金属及合金的固态转变
金属合金的相变与相
金属合金的相变与相金属合金是由两种或多种金属元素组成的固溶体，其性能优于纯金属，广泛应用于冶金、航空航天、汽车制造等领域。
金属合金在不同温度下会发生相变，这对于合金的性能和制备过程有着重要的影响。
一、金属合金的相态金属合金的相态是指在不同温度和压力条件下，合金所处的固态、液态或气态状态。
一般情况下，金属合金在常温下为固态，但随着温度的升高或降低，合金的相态会发生变化。
1. 固态相态金属合金的固态相态主要有α相、β相、γ相等。
其中α相为固溶体中的固态部分，β相为亚稳态固溶体，γ相为非稳态固溶体。
不同的相态具有不同的晶体结构和性质。
2. 液态相态当金属合金的温度升高到一定程度时，合金会从固态转变为液态。
在液态相态下，金属合金的原子或离子之间的结构变得无序，且具有较高的流动性。
3. 气态相态当金属合金的温度继续升高到一定程度时，合金会从液态转变为气态。
在气态相态下，金属合金的原子或离子之间的结构更加松散，具有较高的扩散性和易挥发性。
二、金属合金的相变金属合金的相变是指合金在温度或压力变化下，由一种相态转变为另一种相态的过程。
对于多组分合金来说，相变可能涉及到相分离、相溶度变化等多种现象。
1. 固态相变金属合金的固态相变主要包括固溶体的析出、相分离以及晶体结构的变化等。
例如在某一温度下，合金中的β相会分解为α相和γ相，这种相变可以通过热处理控制合金的组织和性能。
2. 液态相变金属合金的液态相变包括熔化和凝固两个过程。
当合金被加热到一定温度时，其中的固态相会通过熔化转变为液态相，而当合金被冷却到一定温度时，液态相会通过凝固转变为固态相。
3. 气态相变金属合金的气态相变主要发生在高温和高压条件下。
例如，在高温高压下，某些金属合金的氧化物可以还原为金属，并形成气态的金属化合物。
三、金属合金相变对性能的影响金属合金的相变过程会对合金的性能和制备过程产生重要影响。
1. 物理性能金属合金的相变会改变合金的熔点、硬度、导电性、热导率等物理性能。
简述金属的结晶过程
简述金属的结晶过程金属的结晶是指金属从液态到固态的过程，也是金属形成晶体的过程。
金属的结晶过程是一个复杂而精细的物理过程，涉及到许多因素，如温度、压力、合金成分等。
本文将从金属的熔化、凝固和晶体生长三个方面，简述金属的结晶过程。
一、金属的熔化金属的结晶过程首先是金属的熔化过程。
当金属受到加热时，金属内部的原子开始变得活跃起来，原子之间的距离逐渐增大，金属内部的结构逐渐变得无序。
当温度升高到金属的熔点时，金属开始从固态转变为液态。
在液态状态下，金属原子之间的结构无序，原子之间可以自由移动。
金属的熔化过程是金属结晶的第一步。
二、金属的凝固当金属从液态冷却到一定温度时，金属开始凝固。
凝固是指金属从液态到固态的过程。
在凝固过程中，金属原子重新排列，逐渐形成有序的晶体结构。
凝固的过程中，金属原子逐渐聚集在一起，形成晶体的晶粒。
晶粒是金属结晶的基本单位，每个晶粒内部的结构有序而紧密，不同晶粒之间的结构则不同。
晶粒的大小和形状取决于凝固过程中的温度变化、冷却速率和合金成分等因素。
三、晶体的生长金属的凝固过程会伴随着晶体的生长。
晶体的生长是指晶粒在凝固过程中逐渐增大和扩展的过程。
在凝固过程中，金属原子会不断地从熔融的金属中扩散到已经凝固的晶粒中，使晶粒逐渐增大。
晶体的生长速率取决于金属的冷却速率和金属原子的扩散速率。
如果冷却速率较快，金属原子的扩散速率较慢，晶体的生长速率就会减慢，晶粒就会变小。
反之，如果冷却速率较慢，金属原子的扩散速率较快，晶体的生长速率就会加快，晶粒就会变大。
晶体的生长过程中，晶粒之间会出现界面，界面上的结构也会随着晶体的生长而改变。
金属的结晶是一个复杂而精细的过程，涉及到金属的熔化、凝固和晶体生长三个方面。
金属的结晶过程是金属从液态到固态的过程，也是金属形成晶体的过程。
金属的结晶过程受到多种因素的影响，如温度、压力、合金成分等。
理解金属的结晶过程有助于我们深入了解金属的性质和应用，并为金属材料的制备和加工提供理论基础。
金属与合金中的固态相变
金属与合金中的固态相变金属与合金是人类社会中不可或缺的材料，它们广泛应用于各个领域，如建筑、交通、电子、医疗等。
在金属与合金的制备和应用过程中，固态相变是一个重要的现象。
本文将从金属与合金的角度出发，介绍固态相变的基本概念、分类和应用。
一、基本概念固态相变是指物质在固态下，由于温度、压力等条件的改变，发生晶体结构、晶格常数、原子排列等方面的变化。
固态相变可以分为两类：一类是一级相变，即物质在相变时伴随着热量的吸收或释放，如冰的融化和凝固；另一类是二级相变，即物质在相变时不伴随着热量的吸收或释放，如铁的铁磁相变。
二、金属中的固态相变金属是一类具有良好导电性、导热性和延展性的材料，其固态相变主要包括晶格常数的变化、晶体结构的变化和相变温度的变化。
晶格常数的变化是指金属在相变时晶格常数的改变。
例如，铁在加热至910℃时，其晶格常数由室温下的2.87Å增加至3.64Å，发生了由体心立方晶系向面心立方晶系的相变。
晶体结构的变化是指金属在相变时晶体结构的改变。
例如，铝在加热至660℃时，从面心立方晶系转变为体心立方晶系。
相变温度的变化是指金属在相变时相变温度的改变。
例如，铜在加热至1083℃时，发生由面心立方晶系向液态的相变。
三、合金中的固态相变合金是由两种或两种以上金属或非金属元素组成的材料，其固态相变主要包括共晶反应、共析反应和析出反应。
共晶反应是指两种或两种以上金属或非金属元素在一定比例下，同时熔化并形成共晶组织。
例如，铜和锡的共晶温度为227℃，共晶组织为铜锡共晶。
共析反应是指合金中的一种元素在一定温度下先于其他元素析出。
例如，铝和铜的共析温度为548℃，共析组织为铝铜共析。
析出反应是指合金中的一种元素在一定温度下从固溶体中析出。
例如，钢中的碳在加热至一定温度时，从固溶体中析出形成铁素体。
四、应用固态相变在金属与合金的制备和应用中具有重要的作用。
例如，通过控制金属的固态相变，可以改变其力学性能、磁性能、导电性能等，从而满足不同领域的需求。
第二章 金属材料的凝固与固态相变
两相组织合金的力学和物理性能与成分 呈直线关系变化。
2 .合金的工艺性能与相图的关系 铸造性能：纯组元和共晶成分的合金的流动 性最好，缩孔集中，铸造性能好。 锻造性能：单相合金的锻造性能好。单相组 织时变形抗力小，变形均匀，因而变形能力 大。双相组织的合金变形能力差些，特别是 组织中存在有较多的化合物相时。
固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却较快，原子扩散不能充 分进行，则形成成分不均匀的固溶体。
2 .共晶相图
(1)相图分析 在共晶合金相图中，acb为液相线，adceb为固相线，合金系有 三种相，相图中有三个单相区（L、α 、β ）；三个两相区（L+α 、 L+β 、α +β ）；一条三相(L+α +β )共存线（水平线dce）。 dce为共晶线（ c点为共晶点）。 Lc → α d+ β
2.2.3 铸锭(件)的凝固
把金属熔化注入铸模，冷却后获得一定形状的铸件的工艺叫做 铸造。 1.铸锭（件）结晶组织 最典型的铸造结构，整 个铸锭明显地分为三个各具 特征的晶区。 ⑴细等轴晶区 在铸锭的 表层形成的一层厚度不大、 晶粒很细的区域。
⑵柱状晶区
⑶粗等轴晶区
2.3 铁碳合金 2.3.1 Fe-Fe3C相图
2.3.2 铁碳合金在平衡状态下的相变
根据Fe—Fe3C相图，铁碳合金可分为三类： 1)工业纯铁[wc ≤0.0218%] 2)钢[0.0218%< wc ≤2.11%
3)白口铸铁[2.11%< wc <6.69%]
工业纯铁的室温平衡组织为铁素体（F），呈白色状。由于其强 度低、硬度低、不宜用作结构材料。
2.金属固态相变
（一） 共析钢过冷A的等温转变(zhuǎnbiàn)曲线(C曲线)
过冷奥氏体的等温转
变图是表示奥氏体急速 冷却到临界点A1 以下
在各不同温度下的保温
过程中转变(zhuǎnbiàn)量与 转变 时 (zhuǎnbiàn)
间的关系曲线.又称C 曲线、S 曲线或TTT曲 线。
(Time-Temperature-Transformation diagram)
在电镜下，亚结构主要是
孪晶，又称孪晶马氏体。
电镜下
光镜下 电镜下
第三十五页，共九十六页。
高硬度是马氏体性能的主要特点(tèdiǎn)。 马氏体的硬度主要取决于其含碳量。 含碳量增加，其硬度增加。
当含碳量大于0.6%时，其硬度(yìngdù)趋于平缓。 合金元素对马氏体硬度的影响不大。 马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。
分类方法很多，P174之表9-1（解析之） 1、扩散型相变：形核、长大---依靠原子长距
离扩散完成---即相界面的扩散、移动来完成： 扩散是控制因素。 相界面：非共格，无严格(yángé)的晶体学对应 关系
例：钢的共析相变
第六页，共九十六页。
2、半扩散(kuòsàn)相变：介于前二者之 间的过渡型相变。
的转变量获得的。
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1）共析钢的CCT曲线 共析钢的CCT曲线没
有贝氏体转变(zhuǎnbiàn)区， 在珠
光体转变区之下多了一 条转变中止线。
当连续冷却曲线碰到
转变中止线时，珠光体 转变中止，余下的奥氏
体一直保持到Ms以下转 变为马氏体。
Vk’ Vk 共析钢的CCT曲线
第二十六页，共九十六页。
例：钢的贝氏体转变：A--B(B=F+Fe3C)
金属与合金中的固态相变
金属与合金中的固态相变
固态相变是指物质在固态下发生的相变现象。
金属与合金中的固态相变是材料科学中的重要研究领域之一。
金属与合金的固态相变对于材料的性能、结构和应用具有重要的影响。
金属与合金中的固态相变主要包括晶格相变、磁相变和化学相变等。
晶格相变是指晶体结构的改变，包括晶格参数的变化和晶体对称性的改变。
磁相变是指磁性的改变，包括铁磁性、反铁磁性和顺磁性等。
化学相变是指化学成分的改变，包括固溶体相变、化合物相变和析出相变等。
金属与合金中的固态相变对于材料的性能和应用具有重要的影响。
例如，固溶体相变可以改变材料的硬度、强度和塑性等力学性能；化合物相变可以改变材料的热稳定性和耐腐蚀性等化学性能；磁相变可以改变材料的磁性和电性等电磁性能。
金属与合金中的固态相变是一个复杂的过程，涉及到多种因素的相互作用。
其中，温度、压力、成分和晶体结构等因素是影响固态相变的重要因素。
此外，固态相变的动力学过程也是一个重要的研究方向，包括相变的速率、相变的机制和相变的热力学性质等。
在金属与合金的制备和加工过程中，固态相变是一个重要的问题。
例如，通过固溶体相变可以改变材料的组织结构和性能，从而实现材料的优化设计和性能调控。
通过化合物相变可以制备出具有特殊
性能的材料，例如高温合金和超导材料等。
通过磁相变可以制备出具有磁性和电性等特殊性能的材料，例如磁性材料和磁存储材料等。
金属与合金中的固态相变是一个重要的研究领域，对于材料的性能、结构和应用具有重要的影响。
未来，随着材料科学的不断发展和进步，金属与合金中的固态相变将会得到更加深入的研究和应用。
固态相变基础1
固态金属（包括纯金属和合金）在加热和冷却过程中可能发生各种相的转变，称为固态相变。
材料科学研究中的固态相变主要是指温度改变而产生的相变。
固态相变包括以下三种基本变化：①晶体结构的变化②化学成分的变化③有序程度的变化。
按相变过程中原子的运动特点分类:1）扩散型相变；2）非扩散型相变。
扩散型相变特点转变，块状转变，多形性转变，调幅分解1. 脱溶分解脱溶：从过饱和固溶体中析出新相的过程称为脱溶或沉淀。
条件：凡是有固溶度变化的相图，从单相区进入两相区时都会发生脱溶。
固溶处理工艺＝淬火，不是淬火, 没有相变。
脱溶过程中由于析出了弥散分布的强化相，导致强度硬度显著升高的现象称沉淀强化（沉淀硬化），溶质原子的沉淀需要时间，随着时间的延长强化效果明显，又称为时效强化。
2）调幅分解：调幅分解（也称为增幅分解）是指过饱和固溶体在一定温度下分解成结构相同、成分不同两个相的过程。
特点：1）两个相之间没有明显的界面2）调幅分解没有形核，因此没有新的晶体结构出现3）调幅分解的成分变化通过上坡扩散来实现。
3)块状转变:新相与母相成分一样,但晶体结构不同.非扩散型相变：前后组元原子运动不超过一个原子间距的转变。
按平衡状态分类1)平衡相变2)非平衡相变三、按热力学分类1)一级相变 2)二级相变金属固态相变与液态金属结晶一样，金属固态相变与液-固相变一样，其相变驱动力来自新相与母相的自由能差，也通过形核和长大两个过程来完成。
但因相变前后均为固态，固有以下几个特点：（1）.界面与界面能固态相变时，母相和新相均为固相，故其界面与固/液界面不同。
通常固/固界面可以按结构特点分为共格界面、半共格界面和非共格界面三种，其中共格界面界面能最低，半共格界面次之，非共格界面最高。
（2）.惯习面和新、旧两相的位相关系惯习面的存在是为了减小两相的界面能，它的存在表面新相与母相存在一定晶体学位相关系。
（3）.弹性应变能固态相变的阻力由界面能和弹性应变能构成。
金属固态相变整理
一、名词解释1.平衡相变：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。
2.扩散：相邻原子相对移动距离超过一个原子间距，相邻原子的相对位置发生改变。
3.均匀形核：晶核在母相中无择优地任意均匀分布4.非均匀形核：晶核在母相中某些区域择优地不均匀分布5.惯习面：新相往往在母相一定的晶面上开始形成，这个晶面为惯习面6.共格界面：界面上的原子所占据的位置恰好是两相点阵共有的位置时，两相在界面上的原子可以一对一的相互匹配。
7.球化退火：使片状渗碳体球状化，获得球状p的热处理工艺。
8.派敦处理：使高碳钢获得细珠光体（索氏体）组织，再经过深度冷拔而获得高强度钢丝。
9.魏氏组织：工业上将具有片（针）状铁素体或渗碳体加珠光体的组织（消除：细化晶粒的正火、退火以及锻造）10.伪共析转变：过冷奥氏体将全部转变为珠光体型组织，但合金的成分并非共析成分，并且其中铁素体和渗碳体的相对含量也与共析成分珠光体不同，随奥氏体的碳含量变化而变化。
11.切变共格界面：Ms的形成是以切变方式进行的，且Ms和r之间的界面上的原子是共有的。
这种界面。
12.冷处理：若Ms点在室温以上，Mf点在室温以下，则淬火到室温时将保留相当残余r。
若继续冷却至室温以下，则残余r转变为M。
13.相变诱发塑性：金属及合金在相变过程中塑性增加，往往在低于母相屈服强度时即可发生塑性变形。
14.二次淬火：回火加热、保温过程中不发生分解，冷却时残余奥氏体转变为马氏体的现象。
15.回火抗力（抗回火性）：合金元素这种阻碍α相中碳含量降低和碳化物颗粒长大而使钢件保持高硬度、高强度的性质。
16.二次硬化：当马氏体中含有足够量的碳化物形成元素时，在500℃以上回火时将会析出细小的特殊碳化物，导致因回火温度升高，θ-碳化物粗化而软化的钢再度硬化。
17.回火脆性：随回火温度升高，冲击韧性反而下降的现象。
18.脱溶（沉淀）：从过饱和固溶体中析出第二相（沉淀相）或形成溶质原子聚集区以及亚稳定过渡相的过程，是一种扩散型相变。
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③按相变转变方式分类 连续型相变—原子大范围发生轻微重排的涨落，连续 地长大成新相。
C
浓度
C0 Ca
早期
后期
连续型相变
最终结果
形核长大型转变—由涨落形成新相核心，然后向周围长大。
C
浓度
C0 Ca
早期
后期
形核长大型转变
最终结果
3. 固态相变的一般特点
固相与液相的不同： ● 固相的弹性模量不为0，液相的近似为0； ● 固相各向异性，而液相各向同性； ● 存在各种分布很不均匀的结构缺陷。
{110}bcc//{111}fcc 两相的密排面平行 <111>bcc//<110>fcc 两相的密排方向平行
新相习惯于以针状或片状的形式沿着一定的方向躺卧在母相 的特定晶面上。这种现象叫惯习现象。 母相的这一特定的晶面称惯习面
(2) 新相成长的特点
出现惯习现象时，新相往往呈针状或片状的形态。
取向关系和惯习现象出现后，不一定能保存下来。它们可以随 母相的消失而消失；取向关系也可以因新相的再结晶（有相变 产生的应变能为动力）而消除。
固态相变具有新的特点 (1) 形核 (2) 新相成长方向 (3) 新生相的组织形态 (4) 过渡相
(1) 形核
a）非共格均匀形核
设核心是半径为r的球，则形核的能量变化：
G
4 3
r3 (GV
GV
)
4r 2
ΔGV : 单位体积自由能差
γ : 单位面积相界能
A : 是两相界面面积
ΔGεV : 相变引起的单位体积应变能
例：Fe的BCC→FCC相变
Fe：Ttr=1667.47K，γ=0.1-2.5 J/m2，ΔHV=1.16×108 J/m3， n=8.44×1022 个/cm3, f=1013 S-1
忽略应变能，γ取 最小值0.1J/m2
1E-120 1E-130
1m3中产生一个晶核 需要1.610100亿年
1E-140
I K exp
16 3
3(H V
T Ttr
GV )2 kBT
固态相变驱动力比凝固小很多，且多一个应变能阻力项
凝固：ΔHV=~109 J/m3 固体相变：ΔHV=~108 J/m3
ΔGεV =106-108J/m3
指数项差~100倍！ 注意： ΔHV是负值
固态相变的非共格均匀形核率多大？
界面能最低 界面能中等 界面能最高
共格应变能最高 应变能中等 应变能可以忽略
形核时，应变能很小，更容易出现共格界面。
为降低相变阻力，新相与母相的晶体学取向相关： {hkl}∥ {h’k’l’} 新旧相的某一晶面平行 <uvw>//<u’v’w’> 新旧相的某一晶向相平行
例如：纯铁进行多形性转变γ-Fe(fcc)→α-Fe(bcc)时,
高 能量
低
晶体内、外表面 晶界、相界、孪晶界、亚晶界 位错 空位、其它点缺陷
实验结果
当过冷度小时，绝大多数固态转变总是只沿表面和晶界进行， 并形成形成网状组织；
过冷度增大时，境内和晶界才可以同时进行，并形成比较均 匀的组织。
c)核心的取向关系
界面能与应变能的竞争：
共格界面 半共格界面 非共格一般界面
固态相变多了ΔGεV阻力项 注意，ΔGV是负值，ΔGεV是正值
临界核心半径r*为：
r
2γ
(GV GV )
临界核心形成功为： G 3
16 3 GV GV
2
形核率：
I
K
exp(
G ） kBT
K
exp
16 3
3(GV GV
)2 kBT
将 GV H V T 代入上式得
Ttr
Ttr: 平衡相变温度
忽略应变能，γ取 0.06J/m2
1E-160 1E-170
1m3中产生一个晶核 需要3.710141亿年
I (个/cm3S)
1E-180
1E-190
不可能均匀形核！
1E-200
0
50 100 150 200 250 300
T (K)
锡疫
b) 非均匀形核
非均匀形核的有利位置：点、线、面和体缺陷 能量越高的缺陷越易于促进形核
共格成长与非共格成长 马氏体型或贝氏体型转变：无论形核或成长，相界面都必须保 持共格性。 扩散型转变：新相成长主要靠非共格界面的扩散移动，而共格 界面能低，界面扩散移动困难。
惯习现象出现组织-魏氏组织
Si-Mn-Al合金从800oC缓慢冷却， 伸张的连续脱溶颗粒，形成的魏 氏组织
2 μ1 T 2
P
2 μ2 T 2
P
CP2 T
②按相变时原子迁移特征(生核和成长特点)分类
(1) 扩散型相变： 相变主要依靠原子长距离的扩散， 相变是依靠相界面的扩散移动而进行， 相界面是非共格界面。
(2) 非扩散型相变(切变型相变、马氏体转变)： 旧相中的原子通过切变和转动，有组织地、 协调一致地转移到新相中。 相界面是共格界面。
L→L1+β
e. 共析转变 γ→α+β
e. 共晶转变
L→α+β
f. 包析转变 α+β→γ
f. 包晶转变
L+α→β
g. 固溶度变化发生脱溶现象
g. 溶解度变化发生沉淀现象
h. 有序无序转变 i. 磁性转变 j. 调幅分解 k. 切变式转变（马氏体转变）
材料通常经过热处理来改变它的性能，固态转变就是热处理根据。
I (个/cm3S)
考虑应变能， I会更小！
1E-150 1E-160
1E-170
不可能非共格 均匀形核！
1E-180
1E-190
1E-200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
T (K)
例：Sn的Diamond→BCT相变
Sn：Ttr=286.202 K，γ=0.06 J/m2，ΔHV=1.2×108 J/m3， n=3.68×1022 个/cm3, f=1013 S-1
2.相变分类
一级相变 按热力学参数分类
二级相变
固体 相变 分类
扩散性相变 按原子迁移分类
非扩散性相变
连续型相变 按相变方式分类
形核长大型相变
①按相变时热力学参数变化的特征分类
μ μ 一级相变： 1
2
S1
μ1 T
P
μ2 T
P
S2
μ μ 二级相变： 1
21 T
1. 合金相图中的各种固态转变
固态转变
a. 同素异形转变
多形性转变 β→α
b. 固溶体转变为化合物
或二次固溶体 γ→β
对应的液态转变
a.纯金属和 固溶体的结晶
L→α
b. 化合物或
二次固溶体结晶 L→β
c. 固溶度间隙 α→α1+α2
c. 溶解度间隙 L→L1+L2
d. 单析转变 α→α1+β
d. 偏晶转变