第1章_金属固态相变基础
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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 金属固态相变概论
贝氏体：由铁素体和渗碳体组成的非层片 状组织。
(5) 不平衡脱溶转变(时效)
在等温条件下，由过饱和固溶体中析出第 二相的过程。
析出相为非平衡亚稳相。 举例：低碳钢和铝、镁等有色合金中会发
生这种转变。
固态相变总结
所发生的变化：结构；成分；有序化程度。 结构变化(一种变化)：同素异构转变、多
第1章 金属固态相变概论
本章主要内容
固态相变的类型及特点 经典形核理论及长大机制 相变动力学 扩散及非扩散型相变
1.0 概论
金属固态相变：固态金属(包括纯金属和合 金)在温度和压力改变时，组织和结构发生 变化的统称。
固态相变理论是施行金属热处理的理论依 据和实践基础。
固态相变的应用
固态相变的分类
(2) 按相变方式分类 有核相变(形核—长大型)：形核和长大。始
于程度大而范围小的相起伏，已相变区与未 相变区以相界面相分隔。钢中的相变大多为 形核—长大型相变。 无核相变(连续型)：无形核阶段。始于程度 小而范围大的相起伏，由于相起伏的程度小， 故母相中到处可以形核。如增幅分解。
利用其理化性能(功能材料)
相变储能材料 温控材料 薄膜材料
提高材料力学性能(结构材料) Nhomakorabea属热处理
固态相变的分类
(1) 按相变过程中原子迁移情况 扩散型：依靠原子的长距离扩散；相界面非
共格。如P、A转变，Fe，C都可扩散。 非扩散型：母相原子有规则地、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M转 变，Fe，C都不扩散。 半扩散型：既有切变，又有扩散。如B转变， Fe切变，C扩散。
特点：(a) 不需要形核，新形成的两个微 区之间无明显的界面和成分的突变，分解 速度快；(b) 通过上坡扩散实现成分变化。
(5) 不平衡脱溶转变(时效)
在等温条件下，由过饱和固溶体中析出第 二相的过程。
析出相为非平衡亚稳相。 举例：低碳钢和铝、镁等有色合金中会发
生这种转变。
固态相变总结
所发生的变化：结构；成分；有序化程度。 结构变化(一种变化)：同素异构转变、多
第1章 金属固态相变概论
本章主要内容
固态相变的类型及特点 经典形核理论及长大机制 相变动力学 扩散及非扩散型相变
1.0 概论
金属固态相变：固态金属(包括纯金属和合 金)在温度和压力改变时，组织和结构发生 变化的统称。
固态相变理论是施行金属热处理的理论依 据和实践基础。
固态相变的应用
固态相变的分类
(2) 按相变方式分类 有核相变(形核—长大型)：形核和长大。始
于程度大而范围小的相起伏，已相变区与未 相变区以相界面相分隔。钢中的相变大多为 形核—长大型相变。 无核相变(连续型)：无形核阶段。始于程度 小而范围大的相起伏，由于相起伏的程度小， 故母相中到处可以形核。如增幅分解。
利用其理化性能(功能材料)
相变储能材料 温控材料 薄膜材料
提高材料力学性能(结构材料) Nhomakorabea属热处理
固态相变的分类
(1) 按相变过程中原子迁移情况 扩散型：依靠原子的长距离扩散；相界面非
共格。如P、A转变，Fe，C都可扩散。 非扩散型：母相原子有规则地、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M转 变，Fe，C都不扩散。 半扩散型：既有切变，又有扩散。如B转变， Fe切变，C扩散。
特点：(a) 不需要形核，新形成的两个微 区之间无明显的界面和成分的突变，分解 速度快；(b) 通过上坡扩散实现成分变化。
第一章金属固态相变
界面弹性应变能降低。在这种界面上两相原子变为部分地保持匹
配，故称为半（或部分）共格界面。
（b）伸缩型半共格
来不及析出，待冷到室温时
便得到一过饱和固溶体a´。
如在室温或低于MN线的温度
下，溶质原于尚具有一定扩
散能力，则在上述温度停留
α
期间过饱和固溶体便会自发地发生分解，从中逐渐析出
γ
新相。 ——不平衡脱熔沉淀或时效
综上所述，尽管金属固态相变的类型很多，但就相变过程 的实质来说，其变化不外乎以下三个方面：
（三）共析转变 合金在冷却时由一个固相同时分解为两个不同的固相的转变
称为共析转变。如钢中的共析转变 γ → a + Fe3C
（四）调幅(增幅)转变 某些合金在高温下为均匀的单一固溶体，待冷却至某一温度范围 时，将分解成为两种与原固溶体的结构相同，而成分明显不同的 微区的转变称为调幅（或增幅）分解。反应式：γ → a + β
（一）共格界面 当界面上的原子所占位置恰好是两相点阵的共有位置 时，两相在界面上的原子可以一对一地相互匹配，这种 界面叫做共格界面。
（二）半共格界共格面晶面上弹性应变能的大小取决于相邻
两相界面上原子间距的相对差值δ,该相对
界面上弹性应变能的大小取决差于值即两为相错界配面度。上b原ram子fi间tt通距过的试相验得对出差，
值，即错配度
δ
= aβ − aα aβ
在非均质形核时，δ<6%的形核最有效，
。显然δ，=6δ-12愈%大的形，核弹中性等应有变效，能δ便≥愈12大%。的形
核无效。而且取向的三组晶向之间的夹角
当δ增大到一定程度时，便难以不继应该续为维钝持角完。全共格，这样就会在
界而上产生一些刃型位措，以补偿原子间距差别过大的影响，使
第一章 金属固态相变概论资料
彼此衔接的，界面上的原子为两者➢共0.0有5<。但<0是.2理5 想--的----完半全共共格格界界面面，只有在孪晶
界，且孪晶界即为孪晶面时才可能➢存>在0.。25
------ 非共格界面
（2）半共格相界 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。
完全共格相界
弹性畸变共格相界
半共格相界
非共格相界
2 惯习面和位向关系
• 新相往往在母相的一定晶面上形成，该晶面即称 为惯习面。 习马面氏。体在奥氏体的(111)γ上形成， (111)γ既是惯
• 惯习面可能是原子移动最小距离就能形成新相的 面。
• 新相和母相之间的晶面和晶向往往存在一定的位 向关系，以减小两相间的界面能。
1 2
特点 ：
新形成的微区之间无明显的界 面和成分的突变；
通过上坡扩散，最终使均匀固 溶体变为不均匀固溶体。
无需驱动力，且进行的速度极
快。
二、 非平衡转变
1. 伪共析转变 铁素体和渗碳
体的相对量随奥氏 体的含碳量而变， 故称为伪共析体。
2. 马氏体相变
经无扩散过程形成的、与母相成分相同的一种 组织。
• 具有不同结构的两相之间的分界面称为“相界”。 • 按结构特点，相界面可分为：
➢ 共格相界 ➢ 半共格相界 ➢ 非共格相界
式中a 和b分别表示相界面两侧的 相和相
（1）共格相界
的点阵常数，且a ＞a 。
所谓"共格"是指界面上的原子➢同时< 位0.0于5 两相晶--格---的- 共结格点界上面，即两相的晶格是
第1章 金属固态相变基础
41
d. 调幅分解 ：由一种高温固 溶体，冷至某一温度范围， 分解为两种与原固溶体结 构相同，而成分不同的微 区的转变称为调幅分解 α→ α1 + α2 特点 ： (a) 新形成的微区之间无明 显的界面和成分的突变； (b) 通过上坡扩散，最终使 均匀固溶体变为不均匀固 溶体。
42
e. 有序化转变： 固溶体中，各组元的相对位置
部（固溶体）原子的扩散，使铸锭（或铸件）晶
内化学成分均匀，组织达到或接近平衡状态，改 善复相合金中第二相的形状和分布，提高合金塑 性，改善加工性能和最终使用性能。
19
b. 基于回复、再结晶的退火 金属冷变形后组织处于亚稳状态，内能高、
强度硬度增加、组织发生变化，有时还出现织
构。若加热到一定温度，会发生回复、再结晶， 变形织构也会发生变化，从而在一定程度上消 除了由冷变形造成的亚稳定状态，使金属材料 获得所需组织、结构和性能。这种热处理还包
31
在实际应用中，无论哪一种具体的热处理工艺过程都 可归诸于上述某种热处理类型，或上述几种热处理类型 的结合。但必须指出，实际应用的热处理工艺多种多样， 而且迄今为止，我国尚无统一的热处理分类标准，在生 产中有些热处理也不一定按上述类别的名称命名。 各种形式的热处理在生产中不总是单独分开的，往往 在一次热处理过程中，同一种金属材料内部就发生了多 种形式热处理的复杂过程，即在金属材料内部进行着多 种固态转变，因此，在遇到实际问题时，必须从具体情 况出发，进行全面、综合分析。
16
基本热处理的主要类型
a. 均匀化退火（扩散退火） ① 退火 b. 基于回复、再结晶的退火 c. ② 淬火 ③ 时效或回火 基于固态相变退火
17
淬火
退火 温 度 时效/回火
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__金属固态相变基础
T A + B
一、相变分类
3. 按原子迁移情况分类 （1）扩散型相变 温度足够高、原子活动能力足够强、时间足够长 情况下发生的相变。 特点： 相变过程有原子扩散，相变速率受原子扩散速度控制；
新、旧相成分不同； 新、旧相比容不同引起体积变化，但宏观形状不变。 如：同素异构转变、脱溶转变、共析转变、调幅分解、 有序化转变、珠光体转变等
化学势一级偏微商相等
化学势二级偏微商不等
因此：无相变潜热和体积变化，而比热、压缩系数、膨胀系 数是变化的。如材料有序化转变、磁性转变、超导转变等。
一、相变分类
2.按平衡状态图分类
(1)平衡相变
同素异构转变和多形性转变 纯金属 固溶体
纯金属在温度和压力改变时，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。 在固溶体中发生的同素异构转变称为多形性转变。
冷却时：γ→α+Fe3C 共析相变 加热时：α+Fe3C→γ 逆共析型相变
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，如α→α1+α2，这 种转变称为调幅分解。
调幅分解的特点
在转变初期形成的两个微区之间并无明 显界面和成分突变，但是通过上坡扩散，最 终使原来的均匀固溶体变成不均匀固溶体。
1.1 金属固态相变概述
一、相变分类
1.按热力学分类 (1)一级相变 对新、旧相α和β，有： μα=μβ Sα≠ Sβ Vα≠Vβ 说明一级相变有相变潜热和体积变化。 材料凝固、熔化、升华、同素异构转变均为一级相变。 固态相变大部分为一级相变。
1.1 金属固态相变概述
一、相变分类
3. 按原子迁移情况分类 （1）扩散型相变 温度足够高、原子活动能力足够强、时间足够长 情况下发生的相变。 特点： 相变过程有原子扩散，相变速率受原子扩散速度控制；
新、旧相成分不同； 新、旧相比容不同引起体积变化，但宏观形状不变。 如：同素异构转变、脱溶转变、共析转变、调幅分解、 有序化转变、珠光体转变等
化学势一级偏微商相等
化学势二级偏微商不等
因此：无相变潜热和体积变化，而比热、压缩系数、膨胀系 数是变化的。如材料有序化转变、磁性转变、超导转变等。
一、相变分类
2.按平衡状态图分类
(1)平衡相变
同素异构转变和多形性转变 纯金属 固溶体
纯金属在温度和压力改变时，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。 在固溶体中发生的同素异构转变称为多形性转变。
冷却时：γ→α+Fe3C 共析相变 加热时：α+Fe3C→γ 逆共析型相变
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，如α→α1+α2，这 种转变称为调幅分解。
调幅分解的特点
在转变初期形成的两个微区之间并无明 显界面和成分突变，但是通过上坡扩散，最 终使原来的均匀固溶体变成不均匀固溶体。
1.1 金属固态相变概述
一、相变分类
1.按热力学分类 (1)一级相变 对新、旧相α和β，有： μα=μβ Sα≠ Sβ Vα≠Vβ 说明一级相变有相变潜热和体积变化。 材料凝固、熔化、升华、同素异构转变均为一级相变。 固态相变大部分为一级相变。
1.1 金属固态相变概述
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化学势二级偏微商不等
因此：相变潜热和体积无变化，而比热、压缩系数、膨 胀系数是变化的。如材料有序化转变、磁性转变、超导 转变等。
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1.1 金属固态相变的主要类型
1.1.2 按平衡状态图分类
同素异构转变和多形性转变 平衡脱溶沉淀 共析相变
（1）平衡相变
调幅分解
有序化转变 伪共析转变 马氏体相变
1.1 金属固态相变的主要类型
小结：相变的实质是相结构、成分或有序化程度发生变化， 相变可以兼有上述相变类型的一种或几种。 马氏体相变：非扩散相变、非平衡相变、无核相变； （新旧相成分相同、结构不相同） 珠光体相变：扩散相变、平衡相变、有核相变； （新旧相成分不相同、结构不相同） 思考：同素异构转变，脱溶转变（平衡、非平衡），伪 共析相变，贝氏体相变，奥氏体转变，调幅分解等各属 于什么相变类型？
特点：界面能大，弹性畸变能小
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1.2 金属固态相变的主要特点
1. 相界面特殊（新相和母相间存在不同的界面）
界面能：非共格＞半共格＞共格
弹性畸变能：非共格＜半共格＜共格
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1.2 金属固态相变的主要特点
新、旧相之间存在一定位向关系，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。 例如，低碳钢中马氏体的惯习面为{111}γ 惯习面和位向关系的区别：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。钢中发生马氏体相变，具有K-S关系：
第一章
金属固态相变概论
1.1 金属固态相变概述 1.2 金属固态相变热力学 1.3 金属固态相变的形核 1.4 金属固态相变的长大
1.5 金属固态相变动力学
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预备知识：
相： 体系中具有相同成分、结构和性质的均匀部 分称为相，不同相之间有明显的界面分开。可 分为固溶体和金属间化合物两种类型。 如：钢中奥氏体相就是碳在面心立方铁形成 的间隙固溶体，铁素体相则是碳在体心立方铁 中形成的间隙固溶体。
11/74
1.1.2 按平衡状态图分类 1.平衡转变 ③平衡脱溶沉淀——在缓慢冷却的条件下，由过饱
和固溶体析出过剩相的过程称为平衡脱溶沉淀。
平衡脱溶沉淀特点是新相 的成分与结构始终与母相的 不同；随着新相的析出，母 相的成分和体积积分数将不 断变化，但母相不会消失。 钢在冷却时，二次渗碳体从 奥氏体中析出即属这种转变.
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1.1.3 按原子迁移情况分类
1. 扩散型相变 温度足够高、原子活动能力足够强、时间足够长情况 下发生的相变。
特点： 相变过程有原子扩散，相变速率受原子扩散速度控制; 新、旧相成分不同； 新、旧相比容不同引起体积变化，但宏观形状不变。 如：同素异构转变、脱溶转变、共析转变、调幅分解、 有序化转变、珠光体转变等.
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⑵ 半共格界面
新、旧相之间存在少量位错，除此之外的晶体结构和 点阵常数均能使两相原子之间产生完全匹配。
新、旧相间错配度 |a﹣ a | / a 小，共格关系 大，半共格关系 很大，非共格关系
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⑶ 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。
A T + B Ⅰ
L
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1.1.2 按平衡状态图分类 2. 非平衡转变 ① 伪共析转变 以钢为例。当奥氏体以较快 冷速被过冷到GS和ES的延长线 以下温度时，将从奥氏体中同 时析出铁素体和渗碳体。从这 一转变过程和转变产物的组成 相来看，与钢中共析转变相同,
但其组成相的相对量却并非定
织的合金，冷却到某一温度范围内时，可分解为两种
结构与原固溶体相同但成分有明显差别的微区的转变 称为调幅分解。 调幅分解可以用反应式 1+2表示。其特点是： 在转变初期，新形成的两个微区之间并无明显的界面 和成分的突变，但通过上坡扩散，最终使一个均匀固 溶体变为一个不均匀固溶体。
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1.1.2 按平衡状态图分类 1.平衡转变 ⑥有序化转变——固溶体中，各组元原子的相对位臵
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1.2 金属固态相变的主要特点
1. 相界面特殊（新相和母相间存在不同的界面）
金属固态相变时，新相与母相之间的界面与金属凝固 过程中的液固界面不同，为两种晶体的界面；与一般的 晶粒边界也不相同。 根据界面上两相原子在晶体学上的匹配程度，相界面 可以分为： 共格界面 半共格界面
非共格界面
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值，而是随奥氏体的碳含量而 变化，故称为伪共析转变。
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1.1.2 按平衡状态图分类 2. 非平衡转变 ② 马氏体转变 若进一步提高冷速，使奥氏体来不及进行伪共析转 变而被过冷到更低温度，由于在低温下铁原子和碳原 子都难于扩散，这时奥氏体便以一种特殊的机理，即
无需借助于原子扩散的方式将点阵改组为点阵，这
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⑵ 半共格界面
新、旧相之间存在少量位错，除此之外的晶体结构和 点阵常数均能使两相原子之间产生完全匹配。 界面上弹性应变能的大小取决于 两相界面上原子间距的相对差值， 即错配度（ |a﹣ a|/ a ）。 愈大，弹性应变能便愈大。当增 大到一定程度时，界面便难以继续 维持完全共格，在界面上产生一些 刃型位错，以补偿原子间距差别过 大的影响，使界面弹性应变能降低.
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1.1.3 按原子迁移情况分类
2. 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 重组，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。 特点： 存在均匀切变引起宏观变形； 相变无扩散，新、旧相化学成分相同； 新、旧相之间存在一定晶体学取向关系； 相变速度快。
（2）非平衡相变
贝氏体相变 非平衡脱溶沉淀
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1.1 金属固态相变的主要类型
1.1.2 按平衡状态图分类 1.平衡转变
固态金属在缓慢加热或冷却时发生的能获得符合相 图所示平衡组织的相变。
①同素异构转变——纯金属在温度和压力改变时，由
一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程叫做同素 异构转变。
②多形性转变——固溶体的同素异构转变称为多形性
种相变称为马氏体转变，其转变产物称为马氏体。
马氏体的成分与母相奥氏体的相同。除铁碳合金以
外，在许多其它合金（如铜合金、钛合金）中也能发 生马氏体转变。
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1.1.2 按平衡状态图分类 2. 非平衡转变 ③ 贝氏体转变 以钢为例。当奥氏体被过冷至珠光体转变和马氏体 转变之间的温度范围时，由于铁原子已难以扩散，而 碳原子尚具有一定扩散能力，故出现一种不同于马氏
{111}γ// {110}α′；<110> γ// <111> α′
2. 新旧相之间存在一定位向关系与惯习面
若两相间为（半）共格界面 → 有取向关系；但反过来
不成立。即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。 若无取向关系→ 必为非共格界面
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1.2 金属固态相变的主要特点
由无序到有序的转变过程称为有序化转变。 在Cu-Zn、Cu-Au、Mn-Ni、Fe-Ni、Ti-Ni等60多种
合金系中都可发生这种转变。
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1.1.2 按平衡状态图分类 2. 非平衡转变 加热或冷却速度快，使无限缓慢的平衡相变被抑
制，产生不平衡相变。铁碳合金的不平衡转变包括:
伪共析相变 马氏体相变 贝氏体相变 非平衡脱溶转变
3. 相变阻力大（弹性应变能作用）
在许多情况下，固态相变时，新相与母相界面上的原子 由于要强制性地实行匹配，以建立共格或半共格联系，在 界面附近区域内将产生弹性应变，从而产生弹性应变能， 也称为共格应变能。
新相和母相的比容往往不同，故新相形成时的体积变化 将受到周围母相的约束而产生弹性应变能，称为比容差应 变能。这种比容差应变能的大小与新相的几何形状有关。 弹性应变能和界面能共同构成金属发生固态相变的阻力。
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预备知识：
相变： 随外界条件的变化(温度)，构成物质的原子 (或分子)的聚合状态(相状态)发生变化的过程称 为相变。
相变前的相状态称为旧相或母相。 相变后的相状态称为新相。 相变就是体系中新相取代旧相的过程。
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预备知识：
固态相变： 金属（合金）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。
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1.1 金属固态相变的主要类型
1.1.1 按热力学分类
① 一级相变：相变时两相的化学势相等，而化学势对温 度及压力的一阶偏微分（-S，V）不等的相变。对新、 旧相 和 ，有：
( )P ( )P ; ( )T ( )T T T P P ( ) P S ; ( )T V T P S S ;V V
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新相形状与弹性应变能之间关系
圆盘状新相引起的比容差应变能最小，针状的次之，而 球状的最大。但是对于体积相等的新相来说，盘状的表面 积比其它两种都大。因此，应变能和界面能对新相形状的 影响是互相矛盾的。究竟哪一个起支配作用，要视具体情 况而定。
⑴ 共格界面
新、旧相的晶体结构、点阵常数相同；或有差异但存 在一组特定晶体学平面可使两相原子之间完全匹配。
旧相
新相
只有对称孪晶界才是理想的共格界面。实际上，两相点 阵总有一定差别，或者是点阵结构不同，或者是点阵参数 不同，因此两相界面要完全共格，在界面附近必将产生弹 性应变。
特点：界面能小，弹性畸变能大
转变。
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1.1.2 按平衡状态图分类 1.平衡转变 ③平衡脱溶沉淀——在缓慢冷却的条件下，由过饱
因此：相变潜热和体积无变化，而比热、压缩系数、膨 胀系数是变化的。如材料有序化转变、磁性转变、超导 转变等。
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1.1 金属固态相变的主要类型
1.1.2 按平衡状态图分类
同素异构转变和多形性转变 平衡脱溶沉淀 共析相变
（1）平衡相变
调幅分解
有序化转变 伪共析转变 马氏体相变
1.1 金属固态相变的主要类型
小结：相变的实质是相结构、成分或有序化程度发生变化， 相变可以兼有上述相变类型的一种或几种。 马氏体相变：非扩散相变、非平衡相变、无核相变； （新旧相成分相同、结构不相同） 珠光体相变：扩散相变、平衡相变、有核相变； （新旧相成分不相同、结构不相同） 思考：同素异构转变，脱溶转变（平衡、非平衡），伪 共析相变，贝氏体相变，奥氏体转变，调幅分解等各属 于什么相变类型？
特点：界面能大，弹性畸变能小
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1.2 金属固态相变的主要特点
1. 相界面特殊（新相和母相间存在不同的界面）
界面能：非共格＞半共格＞共格
弹性畸变能：非共格＜半共格＜共格
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1.2 金属固态相变的主要特点
新、旧相之间存在一定位向关系，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。 例如，低碳钢中马氏体的惯习面为{111}γ 惯习面和位向关系的区别：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。钢中发生马氏体相变，具有K-S关系：
第一章
金属固态相变概论
1.1 金属固态相变概述 1.2 金属固态相变热力学 1.3 金属固态相变的形核 1.4 金属固态相变的长大
1.5 金属固态相变动力学
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预备知识：
相： 体系中具有相同成分、结构和性质的均匀部 分称为相，不同相之间有明显的界面分开。可 分为固溶体和金属间化合物两种类型。 如：钢中奥氏体相就是碳在面心立方铁形成 的间隙固溶体，铁素体相则是碳在体心立方铁 中形成的间隙固溶体。
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1.1.2 按平衡状态图分类 1.平衡转变 ③平衡脱溶沉淀——在缓慢冷却的条件下，由过饱
和固溶体析出过剩相的过程称为平衡脱溶沉淀。
平衡脱溶沉淀特点是新相 的成分与结构始终与母相的 不同；随着新相的析出，母 相的成分和体积积分数将不 断变化，但母相不会消失。 钢在冷却时，二次渗碳体从 奥氏体中析出即属这种转变.
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1.1.3 按原子迁移情况分类
1. 扩散型相变 温度足够高、原子活动能力足够强、时间足够长情况 下发生的相变。
特点： 相变过程有原子扩散，相变速率受原子扩散速度控制; 新、旧相成分不同； 新、旧相比容不同引起体积变化，但宏观形状不变。 如：同素异构转变、脱溶转变、共析转变、调幅分解、 有序化转变、珠光体转变等.
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⑵ 半共格界面
新、旧相之间存在少量位错，除此之外的晶体结构和 点阵常数均能使两相原子之间产生完全匹配。
新、旧相间错配度 |a﹣ a | / a 小，共格关系 大，半共格关系 很大，非共格关系
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⑶ 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。
A T + B Ⅰ
L
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1.1.2 按平衡状态图分类 2. 非平衡转变 ① 伪共析转变 以钢为例。当奥氏体以较快 冷速被过冷到GS和ES的延长线 以下温度时，将从奥氏体中同 时析出铁素体和渗碳体。从这 一转变过程和转变产物的组成 相来看，与钢中共析转变相同,
但其组成相的相对量却并非定
织的合金，冷却到某一温度范围内时，可分解为两种
结构与原固溶体相同但成分有明显差别的微区的转变 称为调幅分解。 调幅分解可以用反应式 1+2表示。其特点是： 在转变初期，新形成的两个微区之间并无明显的界面 和成分的突变，但通过上坡扩散，最终使一个均匀固 溶体变为一个不均匀固溶体。
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1.1.2 按平衡状态图分类 1.平衡转变 ⑥有序化转变——固溶体中，各组元原子的相对位臵
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1.2 金属固态相变的主要特点
1. 相界面特殊（新相和母相间存在不同的界面）
金属固态相变时，新相与母相之间的界面与金属凝固 过程中的液固界面不同，为两种晶体的界面；与一般的 晶粒边界也不相同。 根据界面上两相原子在晶体学上的匹配程度，相界面 可以分为： 共格界面 半共格界面
非共格界面
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值，而是随奥氏体的碳含量而 变化，故称为伪共析转变。
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1.1.2 按平衡状态图分类 2. 非平衡转变 ② 马氏体转变 若进一步提高冷速，使奥氏体来不及进行伪共析转 变而被过冷到更低温度，由于在低温下铁原子和碳原 子都难于扩散，这时奥氏体便以一种特殊的机理，即
无需借助于原子扩散的方式将点阵改组为点阵，这
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⑵ 半共格界面
新、旧相之间存在少量位错，除此之外的晶体结构和 点阵常数均能使两相原子之间产生完全匹配。 界面上弹性应变能的大小取决于 两相界面上原子间距的相对差值， 即错配度（ |a﹣ a|/ a ）。 愈大，弹性应变能便愈大。当增 大到一定程度时，界面便难以继续 维持完全共格，在界面上产生一些 刃型位错，以补偿原子间距差别过 大的影响，使界面弹性应变能降低.
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1.1.3 按原子迁移情况分类
2. 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 重组，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。 特点： 存在均匀切变引起宏观变形； 相变无扩散，新、旧相化学成分相同； 新、旧相之间存在一定晶体学取向关系； 相变速度快。
（2）非平衡相变
贝氏体相变 非平衡脱溶沉淀
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1.1 金属固态相变的主要类型
1.1.2 按平衡状态图分类 1.平衡转变
固态金属在缓慢加热或冷却时发生的能获得符合相 图所示平衡组织的相变。
①同素异构转变——纯金属在温度和压力改变时，由
一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程叫做同素 异构转变。
②多形性转变——固溶体的同素异构转变称为多形性
种相变称为马氏体转变，其转变产物称为马氏体。
马氏体的成分与母相奥氏体的相同。除铁碳合金以
外，在许多其它合金（如铜合金、钛合金）中也能发 生马氏体转变。
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1.1.2 按平衡状态图分类 2. 非平衡转变 ③ 贝氏体转变 以钢为例。当奥氏体被过冷至珠光体转变和马氏体 转变之间的温度范围时，由于铁原子已难以扩散，而 碳原子尚具有一定扩散能力，故出现一种不同于马氏
{111}γ// {110}α′；<110> γ// <111> α′
2. 新旧相之间存在一定位向关系与惯习面
若两相间为（半）共格界面 → 有取向关系；但反过来
不成立。即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。 若无取向关系→ 必为非共格界面
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1.2 金属固态相变的主要特点
由无序到有序的转变过程称为有序化转变。 在Cu-Zn、Cu-Au、Mn-Ni、Fe-Ni、Ti-Ni等60多种
合金系中都可发生这种转变。
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1.1.2 按平衡状态图分类 2. 非平衡转变 加热或冷却速度快，使无限缓慢的平衡相变被抑
制，产生不平衡相变。铁碳合金的不平衡转变包括:
伪共析相变 马氏体相变 贝氏体相变 非平衡脱溶转变
3. 相变阻力大（弹性应变能作用）
在许多情况下，固态相变时，新相与母相界面上的原子 由于要强制性地实行匹配，以建立共格或半共格联系，在 界面附近区域内将产生弹性应变，从而产生弹性应变能， 也称为共格应变能。
新相和母相的比容往往不同，故新相形成时的体积变化 将受到周围母相的约束而产生弹性应变能，称为比容差应 变能。这种比容差应变能的大小与新相的几何形状有关。 弹性应变能和界面能共同构成金属发生固态相变的阻力。
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预备知识：
相变： 随外界条件的变化(温度)，构成物质的原子 (或分子)的聚合状态(相状态)发生变化的过程称 为相变。
相变前的相状态称为旧相或母相。 相变后的相状态称为新相。 相变就是体系中新相取代旧相的过程。
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预备知识：
固态相变： 金属（合金）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。
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1.1 金属固态相变的主要类型
1.1.1 按热力学分类
① 一级相变：相变时两相的化学势相等，而化学势对温 度及压力的一阶偏微分（-S，V）不等的相变。对新、 旧相 和 ，有：
( )P ( )P ; ( )T ( )T T T P P ( ) P S ; ( )T V T P S S ;V V
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新相形状与弹性应变能之间关系
圆盘状新相引起的比容差应变能最小，针状的次之，而 球状的最大。但是对于体积相等的新相来说，盘状的表面 积比其它两种都大。因此，应变能和界面能对新相形状的 影响是互相矛盾的。究竟哪一个起支配作用，要视具体情 况而定。
⑴ 共格界面
新、旧相的晶体结构、点阵常数相同；或有差异但存 在一组特定晶体学平面可使两相原子之间完全匹配。
旧相
新相
只有对称孪晶界才是理想的共格界面。实际上，两相点 阵总有一定差别，或者是点阵结构不同，或者是点阵参数 不同，因此两相界面要完全共格，在界面附近必将产生弹 性应变。
特点：界面能小，弹性畸变能大
转变。
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1.1.2 按平衡状态图分类 1.平衡转变 ③平衡脱溶沉淀——在缓慢冷却的条件下，由过饱