态 相 变界面控制和扩散控制u 当新/母相成分相同时，长大只涉及界面的最近邻的原子过程，称为界面过程控制长大；u
10、当新/母相成分不同时，新相界面的推移除了需要上述的界面最邻近的原子过程外，还可能要涉及原子的长程扩散过程。因而长大过程可能受界面过程控制或受扩散过程控制，也可能同时受界面过程和扩散过程控制。晶核长大的控制因素依相变温度和扩散速率而定：（1）相变温度较高时，原子扩散速率较快，但过冷度和相变驱动力较小，晶核长大速率的控制因素是相变驱动力；（2）相变温度较低时，过冷度和相变驱动力较大，原子的扩散速率将成为晶核长大的控制因素。固 态 相 变六、固态相变动力学固态相变速度决定于新相的形核率和长大速度（1）设均匀形核的形核率及受点阵重构控制的长大速度在恒温转变时均为常数，相变动力学方程（Johnson-M
11、ehl方程）：（2）非均匀形核的形核率及受扩散控制的长大速度随时间而变化，则恒温转变时的相变动力学方程（Avrami方程）：固态相变一般经历形核长大过程转变量形核率长大速率K为形状系数， 当新相为球形时 K=4/3固 态 相 变上面两个转变方程所描述的是在给定温度下的等温转变过程，据此可以计算不同温度下的等温转变动力学曲线TTT图 从左图可以看出： 温度较高时，扩散速度快，但相变驱动力小 ，使得转变速度慢如T1； 转变温度较低时，相变驱动力大，但扩散速 度急剧下降，转变速度也较慢如T3； 转变温度居中时，扩散速度和驱动力都较大 ，此时转变速度最快如T2.“鼻尖”的出现和驱动力与扩散 速度与温度的关系的相反结果 引起！固 态 相 变下图是加热转变时的等温转变动力学曲线：对于加热过程，由于过热度越大，驱动力和扩散速度均增大，所以没有“鼻尖”的出现！固 态 相 变本节重点内容l 固态相变的特点l 相界面、界面能、应变能、取向关系、惯习面含义l 固态相变的分类及主要特征l 固态相变的形核和长大及控制因素l 固态相变动力学曲线与等温转变动力学图
