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1、第八章 固态相变第 八 章固 态 相 变1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：/ 。 第 八 章 固 态 相 变第 一 节概述5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6第一节 概 述一 固态相变的特点3 惯习现象第 八 章 固 态 相 变第 一 节概述魏氏组织（白色片状）7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
2、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8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
3、态 相 变第 一 节概述9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： GK=4 /27 33 /(Gv+Es)2第 八 章 固 态 相 变第 二 节形 核 长 大10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： 为了降低表面能，新相倾向于呈球状。第 八 章 固 态 相 变第 二 节形 核 长 大11第一节 概 述一 均匀形核相变阻力大：界
4、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 节概述点缺陷类型 线 面晶格畸变、自由能高， 促进形核及相变。12第二节 固态相变的形核二 非均匀形核表面能高，降低GK（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13第二节 固态相变的形核二 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
5、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14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（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15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 - GDGD晶体缺陷导致系统降低的能量。2h第 八 章 固 态 相 变第 二 节形 核 长 大16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
6、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。17第三节 固态相变的晶核长大 w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 大界面为原子不规 则排列的过渡薄 层：原子直接迁移界面为台阶状： 原子迁移至新相 台阶端部18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 大切变长大（2）半共格界面 台阶式长大（位错滑移）19第三节
7、固态相变的晶核长大2 晶核生长速率（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。 20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21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
8、决于相变类型和形核位置；t-时间。第 八 章 固 态 相 变第 二 节形 核 长 大TTT 曲线 22第四节 扩散型相变示例 一 脱熔转变脱熔转变概念：过饱和固溶体中析出一个 成分不同的新相或形成熔质原子富集的亚稳区过渡 相的过程称为脱熔。许多热处理过程都与过饱和固溶体的脱熔 有关， 时效处理、回火处理就是典型的脱熔转变。 脱熔也是共析转变的基础。第 八 章 固 态 相 变第 四 节 脱 溶 与 调 幅 分 解23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
9、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24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 +(3Fe+C)例 M +Fe3C第 八 章 固 态 相 变第 一 节概述25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
10、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 A1-Cu合金的时效脱熔贯序为： G.P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27第四节 扩散型相变示例 脱溶组织形貌第 八 章 固 态 相 变第 四 节 脱 溶
11、与 调 幅 分 解28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。连续脱熔：脱熔析出相由 母相中均匀或非均匀(晶界、 位错)形核、长大。随析出相 数量增多，母相中溶质浓度均 匀地下降，就像液体溶液中析 出溶质粒子那样，为连续脱溶 。如时效、回火等。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 二 脱熔类型不连续脱熔：脱熔相 在母相中特定地区(如晶界 )析出，仅引起母相局部地 区成分的变化，并在此脱 熔微区内达到两相成分和 数量的平衡或介稳平衡， 形成区别于母相其它地区 的胞状脱熔区。脱
12、熔过程 的继续是此种双相胞向未 发生成分变化的母相中生 长。这种现象称为不连续 脱熔。如共析转变。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 w脱溶动力学小颗粒不断减小，大颗粒不断长大。第 八 章 固 态 相 变第 四 节 脱 溶 与 调 幅 分 解31第四节 扩散型相变示例四 调幅分解 调幅分解：指过饱和固溶体在一定温度下分解成结构 相同、成分不同的两个相的过程。4h第 八 章 固 态 相 变第 四 节 脱 溶 与 调 幅 分 解32第四节 扩散型相变示例四 调幅分解 1 调幅分解的热力 学条件 拐点内的合金发生 调幅分解； 拐点外的合金发生
13、脱熔分解。4h第 八 章 固 态 相 变第 四 节 脱 溶 与 调 幅 分 解33第四节 扩散型相变示例四 调幅分解 2 调幅分解的特点4h第 八 章 固 态 相 变第 四 节 脱 溶 与 调 幅 分 解34第四节 扩散型相变示例四 调幅分解 3 调幅分解的组 织4h第 八 章 固 态 相 变第 四 节 脱 溶 与 调 幅 分 解35第五节 无扩散型相变示例 相变以切变方式进行，所有原子运动协 同一致，相邻原子的相对位置不变，称 为协同型相变：如孪生、马氏体转变。第 八 章 固 态 相 变第 三 节 钢 中 相 变36第五节 无扩散型相变示例 马氏体转变（1）转变特点无扩散性。切变共格与表面浮
14、凸。惯习面及位向关系。转变是在一个温度范围内进行的。转变不完全（有残余奥氏体）。第 八 章 固 态 相 变第 三 节 钢 中 相 变37第五节 无扩散型相变示例马氏体转变（1）马氏体结构与形态：马氏体是碳在-Fe中的过 饱和固溶体，碳存在于八面体间隙中。第 八 章 固 态 相 变第 三 节 钢 中 相 变38第五节 无扩散型相变示例（2）马氏体结构与形态2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.Smith W F
15、. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E第 八 章 固 态 相 变第 三 节 钢 中 相 变39第五节 无扩散型相变示例1 马氏体相变的晶体学（1）马氏体相变后的 表面浮凸。第 八 章 固 态 相 变第 三 节 钢 中 相 变母相马氏体相变的惯习面:（1）低碳马氏体一般为 (111)。（2）片状马氏体一般为 (225)或 (259) 。40第五节 无扩散型相变示例1 马氏体相变的晶体学（1）马氏体相变为不变平面应变：母相中任一 直线相变后仍为直线，平面仍为平面。第 八 章 固 态 相 变第 三 节 钢
16、 中 相 变41第五节 无扩散型相变示例1 马氏体相变的晶体学任一点的位移与该点距离此不变平面（惯习面）的 距离成正比。第 八 章 固 态 相 变第 三 节 钢 中 相 变42第五节 无扩散型相变示例1 马氏体相变的晶体学马氏体相变的晶体学位向关系第 八 章 固 态 相 变第 三 节 钢 中 相 变（1）Wc1.4%的碳钢，马氏体与奥氏体之间具有 西山关系：111 / 110 M ， 211 / 011 M 43第五节 无扩散型相变示例1 马氏体相变的晶体学马氏体的亚结构第 八 章 固 态 相 变第 三 节 钢 中 相 变（1）低碳钢、中 碳钢、不锈钢淬火 形成板条马氏体（ 位错马氏体）44第五节 无扩散型相变示例1 马氏体相变的晶体学
