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1、第一章 金属固态 相变概论引言n固态相变：固态金属（纯金属、合金）在 温度和压力改变时，组织结构发生的变化n掌握固态相变规律，即可采取措施（控制 加热、冷却等，即热处理范畴）控制相变 过程以获得预期的组织，使其具有预期的 性能n注意与我们生活中非常熟悉的和非常直观 的液态、气态转变的区别（金属凝固理论 ）n金属中相是指成分相似、结构相同的物质， 可分为固溶体和金属间化合物两种类型。 n如钢种奥氏体相就是碳在面心立方铁形成的 间隙固溶体，铁素体则是体心立方，从高温 到低温奥氏体相向铁素体转变就是相变。 n组织则可以理解是一种结合形态。比如共晶 组织，就是共晶转变是同时析出的两种相结 合形成的一种
2、形态 。（显微镜下观察）n钢在冷却时的转变：A组织在冷却过程中，由于 冷却的剧烈程度不同会发生不同的转变，得到不 同的组织，从而获得不同的力学性能。通常情况 下，A组织在比较缓和的冷却条件下会转变成P组 织S组织或T组织，而在剧烈冷却条件下会转变成 M组织，在比较适中的冷却条件下会转变成B组织 。n但是P、S、T、M、B都是由铁素体和渗碳体两个 相组成。n问题：两个相相同为什么组织不同，性能也不同 。 （金属的强化理论）1-1 金属固态相变的主要类型 n一、平衡转变缓慢加热或冷却时所发生的能获得平衡组 织的相变v纯金属的同素异构转变v多形性转变（固溶体的同素异构转变）v平衡脱溶沉淀v共析转变v
3、包析转变v调幅分解v有序化转变第一章 固态相变概论平衡转变(1) 同素异晶转变n 纯金属在一定的温度和压力下，由一种结构转 变为另一种结构的现象称为同素异晶转变。n 若在固溶体中发生这种结构的转变，则称为多 形性转变。如钢在冷却时由奥氏体中析出先共 析铁素体的过程 。(2) 平衡脱溶转变n 高温过饱和固溶体缓 慢冷却过程中析出第二相 的过程n 特点： (a) 新相的成分和结构始终 与母相的不同； (b)母相不会消失。n 钢在冷却时，由奥氏体 析出二次渗碳体的过程； 由铁素体析出三次渗碳体 的过程图1-1 可发生脱溶转变的合金（3）共析转变 n 合金冷却时，由一个固相同时析出两个不同 固相的过程
4、称为共析转变n 钢中的珠光体相变（4）调幅分解n 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 的转变称为调幅分解 1 + 2 (5) 有序化转变n 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。 n Cu-Zn、Au-Cu等合金中均可发生这种转变 n 特点 ： (a) 新形成的微区之间无明显的界面和成分 的突变； (b) 通过上坡扩散，最终使均匀固溶体变为 不均匀固溶体。 n二、不平衡转变加热、冷却速度过快，平衡转变受 抑制，发生不平衡转变，得到亚稳组织 铁碳合金中的不平衡转变q 伪共析转变q 马氏体转变q 贝氏体转变q 块状转变
5、 不平衡脱溶沉淀1.1.2 不平衡转变(1) 伪共析转变 n 接近共析点成分的合 金，过冷到共析点以 下发生共析转变的过 程 n 铁素体和渗碳体的相 对量随奥氏体的含碳 量而变，故称为伪共 析体图1-2 Fe-Fe3C相图的伪共析区(2) 马氏体相变n 钢在快冷时，若能避免其发生扩散型转变， 则将无需原子的扩散，以一种切变共格的方式 实现点阵的改组，而转变为马氏体(3) 块状转变 n 在一定的冷速下奥氏体转变为与母相成分相 同而形貌呈块状的相的过程n 通过原子的短程扩散使非共格相界面在母相 中推移(4) 贝氏体相变n 在珠光体转变与马氏体转变温度范围之间（中 温），铁原子不能扩散，碳原子可以扩
6、散n 过冷奥氏体转变为由铁素体和渗碳体组成的非 层片状组织 贝氏体(5) 不平衡脱溶转变 n 在等温条件下，由过饱和固溶体中析出第二相 的过程n 析出相为非平衡亚稳相时效合金：能够发生时效现象的合金称为时效型合 金或简称为时效合金。 成为这种合金的基本条件：一是能形成有限固溶体 ；二是其固溶度随着温度的降低而减小。n三、固态相变的特征q结构变化同素异构转变、多形性转变、马 氏体转变q成分变化调幅分解q有序程度变化有序化转变一般为结构与成分均变化共析转变、贝氏体转变、包析转变1-2 金属固态相变的分类n按热力学分类：一级相变（有热效应、 体积效应。大多为一级相变）、二级相 变（无明显热、体积效应
7、，如磁性转变 ）n按原子迁移情况分类：扩散型相变、无 扩散型相变（马氏体转变）n按相变方式分类：有核转变（成核、长 大）、无核转变（调幅分解）1-3 金属固态相变的一般特征n一、界面及惯习面新、旧固相之间存在界面，按错位度 分为共格、半共格和非共格 0.25：非共格反映了新旧相之间的适应性共格半共格非共格（1）共格界面n 两相界面上的原子排列完全匹配，即界 面上的原子为两相所共有n 特点：界面能很小，弹性应变能大n 错配度= a/a 越大，弹性应变能越大(2)半共格界面：相界面上分布若干位错 ，界面上的两相原子部分地保持匹配 ，弹性应变能降低。(3)非共格界面：两相界面完全不匹配， 即存在大量
8、缺陷的界面，为很薄的一 层原子不规则排列的过渡层，界面能 较高。惯习面：为降低界面能，新相在母相一 定晶面上形成，该晶面称为惯习面，用 母相的晶面指数表示。如共析钢中马氏 体的主平面恒与奥氏体的225或 259面平行n二、位向关系为了减小界面能，新旧相的低指数 晶向、低指数晶面彼此平行。新旧相共格（半共格）：必然存在一定 晶体学位相关系新旧相存在位相关系：不一定共格（半 共格）n位向关系：低指数、原子密度大、匹配较好的晶 面、晶向相互平行。norientation relationshipnAustenite(FCC) n 111 / 110n / nMartensite(Body- Cent
9、red tetragonal)n三、原子的迁移率固态相变：原子迁移率低（10-1210-11cm/s)（ 液体： 10-7cm/s）n四、亚稳过渡相有时并不直接形成稳定的平衡相（减少表面能 ）不稳亚稳稳定固态相变阻力大，直接转变困难，协调性中 间产物（过渡相） Fe3C +(3Fe+C)例 M +Fe3C五、弹性应变能体积应变能 ：固态相变 比容变化 体积变 化 旧相约束 新相不能自由胀缩 弹性应 变能强行匹配达成的弹性应变能Es大小共格 半共格 非共格五、弹性应变能体积应变能 ：固态相变 比容变化 体积变 化 旧相约束 新相不能自由胀缩 弹性应 变能强行匹配达成的弹性应变能Es界面能如何变化
10、？新相形状与应变能的关系1.2.3 弹性应变能 图1-4 新相形状与应变能的关系由纳巴罗 ( Nabarro )计算n 非共格相界面的体 积（比容）应变能（ 由于比容不同）：球 状最大，针状次之， 盘状最小。n 两相界面上不匹配 也引起弹性应变能， 共格界面最大，半共 格界面次之，非共格 界面为零。n六、晶体缺陷的影响 晶体内存在不同缺陷：空位、位错、晶界 缺陷附近 点阵畸变 储存畸变能 提供 形核的额外能量 加速转变 缺陷对固态相变起促进作用（动力）固态相变阻力：界面能、弹性应变能1-4 固态相变的形核n一、均匀形核 驱动力：新旧相自由焓差值 阻力：界面能、应变能系统自由焓总增值：临界形核功
11、：推导过程n固态下，Q较大，相变应变能进一步加大 了形核所需功，所以I十分小n均匀形核一般形核率低，不为固态相变 形核的主要形式n固态中存在大量缺陷 储存畸变能 提 供形核能量 能促进形核形核率：非均匀形核为固态相变的主要形核方式1.3 固态相变的形核均匀形核与凝固过程相比，增加了一项应变能G = -V Gv + S + V其中Gv - 新旧相间单间单 位体积积自由能差 - 单位面积界面能 - 单位体积应变能相变驱动力： -V Gv ，新旧相间自由能差相变阻力： S + V ，界面能 + 应变能设形成的新相晶核为球形对于 r 求导：图1-5 球形晶核的自由能变化可得临界晶核尺寸：形成临界晶核的
12、形核功形核功：晶核长大到 r* 所需克服的能垒，或所做的功二、 非均匀形核晶体缺陷储存的能量可使形核功降低，促进形核G = V Gv + S + V - Gd- Gd - 由于晶体缺陷消失所降低的能量晶体缺陷：空位、位错、晶界（1）空位n 空位通过促进溶质原子扩散或利用本身能量提供 形核驱动力而促进形核n 空位团可凝聚成位错而促进形核（2）位错n 位错从三方面促进形核： 围绕位错形核后，位错消失，释放出畸变能。 对于半共格晶核，原有的位错成为界面位错，补 偿了错配，降低了形核功。 溶质原子常在位错线上偏聚，容易满足新相成分 上的要求。（3）晶界n 大角晶界具有较高的界面能，在晶界上形核可利 用
13、晶界能量，使形核功降低。n 有三种位置：a) 晶界面 b) 棱边 c)隅角图1-6 晶界形核时三种位置影响优先形核位置的因素n从能量障碍分析界隅界棱界面n从过冷度T影响分析T Gv G* T Gv G* 所有位置均无障 碍，从贡献的角度看，界面界棱界 隅（晶界多）T Gv G* 先界隅、次界 棱，后界面1-5 晶核的长大n一、长大过程v传质过程：满足成分条件v界面过程：满足结构条件（协同型长大 、非协同型长大）n二、界面长大的控制因素v成分不变协同型长大长大速度快v成分不变非协同型长大取决于界面过 程v成分改变协同型长大取决于传质过程v成分改变非协同型长大取决于两者n长大机制n 半共格界面的迁移n半共格界面上存在位错列n要随界面移动，位错要攀移（困难）n台阶侧向移动，位错可滑移（容易）图 1-7 台阶长大机制n协同型长大机制n 无扩散型相变，原子通过切变方式协同运 动，相邻原子的相对位置不变n 如马氏体相变，会发生外形变化，出现表 面浮凸n 新相和母相间有一定的位向关系图1-8马氏体相变表面浮凸
