第一章 固态相变
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第一章 金属固态相变概论资料
图中容器的中间有一厚度为⊿x的金属薄膜，两侧气体的压力分别为p1和p2，p1>p2，并保持不变。
金属薄膜左侧表面的气体溶解度为C1，右侧表面为C2。
气体在金属中的饱和溶解度与气体的压力有关，对于双原子气体(如O2、N2)C=sp1/2，s是一个比例常数，等于单位压强下气体在金属中的溶解度。
这样C1>C2，在金属薄膜中存在浓度梯度。
如果扩散系数D是常数，经过一段时间后，扩散达到恒稳状态，扩散气体的流量是一常数。
根据菲克第一定律：p1、p2和J可以精确测量；s可以通过其他方法测定。
这样根据上式即可测定气体的原子在金属中的扩散系数D。
将组元相同而浓度分别为C1、C2的固溶体长棒焊接在一起，构成一个扩散偶，焊接面与扩散方向垂直，并定为坐标的原点(x=0)。
将扩散偶加热到某一温度进行扩散后，在焊接面附近的浓度发生显著的变化，而远离焊接面的棒两端，由于棒足够长仍保持原来的浓度不变。
因为加热扩散过程中，焊接面附近的浓度在不断的变化，所以dC/dt≠0,是一个非稳态扩散问题，可以应用扩散第二方程求解焊接面附近的浓度变化C=f(x,t)。
假定扩散系数D不随浓度的变化而改变。
求解上述问题，可以引出一个新的变量β=x/2(Dt)1/2,利用高斯误差函数ψ求解扩散第二方程式。
高斯误差函数ψ的表达式是：初始条件：t=0时 x>0 C=C1X<0 C=C2边界条件; t>0时x +无穷大 C=C1x -无穷大 C=C2则菲克扩散第二方程的解是：前面讨论的均属于在单相中的扩散，在扩散过程中没有新相形成。
而在许多合金系中会有中间相存在，在扩散过程中也可能出现中间相，这种扩散包括两个过程，一是与前述相同的扩散过程；另一是在相界面处溶质原子达到一定浓度后，发生化学反应产生新相的过程，产生这种现象的扩散过程称为反应扩散或多相扩散。
在二元系的扩散层中，不可能出现两相共存区；在三元系的扩散层中，不可能出现三相共存区，但可以有两相共存区。
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。
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
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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
第一章 金属固态相变概论2(固态相变1)
• 新相往往容易在母相的晶体缺陷处不均 匀生核。因为在缺陷处不均匀生核，可 以使缺陷消失或破坏而降低系统的能量 (△GB ), 相当于增加了相变驱动力(使系 统自由能降低更多)。在晶体缺陷处不均 匀生核时，体系的自由能变化应写成：
1．晶界形核
母相的晶界，特别是大角晶界具有较 高的能量。A.在晶界处生核可以释放 生该处晶界的晶界能 ，生核容易。B. 晶界处的结构较“松”，形核时产生 的弹性应变易被松弛；C.晶界处易于 原子扩散和晶界处的溶质原子偏析等， 均有利于扩散相变的形核。
2．位错线上生核
• 新相在母相的位错线上生核，使生核处的 位错线消失，这段位错线的能量被释放出 来作为相变的驱动力，促进生核。若新相 形核后位错不消失，则会位于界面上构成 半共格界面的位错部分，降低形成相界面 所需的能量（共格应变能），也会促进形 核。溶质原子易于偏聚在刃型位错上形成 柯垂尔气团，在扩展位错的层错区偏聚形 成玲木气团，给新相形核提供了成分起伏 的有利条件。
• 二级相变：在发生相变时两相的化学 位相等，两相化学位的一阶偏微分也 相等，但二阶偏微分不相等的相变。 • 所以，二级相变时熵不变、比体积不 变，没有相变潜热和体积变化发生， 有比热容、压缩系数和膨胀系数的变 化。 • 磁性转变和有序无序转变等是属于二 级相变。
2．扩散相变和非扩散相变
扩散相变：是在相变的过程中有原子的扩散运 动，相变前后有成分改变的相变。如过饱和固 溶体的分解转变、钢的共析转变等。
7、过渡相(中间亚稳相)的形成
• 在有些情况下，固态相变不能直接形成 自由能最低的稳定相，而是先形成一系 列自由能较低的过渡相 ( 又称中间亚稳 相)，然后在条件允许时才形成自由能最 低的稳定相。 母相 较不稳定过渡相 较稳定过 渡相 稳定相 • 固态相变根据具体条件分阶段进行的规 律，称为相变阶段规则。 • 例如淬火和回火过程。
1．晶界形核
母相的晶界，特别是大角晶界具有较 高的能量。A.在晶界处生核可以释放 生该处晶界的晶界能 ，生核容易。B. 晶界处的结构较“松”，形核时产生 的弹性应变易被松弛；C.晶界处易于 原子扩散和晶界处的溶质原子偏析等， 均有利于扩散相变的形核。
2．位错线上生核
• 新相在母相的位错线上生核，使生核处的 位错线消失，这段位错线的能量被释放出 来作为相变的驱动力，促进生核。若新相 形核后位错不消失，则会位于界面上构成 半共格界面的位错部分，降低形成相界面 所需的能量（共格应变能），也会促进形 核。溶质原子易于偏聚在刃型位错上形成 柯垂尔气团，在扩展位错的层错区偏聚形 成玲木气团，给新相形核提供了成分起伏 的有利条件。
• 二级相变：在发生相变时两相的化学 位相等，两相化学位的一阶偏微分也 相等，但二阶偏微分不相等的相变。 • 所以，二级相变时熵不变、比体积不 变，没有相变潜热和体积变化发生， 有比热容、压缩系数和膨胀系数的变 化。 • 磁性转变和有序无序转变等是属于二 级相变。
2．扩散相变和非扩散相变
扩散相变：是在相变的过程中有原子的扩散运 动，相变前后有成分改变的相变。如过饱和固 溶体的分解转变、钢的共析转变等。
7、过渡相(中间亚稳相)的形成
• 在有些情况下，固态相变不能直接形成 自由能最低的稳定相，而是先形成一系 列自由能较低的过渡相 ( 又称中间亚稳 相)，然后在条件允许时才形成自由能最 低的稳定相。 母相 较不稳定过渡相 较稳定过 渡相 稳定相 • 固态相变根据具体条件分阶段进行的规 律，称为相变阶段规则。 • 例如淬火和回火过程。
固态相变理论(研究生课程课件)
Cu
无序相
Zn
50%Cu+50%Zn
有序相
图1-8 有序－无序合金的原子在晶胞中占位(CuZn合金)
第一章 固态相变总论
Cu
无序相
Au
25%Au+75%Cu
有序相
图1-8 有序－无序合金的原子在晶胞中占位(CuAu合金)
b a
(332) (421) (420) (331) (330) (410) (400) (321) (320) (222) (311) (310) (300) (220) (211) (210) (200) (111) (110) (100)
图1-9 AuCu3合金的粉末X-射线衍射谱示意图 （a）无序相；（b）有序相
第一章 固态相变总论
第一章 固态相变总论
T o ( C)
β
α
50%
500
块型
100%
Ms 4
2
1
3
t
图1-10 T-T-T图中块型转变的温度范围示意图
课程小结（1）
热力学分类：
α β α β α β µ = µ 1. 一级相变： i i ；S ≠ S ；V ≠ V 2. 二级相变： µiα = µiβ ；Sα = Sβ; Vα = Vβ;
课程小结（3）
在α→β的固态相变中，假定形成的晶核为半径为r的球体，则 系统自由焓的变化为：
4 3 ′ + ∆GS ′ ) + 4π r 2γ αβ ∆G = π r ( ∆GV 3 3 γ 16π 2γ αβ αβ * * ∆ G = r =− ′ + ∆GS ′ )2 3 (∆GV ′ + ∆GS ′ ∆GV * ∆ G * 临界晶核的密度： N = NV exp − kT
第一章合金固态相变基础_合金固态相变
如果相平衡时，两相自由能对温度和压强的一阶偏导数相等， 但二阶偏导数不相等，称为二级相变。
⎛ ∂G ⎞ ⎛ ∂G1 ⎞ ⎜ ⎟ =⎜ 2 ⎟ ⎝ ∂T ⎠ P ⎝ ∂T ⎠ P
⎛ ∂G1 ⎞ ⎛ ∂G 2 ⎞ = ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ∂ ∂ P P ⎠T ⎝ ⎠T ⎝
⎞ ⎟ ⎟ ⎠T
⎛ ∂ 2 G2 ⎛ ∂ 2 G1 ⎞ ⎜ 2 ⎜ ⎟ ≠⎜ ⎜ ∂T 2 ⎟ ⎠ P ⎝ ∂T ⎝
性能
工艺
结构
相变
成分
掌握固态相变规律，采取措施，控制固态相变过程以获得预 期的组织和结构，从而获得预期的性能，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新型材料。
常用措施
热处理 －加热：温度、速度，保温时间 －冷却：速度 固态相变亦称热处理原理（工艺） 原理：解决有哪些相变，相变条件，机理及特征 工艺：解决如何实现这些相变从而达到预期的性能
1.2.1 相变驱动力
固态相变的驱动力来源于新相与母相的体积自由能的差ΔGV， 如图所示。在高温下母相能量低，新相能量高，母相为稳定相。 随温度的降低，母相自由能升高的速度比新相快。达到某一个 临界温度Tc，母相与新相之间自由能相等，称为相平衡温度。 低于Tc温度，母相与新相自由能之间的关系发生了变化，母相 能量高，新相能量低，新相为稳定相，所以要发生母相到新相 的转变。
位向关系：
新旧相某些低指数晶面（晶向)相互平行。 K-S关系： 如钢中发生奥氏体（γ）向马氏体（α）的转变时，奥 氏体的密排面｛111｝γ 与马氏体的密排面｛110｝α 平行，马氏体的密排向﹤111﹥α 与奥氏体的密排方 向﹤110﹥ γ平行。 记为：｛110｝α ||｛111｝γ，﹤111﹥ α ||﹤110﹥ γ
第一章固态相变基础
与液态金属结晶一样，其相变驱动力也来自新相与母相的自由能差，也 通过形核与长大过程来完成。但因相变前后均为固态，故有以下几个特点。
一、界面和界面能
固/固相界面可按结构特点分为： 共格界面：界面两侧的两个相的原子能一一对应，相互保持匹配。 半共格界面：由于界面两侧的原子间距不同，界面上只有部分原子能够依 靠弹性畸变保持匹配，在不能匹配的位置将形成刃型位错。 非共格界面：两相的原子间距差别太大，在界面上两侧原子不能保持匹 配。 界面能：界面上原子排列的不规则性将导致界面能量的升高。因此，非共格 界面能最高，半共格界面次之，共格界面能最低。
第一部分
热处理原理
第一章 金属固态相变基础
固态相变：固态金属在加热和冷却过 程中可能发生各种相的转变 金属热处理：固态金属通过特定的加 热和冷却，使之发生相、组织转变，获得 所需组织性能的一种工艺过程 两者关系：金属固态相变是金属热处 理的理论基础。
材料科学与工程学院
第一节
金属固态相变的主要类型 扩散型相变
原子运动特点
非扩散型相变
平衡相变
平 衡 状 态 非平衡相变 一级相变 热 力 学 二级相变
材料科学与工程学院
一、按相变过程中原子的运动特点分类
① 脱溶分解
② 共析转变
③ 有序化转变 1.扩散型相变 ④ 块状转变
⑤ 多型性转变
⑥ 调幅分解
材料科学与工程学院
脱溶分解：由过饱和固溶体中析出新相的过程，( + ) 共析转变：冷却时一个固相()分解为结构不同的两个新相和 混合物的相变， ( + )
材料科学与工程学院
二、按平衡状态分类
平衡相变：缓慢加热、冷却，获得符合平衡状态图的平衡组织，多形性转变 平衡脱溶转变、共析转变、有序化转变等。 非平衡相变：加热或冷却很快，平衡相变被抑制，发生某些平衡状态图上 不能反映的转变并获得不平衡或亚稳态的组织，马氏体转变、 贝氏体转变、非平衡脱溶沉淀，伪共析转变属于非平衡相变。
一、界面和界面能
固/固相界面可按结构特点分为： 共格界面：界面两侧的两个相的原子能一一对应，相互保持匹配。 半共格界面：由于界面两侧的原子间距不同，界面上只有部分原子能够依 靠弹性畸变保持匹配，在不能匹配的位置将形成刃型位错。 非共格界面：两相的原子间距差别太大，在界面上两侧原子不能保持匹 配。 界面能：界面上原子排列的不规则性将导致界面能量的升高。因此，非共格 界面能最高，半共格界面次之，共格界面能最低。
第一部分
热处理原理
第一章 金属固态相变基础
固态相变：固态金属在加热和冷却过 程中可能发生各种相的转变 金属热处理：固态金属通过特定的加 热和冷却，使之发生相、组织转变，获得 所需组织性能的一种工艺过程 两者关系：金属固态相变是金属热处 理的理论基础。
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第一节
金属固态相变的主要类型 扩散型相变
原子运动特点
非扩散型相变
平衡相变
平 衡 状 态 非平衡相变 一级相变 热 力 学 二级相变
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一、按相变过程中原子的运动特点分类
① 脱溶分解
② 共析转变
③ 有序化转变 1.扩散型相变 ④ 块状转变
⑤ 多型性转变
⑥ 调幅分解
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脱溶分解：由过饱和固溶体中析出新相的过程，( + ) 共析转变：冷却时一个固相()分解为结构不同的两个新相和 混合物的相变， ( + )
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二、按平衡状态分类
平衡相变：缓慢加热、冷却，获得符合平衡状态图的平衡组织，多形性转变 平衡脱溶转变、共析转变、有序化转变等。 非平衡相变：加热或冷却很快，平衡相变被抑制，发生某些平衡状态图上 不能反映的转变并获得不平衡或亚稳态的组织，马氏体转变、 贝氏体转变、非平衡脱溶沉淀，伪共析转变属于非平衡相变。
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
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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。
18
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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
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）
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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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二、金属固态相变的形核
金属固态相变＝形核 + 长大 1、均匀形核 在均匀形核过程中形核的驱动力亦是新旧两相的自由能 差，而形核的阻力除界面能外还增加了一项弹性应变能。
金属固态相变热力学
驱动力 阻力
G V GV S V
新相与母相间的单位体积自由能差 界面能 弹性应变能
若生成的新相晶核为球形（半径为r) 时，可以推导出新 相的临界晶核半径和形核功，其分别为：
热处理
表 面 热处理
感应淬火
激光淬火 火焰淬火
表面淬火
化学热处理
渗碳; 渗氮
碳氮共渗
金属固态相变基础
钢铁材料为什么可以进行热处理？是不是 所有的金属材料都能进行热处理呢？
γ γ γ
金属固态相变基础
原则上只有在加热或冷却时发生溶解度显著变化 或者发生类似纯铁的同素异构转变，即有固态相变发 生的合金才能进行热处理。
另外，弹性应变 能的大小与新相的 形状有关：
金属固态相变概论
固态相变的阻力由界面能和弹性应变能两部分组成。 界面共格时：会降低界面能，但使弹性应变能增大； 界面不共格时：① 盘（片）状新相的弹性应变能最低，但 界面能较高； ② 球状新相的界面能最低，但弹性应变能 最大。
过冷度大时：临界晶核尺寸很小，单位体积新相的界面 面积很大，此时界面能起主导作用。两相易取共格方式 以降低界面能，从而降低总的形核功，易于形核； 过冷度很小时：临界晶核尺寸较大，界面能不起主导作 用，易形成非共格界面。此时若两相比容差别较大，弹 性应变能起主导作用，则形成盘（片）状新相以降低弹 性应变能；若两相比容差别较小，弹性应变能作用不大， 则形成球状新相以降低界面能。
恒为 正值
为负值，意味着自由能G和温度T的特性曲 线总是凹面向下。
金属固态相变热力学
G
G
G
T1
自由能与温 度的关系图
T0
T2
T
2、相变势垒
G
G
I
g
相变时改组晶格所必须 克服的原子间引力。 表征相变能垒也可以 用激活能Q表示。
状态
II
金属固态相变热力学
晶体中原子通过两种方式来获得附加的能量： 原子的热振动的不均匀性，个别原子可能具有很高 的热振动能量； 机械应力。
金属固态相变热力学
一、金属固态相变的热力学条件
1. 相变驱动力:在固态相变中新旧两相的自由能差和新相自由 能较低。——相变热力学条件 自由能 G是系统的一个特征函数，设H为焓，S为熵，T为绝 对温度，则有：
G H TS
对T求G的一阶，有： 对于可逆过程：
dG dH TdS SdT
2 rc Gv
பைடு நூலகம்
16 3 W Gv 2 3(Gv )
由上式可知，当界面能和弹性应变能增大时，临界晶核 半径rc和形核功W都增高。
金属固态相变热力学
过冷度的增大，rc和W都减小，新相形核几率增大， 新相晶核数量增多，相变容易发生。 只有在一定的温度滞后条件下系统才可能发生相变。
扩散型相变：相变依靠原子近程或远程扩散而进行，也称“非 协同型”转变。
金属固态相变概论
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 原子运动是协调一致的。原子只作有规则的迁
移以使晶体点阵发生改组，原子迁移范围有限
不超过一个原子间距。如淬火马氏体相变。
金属固态相变概论
按相变方式分类（有核相变和无核相变）
1）有核相变：形核-长大方式。
2）无核相变：
金属固态相变概论
金属固态相变概论
二、金属固态相变的特点
1、相界面：根据界面上新旧两相原子在晶体学上匹配程度的 不同，可分为共格界面、半共格界面和非共格界面。
金属固态相变概论
金属固态相变概论
金属固态相变概论
2、新旧相之间存在位向关系与惯习面 金属在固态相变时新相与母相之间往往存在一定的位向关 系，而且新相往往在母相上一定的晶面上开始形成，这个晶面 称为惯习面。
母相中缺陷所提供的能量
金属固态相变热力学
a、在晶界处形核
界面
界棱
界隅
金属固态相变热力学
从能量的角度来说，界隅提供的能量最大，界棱次之，界 面最小。但从所占的体积百分数来说，界面反而最大，而界 隅最小。综合考虑两种因素，晶界不同位置非均匀形核率I 可写为：
I n L
3i
而纯金属、某些单相合金（固溶体合金）等不能 用热处理强化,只能采用加工硬化的方法强化。
金属固态相变基础
四、本门课程学习的主要内容和要求 掌握金属材料中相变的基本理论，主要是钢中组织转变 的基本规律； 具有运用金属材料相变的基本规律，分析和研究金属热 处理工艺问题的能力； 初步掌握成分、组织与性能之间的关系，对金属材料具 有一定的分析和研究能力。为提高机械产品质量、充分发 挥现有材料的潜力、合理地制定热处理工艺、发展新材料 和新工艺打下坚实的理论基础。 五、考核方式 平时成绩（出勤、回答问题等）×0.3+期末成绩×0.7
AiW Q exp exp kT kT
其中，i=0,1,2,3分别表示界隅形核、界棱形核、界面形核、 均匀形核。Ai为在晶界不同位置形核的形核功与均匀形核的形 核功之比值，A0<A1<A2<A3=1。
金属固态相变热力学
为减小晶核表面积，降低界面能，非共格形核时各界 面均呈球冠形。界面、界棱和界隅上的非共格晶核分别呈 双凸透镜片、两端尖的曲面三棱柱体和球面四面体等形状。 设α为母相，β为新相，则晶界形核时系统自由能的 总变化可表示为：
金属固态相变概论
一、金属固态相变的主要分类 按热力学分类（一级相变和二级相变）
（1）一级相变
由1相转变为2相时，G1=G2，μ1＝μ2，但化学位的一阶偏 导数不等，即有：
1 2 T P T P
1 2 P T P T
金属固态相变基础
金属固态相变基础
钢的临界温度：
平衡临界温度： A1、 A3、 Acm 加热临界温度： Ac1、Ac3、Accm 冷却临界温度： Ar1、Ar3、Arcm
金属固态相变基础
热处理的主要目的:改变钢的性能。 热处理的应用范围:整个制造业。 热处理的分类 整 体 热处理 退火;正火; 淬火;回火
金属固态相变基础
热处理的定义:
将材料加热到相变温度
以上发生相变，再冷却发 生相变的工艺过程。通过 这个相变与再相变，材料 的内部组织发生了变化， 因而性能产生变化。
金属固态相变基础
热处理三大要素
加热：热处理第一个阶段。不同材料，加热工艺和加热温 度不同。加热分为两种，一种是在临界点A1以下的加热， 此时不发生组织变化。另一种是在A1以上的加热，目的是 为了获得均匀的奥氏体组织，这一过程称为奥氏体化。 保温：目的是要保证工件热透，防止脱碳、氧化等。保温 时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。一 般工件越大，导热性越差，保温时间就越长。 冷却： 热处理的最终阶段，也是热处理最重要的一个阶段。 钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织。
金属固态相变概论
4、晶体缺陷的影响 当母相中存在晶界、亚晶界、空位及位错等各种晶体缺陷。 缺陷附近→点阵畸变→储存畸变能→提供形核的额外能量 →加速转变
在固态相变中，从能量观点来看：
大
形核功
小
均匀形核 空位形核 位错形核 晶界非均匀形核
金属固态相变概论
（5）过渡相形成和原子的扩散 母相
如果新相与母相 的成分、结构差 异较大 新相与母相之间 只能形成高能量 的非共格界面。 界面能和形核功 较大。 晶体结构或成分与母相较 接近的、自由能比母相稍 低的、亚稳定的
《固态相变》 教学课件
授课教师：周芳
固态相变的主要内容
金属固态相变的基础
钢中奥氏体的形成
珠光体转变
马氏体相变
贝氏体相变
钢中的回火转变
合金的脱溶沉淀与时效
金属固态相变基础
一、固态相变的定义
金属和陶瓷等固态材料在温度和压力改变时，其内部组 织或结构会发生变化，即发生一种相状态到另一种相状态的 转变，这种转变称为固态相变。
金属固态相变基础
二、研究固态相变的意义
通过研究固态相变的原理，掌握材料的固态相变的规律，就
可以采取措施（加热和冷却）控制固态相变过程以获得所预期 的组织和结构，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，开发新型材料。
金属固态相变基础
三、学习固态相变应有的理论基础 掌握《材料科学基础》中晶体结构、铁碳相图 及《物理化学》中的等有关知识。
S T P
S 0
V 0
V P T
一级相变有热效应（相变潜热）与体积效应，从而可用热膨 胀仪测量一级相变的开始点，材料的凝固、熔化、升华、同素异 构转变也均为一级相变。几乎所有伴随晶体结构变化的金属固态 相变都是一级相变。
当新相与母相之间为共格或半共格界面时必然存在 一定的位向关系；若无一定位向关系，则两相界面必 定为非共格界面。但有时虽然两相之间存在位向关系， 但也未必都具有共格或半共格界面。
金属固态相变概论
3、相变阻力大（增加了弹性应变能） 弹性应变能的来源：①新相与母相间存在比容差； ②两相界面上的不匹配而引起的。
TdS dH dW
固态相变过程中只引起轻微的体积变化，可忽略。则 dW=0，TdS=dH，因此dG=-SdT。
金属固态相变热力学
G S T v
G 由于S总为正值，所以 总为负值。 T v
即：G总是随T的增加而降低。
2 G S G对T求二阶导数： 2 T T V V