第1章 固态相变基本规律1
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第一章 金属固态相变概论
x x0
• 长大速率与原子的扩散系 数、新相 / 母相界面上母 相一侧的浓度梯度成正比， 而与新相与母相间的浓度 差成反比。 • 温度下降，溶质在母相中 的扩散系数急剧减小，故 新相的长大速率降低。
晶界控制型长大
界面迁移速率
Q GV v exp( )[1 exp( )] kT kT
若两相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大则在相界面上不可能做到完全的一对应于是在界面上将产生一些位错以降低界面的弹性应变能这时界面上两相原子部分地保持匹配这样的界面称为半共格界面或部分共格界面
第一章
金属固态相变概论
第一节 固态相变的主要类型 一、 平衡转变 1. 同素异晶转变 纯金属在一定的温度和压力下，由一种结 构转变为另一种结构的现象称为同素异晶 转变。 若在固溶体中发生这种结构的转变，则称 为多形性转变。 F A
马氏体与奥氏体的晶体学关系： {011}α’ // {111}γ <111> α’ // <011> γ
3.第二相的形状 与应变能的关系
比容差应变能-----新相形成时体积变化受到母相约束而产生的弹性应变能 比重 比容
完全共格相界的应变能
• 当沉淀相的切变模量 μ 较小时，球状沉淀相的应 变能最大，柱状次之，片状最小，若只考虑应变 能，则新相倾向于呈片状析出； • 当沉淀相的切变模量 μ 较大时，片状沉淀相的应 变能最大，柱状次之，球状最小，若只考虑应变 能，则新相倾向于呈球状析出。
1.等温相变动力学
• Johnson-Mehl方程
3 3 N ln(1 f ) (4 / 3)G (t ) d t
3 4 f 1 exp( G Nt )
3
0
• 长大速率与原子的扩散系 数、新相 / 母相界面上母 相一侧的浓度梯度成正比， 而与新相与母相间的浓度 差成反比。 • 温度下降，溶质在母相中 的扩散系数急剧减小，故 新相的长大速率降低。
晶界控制型长大
界面迁移速率
Q GV v exp( )[1 exp( )] kT kT
若两相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大则在相界面上不可能做到完全的一对应于是在界面上将产生一些位错以降低界面的弹性应变能这时界面上两相原子部分地保持匹配这样的界面称为半共格界面或部分共格界面
第一章
金属固态相变概论
第一节 固态相变的主要类型 一、 平衡转变 1. 同素异晶转变 纯金属在一定的温度和压力下，由一种结 构转变为另一种结构的现象称为同素异晶 转变。 若在固溶体中发生这种结构的转变，则称 为多形性转变。 F A
马氏体与奥氏体的晶体学关系： {011}α’ // {111}γ <111> α’ // <011> γ
3.第二相的形状 与应变能的关系
比容差应变能-----新相形成时体积变化受到母相约束而产生的弹性应变能 比重 比容
完全共格相界的应变能
• 当沉淀相的切变模量 μ 较小时，球状沉淀相的应 变能最大，柱状次之，片状最小，若只考虑应变 能，则新相倾向于呈片状析出； • 当沉淀相的切变模量 μ 较大时，片状沉淀相的应 变能最大，柱状次之，球状最小，若只考虑应变 能，则新相倾向于呈球状析出。
1.等温相变动力学
• Johnson-Mehl方程
3 3 N ln(1 f ) (4 / 3)G (t ) d t
3 4 f 1 exp( G Nt )
3
0
第一章 固态相变
第1章金属固态相变概论1.1金属固态相变的主要类型1.2金属固态相变的分类1.3金属固态相变的主要特点1.4固态相变的形核1.5固态相变时的晶核长大1.6固态相变动力学1.1金属固态相变的主要类型21ααα+→一、平衡转变61.同素异构体转变和多晶型转变62.平衡脱溶转变6共析转变6包析转变6调幅分解6有序化转变1.1金属固态相变的主要类型二、不平衡转变6伪共析转变6马氏体转变6块状转变6贝氏体转变6不平衡脱溶沉淀（时效）固态相变包括三个基本变化6晶体结构的变化：如同素异构转变、多晶型转变、马氏体相变；6化学成分的变化：调幅分解，只有成分转变而无相结构的变化；6有序程度的变化：如有序化转变，磁性转变、超导转变1.2金属固态相变的分类按热力学分类6平衡转变：缓慢加热或冷却同素异构、共析转变、调幅分解等6不平衡转变：快速加热或冷却伪共析转变、M转变、B转变等按动力学分类（依据原子运动的情况）6扩散型：脱溶沉淀、共析转变、有序化、块状转变、同素异构转变6非扩散型：M转变1.3金属固态相变的主要特点基本特点：È固态相变阻力大È原子迁移率低È非均匀形核派生特点：È低温相变时出现亚稳相È新相有特定形状È相界面È位向关系È存在惯习面新相有特定形状析出物的形状由相变中比体积（比容差）应变能和界面能的共同作用。
新相与母相保持弹性联系时，相同体积的晶核比较，新相呈片状的比体积应变能最小，针状次之，球状最大。
若过冷度很大，r*很小，界面能居主要地位，两相间易形成共格或半共格界面以降低表面能，同时应变能的降低使新相倾向于形成盘状（或薄片状）若过冷度很小时，r*较大，界面能居次要地位，两相间易形成非共格界面以降低应变能，若两相比容差很小，新相倾向于形成球状以降低界面能；若两相比容差较大，则倾向于形成针状以兼顾界面能和应变能相界面界面能居中界面能最小界面能最大位向关系为了减少界面能，新相与母相之间往往存在一定的晶体学关系，它们常以原子密度大而彼此匹配较好的低指数晶面相互平行来保持这种位向关系。
14第一章 金属固态相变基础
2 2 V V V V V V 等压膨胀系数 TP V P P TT V T P
一级相变
二级相变
一级、二级相变时，两相的自由能、熵及体积的变化
S T P
第一章 金属固态相变基础
§1 金属固态相变概论
1 相和相平衡
相：相是系统中均匀的（成分和性质相同或者 连续变化）、与其他部分有界面分开的部分。
描述相的稳定性——Gibbs自由能
G H TS
相平衡的条件：
GP,T minGP,T
非稳定态：不存在这种能垒， 则体系处于非稳定态，它一定 会转变为平衡态或亚稳态。
(2) 平衡脱溶转变
定义：高温过饱和固溶体缓慢 冷却过程中析出第二相的过程 表达式： α→ α′+θ 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。 钢中？
可发生脱溶转变的合金
例：钢冷却时A中析出Fe3CⅡ或F中析出Fe3CⅢ的过程
（3）共析转变
定义：合金冷却时，由一个固相同时析出两个 不同晶体结构固相的过程称为共析转变。 表达式： γ →α+β 钢中？ 例：钢中的珠光体转变
亚稳态相：相的自由能并不处 于最低，但是与最低自由能态 之间有能垒相分隔；
平衡相：相的自由能最 低时——该相稳定 相平衡关系的描述—相图
两相平衡时——各元素在两相中的化学位相等 B元素在相 中的化学位
P E
A元素在相 中的化学位
G
G
A元素在相 中的化学位
B元素在相 中的化学位
x
2.4.2 不平衡转变
(1) 伪共析转变 定义：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。
1第一章 固态相变概论
各处界面不同时满足与母相 的晶体学关系
30
ii.非共格晶界形核
31
令： 2 cos
则G*hetero
=
16 3
（3 1
S S
）3
（Gv-）2
界隅形核达到零形核功的最小，最容易形核
32
各类晶界非均匀形核的形核率
I n ( )3i exp( Q ) exp( AiG *homo )
35
小结： 晶体缺陷形核的难易：
最难:均匀形核——空位——位错——层错—— 晶界/相界——自由表面：最易
36
1.2.3 金属固态相变的晶核长大 1.新相长大的机制 相长大过程是界面不断向母相迁移的过程。 涉及或不涉及原子的扩散
37
（1）共格/半共格界面的迁移机制
非扩散型（协同）长大机制 非热激活过程 对温度不敏感
即固态相变需要大过冷
ii.固态相变的临界晶核尺寸、临界形核功
新相的比表面能σ和单位体积的弹性应变能ε显著 影响临界晶核。 σ 、ε增大将增加形核困难
25
(2) 均匀形核率
I=n exp( Q ) exp( G *)
kT
kT
n : 单位体积中母相的原子数
: 原子振动频率
Q:原子扩散激活能
α
可以证明，临界晶核半径：
β
r* 2 Go
*
V hetero *
V homo
f ()
2 3cos cos3
2
其中： cos 2
0 f ( ) 1
29
非均匀形核更容易进行
大角度晶界是形核的重要位置 新相晶核与母相的界面可以是共格的或非共格的。 i.一侧共格的界面晶核
30
ii.非共格晶界形核
31
令： 2 cos
则G*hetero
=
16 3
（3 1
S S
）3
（Gv-）2
界隅形核达到零形核功的最小，最容易形核
32
各类晶界非均匀形核的形核率
I n ( )3i exp( Q ) exp( AiG *homo )
35
小结： 晶体缺陷形核的难易：
最难:均匀形核——空位——位错——层错—— 晶界/相界——自由表面：最易
36
1.2.3 金属固态相变的晶核长大 1.新相长大的机制 相长大过程是界面不断向母相迁移的过程。 涉及或不涉及原子的扩散
37
（1）共格/半共格界面的迁移机制
非扩散型（协同）长大机制 非热激活过程 对温度不敏感
即固态相变需要大过冷
ii.固态相变的临界晶核尺寸、临界形核功
新相的比表面能σ和单位体积的弹性应变能ε显著 影响临界晶核。 σ 、ε增大将增加形核困难
25
(2) 均匀形核率
I=n exp( Q ) exp( G *)
kT
kT
n : 单位体积中母相的原子数
: 原子振动频率
Q:原子扩散激活能
α
可以证明，临界晶核半径：
β
r* 2 Go
*
V hetero *
V homo
f ()
2 3cos cos3
2
其中： cos 2
0 f ( ) 1
29
非均匀形核更容易进行
大角度晶界是形核的重要位置 新相晶核与母相的界面可以是共格的或非共格的。 i.一侧共格的界面晶核
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。
第二十五页，共九十六页。
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)
1 金属固态相变基础
非稳定相：若不存在这种能垒，则体系处 于非稳定态，这种状态是不稳定的，它一 定会转变为平衡态或亚稳态。
相变：在均匀一相或几个混合相内，出现
具有不同成分或不同结构（包括原子、离 子或电子的位臵或位向）或不同组织形态 或不同性质的相，称为相变。 固态相变：固态材料在温度和压力改变时 发生的相变。
1.1.2 金属固态相变的主要分类 1、按热力学分类:一级相变和二级相变
举例：
马氏体总是在奥氏体{111} 晶面上形成， 则{111}A为惯习面. 密排面{110} 与奥氏体密排面{111}A相平行 密排方向<111>与奥氏体密排方向<110>A相平行 则取向关系为：{110}||{111}A；<111>||<110>A
取向关系与相界面的关系：
当新相与母相间为共格或半共格界面时， 两相间必然存在一定的晶体学取向关系； 若两相间无一定取向关系，则其界面必 定为非共格界面； 但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， 生长时共格或半共格界面破坏。
五、晶体缺陷的作用
与液态金属不同，固态金属存在各种晶体 缺陷，如空位、位错、晶界等。在缺陷周围有 点阵畸变，储存畸变能，在固态相变时，释放 出来作为相变的驱动力，对固态相变起促进作 用。 具体作用： (1) 新相往往在缺陷处形核，提高形核率。 (2) 促进扩散过程，促进晶核生长。
六、 原子的扩散
(三) 非共格界面： 两相在界面上由于错配度大，无匹配关系。 特点：界面能高，应变能低。
二、两相间的晶体学关系（位向关系 与惯习面）
固态相变时新相与母相往往存在一定的晶体学关系。 惯习面：新相往往在母相一定的晶面族上形成，这种 晶面称为惯习面。 特征：(1) 惯习面上新相和母相的原子排列很相近， 能较好地匹配，有助于减少两相间界面能。 (2) 惯习面往往为新相主平面所平行的母相晶 面。 位向关系：新相、母相某些低指数晶面和晶向的对应 平行关系。
材料热处理原理第一章金属固态相变基础
材料热处理原理
1#楼203 周二 5-6节 周四 1-2节
热处理
热处理原理与工艺
• 热处理：将金属或工件放在一定的介质中，通 过加热、保温和冷却的方法，使金属或合金的 内部组织结构发生变化，从而获得所需性能的 技术。
• 金属材料生产和机械制造过程的重要组成部分 之一。
• 热处理的特点：
– 一般不改变材料或工件的形状和整体的化学成分 – 改变材料或工件的微观组织和结构，或表面的化学成
特点：
（1）存在由于均匀切变引起的宏观形状改变，可在预先制备的抛光试样 表面上出现浮突现象。
（2）相变不需要通过扩散，新相和母相的化学成分相同。 （3）新相和母相之间存在一定的晶体学位向关系。 （4）某些材料发生非扩散相变时，相界面移动速度极快，可接近声速。
4. 按相变方式分类
➢ 有核相变：通过形核-长大方式进行的。
• 其两个生成相的结构和 成分均与母相不同
• 加热时也可发生 α+→转变，称为逆 共析相变
平衡相变
④调幅分解
• 某些合金在高温下具有均匀单相固溶体，但冷却到 某一温度范围时可分解成为与原固溶体结构相同但 成分不同的两个微区，这种转变称为调幅分解。
特点：转变初期不存在明显的相界面和成分突变； 通过上坡扩散实现成分变化； 一个自发分解过程； 不经历形核阶段； 分解速度快
3. 按原子迁移特征分类
扩散型相变
相变时原子迁移特征
非扩散型相变
3. 按原子迁移特征分类
（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。
如：脱溶型相变、共析型相变(珠光体型转变）、调幅分解和有序化 转变等。
特点：
（1）有原子扩散运动，相变速率受原子扩散速度所控制； （2）新相和母相的成分往往不同； （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
1#楼203 周二 5-6节 周四 1-2节
热处理
热处理原理与工艺
• 热处理：将金属或工件放在一定的介质中，通 过加热、保温和冷却的方法，使金属或合金的 内部组织结构发生变化，从而获得所需性能的 技术。
• 金属材料生产和机械制造过程的重要组成部分 之一。
• 热处理的特点：
– 一般不改变材料或工件的形状和整体的化学成分 – 改变材料或工件的微观组织和结构，或表面的化学成
特点：
（1）存在由于均匀切变引起的宏观形状改变，可在预先制备的抛光试样 表面上出现浮突现象。
（2）相变不需要通过扩散，新相和母相的化学成分相同。 （3）新相和母相之间存在一定的晶体学位向关系。 （4）某些材料发生非扩散相变时，相界面移动速度极快，可接近声速。
4. 按相变方式分类
➢ 有核相变：通过形核-长大方式进行的。
• 其两个生成相的结构和 成分均与母相不同
• 加热时也可发生 α+→转变，称为逆 共析相变
平衡相变
④调幅分解
• 某些合金在高温下具有均匀单相固溶体，但冷却到 某一温度范围时可分解成为与原固溶体结构相同但 成分不同的两个微区，这种转变称为调幅分解。
特点：转变初期不存在明显的相界面和成分突变； 通过上坡扩散实现成分变化； 一个自发分解过程； 不经历形核阶段； 分解速度快
3. 按原子迁移特征分类
扩散型相变
相变时原子迁移特征
非扩散型相变
3. 按原子迁移特征分类
（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。
如：脱溶型相变、共析型相变(珠光体型转变）、调幅分解和有序化 转变等。
特点：
（1）有原子扩散运动，相变速率受原子扩散速度所控制； （2）新相和母相的成分往往不同； （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
第一章 固态相变概论
金属固态相变与液固相变
都是相变，驱动力都是新旧相之间的自由能差 基本过程相同（形核和长大） 金属固态相变：研究的是母相 和新相 都是固态 这与结晶显著不同
21
Yuxi Chen Hunan Univ.
金属固态相变具有一定的特点：
相界面 弹性应变能 原子的迁移率 晶体缺陷 亚稳过渡相 位向关系 惯习面
自由能G ：是系统的一个特征函数。 G= H− T S H为焓、S为熵、T为绝对温度 任何相的自由能都是温度的函数，通过 改变温度是可以获得相变热力学条件。
38
Yuxi Chen Hunan Univ.
在等容过程中，自由能G 对温度T的一阶 导数为： 由于 S 总为正值，所以G 总是随T 的增加 而降低。
材料热力学与相变 （固态相变）
1
Yuxi Chen Hunan Univ.
材料的相结构是直接影响材料力学、 物理、化学性能的重要因素。 研究和控制材料中的相变过程，从而 提高材料性能，一直是材料科学与工 程领域的一个重要的研究领域。
2
Yuxi Chen Hunan Univ.
本课程目的
介绍相变的基本理论，使大家能够对材 料的相变化过程有深入的了解，尤其是 金属的固态相变，熟悉主要的热处理工 艺对金属材料 固态组织与性能的影响规 律，了解金属固态相变-组织-性能之间 的具体关系，为从事材料科学的深入研 究打下必要的理论基础。
18
Yuxi Chen Hunan Univ.
（三）按相变方式 形核-长大相变（有相界面） 无核相变（无相界面，调幅分解）
金属主要的相变类型
一级相变 扩散型相变 形核-长大型相变
19
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固态相变
都是相变，驱动力都是新旧相之间的自由能差 基本过程相同（形核和长大） 金属固态相变：研究的是母相 和新相 都是固态 这与结晶显著不同
21
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金属固态相变具有一定的特点：
相界面 弹性应变能 原子的迁移率 晶体缺陷 亚稳过渡相 位向关系 惯习面
自由能G ：是系统的一个特征函数。 G= H− T S H为焓、S为熵、T为绝对温度 任何相的自由能都是温度的函数，通过 改变温度是可以获得相变热力学条件。
38
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在等容过程中，自由能G 对温度T的一阶 导数为： 由于 S 总为正值，所以G 总是随T 的增加 而降低。
材料热力学与相变 （固态相变）
1
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材料的相结构是直接影响材料力学、 物理、化学性能的重要因素。 研究和控制材料中的相变过程，从而 提高材料性能，一直是材料科学与工 程领域的一个重要的研究领域。
2
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本课程目的
介绍相变的基本理论，使大家能够对材 料的相变化过程有深入的了解，尤其是 金属的固态相变，熟悉主要的热处理工 艺对金属材料 固态组织与性能的影响规 律，了解金属固态相变-组织-性能之间 的具体关系，为从事材料科学的深入研 究打下必要的理论基础。
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（三）按相变方式 形核-长大相变（有相界面） 无核相变（无相界面，调幅分解）
金属主要的相变类型
一级相变 扩散型相变 形核-长大型相变
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固态相变
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4、上个世纪初，塔曼（G.Tammann)及其合作者进 行了相变的实验研究，在凝固过程中观察到成 核的现象。 5、二、三十年代，福尔默（M.Volmer）等建立完 备的成核的经典理论 6、四十年代末，夫兰克（F.C.Frank）提出界面 微观形貌控制长大的理论，其中螺型位错露头 处的台阶扮演重要角色。 7、三，四十年代中期，迈尔（R.F.Mehl）等建立 了扩散控制的新相长大和等温转变曲线理论
★ 扩散驱动力：浓度梯度？
♂但是，在过饱和固溶体中溶质原子的 偏聚、脱溶，以及奥氏体分解转变析 出铁素体或析出二次渗碳体，溶质原 子是由浓度低处向浓度高处迁移的 “上坡扩散”现象 ♂下坡扩散和上坡扩散？
热力学角度分析：扩散驱动力
若固溶体是由A、B两组元构成，根据 热力学对各组元化学位（μA、μB）的定 义：
G A （ )T、P C A
G B （ ） P T、 C B
即组元摩尔原子浓度的 微小变化所引起的系统 摩尔吉布斯自由能的变 化率
化学位相当于重力场中的势能，在重力 场中势能对高度的微分是重力，在固溶 体中化学位对位置的微分：
d F dx
F也是一种作用力，其中负号表明作用 力F的方向与化学位降低的方向一致
扩散理论研究的主要内容：
一、宏观规律的研究 重点讨论扩散物质的浓度 分布与时间的关系，即扩散速 度问题 方法：根据不同条件建立一系 列扩散方程，并按边界条件不 同求解
二、微观机制研究
扩散理论另一研究领域：
扩散时原子运动的微观机制，即在相 比只有几个埃的位置间原子的无规则运动 和实验测量的宏观物质流之间的关系，它 表明扩散是与晶体中缺陷的研究密切相关； 而通过扩散测量结果可以很好地研究 这些缺陷的性质、浓度和形成条件。
0.05<δ<0.25半共格关
δ >0.25非共格关系
（3）非共格界面
新、旧相界面处原子排列差别很大，两原子 之间匹配关系不再维持，为非共格界面
特点：界面能大，应变能小
2 . 新旧相之间存在一定位向关系与惯习面
当两相界面为共格或半共格时，新相晶核与母相之间 存在一定的晶体学位向关系，并且新相往往在旧相的 一定晶面上开始形成，这个晶面称为惯习面。 惯习面和位向关系的区别：
纯金属的同素异构转变 共析转变
平衡脱溶沉淀
有序化转变
调幅分解
非 平 衡 转 变
伪共析转变 马氏体转变 贝氏体转变 不平衡脱溶沉淀
块状转变
2） 按相变过程中原子迁移特征
（1）扩 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。）
Fe3C A
未溶Fe3C
奥 氏 体 的 形 成
A
残余Fe3C
A
A
共析钢
奥 氏 体 在 不 同 冷 却 温 度 组 织
二、物相的突变体现在那些方面？ （1） 晶体结构变化 ；
奥氏体（A）
铁素体（ F）
（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：金属— —非金属转变；顺磁体——铁磁体 转变 （4）固溶体有序化程度的变化
固态中扩散的本质
扩散力作用
浓度、电场、 应力场
原子定向、宏观迁移
结果
降低系统的吉布斯自由能
1.3.2 扩散的宏观规律
从宏观现象讨论扩散规律，就 是研究在一定热力学条件下（温 度、压下恒定）扩散物质在固态 中浓度分布与扩散时间的关系， 它需要在建立的扩散方程中求解。
工程中的扩散现象
（1）金属在压力加工过程中的 动态再结晶； （2）焊接过程，热处理中的相 变； （3）化学热处理、粉末冶金的 烧结以及氧化、蠕变等。
绪论
(INTRODUCTION)
金属材料的价值在于其使用性 能的好坏。材料性能除了直接与 材料的成分有关外，还与材料的 组织和结构有关。对于成分一定 的金属材料而言，可以通过相的 转变使其组织和结构发生变化从 而使性能得到改善。
一、什么是相及相变？
组元：金属或合金最基本的，独立的物 质称为组元(单个元素或化合物）； 组元之间相互作用形成具有一定晶体 结构和化学成分的相
球状应变能最大，针状次之，片状（盘状）应 变能最小。
比体积应变能与新相形状的关系
4. 原子迁移率低，多数相变受扩散控制
固态相变中，成分的改变必须通过组元的扩 散才能完成，此时扩散成为相变的控制因素， 而固态金属中原子的扩散系数，即使在熔点附 近也上液态的十万分之一，所以固态相变的转 变速率很慢，可以有很大的过冷度。 随着温度降低，过冷度增大，形核率增加，相 变驱动力增大，但同时原子扩散系数降低。 这一对矛盾运动的结果就可能使相变后得到的 组织细化
弹性应变能 共格应变能 比体积差应变能
弹性应变能
共格应变能 体积应变能
共格界面新旧两相 点阵常数差异 引起的应变能
新相与母相的比容不同， 固态相变时新相的生成 必然受到周围母相的约束 而产生弹性应变而增加 的应变能
★ 新相与母相的比容差别越大，则体积应变能越大。 ★单位体积应变能的大小还与新相的几何形状有关。
本章主要内容：
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
固态相变的分类 固态相变的特点 固态相变中原子的迁移 固态相变的热力学 固态相变形核 晶核长大 固态相变动力学
1.1 固态相变的分类
1）按照转变条件，金属固态相变分为 平衡相变和非平衡相变
平 衡 相 变
相变跨越多种学科领域，因而受到物理 学家、化学家、金属学家、陶瓷学家和 地质学家的关注。 物理金属学者重点研究的是金属和合金 中一级相变动力学，主要研究方法为光 学和电子显微术和X射线与电子衍射。
常用措施 热处理 －加热：温度、速度，保温 时间 －冷却：速度 原理：解决有哪些相变，相变 条件、机理、特征 工艺：解决如何实现这此相变 从而达到预期的性能
举
例
2013-8-4/17:05:39
五、固态相研究的意义
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 能要求开发出新型材料。
第1章 固态相变导论
惯习面指母相的某一主平面； 位向关系指新相的某些晶面、晶向//旧相的某些晶 面、晶向 如：钢由奥氏体转变为正方马氏体:
{111}γ//{110}α´ ，<110>γ// <111>α´。
3. 相变阻力大
弹性应变能和界面能共同构成金属固态相变的阻力
弹性应变能是相界面上原子强制匹配引起的
共格>半共格>非共格
★二级相变：化学位的一级偏导数相等，二级偏 倒数不相等，相变时没有体积的膨胀和收缩及 潜热的吸收和释放，如磁性转变，有序转变
1.2 固态相变特点
1. 相界面特殊
金属固态相变时，新相和母相之间形成 的界面上两种晶体之间的界面，根据界面 上两相原子在晶体学上匹配程度不同分为： 共格界面
相界面
半共格界面 非共格界面
3） 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。
4）按相变热力学分类
一级相变和二级相变
★一级相变：在相变温度下，新旧相自由能和 化学位相等，化学位一级偏导数不等； ★一级相变有体积的膨胀和收缩及潜热的吸收 和释放，金属大多数属于一级相变
固态相变
本课程主要内容
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 固态相变导论 珠光体转变 贝氏体相变 (针状铁素体） 马氏体相变 钢的回火转变 合金脱溶
参考书： 1 康煜平 《金属固态相变及其应用》化学工业出 版社 2007 2 刘宗昌、袁泽喜编著，《固态相变教程》，机 械工业出版社，2010 3 戚正风主编，《固态金属中的扩散与相变》， 机械工业出版社，1998 4 陈景榕、李承基编著, 《金属与合金中的固态相 变》,冶金工业出版社，1997 5 D. A. 波特、K. E. 伊斯特林著，李长海、余永 宁译，《金属和合金中的相变》，冶金工业出版 社，1988 6 冯端等 金属物理学，科学出版社，2000
6 . 晶体缺陷成为非均匀形核核心
★ 实际固态金属中存在大量的晶体 缺陷 ★位错，空位，晶界和亚晶界， 新相往往在缺陷处优先形核 （释放储存能，降低形核功）
1.3 固态相变中原子的迁移
1.3.1.
扩散理论概要
金属中扩散退火可以改善因凝固带来 的不均匀性——合金中分布不均匀的 溶质原子从高浓度区域向低浓度区域 扩散的结果（下坡扩散）。
2、矿物学家对于石英等 多种晶体进行了研究，发 现同种化学成分可以对应 不同的结构，而且他们之 间有多形性转变978年吉布斯（J.W.Gibbs）发 表了题为“论复相物质的平衡”的 有名论文，对于复相平衡的热力学 规律进行了全面的阐述，并且以高 度的物理洞察力首次提出了有关相 变动力学的一些基本概念。如新相 的成核，光滑界面生长的症结，匀 相转变的可能性
相：金属或合金中结构相同、
成分相同、性能均一，有界面同 其他部分相互分开的组成部分；
相的概念
F
Fe3C
光镜下形貌
电镜下形貌
珠光体形貌像
F晶体结构
Fe3C晶体结构
相变
相变是当外界约束 （温度或压力）作连续变化 时，在特定条件（温度或压 强达到某定值）下，相与相 之间互相转变； 固态金属或合金中固态 相之间的转变称为固态相变