固态相变总复习资料

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1、绪论一、相:是成分相同、结构相同、有界面同其他部分分隔的物质均匀组成部分；相变:相变是当外界约束（温度或压强）作连续变化时，在特定条件（温度或压强达到某定 值）下，物相所发生质突变。二、物相的突变体现在那些方面？（1）从一种结构变化为另一种结构，例如：液相一一固相；固相中不同晶体结构之间的转 变奥氏体（A）（2）化学成分的不连续变化：例如固溶体的脱溶分解（3）某种物理性质的跃变：金一一非金属转变；顺磁体一铁磁体转变三、相变解决什么问题？（1）相变为何会发生？（热力学、动力学问题）（2）相变是如何进行的？（相变机理一一与扩散、切变、位错等相关的理论）四、相变采取的措施和意义4.1、常用措施热处理

2、一加热：温度、速度，保温时间一冷却：速度、方式-环境：磁场、电场、力场原理：解决有哪些相变，相变条件、机理、特征工艺：解决如何实现这些相变从而达到预期的性能4.2、研究相变的意义掌握金属材料固态相变的规律，就可以采取措施（如特定的加热和冷却工艺）控制相变过程以获得所预期的组织和性能，从而使之具有所预期的性能，最大限度地发挥现有金属材料的潜力，并可以根据性能要第严章扩散基础1=第二章固态相变基本规律1=一、基本概念1、界面去北而）、. a a根据界面上新旧两相原子在晶体学上匹配程度不同，两相界面分为：错配度5 = P一共格.5W0.05，界面类型半共格.0.050.25之间非共格. 5N0.25

3、2.1、扩散型相变相变时，相界面的移动是通过原子近程或远程扩散而进行的相变称为扩散型相变。只有温度足够高，原子活动能力足够强时，才能发生扩散型相变。同素异构转变、多型性转变、脱溶型转变、共析型转变、调幅分解和有序化转变均属于扩散 型相变扩散型相变特点2.1.1、相变过程有原子扩散运动，相变速率受原子扩散所控制2.1.2、新相与母相的成分往往不同2.1.3、只有因新相和母相比容不同而引起的体积变化，没有宏观形状的变化2.2、非扩散型相变相变过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子的运动是协调一致的相变称为非扩散型相变，非扩散型相变时原子仅作有规则的迁移以使晶体点阵发生改组。马氏体相变、或某些纯金

4、属在低温进行的某些同素异构转变属于非扩散型相变 非扩散型相变特点2.2.1、存在由于均匀切变引起的宏观形状改变，2.2.2、相变不需要通过扩散，新相和母相的化学成分相同2.2.3、新相和母相之间存在一定的晶体学位向关系3、整合系统金属及合金是由多组元、多相、多组织形态、多晶体结构构成，它们不是简单的组合，而是 一个有序的配合、有机的结合体，是整合系统，具有整体大于部分之总和”的特性。金属和 合金体系中的组成相、组织形态不是简单的混合系统，而是整合系统。过去很多文献中将珠 光体定义为铁素体和渗碳体的机械混合物，这不正确。是一个由热力学和动力学控制的系统， 而混合系统不是。珠光体是共析反应形成的铁

5、素体和渗碳体的整合组织，它们以界面相结合、按一定比例配合， 是一个相互关联的有机整体。因此，在研究固态相变机理时应从整体的角度，从各组元、各 相的多层次相互整合入手来揭示内在的特征和规律。在混合体系中，各组成要素具有相对的独立性，没有固定的定量关系，混合体系中的整体性 质是各个要素性质的简单线性叠加，而固态相变中各要素的作用是非线性相互作用的结果。 整合系统的理念亦体现在金属及合金的性能方面，这也构成了固态相变过程多样化的独特魅 力。4、非均匀形核固相中存在着各种晶体缺陷、如晶界、层错、位错、空位等。如在晶体缺陷处形核，随着核 的形成、缺陷将消失，缺陷的能量将给出以供形核需要，使临界形核功下降

6、。故核易在缺陷 处形成，为不均匀形核。设由于缺陷的消失而提供的能量为AGd：则： AG = -VAG + VAG + Ay -AGd与均匀形核相比，多出一项已AGd，表示非均匀形核时，由于晶体缺陷消失而释放出的能量，一AGVAGd为相变的驱动力，使临界形核功降低，促进形核。二、金属固态相变的分类1. 按平衡状态图分类：1.1、平衡转变与非平衡转变平衡转变是指在缓慢加热或冷却时所发生的能获得符合平衡状态图的平衡组织的相变。1.1.1、同素异晶转变和多形性转变：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。固溶体由一种晶体结构转变为另一种结构的过程称为多型性转变。

7、1.2平衡脱溶转变：高温过饱和固溶体缓慢冷却过程中析出第二相的过程特点：（a）新相的成分和结构始终与母相的不同；（b）母相不会消失。钢在冷却时，由奥氏体析出二次渗碳体的过程1.2.1、共析转变：合金在冷却时由一种相分解为两个不同固相的转变称为共析相变（例如珠光体型相变）1.2.2、调幅分解：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，而成分不同微区 的转变称为调幅分解，可用反应式aa1+a2。其特点是：1）新形成的微区之间并无明显的界面和成分的突变，2）通过上坡扩散，最终使一均匀固溶体变为一不均匀固溶体。3）有序化转变：固溶体中，各组元原子在晶体点阵中的相对位置从无序过渡

8、到有序的过程，称为有序化转变；例如Cu-Zn，Cu-Au， Fe-Ni 等合金（4）非平衡转变若加热或冷却速度很快，平衡相变被抑制，固态材料可能发生某些平衡状 态图上不能反映的转变被称为不平衡或亚稳态组织，这种转变称为非平衡相变。非平衡相变主要包括以下几种：1.2.3、伪共析转变快冷时，平衡转变被抑制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 铁素体和渗碳体的碳含量随奥氏体的含碳量而变，故称为伪共析体1.2.4、马氏体相变仍以Fe-C合金为例，若进一步提高冷速，使伪共析相变也来不及进行而将奥氏体过冷到更 低温度，则由于铁原子和碳原子都已不能或不易扩散，故奥氏体只能以不发生原子扩散

9、、不 引起成分改变的方式，通过切变由Y平衡相变所形成的a相这种转变称为马氏体相变。1.2.5、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a相。贝氏体相变：以钢为例，当奥氏体被冷却至珠光体和马氏体相变之间的温度范围时，由于温 度较低，铁原子以不能扩散但碳原子尚有一定的扩散能力，因此出现碳原子扩散而铁原子不 能扩散的非平衡相变，称为贝氏体相变。转变产物是：a相和碳化物的混合物。1.2.6、非平衡脱溶转变：（或时效） 若K成分的合金自 温度快冷，B相在冷却过程中来不及析出，则冷却到室温便得到过饱 和的a固溶体，若在室温或低于固溶度曲线MN的某一温度溶质原子仍有一

10、定的扩散能力 过饱和a固溶体仍可能发生分解但成分与平衡脱溶沉淀相不同，称非平衡脱溶沉淀。总结金属固态相变的三种基本变化：（1）结构；（2）成分；（3）有序程度只有结构的变化：多形性转变，马氏体相变只有成分的变化：调幅分解既有结构又有成分上的变化：共析转变，脱溶沉淀2. 按原子的迁动程度分类按相变过程原子迁移情况可将固态相变分为扩散型相变和非扩散型相变扩散型相变一相变时，相界面的移动是通过原子近程或远程扩散而进行的相变称为扩散型相变。只有温度足够高，原子活动能力足够强时，才能发生扩散型相变。同素异构转变、多型性转变、脱溶型转变、共析型转变、调幅分解和有序化转变均属于扩散T型相变-、固态相变驱动力

11、和阻力 凝聚态各相的自由能变化取决于温度的变化和相成分的变化，因此相变驱动力也随相变温度和相成分的改变而改变由于合金中，固溶体和整合物的吉布斯自由能随成分的改变而改变，因此，相变驱动力也随相变产物成分的变化而变化。四、晶体缺陷对固态相变的作用（1）、晶界形核两相邻晶粒的交界面称晶界，按相邻晶粒之间的倾斜角不同，晶界分为大角晶界与小角晶界。这里仅讨论大角晶界。大角度晶界具有高的界面能，在晶界形核时，可使界面能释放出来作为相变驱动力，以降低形核功。晶界是固态相变主要形核位置。晶界的分类界面：多晶体中两个相邻晶粒的边界。设界面a/a界面与a/B界yaa =2 yaB cos 9 Cos 0=yaa/

12、2yaB斯自由能随温，复变化曲线设新形成的a/B界面面积AaB，由于B核的形成而消失的a /a界面的面积Aaa面处于平衡，故则GS=A ayaAGd=A aayaa界棱：多晶体中三个相邻晶粒的共同交界是一条直线。界隅(YU)：多晶体中四个相邻晶粒的共同交于一点。界面、界棱、界隅都不是几何的面、线、点，均具有一定体积。5、位错形核设核与母相的交界面为各向同性的非共格界面。核的形状为围绕位错线的圆柱状，半径为r， 形成单位长度的核的自由焓的变化AG为：G=-nr2 (Gv-GE) +2 n r c -AlnrA为与位 错类型有关位错形核规律1、位错易于在刃型位错上形核2、位错布氏矢量越大，愈易形核

13、3、晶核易在位错结与位错割阶处形成4、由于位错的影响，核易于在，某些惯析面上形成，这一影响将随My的增大而减小5、空位：通过加速扩散过程或释放自身能量提供形核驱动力，促进形核。举例：A1Cu，过饱和a固溶体，不平衡沉淀脱溶，在晶界附近没有沉淀相，形成无析出 区，晶界附近空位进入晶界而湮没消失，远离晶界处保留很多空位，沉淀相易于在此形核长 大。五、固态相变晶核长大的方式晶核的长大伴随有两个过程：传质过程(满足成分)和界面过程(满足结构)1、传质过程：在新旧相成分不同时，原子必须在旧相内扩散，使相界面附近的成分达到新 相的要求，晶核才能长大。共析转变、脱溶沉淀、贝氏体转变，新旧相成分不同，必须伴随

14、传质过程。同素异构转变，块状转变，马氏体转变，新旧相成分相同，不需要传质过程。2、界面过程：界面附近原子调整位置，从旧相结构点阵转变成新相结构点阵，使晶核长大。(可看作原子的短距离自扩散)六、金属及合金由哪些子系统组成1、金属及合金整合系统金属及合金都是一个复杂系统，它由许多子系统所组成，采用简单性问题的研究方法往往派 不上用场，很难从中得到精确的结论。金属及合金复杂系统由以下子系统组成：(1) 溶质系统置换型和间隙型溶质原子两大类型，各溶质原子在钢中的溶解度差别显著。钢中的溶质元素 有二十多种。(2) 复相系统钢中存在多种相结构，常见的有奥氏体、铁素体、渗碳体、碳化物、马氏体、固溶体和金属

15、间化合物等。(3) 组织系统以基本相组成各种组织形态，其中有单相组织，如奥氏体、铁素体、马氏体组织等；也有复 相组织，如珠光体、贝氏体、回火马氏体和魏氏组织等。(4) 结构体系钢在一般情况下以多晶材料形式存在，所对应的晶体结构类型有面心立方结 构、体心立方结构、密排六方结构和斜方结构等。在使用服役状态下钢常处于多种晶体结构 的匹配状态。七、整合系统和混合系统的区别金属及合金是由多组元、多相、多组织形态、多晶体结构构成，它们不是简单的组合，而是 一个有序的配合、有机的结合体，是整合系统，具有整体大于部分之总和”的特性。金属和 合金体系中的组成相、组织形态不是简单的混合系统，而是整合系统。过去很多文献中将珠 光体定义为铁素体和渗碳体的机械混合物，这不正确。是一个由热力学和动力学控制的系统， 而混合系统不是。八、固态相变实现自组织过程的条件如下：1、开放系统钢铁材料因与外界的能量和物质交换而成为一个开放的复杂系统，没有