材料科学基础第7章扩散与固态相变ppt课件

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1、第第7 7章章 扩散与固态相变扩散与固态相变 扩散对于材料的加工过程具有重要影响Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E1p定义：定义：系统内部的物质在系统内部的物质在浓度梯度浓度梯度化学位梯度化学位梯度应力梯度应力梯度的推动力下，由于质点的热运动而的推动力下，由于质点的热运动而导致导致定向迁移定向迁移，从宏观上表现为物，从宏观上表现为物质的质的定向输送定向输送，此过程叫，此过程叫扩散扩散。2Furnace for heat treating steel using the carb

2、urization process. (Courtesy of Cincinnati Steel Treating).3概概 述述 1 1、扩散的现象与本质、扩散的现象与本质 （1 1）扩扩散散：热热激激活活的的原原子子通通过过自自身身的的热热振振动克服束缚动克服束缚而迁移它处的过程。而迁移它处的过程。 （2 2）现象：）现象：柯肯达尔效应。柯肯达尔效应。 （3 3）本本质质：原原子子无无序序跃跃迁迁的的统统计计结结果果。（不是原子的定向移动）。（不是原子的定向移动）。4p柯肯达尔效应柯肯达尔效应: : 原原来来是是指指两两种种扩扩散散速速率率不不同同的的金金属属在在扩扩散散过过程程中中会会形

3、形成成缺缺陷陷，现现已已成成为为中中空空纳纳米米颗颗粒粒的的一一种种制制备备方方法。法。 可可以以作作为为固固态态物物质质中中一一种种扩扩散散现现象象的的描述。描述。562 2、扩散的分类、扩散的分类（1 1）根据有无浓度变化）根据有无浓度变化p自自扩扩散散：原原子子经经由由自自己己元元素素的的晶晶体体点点阵阵而而迁迁移移的的扩扩散散。( (如如纯纯金金属属或或固固溶溶体的晶粒长大体的晶粒长大- -无浓度变化无浓度变化) )p互互扩扩散散：原原子子通通过过进进入入对对方方元元素素晶晶体点阵而导致的扩散。（体点阵而导致的扩散。（有浓度变化有浓度变化）7（2 2）根据扩散方向）根据扩散方向p下下坡

4、坡扩扩散散：原原子子由由高高浓浓度度处处向向低低浓度处进行的扩散。浓度处进行的扩散。p上上坡坡扩扩散散：原原子子由由低低浓浓度度处处向向高高浓度处进行的扩散。浓度处进行的扩散。8（3 3）根据是否出现新相）根据是否出现新相p原子扩散：原子扩散：扩散过程中不出现新相。扩散过程中不出现新相。p反反应应扩扩散散：导导致致形形成成一一种种新新相相的的扩扩散。散。93 3、固态扩散的条件、固态扩散的条件 （1 1）温度足够高；）温度足够高； （2 2）时间足够长；）时间足够长； （3 3）扩散原子能固溶；）扩散原子能固溶； （4 4）具有驱动力：）具有驱动力： 化学位梯度。化学位梯度。Smith W F

5、. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E10第第1 1节节 扩散定律扩散定律 1 1、菲克、菲克(Fick A)(Fick A)第一定律第一定律（1 1）第一定律描述：）第一定律描述：p单单位位时时间间内内通通过过垂垂直直于于扩扩散散方方向向的的某某一一单单位位面面积积截截面面的的扩扩散散物物质质流流量量（扩扩散散通通量量J J）与与浓浓度梯度成正比。度梯度成正比。2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learni

6、ng is a trademark used herein under license.The flux during The flux during diffusion is defined diffusion is defined as the number of as the number of atoms passing atoms passing through a plane of through a plane of unit area per unit unit area per unit timetime112003Brooks/Cole,adivisionofThomson

7、Learning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.Illustration of the concentration gradient12（2 2）表达式：）表达式：p其中，其中，C C溶质原子浓度；溶质原子浓度；D-D-扩散系数。扩散系数。（3 3）适适用用条条件件：稳稳态态扩扩散散 - - dc/dt=0dc/dt=0，浓度浓度及及浓度梯度浓度梯度不随时间改变。不随时间改变。132 2、菲克第二定律、菲克第二定律 一维一维1 1）表达式）表达式 三维三维 稳态扩散稳态扩散： C/C/ t=0t=0， J/J/ x=

8、0x=0。2 2）适用条件）适用条件 非稳态扩散非稳态扩散: : C/C/ t0,t0, J/J/ x0x0 （ C/C/ t=t= J/J/ x x）。）。14CtCx C/ x=常数常数CtJx C/ t 0 J/ x 0稳定扩散稳定扩散( (恒源扩散恒源扩散) )不稳定扩散不稳定扩散15p用途：用途：适用于适用于不同性质不同性质的扩散体系；的扩散体系； 可用于求解可用于求解扩散质点浓度分布随时间和距离扩散质点浓度分布随时间和距离 而变化而变化的的不稳定扩散不稳定扩散问题。问题。p对二定律的评价：对二定律的评价： (1)(1)从宏观从宏观定量描述定量描述扩散，定义了扩散系数，但没扩散，定义

9、了扩散系数，但没有给出有给出D D与结构与结构的明确关系；的明确关系； (2)(2)此定律仅是一种此定律仅是一种现象描述现象描述，它将浓度以外的一，它将浓度以外的一切影响扩散的因素都包括在扩散系数之中，而未赋予切影响扩散的因素都包括在扩散系数之中，而未赋予其明确的物理意义；其明确的物理意义； (3)(3)研究的是研究的是一种质点一种质点的扩散的扩散( (自扩散自扩散) )； (4)(4)着眼点不一样着眼点不一样( (仅从仅从动力学方向动力学方向考虑考虑) )。163 3）扩散第二定律的应用）扩散第二定律的应用（1 1）误差函数解）误差函数解p适适用用条条件件：无无限限长长棒棒和和半半无无限限长

10、长棒棒。（恒恒定定扩散源扩散源p表表达达式式：C Cx x=C=Cs s(C(Cs s-C-C0 0)erf()erf(/2Dt) /2Dt) ( (半半无限长棒无限长棒) )。p例例：在在渗渗碳碳条条件件下下：C Cs s: :表表面面含含碳碳量量; ; C C0 0: :钢钢的原始含碳量的原始含碳量C C（）- -,t,t处的浓度。处的浓度。17（2 2）正弦解）正弦解C Cx,tx,t=C=Cp p+A+A0 0sin(x/)exp(-sin(x/)exp(-2 2Dt/Dt/2 2) )其其中中,C,Cp p: :平平均均成成分分；A A0 0：振振幅幅C Cmaxmax- - C C

11、p p；:晶粒间距的一半。晶粒间距的一半。p例例：对对于于均均匀匀化化退退火火，若若要要求求晶晶粒粒中中心心成分偏析振幅降低到成分偏析振幅降低到1/100,1/100,则：则： C(C(2,t)- C2,t)- Cp p/(C/(Cmaxmax-C-Cp p)=)= exp(- exp(-2 2Dt/Dt/2 2)=1/100)=1/100。xc18（3 3）高斯解）高斯解( (薄膜解）薄膜解）C Cx x=(M/=(M/DT)exp(-xDT)exp(-x2 2/4Dt)/4Dt)p适用条件：适用条件：限定扩散源、衰减薄膜源限定扩散源、衰减薄膜源（扩散物质总量（扩散物质总量M M不变；不变；

12、t=0,c=0)t=0,c=0)。p例：半导体例：半导体SiSi中中P P的掺杂。的掺杂。19 3 3）扩散方程的应用）扩散方程的应用（1 1）FickFick一定律的应用一定律的应用p 气气体体通通过过玻玻璃璃陶陶瓷瓷薄薄片片的的渗渗透透以以及及气罐中气体的泄露都可以看作稳定扩散。气罐中气体的泄露都可以看作稳定扩散。20p例例：气气体体通通过过玻玻璃璃的的渗渗透透，求求单单位位时时间间内内通通过过玻玻璃璃渗渗透透的的气气体量。体量。 P P2 2P P1 1( (玻璃两侧的压力）玻璃两侧的压力）S S2 2S S1 1（气体在玻璃中的溶解量）（气体在玻璃中的溶解量）积分：积分：双原子分子气体

13、溶解度与压力的关系为：双原子分子气体溶解度与压力的关系为：则：则：21（2 2）FickFick二定律的应用二定律的应用p实实际际是是根根据据不不同同的的边边界界初初始始条条件件，求求解解二二阶偏微分方程。阶偏微分方程。p常用的两种解：常用的两种解： ）恒源恒源向半无限大物体扩散的解；向半无限大物体扩散的解； ）有有限限源源向向无无限限大大或或半半无无限限大大物物体体扩扩散散的解。的解。式中：式中：K K玻璃的透气率；玻璃的透气率； A A玻璃面积。玻璃面积。22）恒源向半无限大物体扩散：）恒源向半无限大物体扩散：p如如晶晶体体处处于于扩扩散散物物质质的的恒恒定定蒸蒸气气压压下下，气气相相扩散

14、的情形（例如把硼添加到硅片中）。扩散的情形（例如把硼添加到硅片中）。p例，例，A A、B B两棒对接，物质两棒对接，物质A A沿沿X X方向向方向向B B中扩散中扩散 边界条件：边界条件： t=0t=0时时, x0, x0 x0处，处， c=cc=c1 1=0 =0 t0 t0时，时， x0x0 CX0 C（x x，t t）=0=0 t0 t0时，扩散到晶体内的质点总数不变，为时，扩散到晶体内的质点总数不变，为Q Q式中：式中：Q 扩散物质的总量（常数）。扩散物质的总量（常数）。35p 有有限限源源向向半半无无限限大大物物体体扩扩散散的的解解常常用用于于扩扩散散系系数数的测定。的测定。p具具体

15、体方方法法为为：将将放放射射性性示示踪踪剂剂涂涂抹抹或或沉沉积积在在磨磨光光的的尺尺寸寸一一定定的的长长棒棒状状试试样样的的端端面面，加加热热，促促使使示示踪剂扩散，隔一定时间做退火处理，切片。踪剂扩散，隔一定时间做退火处理，切片。p测各切片中示踪原子的放射强度测各切片中示踪原子的放射强度I I（xtxt）。）。 向半无限大物体扩散：向半无限大物体扩散：36两边取对数，两边取对数，37第第2 2节节 扩散机制扩散机制 1 1、扩散机制、扩散机制 间隙间隙；间隙间隙；（1 1）间隙机制）间隙机制 平衡位置间隙间隙：较困难；平衡位置间隙间隙：较困难； 间隙篡位结点位置。间隙篡位结点位置。 （间隙固

16、溶体中间隙原子的扩散机制间隙固溶体中间隙原子的扩散机制。）。）38 方式：方式：原子跃迁到与之相邻的空位；原子跃迁到与之相邻的空位；（2 2）空位机制）空位机制 条件：条件：原子近旁存在空位。原子近旁存在空位。 （金属和置换固溶体中原子的扩散金属和置换固溶体中原子的扩散。）。） 2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.39 直接换位直接换位（3 3）换位机制）换位机制 环形换位环形换位 （所需能量较高。）（所需能量较高。） 2003Brook

17、s/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.40 2 2、扩散程度的描述、扩散程度的描述（1 1）原子跃迁的距离）原子跃迁的距离R=t R=t R: R: 扩扩散散距距离离；：原原子子跃跃迁迁的的频频率率（在一定温度下恒定）；（在一定温度下恒定）； : : 原原子子一一次次跃跃迁迁距距离离（如如一一个个原原子子间距）。间距）。 41（2 2）扩散系数）扩散系数D=D= 2 2PPp对于立方结构晶体对于立方结构晶体P=1/6, P=1/6, 上式可写为上式可写为D=

18、 D= 2 2/6/6其中，其中，P P为跃迁方向几率；为跃迁方向几率； 是是常常数数，对对于于简简单单立立方方结结构构 a; a; 对对于于面面向向立立方方结结构构 2a/2; 2a/2; 3a/23a/2。 42（3 3）扩散激活能）扩散激活能Q:Q:p原原子子跃跃迁迁时时所所需需克克服服周周围围原原子子对对其其束束缚的势垒缚的势垒。 2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.43p间隙扩散间隙扩散激活能与扩散系数的关系激活能与扩散系数的关

19、系D=DD=D0 0exp(-Q/RT)exp(-Q/RT)式中，式中，D D0 0：扩散常数。：扩散常数。p空位扩散空位扩散激活能与扩散系数的关系激活能与扩散系数的关系 D=DD=D0 0exp(-E/kT)exp(-E/kT)式式中中，E=EE=Ef f( (空空位位形形成成功功)+Em)+Em（空空位位迁移激活能）。迁移激活能）。 443 3、扩散的驱动力与上坡扩散、扩散的驱动力与上坡扩散 （1 1）扩散的驱动力）扩散的驱动力p对对于于多多元元体体系系，设设n n为为组组元元i i的的原原子子数数，则则在在等等温温等等压压条条件件下下，组组元元i i原原子子的的自自由由能能可可用用化学位

20、化学位表示：表示：i i= = G/G/ n ni ip扩散的驱动力扩散的驱动力为为化学位梯度化学位梯度，即，即: :F=-F=- i i/ / x x 负负号号表表示示扩扩散散驱驱动动力力指指向向化化学学位位降降低低的的方向。方向。45（2 2）扩散的热力学因子）扩散的热力学因子p组元组元i i的的扩散系数扩散系数可表示为：可表示为：D Di i=KTB=KTBi i(1+(1+ lnln i i/ / lnClnCi i) ) 其其中中，(1+(1+ lnln i i/ / lnClnCi i) )称称为为热热力力学因子学因子。 当当 (1+(1+ lnln i i/ / lnClnCi

21、i)0)0时时 ， D Di i0,0,发生上坡扩散发生上坡扩散。463 3）上坡扩散）上坡扩散p定定义义：原原子子由由低低浓浓度度处处向向高高浓浓度度处处迁迁移移的的扩扩散。散。p驱动力：驱动力：化学位梯度。化学位梯度。p引起上坡扩散的因素：引起上坡扩散的因素： 弹弹性性应应力力的的作作用用：大大直直径径原原子子跑跑向向点点阵阵的的受拉部分，小直径原子跑向点阵的受压部分。受拉部分，小直径原子跑向点阵的受压部分。 晶界的内吸附：晶界的内吸附：某些原子易富集在晶界上。某些原子易富集在晶界上。 电电场场作作用用：大大电电场场作作用用可可使使原原子子按按一一定定方方向扩散。向扩散。47 4 4、反应

22、扩散、反应扩散 1 1）反反应应扩扩散散：有有新新相相生生成成的的扩散过程。扩散过程。 2 2）相分布规律：）相分布规律：p二二元元扩扩散散偶偶中中不不存存在在两两相相区区，只能形成不同的单相区；只能形成不同的单相区；p三三元元扩扩散散偶偶中中可可以以存存在在两两相相区区，不能形成三相区。，不能形成三相区。481 1 温度温度2 2 固溶体的类型：固溶体的类型：扩散机制不同。扩散机制不同。3 3 晶体结构：晶体结构：扩散系数、溶解度、各向异性等。扩散系数、溶解度、各向异性等。4 4 晶体缺陷：晶体缺陷：晶内、晶界、表面的扩散系数不晶内、晶界、表面的扩散系数不同；位错有利于扩散，也可减慢扩散。同

23、；位错有利于扩散，也可减慢扩散。5 5 化学成分：化学成分：结合键的强度、溶质浓度、第三结合键的强度、溶质浓度、第三组元等。组元等。6 6 应力的作用应力的作用4h第第3节影响扩散的因素节影响扩散的因素49p扩散是一个基本的扩散是一个基本的动力学过程动力学过程；p对对材料制备材料制备、加工中的、加工中的性能变化性能变化及及显微结构显微结构形成形成以及材料使用过程中以及材料使用过程中性能衰减性能衰减起着起着决定决定性的作用性的作用；p对相应过程的控制，往往对相应过程的控制，往往从影响扩散速度的从影响扩散速度的因素入手来控制因素入手来控制；p因此，掌握影响扩散的因素对深入理解扩散因此，掌握影响扩散

24、的因素对深入理解扩散理论以及应用扩散理论解决实际问题具有理论以及应用扩散理论解决实际问题具有重重要意义要意义。50p扩散系数扩散系数是决定扩散速度的是决定扩散速度的重要参量重要参量。p影响扩散系数因素的影响扩散系数因素的基础公式基础公式： p上式表明：上式表明： 扩散系数主要决定于扩散系数主要决定于温温度度，显于函数关系中；，显于函数关系中； 其它因素其它因素则隐则隐含于含于D D0 0和和Q Q中，这些因素可分为中，这些因素可分为外在因素外在因素和和内在因素内在因素两大类。两大类。51一、扩散介质结构的影响一、扩散介质结构的影响p通常，扩散通常，扩散介质结构越紧密介质结构越紧密，扩散越困难扩

25、散越困难，反之亦然。反之亦然。p例如，在一定温度下，锌在具有例如，在一定温度下，锌在具有体心立方点体心立方点阵结构阵结构( (单位晶胞中含单位晶胞中含2 2个原子个原子) )的的-黄铜黄铜中中的扩散系数大于具有在的扩散系数大于具有在面心立方点阵结构面心立方点阵结构( (单位晶胞中含单位晶胞中含4 4个原子个原子) )时时-黄铜黄铜中的扩散中的扩散系数。系数。p固溶体结构类型固溶体结构类型对扩散有着显著影响。对扩散有着显著影响。p例如，例如，间隙型间隙型固溶体比固溶体比置换型置换型容易扩散。容易扩散。52二、扩散相与扩散介质的性质差异二、扩散相与扩散介质的性质差异p一般说来，一般说来，扩散相与扩

26、散介质性质差异越扩散相与扩散介质性质差异越大大, ,扩散系数也越大扩散系数也越大。p这是因为当扩散介质原子附近的应力场发这是因为当扩散介质原子附近的应力场发生畸变时，就生畸变时，就较易形成空位较易形成空位和和降低扩散活降低扩散活化能化能而有利于扩散。而有利于扩散。p故扩散原子与介质原子间故扩散原子与介质原子间性质差异越大性质差异越大，引起应力场的引起应力场的畸变也愈烈畸变也愈烈，扩散系数也就扩散系数也就愈大愈大。53若干金属在铅中的扩散系数若干金属在铅中的扩散系数扩散扩散元素元素原子原子半径半径(A)(A)在铅中的在铅中的溶解度溶解度极限极限( (原子比原子比) )扩散元素扩散元素的熔化温的熔

27、化温度度()()扩散系数扩散系数(cm(cm2 2/sec)/sec)AuAuTiTiPbPbBiBiAgAgCdCdSnSn Sb Sb44441.711.711.741.741.821.821.441.441.521.521.531.531.611.610.050.05797910010035350.120.121.71.72.92.93.53.5106310633033033273272712719609603213212322326306304.6104.6105 53.6103.610-10-10710710-11-114.4104.410-10-109.1109.110-8-821

28、0210-9-91.6101.610-10-106.4106.410-10-1054三、结构缺陷的影响三、结构缺陷的影响p实验表明，在金属材料和离子晶体中，原子实验表明，在金属材料和离子晶体中，原子或离子在或离子在晶界上扩散晶界上扩散远比在远比在晶粒内部扩散晶粒内部扩散来来得快。得快。p实验表明，其些实验表明，其些氧化物晶体材料的晶界氧化物晶体材料的晶界对离对离子的扩散有选择性的子的扩散有选择性的增加作用。增加作用。p例如，在例如，在FeFe2 2O O3 3、CoOCoO、SrTiOSrTiO3 3材料中，晶界或材料中，晶界或位错有增加位错有增加O O2-2-离子的扩散作用；而在离子的扩散作

29、用；而在BeOBeO、UOUO2 2、CuCu2 2O O和和(Zr(Zr，Ca)OCa)O2 2等材料中则无此效应。等材料中则无此效应。55AgAg的自扩散系数的自扩散系数D Db b，晶界扩散系数，晶界扩散系数D Dg g和表面扩散系数和表面扩散系数D Ds s0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 3.0DsDgDg56四、温度的影响四、温度的影响p由上式可知由上式可知D D与温度成指数关系，可见与温度成指数关系，可见温度对扩散速度影响很大。温度对扩散速度影响很大。p例如例如, ,当温度从当温度从500500升高到升高到900900时，时，FeFe在在 -Fe-Fe中的扩散系数从

30、中的扩散系数从3.03.0 1010-21-21增增加到加到1.81.8 1010-15-15m m2 2/s/s，增加了近六个数量，增加了近六个数量级。级。57五、杂质的影响五、杂质的影响p利用杂质对扩散的影响是人们改善扩利用杂质对扩散的影响是人们改善扩散的散的主要途径主要途径。p一般而言，一般而言，高价阳离子高价阳离子的引入可造成的引入可造成晶格中出现晶格中出现阳离子空位阳离子空位和和造成晶格畸造成晶格畸变变，从而使阳离子，从而使阳离子扩散系数增大扩散系数增大。p若杂质原子与结构中部分空位发生若杂质原子与结构中部分空位发生缔缔合合，往往会使结构中，往往会使结构中总空位增加总空位增加而有而有

31、利于扩散。利于扩散。58六、浓度的影响六、浓度的影响p扩散系数是随浓渡而变化的，有些扩扩散系数是随浓渡而变化的，有些扩散系统如金散系统如金- -镍系统中浓度的变化使镍镍系统中浓度的变化使镍和金的自扩散系数发生显著地变化。和金的自扩散系数发生显著地变化。 七、合金元素的影响七、合金元素的影响p在二元合金中加入第三元素时，扩散在二元合金中加入第三元素时，扩散系数也发生变化。系数也发生变化。 59第第4节几个特殊的有关扩散的实际问题节几个特殊的有关扩散的实际问题一、一、 离子晶体的扩散离子晶体的扩散表表 离子晶体的点缺陷离子晶体的点缺陷60离子晶体的点缺陷离子晶体的点缺陷61p烧结过程是一门古老的工

32、艺。烧结过程是一门古老的工艺。p现在，烧结过程在许多工业部门得到现在，烧结过程在许多工业部门得到广泛应广泛应用用，如，如陶瓷、耐火材料、粉末冶金、超高温陶瓷、耐火材料、粉末冶金、超高温材料材料等生产过程中都含有烧结过程。等生产过程中都含有烧结过程。p烧结的目的是把粉状材料转变为烧结的目的是把粉状材料转变为致密体致密体。p研究物质在烧结过程中的研究物质在烧结过程中的各种物理化学变化各种物理化学变化, ,对指导生产、控制产品质量，研制新型材料对指导生产、控制产品质量，研制新型材料显得特别重要。显得特别重要。二、烧结二、烧结62三、纳米晶体材料的扩散问题三、纳米晶体材料的扩散问题表表7-67-6纳米

33、微晶纳米微晶CuCu，单晶，单晶CuCu及普通多晶及普通多晶CuCu的自扩散系数的自扩散系数表表7-77-7纳米微晶纳米微晶CuCu、多晶、多晶CuCu和单晶和单晶CuCu的自扩散激活能的自扩散激活能63第第56节节 固态相变固态相变( (形核与晶体成长形核与晶体成长) )64一、概述一、概述界面能增加界面能增加；额外弹性应变能额外弹性应变能：比体积差；：比体积差；扩散困难扩散困难（新、旧相化学成分不同时）。（新、旧相化学成分不同时）。固态固态相变相变困难困难1 1、相变阻力大、相变阻力大（一）固态相变的特点（一）固态相变的特点65 共格共格界面类型界面类型 半共格半共格 非共格非共格降低界面

34、能降低界面能, ,形形成共格、半共成共格、半共格界面格界面位向位向关系关系2 2、新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系、新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系p新相的某一晶面和晶向分别与母相的某一晶面、晶新相的某一晶面和晶向分别与母相的某一晶面、晶向向平行平行。663 3 、惯习现象、惯习现象p新相沿新相沿特定的晶向特定的晶向在母相在母相特定晶面特定晶面上形成。上形成。惯习方向惯习方向 （母相）（母相） 惯习面惯习面p原原因因：沿沿应应变变能能最最小小的的方方向向和和界界面面能能最最低低的的界面发展。界面发展。67 点点缺陷类型缺陷类型 线线 面面4 4、母相晶体缺陷促进相变、母相晶

35、体缺陷促进相变晶格畸变、自由能高，晶格畸变、自由能高，促进形核及相变。促进形核及相变。（思考：晶粒细化对相变的影响）（思考：晶粒细化对相变的影响）685 5、易出现过渡相、易出现过渡相p固固态态相相变变阻阻力力大大，直直接接转转变变困困难难协协调调性性中中间产物间产物（过渡相）。（过渡相）。 FeFe3 3C C +(3Fe+C)+(3Fe+C) 例例 M M +Fe +Fe3 3C C69（二）（二） 固态相变的分类固态相变的分类 1 1、按相变过程中原子迁移情况、按相变过程中原子迁移情况（1 1）扩扩散散型型：依依靠靠原原子子的的长长距距离离扩扩散散；相相界界面面非共格非共格。如、珠光体、

36、奥氏体转变，。如、珠光体、奥氏体转变，Fe,CFe,C都可扩散。都可扩散。（2 2）非非扩扩散散型型：旧旧相相原原子子有有规规则则地地、协协调调一一致致地地通通过过切切变变转转移移到到新新相相中中；相相界界面面共共格格、原原子子间间的的相相邻邻关关系系不不变变；化化学学成成分分不不变变。如如、马马氏氏体体转转变变，Fe,CFe,C都不扩散。都不扩散。（3 3）半半扩扩散散型型：既既有有切切变变，又又有有扩扩散散。如如、贝贝氏体转变，氏体转变，FeFe切变，切变，C C扩散。扩散。702 2、按相变方式分类、按相变方式分类（1 1）有核相变：）有核相变：p有有形形核核阶阶段段，新新相相核核心心可

37、可均均匀匀形形成成，也也可可择优形成。择优形成。p大多数固态相变属于此类。大多数固态相变属于此类。（2 2）无核相变：）无核相变：p无无形形核核阶阶段段，以以成成分分起起伏伏作作为为开开端端，新新旧旧相间无明显界面，如相间无明显界面，如调幅分解调幅分解。 713 3、按热力学函数变化分类、按热力学函数变化分类（1 1）一级相变：）一级相变：p相相变变时时两两相相的的化化学学位位相相等等，而而化化学学位位对对温温度度及及压压力的一阶偏微分（力的一阶偏微分（S,VS,V）不等的相变。）不等的相变。p伴伴随随潜潜热热的的释释放放和和体体积积的的改改变变。如如蒸蒸发发、升升华华、熔化以及大多数固态晶型

38、转变属于此类。熔化以及大多数固态晶型转变属于此类。（2 2）二级相变：）二级相变：p相相变变时时两两相相的的化化学学位位相相等等，化化学学位位的的一一阶阶偏偏微微分分也相等，但二阶偏微分不相等的相变。也相等，但二阶偏微分不相等的相变。p没没有有相相变变潜潜热热和和体体积积改改变变，有有比比容容、压压缩缩系系数数、膨膨胀胀系系数数变变化化。如如磁磁性性转转变变、有有序序- -无无序序转转变变、超超导导转变等属于此类。转变等属于此类。72（三）常见固态相变类型（三）常见固态相变类型 相变名称相变名称 相变特征相变特征同素异构转变同素异构转变 同一种元素通过形核与长大发生晶体结构的变化同一种元素通过

39、形核与长大发生晶体结构的变化多型性转变多型性转变 合金中晶体结构的变化合金中晶体结构的变化脱溶转变脱溶转变 过饱和固溶体脱溶分解出亚稳定或稳定的第二相过饱和固溶体脱溶分解出亚稳定或稳定的第二相共析转变共析转变 一个固相转变为两个结构不同的固相一个固相转变为两个结构不同的固相包析转变包析转变 两个不同结构的固相转变为一个新的固相，组织中一般两个不同结构的固相转变为一个新的固相，组织中一般 有某相残余有某相残余马氏体转变马氏体转变 新旧相之间成分不变、切变进行、有严格位向关系、有新旧相之间成分不变、切变进行、有严格位向关系、有 浮凸效应浮凸效应贝氏体转变贝氏体转变 兼具马氏体和扩散转变的特点，借助

40、铁的切变和碳的扩兼具马氏体和扩散转变的特点，借助铁的切变和碳的扩 散进行散进行调幅分解调幅分解 非形核转变，固溶体分解成结构相同但成分不同的两相非形核转变，固溶体分解成结构相同但成分不同的两相有序化转变有序化转变 合金元素原子从无规则排列到有规则排列，但结构不变。合金元素原子从无规则排列到有规则排列，但结构不变。73二、固态相变的形核与长大 （一）均匀形核（能量条件）（一）均匀形核（能量条件） 1 1、形核时的能量变化、形核时的能量变化 相变驱动力相变驱动力（1 1）化学自由能）化学自由能 GvGvT T曲线曲线（体积自由能，体积自由能，GvGv） 随成分变化随成分变化74相变阻力相变阻力 （

41、2 2）界面能）界面能 取决于界面结构取决于界面结构 （ ，S S ） （与过冷度有关）（与过冷度有关）TT越大，晶核越小，越大，晶核越小，S S 大大共格共格/ /半共半共格格 T T越小，晶核越大，越小，晶核越大，S S 小小非共格非共格75（3 3）应变能）应变能( ( ,V,V ) ) 相变阻力。相变阻力。 分类：分类：p共格应变能：共格应变能：共格大，半共格小，非共格共格大，半共格小，非共格0 0；p体体积积应应变变能能：体体积积差差和和新新相相几几何何形形状状球球状状最最大大；片状最小；针状居中。片状最小；针状居中。76 2 2、形核的能量条件、形核的能量条件G GVGv + SV

42、Gv + S + V + V 0 0r rK K=2 =2 /(Gv-/(Gv- ) )GGK K=16=16/3(Gv-/3(Gv- ) )2 277（二）非均匀形核（能量条件）（二）非均匀形核（能量条件）p固态相变固态相变均匀形核的可能性很小均匀形核的可能性很小；p非非均均匀匀形形核核（依依靠靠晶晶体体缺缺陷陷）是是主主要要的形核方式的形核方式。78 1 1、不同晶体缺陷对形核的作用、不同晶体缺陷对形核的作用（1 1）晶界形核）晶界形核p 能量高，降低能量高，降低G GK K；p 结构混乱，降低结构混乱，降低 ；p 易扩散、偏析，利于扩散相变；易扩散、偏析，利于扩散相变；p 新相新相/ /

43、母相形成共格、半共格界面降低界面能。母相形成共格、半共格界面降低界面能。79（2 2）位错形核）位错形核p 新新相相生生成成处处位位错错消消失失，能能量量释释放放，提提高高驱驱动力动力；p 可作为可作为半共格界面的形成部分半共格界面的形成部分；p 易于发生偏聚（气团）有利于易于发生偏聚（气团）有利于成分起伏成分起伏；p 易于扩散易于扩散，有利于发生扩散型相变。，有利于发生扩散型相变。80（3 3）空位形核）空位形核 p 促进扩散促进扩散；p 新相生成处空位消失，新相生成处空位消失，提供能量提供能量；p 空位群可空位群可凝结成位错凝结成位错；p 在在过过饱饱和和固固溶溶体体的的脱脱溶溶析析出出过

44、过程程中中， 空位作用更明显。空位作用更明显。812 2、非均匀形核的能力变化、非均匀形核的能力变化G GVGv+SVGv+S + V+ V G GD DpGGD D晶体缺陷导致系统降低的能量。晶体缺陷导致系统降低的能量。82第第7 7节节 扩散型相变共析转变扩散型相变共析转变p共析转变：共析转变：是指由单一的固态母相分解为是指由单一的固态母相分解为两个（或多个）结构与成分不同的新相过程。两个（或多个）结构与成分不同的新相过程。p其反应式：其反应式： + + 。p特点：特点：也包括形核长大过程，但由于转变在也包括形核长大过程，但由于转变在固态下进行，原子扩散缓慢，因此转变速率远固态下进行，原子

45、扩散缓慢，因此转变速率远低于共晶转变。低于共晶转变。p组织：组织：共析组织与共晶组织的形貌类似，两共析组织与共晶组织的形貌类似，两相交替分布，可有片状、棒状等不同形态。相交替分布，可有片状、棒状等不同形态。83p例如，铁碳合金中的共析组织由片层例如，铁碳合金中的共析组织由片层状的铁素体与渗碳体所组成，称状的铁素体与渗碳体所组成，称珠光体珠光体。退火共析钢显微组织退火共析钢显微组织841 1、共析转变的形核、共析转变的形核p共析转变时，新相常在母相共析转变时，新相常在母相晶界处形核，并以两相交替形晶界处形核，并以两相交替形成的方式进行。成的方式进行。p根据母相根据母相 的晶界结构、成的晶界结构、

46、成分、转变温度的不同，新相分、转变温度的不同，新相 和和 中可能某一个为领先相。中可能某一个为领先相。p领先相形成时，通常与相邻领先相形成时，通常与相邻晶粒之一有一定位相关系，而晶粒之一有一定位相关系，而与另一晶粒无特定位向关系。与另一晶粒无特定位向关系。a a）b b）c c）d d）e e）共析转变的形核与生长示意图共析转变的形核与生长示意图 852 2、共析转变产物的生长、共析转变产物的生长p共析体形核后，靠原子共析体形核后，靠原子的的短程扩散短程扩散，导致，导致两相两相藕合长藕合长。p原子的扩散主要沿新相原子的扩散主要沿新相与母相的界面进行与母相的界面进行，至，至少这种界面扩散在共析少

47、这种界面扩散在共析体长大过程中应当起到体长大过程中应当起到不可忽视的作用。不可忽视的作用。p长大机制如图。长大机制如图。cc cABB%T/T/cccc cc c （a a） （b b） 图图5-15 共析体生长时溶质原子的扩散共析体生长时溶质原子的扩散86第第8 8节节 无扩散相变无扩散相变p无扩散相变：无扩散相变：是指相变前后只是晶体是指相变前后只是晶体结构发生变化结构发生变化而而成成分不改变分不改变的相变属于。的相变属于。无扩散相变中原子可采用无扩散无扩散相变中原子可采用无扩散切变方式切变方式完成晶格改组，也可借助热激活靠完成晶格改组，也可借助热激活靠短程扩散短程扩散跨过相界面完成相变。

48、跨过相界面完成相变。p常见的无扩散相变：常见的无扩散相变：陶瓷的同质异构转陶瓷的同质异构转变、金属的变、金属的马氏体转变马氏体转变和块型转变等。和块型转变等。871 1、陶瓷的同质异构转变、陶瓷的同质异构转变p大多数陶瓷随温度的变化要发生大多数陶瓷随温度的变化要发生晶型的转变晶型的转变，这些同素转变过程往往这些同素转变过程往往不需离子的长程扩散不需离子的长程扩散，故可故可认为是无扩散相变。认为是无扩散相变。p在同素相变中的无扩散相变分在同素相变中的无扩散相变分两类两类： 第一类第一类重构型重构型相变；第二类相变；第二类位移型位移型相变。相变。两种无扩散相变模型两种无扩散相变模型位移型位移型重构

49、型重构型882 2、块型转变、块型转变p块型转变最初是在块型转变最初是在Cu-ZnCu-Zn合合金金中发现的，后来在中发现的，后来在铜基合铜基合金金、银基合金银基合金及及铁碳合金铁碳合金等等合金系中也发现了该类型转合金系中也发现了该类型转变。变。p由由Cu-ZnCu-Zn二元相图可知，二元相图可知，Cu-Cu-38at%Zn38at%Zn合金由合金由 相区，快速相区，快速冷却，通过冷却，通过 + + 两相区时，两相区时，可避免发生脱溶分解和马氏可避免发生脱溶分解和马氏体转变体转变，由由 相转变为成分相转变为成分与母相相同的与母相相同的 相相。89p这种块状的这种块状的 相在相在 相晶界上形核相

50、晶界上形核，以，以每秒数厘米的速度很快长入周围每秒数厘米的速度很快长入周围 相相中，中，因此因此原子来不及长程扩散原子来不及长程扩散，致使，致使新相新相与母相具有相同成分与母相具有相同成分，因此可将其看，因此可将其看成无扩散相变。成无扩散相变。p由于这种相呈现由于这种相呈现不规则块状外形不规则块状外形，因，因此叫块型转变。此叫块型转变。90p块型转变与马氏体相变区别块型转变与马氏体相变区别 马氏体相变是原子以协同运动的马氏体相变是原子以协同运动的切变方式切变方式完成完成相转变，新相与母相间相转变，新相与母相间具有一定晶体学取向关系具有一定晶体学取向关系，相，相变具有变具有浮凸效应浮凸效应。 块

51、型转变时，块型转变时， 相的长大靠相的长大靠非共格界面的热激非共格界面的热激活迁移活迁移来完成，原子的迁移靠来完成，原子的迁移靠短程扩散短程扩散。所以块型转。所以块型转变时，新相与母相间变时，新相与母相间无一定晶体学取向关系无一定晶体学取向关系，相变，相变无无浮凸效应浮凸效应。 由于由于块型转变块型转变是通过母相原子跨越界面进入新是通过母相原子跨越界面进入新相的方式进行的，因此相的方式进行的，因此必须在足够高的温度下必须在足够高的温度下，保证，保证原子具有短程扩散的能力，这种转变才能进行。原子具有短程扩散的能力，这种转变才能进行。 91温度温度0%50%0%100%MfMs脱溶脱溶马氏体马氏体

52、时间时间具有块型转变合金的一种可能的具有块型转变合金的一种可能的CCT曲线曲线923 3、马氏体相变、马氏体相变p我国在我国在战国时代战国时代已进行已进行钢的淬火钢的淬火。辽阳三道壕出土的。辽阳三道壕出土的西汉时代的钢剑即为淬火组织。西汉时代的钢剑即为淬火组织。p但直到但直到十九世纪中期十九世纪中期，索拜（，索拜（SorbySorby）才首先）才首先用金相显用金相显微镜观察到淬火钢中的这种硬相微镜观察到淬火钢中的这种硬相。p18951895年法国人年法国人OsmondOsmond为纪念德国冶金学家为纪念德国冶金学家Adolph Adolph MartensMartens，将其命名为，将其命名为

53、MartensiteMartensite。p马氏体最初只是指钢从奥氏体区淬火后所得到的组织。马氏体最初只是指钢从奥氏体区淬火后所得到的组织。p马氏体相变发生在很大过冷状态下，相变具有马氏体相变发生在很大过冷状态下，相变具有表面浮表面浮凸效应凸效应和和形状的改变形状的改变，属于无扩散的位移型相变。，属于无扩散的位移型相变。p现在已把具有这种转变特征的相变统称为现在已把具有这种转变特征的相变统称为马氏体相变马氏体相变，其转变产物称为马氏体。其转变产物称为马氏体。931 1）马氏体相变特点）马氏体相变特点A AB B C C马氏体相变的无马氏体相变的无扩散性扩散性切变共格性与表切变共格性与表面浮凸现

54、象面浮凸现象位向关系与惯习面位向关系与惯习面D D 马氏体相变的马氏体相变的可逆性与形状记可逆性与形状记忆效应忆效应94（1 1）马氏体相变的不完全性）马氏体相变的不完全性p马氏体是在马氏体是在MsMsMfMf（马氏体转变终（马氏体转变终了点）温度范围内了点）温度范围内进行，随转变温度进行，随转变温度的降低马氏体转变的降低马氏体转变量增加，但量增加，但总是或总是或多或少残留一些母多或少残留一些母相相。95（2 2）钢中马氏体的结构、形态及性能）钢中马氏体的结构、形态及性能马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构p不同材料中的马氏体的晶体结构也不尽相同。不同材料中的马氏体的晶体结构也不尽相同。pZrOZ

55、rO2 2基陶瓷基陶瓷中的正方相中的正方相单斜相（单斜相（tmtm）转变是典）转变是典型的马氏体转变，转变产物是属于单斜系。型的马氏体转变，转变产物是属于单斜系。pCoCo、Co-FeCo-Fe、Co-NiCo-Ni合金合金系中，面心立方结构的母相系中，面心立方结构的母相转变为密排六方结构的马氏体。转变为密排六方结构的马氏体。p钢中马氏体钢中马氏体的晶体结构随合金和碳含量的变化，可的晶体结构随合金和碳含量的变化，可存在体心立方、体心正方和密排六方三种晶体结构。存在体心立方、体心正方和密排六方三种晶体结构。9697（3 3）马氏体形态及亚结构）马氏体形态及亚结构p马氏体的组织形貌和亚结构极为马氏

56、体的组织形貌和亚结构极为复杂复杂。p金属材料及陶瓷材料中的马氏体的形态金属材料及陶瓷材料中的马氏体的形态各异，有各异，有片状、板条状、针状、蝶状片状、板条状、针状、蝶状等。等。p马氏体形态不同，亚结构也不同马氏体形态不同，亚结构也不同。p钢中马氏体主要有钢中马氏体主要有片状片状和和板条状板条状两种。两种。98（4 4）马氏体的性能）马氏体的性能p最主要的性能特点：最主要的性能特点：强度与硬度高。强度与硬度高。p当当w wC C 0.5%0.5%时，马氏体硬度随含碳量的增加急剧时，马氏体硬度随含碳量的增加急剧增加；增加；pw wC C 0.5%0.5%之后，马氏体硬度增加趋于平缓；之后，马氏体硬

57、度增加趋于平缓；p当当w wC C 0.8%0.8%马氏体硬度几乎不增加。马氏体硬度几乎不增加。p说明马氏体的硬度并不代表淬火钢的硬度。说明马氏体的硬度并不代表淬火钢的硬度。p当当w wC C 0.5%0.5%时，马氏体硬度与淬火钢的硬度相同。时，马氏体硬度与淬火钢的硬度相同。p当当w wC C 0.5%0.5%之后，由于钢中出现残余奥氏体，且之后，由于钢中出现残余奥氏体，且随钢的碳含量增加，残余奥氏体逐渐增高，使随钢的碳含量增加，残余奥氏体逐渐增高，使淬火钢的硬度呈明显下降趋势。淬火钢的硬度呈明显下降趋势。99（5 5）影响马氏体强度和硬度的因素）影响马氏体强度和硬度的因素板条马氏体中的板条

58、马氏体中的高密度缠结位错高密度缠结位错和片状马氏体中和片状马氏体中的的微细孪晶微细孪晶强烈阻碍滑动位错的运动，强烈阻碍滑动位错的运动，使马氏体使马氏体得到强化得到强化；碳原子的过饱和固溶碳原子的过饱和固溶使马氏体晶格使马氏体晶格产生强烈畸变产生强烈畸变，并与位错产生交互作用，产生并与位错产生交互作用，产生固溶强化固溶强化；马氏体相变也会产生马氏体相变也会产生细晶强化细晶强化，板条状或片状马，板条状或片状马氏体越细小强化作用越明显。氏体越细小强化作用越明显。工业生产中，马氏体的工业生产中，马氏体的时效会析出弥散分布的碳时效会析出弥散分布的碳化物化物或或过渡相过渡相也是回火马氏体获得也是回火马氏体

59、获得高的强硬性高的强硬性的的重要原因。重要原因。100（6 6）马氏体的塑性与韧性）马氏体的塑性与韧性p马氏体的塑性与韧性：马氏体的塑性与韧性：主要取决于它的亚结主要取决于它的亚结构构, ,而而亚结构亚结构的类型主要取决与钢的的类型主要取决与钢的含碳量含碳量。p高碳的片状马氏体：高碳的片状马氏体：微细微细孪晶亚结构孪晶亚结构破坏了破坏了滑移系，位错通过孪晶时需呈滑移系，位错通过孪晶时需呈“Z Z”型，即增型，即增加了位错运动阻力，又容易引起应力集中甚加了位错运动阻力，又容易引起应力集中甚至形成至形成微裂纹微裂纹，使，使塑性与韧性下降塑性与韧性下降。p板条马氏体：板条马氏体：位错胞内位错分布不均

60、匀，胞位错胞内位错分布不均匀，胞内存在的内存在的位错低密度区位错低密度区使其具有使其具有较好的塑性较好的塑性与韧性与韧性。101p综上所述：综上所述：片状马氏体硬度高而脆性大片状马氏体硬度高而脆性大；板条马氏体具有足够高的强度和板条马氏体具有足够高的强度和良好的韧性良好的韧性。总之，总之，随马氏体含碳量的增加，随马氏体含碳量的增加，强度硬度增加，塑性韧性下降强度硬度增加，塑性韧性下降。102第第1010节节 贝氏体相变贝氏体相变p钢中的贝氏体转变发生在珠光体转变和马钢中的贝氏体转变发生在珠光体转变和马氏体转变温度范围之间，故称氏体转变温度范围之间，故称中温相变中温相变。p由于转变温度较低由于转

61、变温度较低铁原子和置换型的溶质铁原子和置换型的溶质原子难以扩散原子难以扩散，但间隙，但间隙原子碳可以扩散原子碳可以扩散，故为故为半扩散相变半扩散相变。p由于贝氏体相变由于贝氏体相变具有过渡性具有过渡性，既有珠光体，既有珠光体分解的某些特性，又有马氏体转变的一些分解的某些特性，又有马氏体转变的一些特点。特点。1031 1、贝氏体定义：、贝氏体定义：p贝氏体是过冷奥氏体的中温转变产物，贝氏体是过冷奥氏体的中温转变产物，以贝氏体铁素体为基以贝氏体铁素体为基；p同时可能存在同时可能存在 - -渗碳体渗碳体或或 - -碳化物碳化物或或残余奥氏体残余奥氏体等相构成的整和组织。等相构成的整和组织。10410

62、51061071083 3、其它类型的贝氏体、其它类型的贝氏体（1）无碳贝氏体：）无碳贝氏体：p在在低碳低合金钢低碳低合金钢中出现几率较多。中出现几率较多。p也是在贝氏体转变区间的也是在贝氏体转变区间的较高温度范围较高温度范围内形内形成的。成的。p尺寸和排列距离较宽的尺寸和排列距离较宽的贝氏体铁素体片条平贝氏体铁素体片条平行排列行排列；p片条间是富碳的奥氏体片条间是富碳的奥氏体或或其随后分解的产物其随后分解的产物。109（2）低中碳贝氏体钢：）低中碳贝氏体钢：p热轧后空冷至贝氏体转变区间的较高热轧后空冷至贝氏体转变区间的较高温度范围时，也可形成温度范围时，也可形成粒状贝氏体粒状贝氏体。p富碳的孤岛状的奥氏体富碳的孤岛状的奥氏体分布在分布在块状铁块状铁素体基体素体基体中，其孤岛状的奥氏体在中，其孤岛状的奥氏体在随随后的冷却过程中还可转变成其它产物后的冷却过程中还可转变成其它产物。110第第1111节节 金属热处理原理金属热处理原理111结结束束112