第一章固态相变概论

《第一章固态相变概论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第一章固态相变概论（85页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、固态相变及应用主 讲：张 松 1固态相变及应用参考书参考书: 康煜平等康煜平等. 金属固态相变及应用金属固态相变及应用. 北京北京: 化学工化学工业出社业出社, 2007考试课，考试课， 48学时学时2固态相变及应用固态相变及应用要求要求: 1. 掌握金属材料固态相变的基本规律；掌握金属材料固态相变的基本规律； 2. 了解固态相变了解固态相变-组织组织-性能之间的具体联系；性能之间的具体联系； 3. 掌握基本热处理工艺。掌握基本热处理工艺。用途用途: 为从事与金属材料热处理相关的研究和应用工为从事与金属材料热处理相关的研究和应用工作打下专业理论基础。作打下专业理论基础。 3固态相变及应用固态相

2、变及应用内内 容容：第一章第一章 固态相变概论固态相变概论第二章第二章 奥氏体相变及其应用奥氏体相变及其应用第三章第三章 珠光体相变及其应用珠光体相变及其应用第四章第四章 马氏体相变马氏体相变第五章第五章 贝氏体相变贝氏体相变第六章第六章 过冷奥氏体转变动力学图过冷奥氏体转变动力学图第七章第七章 马氏体相变和贝氏体相变的应用马氏体相变和贝氏体相变的应用第八章第八章 钢的回火转变及回火钢的回火转变及回火第九章第九章 脱溶沉淀及其应用脱溶沉淀及其应用4固态相变及应用重点内容：重点内容： 固溶处理和时效固溶处理和时效 淬火和回火淬火和回火 退火和正火退火和正火 热处理原理及工艺热处理原理及工艺5第一

3、章 固态相变概论 序序 回顾和介绍几个概念回顾和介绍几个概念 1. 组元：组成金属或合金最基本的、独立的物质。组元：组成金属或合金最基本的、独立的物质。 2. 相：金属或合金中结构相同、成分和性能均一并相：金属或合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。以界面相互分开的组成部分。 3. 新相：新产生的相称为新相。新相：新产生的相称为新相。 4. 母相：导致新相产生的相称为母相。母相：导致新相产生的相称为母相。 5. 相变：母相向新相的转变。相变：母相向新相的转变。 6第一章 固态相变概论 序序 固态相变固态相变 至少要伴随着下面三种基本变化之一：至少要伴随着下面三种基本变化之一

4、： 晶体结构的变化晶体结构的变化 化学成分的变化化学成分的变化 固溶体有序化程度的变化固溶体有序化程度的变化7第一章 固态相变概论1.1 金属固态相变的主要类型金属固态相变的主要类型1.2 金属固态相变的主要特点金属固态相变的主要特点1.3 固态相变时的形核固态相变时的形核1.4 固态相变时的晶核长大固态相变时的晶核长大81.1 金属固态相变的主要类型金属固态相变的主要类型1.1.1 平衡转变平衡转变 在极为缓慢的加热或冷却的条件下发生能获得符在极为缓慢的加热或冷却的条件下发生能获得符合状态图所示平衡组织的相变。合状态图所示平衡组织的相变。1.1.2 非平衡转变非平衡转变 在快速加热或冷却的非

5、平衡条件下，平衡转变受在快速加热或冷却的非平衡条件下，平衡转变受到抑制，将发生平衡相图上不能反映的转变类型，获到抑制，将发生平衡相图上不能反映的转变类型，获得不平衡组织或亚稳状态的组织。得不平衡组织或亚稳状态的组织。 1.1.3 固态相变的其它分类固态相变的其它分类91.1 金属固态相变的主要类型金属固态相变的主要类型1.1.1 平衡转变平衡转变1.1.1.1 纯金属的同素异构转变纯金属的同素异构转变1.1.1.2 固溶体的多形性转变固溶体的多形性转变1.1.1.3 共析转变共析转变1.1.1.4 包析转变包析转变1.1.1.5 平衡脱溶沉淀平衡脱溶沉淀1.1.1.6 调幅分解调幅分解1.1.

6、1.7 有序化转变有序化转变101.1 金属固态相变的主要类型金属固态相变的主要类型1.1.1 平衡转变平衡转变1.1.1.1 纯金属的同素异构转变纯金属的同素异构转变 纯金属纯金属在温度、压力改变时，由一种晶体结构转在温度、压力改变时，由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程，称为同素异构转变。变为另一种晶体结构的过程，称为同素异构转变。例如例如: 锰在不同温度下，具有锰在不同温度下，具有a a-Mn、b b-Mn、g g-Mn、 d d-Mn等晶体结构。等晶体结构。 铁、钛、钴、锡等金属也都具有同素异构转变。铁、钛、钴、锡等金属也都具有同素异构转变。 111.1 金属固态相变的主要类型金属

7、固态相变的主要类型1.1.1 平衡转变平衡转变1.1.1.2 固溶体的多形性转变固溶体的多形性转变 固溶体固溶体的同素异构转变称为多形性转变。的同素异构转变称为多形性转变。 例如：钢在加热时铁素体向奥氏体的转变、冷却例如：钢在加热时铁素体向奥氏体的转变、冷却时奥氏体向铁素体的转变都属于多形性转变。时奥氏体向铁素体的转变都属于多形性转变。 121.1 金属固态相变的主要类型金属固态相变的主要类型1.1.1 平衡转变平衡转变1.1.1.3 共析转变共析转变 合金在冷却时，由一种固溶体同时分解为两种不合金在冷却时，由一种固溶体同时分解为两种不同相的转变称为共析转变。同相的转变称为共析转变。 反应式：

8、反应式：g a + b b1.1.1.4 包析转变包析转变 合金在冷却时由两个固相合并转变为一个固相合金在冷却时由两个固相合并转变为一个固相的转变过程称为包析转变。的转变过程称为包析转变。 a a + b g Fe-B合金，合金，910：g g + Fe2B a a13 1.1 金属固态相变的主要类型金属固态相变的主要类型1.1.1 平衡转变平衡转变1.1.1.5 平衡脱溶沉淀平衡脱溶沉淀 某种固溶体在高温固溶了一定量的合金元素后，某种固溶体在高温固溶了一定量的合金元素后，在在缓慢冷却缓慢冷却的条件下，因为溶解度下降，从固溶体中的条件下，因为溶解度下降，从固溶体中析出新相的过程，称为平衡脱溶沉

9、淀。析出新相的过程，称为平衡脱溶沉淀。 特点特点: 在转变过程中，母相不消失，但随着新相的析出，在转变过程中，母相不消失，但随着新相的析出，母相的成分和体积分数不断变低，新相的成分、结构与母相的成分和体积分数不断变低，新相的成分、结构与母相不同。母相不同。14 1.1 金属固态相变的主要类金属固态相变的主要类1.1.1 平衡转变平衡转变1.1.1.6 调幅分解调幅分解 某些合金在高温时形成的均匀的某些合金在高温时形成的均匀的单一固溶体单一固溶体，缓慢冷却到某一温度范围内时，缓慢冷却到某一温度范围内时，分解为两种结构与原分解为两种结构与原固溶体相同，而成分却明显不同的微区的转变，称为固溶体相同，

10、而成分却明显不同的微区的转变，称为调幅分解。调幅分解。 反应式：反应式： a a a a1+ a a2特点特点: a a、a a1、a a2 的晶体结构相同的晶体结构相同15 1.1 金属固态相变的主要类型金属固态相变的主要类型1.1.1 平衡转变平衡转变1.1.1.7 有序化有序化转变转变 在平衡条件下，固溶体中各组元原子的相对位在平衡条件下，固溶体中各组元原子的相对位置由无序到有序的转变过程称为有序化转变。置由无序到有序的转变过程称为有序化转变。 Cu-Au、Cu-Zn、Mn-Ni、Fe-Ni、Ti-Ni、Fe-Al等等60多种合金中都可发生这种转变。多种合金中都可发生这种转变。 16 1

11、.1 金属固态相变的主要类型金属固态相变的主要类型1.1.2 非平衡转变非平衡转变1.1.2.1 伪共析转变伪共析转变1.1.2.2 马氏体转变马氏体转变1.1.2.3 贝氏体转变贝氏体转变1.1.2.4 不平衡脱溶沉淀不平衡脱溶沉淀1.1.2.5 块状转变块状转变17 1.1 金属固态相变的主要类型金属固态相变的主要类型1.1.2 非平衡转变非平衡转变1.1.2.1 伪共析转变伪共析转变 某些非共析成分的奥氏体以较快的速度被过冷某些非共析成分的奥氏体以较快的速度被过冷到到ES线和线和GS线的延长线以下（如图线的延长线以下（如图1-1所示的阴影所示的阴影区）时，将不发生先共析转变，而是直接同时

12、转变区）时，将不发生先共析转变，而是直接同时转变为铁素体和渗碳体。这一过程称为伪共析转变。为铁素体和渗碳体。这一过程称为伪共析转变。 18图图1.1 Fe-Fe3C相图的左下角相图的左下角/ Wt%19 1.1 金属固态相变的主要类型金属固态相变的主要类型1.1.2 非平衡转变非平衡转变1.1.2.2 马氏体转变马氏体转变 进一步提高冷速，将奥氏体过冷到进一步提高冷速，将奥氏体过冷到Ms（如图（如图1.1）以下的低温区，铁等置换原子和碳等间隙原子）以下的低温区，铁等置换原子和碳等间隙原子都难以扩散，则奥氏体以无扩散方式发生马氏体转都难以扩散，则奥氏体以无扩散方式发生马氏体转变。其转变产物称为马

13、氏体。变。其转变产物称为马氏体。马氏体的成分与母相马氏体的成分与母相相同，但晶体结构与母相不同。相同，但晶体结构与母相不同。 铁碳合金、铜合金、钛合金，无机非金属材料铁碳合金、铜合金、钛合金，无机非金属材料中发生马氏体转变。中发生马氏体转变。 20 1.1 金属固态相变的主要类型金属固态相变的主要类型1.1.2 非平衡非平衡转变转变1.1.2.3 贝氏体转变贝氏体转变 钢中的奥氏体过冷到珠光体转变和马氏体转变钢中的奥氏体过冷到珠光体转变和马氏体转变温度之间的中温区，将发生贝氏体转变，又称中温温度之间的中温区，将发生贝氏体转变，又称中温转变。转变。 因为发生贝氏体转变时，因为发生贝氏体转变时，铁

14、等置换原子难于扩铁等置换原子难于扩散，只有碳原子可以扩散散，只有碳原子可以扩散，所以贝氏体转变既不同，所以贝氏体转变既不同于伪共析转变，也不同于马氏体转变。贝氏体转变于伪共析转变，也不同于马氏体转变。贝氏体转变的产物为贝氏体。的产物为贝氏体。 贝氏体是由贝氏体是由相和碳化物或奥氏体转变产物组成相和碳化物或奥氏体转变产物组成的复相组织，但其中的复相组织，但其中相的形态和碳含量，以及碳化相的形态和碳含量，以及碳化物的形态和分布等均不同于珠光体。物的形态和分布等均不同于珠光体。21 1.1 金属固态相变的主要类型金属固态相变的主要类型1.1.2 非平衡非平衡转变转变1.1.2.4 不平衡脱溶沉淀不平

15、衡脱溶沉淀 与平衡脱溶不同，某种固溶体在高温固溶了一定与平衡脱溶不同，某种固溶体在高温固溶了一定量的合金元素后，在快速冷却的条件下，因为固溶体量的合金元素后，在快速冷却的条件下，因为固溶体中来不及析出新相，一直冷却到较低温度下，得到过中来不及析出新相，一直冷却到较低温度下，得到过饱和固溶体。然后，在室温或加热到其溶解度曲线以饱和固溶体。然后，在室温或加热到其溶解度曲线以下的温度，将从过饱和固溶体中析出一种新相，这种下的温度，将从过饱和固溶体中析出一种新相，这种转变过程称为不平衡脱溶沉淀。转变过程称为不平衡脱溶沉淀。 析出新相的成分和结构与平衡沉淀相不同。析出新相的成分和结构与平衡沉淀相不同。

16、淬火钢在淬火钢在回火回火时析出新相：时析出新相：-Fe2.4C、-Fe5C2等等22 1.1 金属固态相变的主要类型金属固态相变的主要类型1.1.2 非平衡转变非平衡转变1.1.2.5 块状转变块状转变 对于纯铁或低碳钢，在一定的冷速下，对于纯铁或低碳钢，在一定的冷速下，g g相或奥氏相或奥氏体转变为与之具有相同成分而形貌呈块状的体转变为与之具有相同成分而形貌呈块状的a a相，这相，这种转变过程是通过原子的短程扩散使新相和母相间的种转变过程是通过原子的短程扩散使新相和母相间的非共格界面推移实现的，称为块状转变。非共格界面推移实现的，称为块状转变。 新相、母相成分相同，但形貌和与母相的界面结新相

17、、母相成分相同，但形貌和与母相的界面结构上均与马氏体转变不同。构上均与马氏体转变不同。 在在Cu-Zn、Cu-Ga合金中也存在。合金中也存在。231.1 金属固态相变的主要类型金属固态相变的主要类型1.1.3.1 按原子按原子迁移特征分类迁移特征分类（1） 无扩散型相变：马氏体相变无扩散型相变：马氏体相变（2） 扩散型相变：其他相变扩散型相变：其他相变1.1.3.2 按相变热力学分类按相变热力学分类（1）一级相变：新旧两相的自由能及化学位均相等，）一级相变：新旧两相的自由能及化学位均相等，但化学位的一级偏导数不等但化学位的一级偏导数不等, 有体积的胀缩及潜有体积的胀缩及潜热的释放或吸收。热的释

18、放或吸收。 大多数相变属于一级相变。大多数相变属于一级相变。 （2）二级相变：化学位的一级偏导数相等，但二级偏）二级相变：化学位的一级偏导数相等，但二级偏导数不等。导数不等。 磁性转变、有序转变等。磁性转变、有序转变等。1.1.3 固态相变固态相变的其它分类的其它分类24为什么一级相变有体积效应和热效应？为什么一级相变有体积效应和热效应？25 1.1 金属固态相变的主要类型金属固态相变的主要类型1.1.3 固态相变的其它分类固态相变的其它分类1.1.3.3 按相变方式分类按相变方式分类（1）形核）形核-长大型相变：大多数相变长大型相变：大多数相变（2）无核相变：调幅分解）无核相变：调幅分解26

19、1.2 金属固态相变的主要特点金属固态相变的主要特点1.2.1 相界面相界面1.2.2 应变能和界面能应变能和界面能1.2.3 原子的迁移率原子的迁移率1.2.4 晶体缺陷晶体缺陷1.2.5 亚稳过渡相亚稳过渡相1.2.6 位向关系位向关系1.2.7 新相往往在惯习面上形成新相往往在惯习面上形成271.2 金属固态相变的主要特点金属固态相变的主要特点1.2.1 相界面相界面金属凝固：新相在液相中形成，固金属凝固：新相在液相中形成，固-液界面。液界面。固态相变：新相在固相中形成，固固态相变：新相在固相中形成，固-固界面。固界面。金金属属固固态态相相变变的的第第一一个个特特点点是是根根据据新新相相

20、和和母母相相原原子子在在相相界界面面上上的的晶晶体体学学匹匹配配程程度度，形形成成具具有有晶晶体体学学特特征的相界面。征的相界面。 1.2.1.1 共格界面共格界面1.2.1.2 半共格界面半共格界面1.2.1.3 非共格界面非共格界面281.2 金属固态相变的主要特点金属固态相变的主要特点1.2.1 相界面相界面1.2.1.1 共格界面共格界面 界面上两相的原子部分地保界面上两相的原子部分地保持匹配；界面上两相的原子所占持匹配；界面上两相的原子所占位置恰好是两相点阵的共有结点位置恰好是两相点阵的共有结点位置。位置。条件条件: 0.25 特点特点: 界面能最大，界面能最大， 但弹性应变能最小但

21、弹性应变能最小 321.2 金属固态相变的主要特点金属固态相变的主要特点1.2.2 应变能和界面能应变能和界面能 金属固态相变的第二个特点是金属固态相变的第二个特点是弹性应变能和界面弹性应变能和界面能一起成为相变阻力能一起成为相变阻力，使固态相变的相变阻力增大。，使固态相变的相变阻力增大。液液-固相变的阻力：界面能；固相变的阻力：界面能；固态相变的阻力：界面能固态相变的阻力：界面能 + 弹性应变能弹性应变能 ； 固态相变的阻力是较大的固态相变的阻力是较大的。 331.2 金属固态相变的主要特点金属固态相变的主要特点1.2.2 应变能和界面能应变能和界面能 弹性应变能：共格应变能弹性应变能：共格

22、应变能 + 比容差应变能比容差应变能 共格应变能：共格应变能：界面上的原子由于要强制性地实行匹界面上的原子由于要强制性地实行匹配，以建立共格或半共格联系，在界面附近区域内配，以建立共格或半共格联系，在界面附近区域内将产生应变能。显然，这种共格应变能以共格界面将产生应变能。显然，这种共格应变能以共格界面为最大，半共格界面次之，而非共格界面为零。为最大，半共格界面次之，而非共格界面为零。比容差应变能：比容差应变能：由于新相和母相的比容不同，故新由于新相和母相的比容不同，故新相形成时的体积变化将受到周围母相的约束而产生相形成时的体积变化将受到周围母相的约束而产生的弹性应变能。的弹性应变能。 341.

23、2 金属固态相变的主要特点金属固态相变的主要特点1.2.2 应变能和界面能应变能和界面能 比容差应变能的大小与新相的几何形状有关。比容差应变能的大小与新相的几何形状有关。由图可知由图可知: 圆盘状新相所引起的比容差应变能最小，针状的圆盘状新相所引起的比容差应变能最小，针状的次之，而球状的最大次之，而球状的最大。因此，固态相变的新相往往有。因此，固态相变的新相往往有片状（盘状）、针状等特定的形状。片状（盘状）、针状等特定的形状。 35图图1.3 新相几何形状对比容差应变能新相几何形状对比容差应变能(相对值相对值)的影响的影响ES-新相单位质量应变能；新相单位质量应变能；E0-球状新相单位质量应变

24、能球状新相单位质量应变能361.2 金属固态相变的主要特点金属固态相变的主要特点1.2.2 应变能和界面能应变能和界面能新相形状新相形状应变能与界面能应变能与界面能过冷度的关系过冷度的关系过冷度很大时过冷度很大时 新相的临界晶核尺寸很小新相的临界晶核尺寸很小表面积表面积很大很大界面能为主要相变阻力，而应变能次之界面能为主要相变阻力，而应变能次之共格共格或半共格界面或半共格界面应变能增加应变能增加新相形成盘状或薄片状新相形成盘状或薄片状(应变能降低应变能降低)。过冷度很小时过冷度很小时新相的临界晶核尺寸较大新相的临界晶核尺寸较大表面积减表面积减小小应变能为主要相变阻力，而界面能次之应变能为主要相

25、变阻力，而界面能次之非共格非共格界面界面(以降低应变能以降低应变能)。 若两相的比容差很小，则新相倾向于形成球状若两相的比容差很小，则新相倾向于形成球状以降低界面能；以降低界面能； 若两相比容差较大，则新相倾向于形成针状以若两相比容差较大，则新相倾向于形成针状以兼顾降低界面能和比容差应变能。兼顾降低界面能和比容差应变能。371.2 金属固态相变的主要特点金属固态相变的主要特点1.2.3 原子的迁移率原子的迁移率 固态相变的第三个特点是原子的迁移率低。固态相变的第三个特点是原子的迁移率低。 液态金属的扩散系数可达液态金属的扩散系数可达10-7cms-1，固态金属仅，固态金属仅约约10-1110-

26、12cms-1，固态金属中原子的扩散速度要比，固态金属中原子的扩散速度要比液态金属的原子低几个数量级，这样扩散便成为固态液态金属的原子低几个数量级，这样扩散便成为固态相变的控制因素。相变的控制因素。 受扩散控制的固态相变，可以产生很大程度的过受扩散控制的固态相变，可以产生很大程度的过冷。随着过冷度增大，相变驱动力增大，故转变速度冷。随着过冷度增大，相变驱动力增大，故转变速度增大。但是，当过冷度大到一定程度后，由于受到扩增大。但是，当过冷度大到一定程度后，由于受到扩散控制，转变速度随过冷度增大而减慢。散控制，转变速度随过冷度增大而减慢。381.2 金属固态相变的主要特点金属固态相变的主要特点 固

27、固态态相相变变的的第第四四个个特特点点是是晶晶体体缺缺陷陷成成为为固固态态相相变非均匀形核的形核位置。变非均匀形核的形核位置。 在位错、空位、晶界和亚晶界处优先形核。在位错、空位、晶界和亚晶界处优先形核。原因：原因：点阵类似；点阵类似；能量高能量高(点阵畸变能点阵畸变能)；有利于扩散。有利于扩散。1.2.4 晶体缺陷晶体缺陷 391.2 金属固态相变的主要特点金属固态相变的主要特点1.2.5 亚稳过渡相亚稳过渡相 固态相变的第五个特点是有时并不直接形成稳定固态相变的第五个特点是有时并不直接形成稳定的平衡相，而是先形成亚稳的过渡相。的平衡相，而是先形成亚稳的过渡相。 原因原因: 可减小相变阻力。

28、可减小相变阻力。 过渡相在成分、结构上更接近于母相，两相间易过渡相在成分、结构上更接近于母相，两相间易于形成共格或半共格界面，以减少界面能，从而降低于形成共格或半共格界面，以减少界面能，从而降低形核功。形核功。401.2 金属固态相变的主要特点金属固态相变的主要特点1.2.6 位向关系位向关系 固态相变的第六个特点是新相与母相间往往存在固态相变的第六个特点是新相与母相间往往存在一定的位向关系。一定的位向关系。 当新相与母相间为共格或半共格界面时，两相之当新相与母相间为共格或半共格界面时，两相之间必然存在一定的晶体学取向关系。间必然存在一定的晶体学取向关系。 若两相间无一定的取向关系，则其界面必

29、定为非若两相间无一定的取向关系，则其界面必定为非共格界面。共格界面。 有时两相间虽然存在一定的晶体学取向关系，也有时两相间虽然存在一定的晶体学取向关系，也未必都具有共格或半共格界面。由于新相长大，共格未必都具有共格或半共格界面。由于新相长大，共格或半共格性遭到破坏。或半共格性遭到破坏。 411.2 金属固态相变的主要特点金属固态相变的主要特点1.2.7 新相往往在惯习面上形成新相往往在惯习面上形成 固态相变的第七个特点是新相往往在惯习面上固态相变的第七个特点是新相往往在惯习面上形成。形成。 固态相变时新相往往在母相一定的晶面族上形成，固态相变时新相往往在母相一定的晶面族上形成，这种晶面称为这种

30、晶面称为惯习面惯习面。 新相如果有惯习面，一般则与母相就有一定的位新相如果有惯习面，一般则与母相就有一定的位相关系。相关系。 421.3 固态相变时的形核固态相变时的形核1.3.1 均匀形核均匀形核1.3.2 非均匀形核非均匀形核 431.3 固态相变时的形核固态相变时的形核1.3.1 均匀形核均匀形核 系统自由能总变化为系统自由能总变化为: (1-1) G 系统自由能总变化系统自由能总变化 V 新相体积新相体积 S 新相表面积新相表面积 单位体积新相与母相的自由能差单位体积新相与母相的自由能差 新相比表面能新相比表面能 E 新相单位体积应变能新相单位体积应变能 GV 体自由能差，即相变驱动力

31、；体自由能差，即相变驱动力； GS界面能；界面能； GE 弹性应变能弹性应变能441.3 固态相变时的形核固态相变时的形核1.3.1 均匀形核均匀形核 假设新相晶核为球形，由式假设新相晶核为球形，由式(1-1)可可导出固态相变导出固态相变时的临界形核功为时的临界形核功为 (1-2) 可见，由于存在应变能，将使临界形核功增大。可见，由于存在应变能，将使临界形核功增大。 45 形核率；形核率；N 单位体积母相中的原子数；单位体积母相中的原子数； 原子振原子振动频率；动频率；Q 原子扩散激活能；原子扩散激活能；k 波尔兹曼常数；波尔兹曼常数；T 相变温度相变温度/K；Q扩散激活能；扩散激活能； G*

32、临界形核功。临界形核功。 由于固态下由于固态下Q值较大，且固态相变时值较大，且固态相变时G*值也较高，值也较高，故与凝固过程相比，固态相变的均匀形核率要小得多。故与凝固过程相比，固态相变的均匀形核率要小得多。1.3 固态相变时的形核固态相变时的形核1.3.1 均匀形核均匀形核 固态相变均匀形核时的固态相变均匀形核时的形核率形核率可以用下式表示可以用下式表示 461.3 固态相变时的形核固态相变时的形核1.3.2 非均匀形核非均匀形核 系统自由能总变化为系统自由能总变化为 多了一项多了一项Gd，它表示非均匀形核时由于，它表示非均匀形核时由于晶体缺晶体缺陷消失而释放出的能量陷消失而释放出的能量。-

33、gVV - Gd是相变驱动力，是相变驱动力，这将导致临界形核功的降低，从而大大促进形核过程。这将导致临界形核功的降低，从而大大促进形核过程。471.3 固态相变时的形核固态相变时的形核1.3.2 非均匀形核非均匀形核 非均匀形核时晶体缺陷所起的作用。非均匀形核时晶体缺陷所起的作用。1.3.2.1 空位空位 （1）空位可通过加速扩散过程。）空位可通过加速扩散过程。 （2）释放自身能量提供形核驱动力而促进形核。）释放自身能量提供形核驱动力而促进形核。 （3）空位群亦可凝聚成位错而促进形核。）空位群亦可凝聚成位错而促进形核。 481.3 固态相变时的形核固态相变时的形核1.3.2 非均匀形核非均匀形

34、核 非均匀形核时晶体缺陷非均匀形核时晶体缺陷（位错、空位、晶界）（位错、空位、晶界）所起的作用。所起的作用。1.3.2.2 位错位错 （1）新相在位错线上形核，可借形核处位错线消失时所释放出）新相在位错线上形核，可借形核处位错线消失时所释放出来的能量作相变驱动力，使形核功降低；来的能量作相变驱动力，使形核功降低；（2）新相形核时位错并不消失，而依附于新相界面上构成半共）新相形核时位错并不消失，而依附于新相界面上构成半共格界面上的位错部分，以补偿错配，从而降低应变能，使形格界面上的位错部分，以补偿错配，从而降低应变能，使形核功降低；核功降低； （3）溶质原子在位错线上偏聚）溶质原子在位错线上偏聚

35、(形成柯氏气氛形成柯氏气氛)，使溶质含量，使溶质含量增高，便于满足新相形成时所需的成分条件，使新相晶核易增高，便于满足新相形成时所需的成分条件，使新相晶核易于形成；于形成；（4）位错线可作为扩散的短路通道，降低扩散激活能，从而加）位错线可作为扩散的短路通道，降低扩散激活能，从而加速形核过程；速形核过程； （5）位错可分解形成由两个分位错与其间的层错组成的扩展）位错可分解形成由两个分位错与其间的层错组成的扩展位错，使其层错部分作为新相的核胚而有利于形核。位错，使其层错部分作为新相的核胚而有利于形核。 491.3 固态相变时的形核固态相变时的形核1.3.2 非均匀形核非均匀形核 非均匀形核时晶体缺

36、陷起到一定的作用。非均匀形核时晶体缺陷起到一定的作用。1.3.2.3 晶界晶界（1）大角晶界具有高的界面能，在晶界形核时可使）大角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。界面能释放出来作为相变驱动力，以降低形核功。（2） 新相与母相的某一个晶粒有可能形成共格或半新相与母相的某一个晶粒有可能形成共格或半共格界面，以降低界面能，减少形核功。共格界面，以降低界面能，减少形核功。 501.4 固态相变时的晶核长大固态相变时的晶核长大1.4.1 新相长大机理新相长大机理 晶核长大的实质：界面向母相方向的迁移晶核长大的实质：界面向母相方向的迁移1.4.1.1 半共格

37、界面的迁移半共格界面的迁移1.4.1.2 非共格界面的迁移非共格界面的迁移511.4 固态相变时的晶核长大固态相变时的晶核长大1.4.1 新相长大机理新相长大机理 1.4.1.1 半共格界面的迁移半共格界面的迁移（1）切变长大）切变长大 521.4 固态相变时的晶核长大固态相变时的晶核长大1.4.1 新相长大机理新相长大机理 1.4.1.1 半共格界面的迁移半共格界面的迁移（2）台阶长大）台阶长大 531.4 固态相变时的晶核长大固态相变时的晶核长大1.4.1 新相长大机理新相长大机理 1.4.1.2 非共格界面的迁移非共格界面的迁移（1）非协同型长大）非协同型长大 （2）原子从母相台阶端部向

38、新相台阶上转移）原子从母相台阶端部向新相台阶上转移 541.4.1.2 非共格界面的迁移非共格界面的迁移 （1）非协同型长大）非协同型长大(原子扩散原子扩散) 551.4.1.2 非共格界面的迁移非共格界面的迁移（2）台阶状结构）台阶状结构 561.4 固态相变时的晶核长大固态相变时的晶核长大1.4.2 新相长大速度新相长大速度1.4.2.1 扩散型相变无成分变化时新相的长大扩散型相变无成分变化时新相的长大1.4.2.2 扩散型相变有成分变化时新相的长大扩散型相变有成分变化时新相的长大1.4.2.3 新相长大速度与过冷度的关系新相长大速度与过冷度的关系1.4.2.4 扩散型相变的等温转变动力学

39、扩散型相变的等温转变动力学571.4 固态相变时的晶核长大固态相变时的晶核长大1.4.2 新相长大速度新相长大速度1.4.2.1 扩散型相变无成分变化时新相的长大扩散型相变无成分变化时新相的长大 设母相为设母相为，新相为，新相为，两者成分相同。，两者成分相同。 当母相中的原子通过短程扩散越过相界面进入当母相中的原子通过短程扩散越过相界面进入新相中时便导致相界面向母相中迁移，使新相逐渐新相中时便导致相界面向母相中迁移，使新相逐渐长大。显然，其长大速度受界面扩散长大。显然，其长大速度受界面扩散(短程扩散短程扩散) 所所控制。控制。 58591.4 固态相变时的晶核长大固态相变时的晶核长大1.4.2

40、 新相长大速度新相长大速度1.4.2.1 扩散型相变无成分变化时新相的长大扩散型相变无成分变化时新相的长大相的一个原子越过相界跳到相的一个原子越过相界跳到相上所需的激活能为相上所需的激活能为 g。振动原子中能够具有这一激活能的概率应为。振动原子中能够具有这一激活能的概率应为 601.4 固态相变时的晶核长大固态相变时的晶核长大1.4.2 新相长大速度新相长大速度1.4.2.1 扩散型相变无成分变化时新扩散型相变无成分变化时新相的长大相的长大若原子振动频率为若原子振动频率为0，则，则相的原子能够越，界跳到相的原子能够越，界跳到相上的频率相上的频率 为：为： (1-5) 这意味着在单位时间里将有这

41、意味着在单位时间里将有 原子从原子从相跳到相跳到相相上去。上去。611.4 固态相变时的晶核长大固态相变时的晶核长大1.4.2 新相长大速度新相长大速度1.4.2.1 扩散型相变无成分变化时新相的长大扩散型相变无成分变化时新相的长大同理，同理，相中的原子也可能越界跳到相中的原子也可能越界跳到相上去，但其所需相上去，但其所需的激活能应为的激活能应为 ，其中，其中 为为与与相间的自相间的自由能差。因此，由能差。因此，相的一个原子能够相的一个原子能够越界跳到越界跳到相上去的频率相上去的频率 应为应为 (1-6) 621.4 固态相变时的晶核长大固态相变时的晶核长大1.4.2 新相长大速度新相长大速度

42、1.4.2.1 扩散型相变无成分变化时新相的长大扩散型相变无成分变化时新相的长大 原子从原子从相跳到相跳到相的净频率为相的净频率为若原子跳一次的距离为若原子跳一次的距离为，每当相界上有一层原子从，每当相界上有一层原子从相跳到相跳到相上后，相上后，相便增厚相便增厚，则，则相的长大速度为相的长大速度为 631.4 固态相变时的晶核长大固态相变时的晶核长大1.4.2 新相长大速度新相长大速度1.4.2.1 扩散型相变无成分变化时新相的长大扩散型相变无成分变化时新相的长大 将将(1-5)、（、（1-6）式代入，整理即得）式代入，整理即得 （1-7） 641.4 固态相变时的晶核长大固态相变时的晶核长大

43、1.4.2 新相长大速度新相长大速度1.4.2.1 扩散型相变无成分变化时新相的长大扩散型相变无成分变化时新相的长大 将将(1-5)、（、（1-6）式代入，整理即得）式代入，整理即得 （1-7）若相变时过冷度很小，则若相变时过冷度很小，则g0。根据近似计算，。根据近似计算，ex 1+x (当当 x 很小时很小时)，故，故 （1-8） 651.4 固态相变时的晶核长大固态相变时的晶核长大1.4.2 新相长大速度新相长大速度1.4.2.1 扩散型相变无成分变化时新相的长大扩散型相变无成分变化时新相的长大将将(1-8) 式代入（式代入（1-7）式，整理即得）式，整理即得 （1-9） 661.4 固态

44、相变时的晶核长大固态相变时的晶核长大1.4.2 新相长大速度新相长大速度1.4.2.1 扩散型相变无成分变化时新相的长大扩散型相变无成分变化时新相的长大由（由（1-9）式可得出什么结论？）式可得出什么结论？当过冷度很小时，新相长大速度与新相和母相间的自当过冷度很小时，新相长大速度与新相和母相间的自由能差由能差(即相变驱动力即相变驱动力)成正比。但实际上相间自由能成正比。但实际上相间自由能差是过冷度或温度的函数，故新相长大速度随温度降差是过冷度或温度的函数，故新相长大速度随温度降低而增大。低而增大。671.4.2.1 扩散型相变无成分变化时新相的长大扩散型相变无成分变化时新相的长大当过冷度很大时

45、当过冷度很大时 ， ，使，使 (1-7)则式则式(1-7)可简化为可简化为 （1-10）由式由式(1-10)可知，当过冷度很大时，新相长大速可知，当过冷度很大时，新相长大速度随温度降低呈指数函数减小。度随温度降低呈指数函数减小。 681.4.2.1 扩散型相变无成分变化时新相的长大扩散型相变无成分变化时新相的长大 在整个相变温度范围内，新相长大速度随温度在整个相变温度范围内，新相长大速度随温度降低呈现先增后减的规律，如图降低呈现先增后减的规律，如图1.9所示。所示。图图1.9 新相长大速度与温度的关系新相长大速度与温度的关系691.4.2 新相长大速度新相长大速度1.4.2.2 扩散型相变有成

46、分变化时新相的长大扩散型相变有成分变化时新相的长大701.4.2 新相长大速度新相长大速度1.4.2.2 扩散型相变有成分变化时新相的长大扩散型相变有成分变化时新相的长大设在设在dt时间内相界向时间内相界向相一侧推移相一侧推移dx距离，则新增的距离，则新增的相相单位面积界面所需的溶质量为单位面积界面所需的溶质量为 dx。这部分溶。这部分溶质是依靠溶质原子在质是依靠溶质原子在相中的扩散提供的。设溶质原子相中的扩散提供的。设溶质原子在在相中的扩散系数为相中的扩散系数为D，并假定其不随位置、时间和，并假定其不随位置、时间和浓度而变化；又界面附近浓度而变化；又界面附近相中的浓度梯度为相中的浓度梯度为由

47、由Fick第一定律可知，扩散通量为第一定律可知，扩散通量为 71（1-111-11）721.4.2 新相长大速度新相长大速度1.4.2.2 扩散型相变有成分变化时新相的长大扩散型相变有成分变化时新相的长大 新相的长大速度与扩散系数和界面附近母相新相的长大速度与扩散系数和界面附近母相中浓度梯度成正比，而与两相在界面上的平衡浓中浓度梯度成正比，而与两相在界面上的平衡浓度之差成反比。度之差成反比。 731.4 固态相变时的晶核长大固态相变时的晶核长大1.4.2 新相长大速度新相长大速度1.4.2.3 新相长大速度与过冷度的关系新相长大速度与过冷度的关系 由上述讨论可知，扩散型相变由上述讨论可知，扩散

48、型相变（1） 界面迁移速度受相变驱动力界面迁移速度受相变驱动力 控制；控制；（2）界面迁移速度也要受扩散系数）界面迁移速度也要受扩散系数D控制控制;（3）界面迁移速度可表示为两者的乘积。）界面迁移速度可表示为两者的乘积。新相长大速度新相长大速度u随随T的增加的增加,先增后减先增后减,如图如图1-9中所示。中所示。 741.5 金属固态相变的动力学金属固态相变的动力学1.5.1 Johnson-Mehl方程方程1.5.2 Avrami方程方程1.5.3 扩散型相变的等温转变动力学图扩散型相变的等温转变动力学图751.5 金属固态相变的动力学金属固态相变的动力学1.5.1 Johnson-Mehl

49、方程方程形核率和晶核长大速度形核率和晶核长大速度u都取决于转变温度都取决于转变温度T， 假设新相为球形且形核率和晶核长大速度假设新相为球形且形核率和晶核长大速度u在某一在某一恒定的温度下不随时间变化而均为常数，导出新相体恒定的温度下不随时间变化而均为常数，导出新相体积分数积分数f与时间与时间的关系式的关系式 适用范围：形核率和晶核长大速度均为常数的扩散型适用范围：形核率和晶核长大速度均为常数的扩散型相变相变761.5 金属固态相变的动力学金属固态相变的动力学1.5.2 Avrami方程方程如果形核率如果形核率 和晶核长大线速度和晶核长大线速度u都不为常数，则都不为常数，则若形核率随时间而减小，

50、取若形核率随时间而减小，取3n4；若形核率随时间而增加，取若形核率随时间而增加，取n4。 再次强调再次强调: Johnson-Mehl方程及方程及Avrami方程仅适用于方程仅适用于 扩散型转变。扩散型转变。 771.5 金属固态相变的动力学金属固态相变的动力学1.5.3 扩散型相变的等温转变动力学图扩散型相变的等温转变动力学图781.5 金属固态相变的动力学金属固态相变的动力学1.5.3 扩散型相变的等温转变动力学图扩散型相变的等温转变动力学图高温时，原子扩散速度很快，但相变驱动力很小，高温时，原子扩散速度很快，但相变驱动力很小，故成核孕育期很长，转变速度很慢；故成核孕育期很长，转变速度很慢

51、；中温时，原子扩散速度较快，相变驱动力也较大，中温时，原子扩散速度较快，相变驱动力也较大，孕育期最短，转变速度达到最大；孕育期最短，转变速度达到最大；低温时，原子扩散速度很慢，虽然相变驱动力很低温时，原子扩散速度很慢，虽然相变驱动力很大，孕育期又逐渐加长，转变速度显著下降。大，孕育期又逐渐加长，转变速度显著下降。79第一章第一章 小小 结结1.1 金属固态相变的主要类型金属固态相变的主要类型 平衡转变平衡转变 同素异构转变、多形性转变、共析转变、包析同素异构转变、多形性转变、共析转变、包析转变、平衡脱溶沉淀、调幅分解、有序化转变。转变、平衡脱溶沉淀、调幅分解、有序化转变。 平衡脱溶沉淀平衡脱溶

52、沉淀 伪共析转变、马氏体转变、贝氏体转变、不伪共析转变、马氏体转变、贝氏体转变、不平衡脱溶沉淀、平衡脱溶沉淀、块状转变。块状转变。 80第一章第一章 小小 结结1.2 金属固态相变的主要特点金属固态相变的主要特点 根据新相和母相原子在相界面上的晶体学匹配程根据新相和母相原子在相界面上的晶体学匹配程度，形成具有晶体学特征的相界面。度，形成具有晶体学特征的相界面。 弹性应变能和界面能一起成为相变阻力，使固态弹性应变能和界面能一起成为相变阻力，使固态相变的相变阻力增大。相变的相变阻力增大。 原子的迁移率低。原子的迁移率低。 晶体缺陷成为固态相变非均匀形核的形核位置。晶体缺陷成为固态相变非均匀形核的形

53、核位置。 有时并不直接形成稳定的平衡相，而是先形成亚有时并不直接形成稳定的平衡相，而是先形成亚稳的过渡相。稳的过渡相。 新相与母相间往往存在一定的位向关系。在许多新相与母相间往往存在一定的位向关系。在许多情况下，固态相变时新相与母相间往往存在一定情况下，固态相变时新相与母相间往往存在一定的位向关系。的位向关系。 新相往往在惯习面上形成。新相往往在惯习面上形成。81第一章第一章 小小 结结1.3 固态相变时的形核固态相变时的形核固态相变的均匀形核可能性很小。固态相变的均匀形核可能性很小。固态相变主要靠非均匀形核固态相变主要靠非均匀形核. 空位、位错、晶界是新相优先形核的位置空位、位错、晶界是新相

54、优先形核的位置。82第一章第一章 小小 结结1.4 固态相变时的晶核长大固态相变时的晶核长大 共格、半共格界面的迁移分切变机制和台阶共格、半共格界面的迁移分切变机制和台阶机制。机制。非共格界面的迁移依靠原子扩散。非共格界面的迁移依靠原子扩散。新相的长大速度随过冷度的增加，先增后减。新相的长大速度随过冷度的增加，先增后减。83第一章第一章 小小 结结1.5.1 Johnson-Mehl方程方程1.5.2 Avrami方程方程Johnson-Mehl方程及方程及Avrami方程仅适用于扩散方程仅适用于扩散型转变型转变。84 第一章第一章 小结小结1.5.3 扩散型相变的等温转变动力学图扩散型相变的等温转变动力学图85