热处理原理及工艺第一章

不同于金属凝固过程中的固—液界面，固态相变 时，新相与母相之间的界面是两种晶体的界面。 根据界面上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、非共格界面等三 类。
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1、共格界面
l 界面上的原子同时位于两相的结点上，即两相界 面上的原子排列匹配，界面上的原子为两相所共 有。
热处理原理及工艺-第一 章
2020/11/24
热处理原理及工艺第一章
一、金属固态相变的主要类型
（一）平衡转变
固态金属在缓慢加热和冷却时发生的能获得符合相图所示平衡组织的 相变。包括同素异构转变、多形性转变、平衡脱溶沉淀、共析转变、 调幅（增幅）分解、有序化转变。
（二）非平衡转变
固态金属在快速加热或冷却时，由于平衡转变受到抑制，可能发生某 些非平衡转变而得到在相图上不能 反映的非平衡组织。包括伪共析转 变、马氏体转变、块状转变、贝氏体转变、不平衡脱溶沉淀（时效）。
形成临界晶核的形核功为：
由此可见，当应变能和表面能增大时，临界晶核 的临界半径增大，形核功升高。
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因此， l 具有低的界面能但有很高的应变能的共格晶胚，
倾向于呈盘状或片状； l 而具有高的界面能但有低的应变能的非共格晶胚
则容易形成等轴状； l 如因体积膨胀而引起的应变能较大或界面能的各
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由于界面上原子排列的不规则性会导致界面能升 高，因此，非共格界面能最高，半共格界面能次 之，而共格界面能最低。因此，界面结构的不同， 对新相的形核、长大过程以及相变后的组织形态 等都将产生很大影响。
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(二）两相间的晶体学关系
1、取向（位向）关系
固态相变时，为了减少新相与母相之间的界面能， 两种晶体之间往往存在一定的位向关系，他们常 以低指数的、原子密度大而又彼此匹配较好的晶 面互相平行。如马氏体转变时马氏体的密排面 {011}与奥氏体的密排面{111}平行。 一般说来，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 两相间无一定的取向关系，则其界面必定为非共 格界面。
2、半共格界定程度是， 便难以继续维持完全共格， 于是将在界面上产生一些位 错，以降低界面的弹性应变 能，这时界面上的两相原子 变成部分地保持匹配，即半 共格
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3、非共格界面
两相界面处的原子排列相差很大， 即错配度很大时，只能形成非共 格界面。这种界面与大角度晶界 相似，是由原子不规则排列的很 薄的过渡层所构成。
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二、金属固态相变的主要特点
金属固态相变与凝固过程相同处： 以新相和母相的自由能差作为相变的驱动力； 大多数固态相变也都包含形核和长大两个基本过
程，并遵循结晶过程的一般规律。
但因其为固态下的结晶过程，故又具有不同于液 态金属结晶的一系列特点。
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（一）相界面
向异性很显著时，也可呈片状或针状。
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（二）非均质形核 母相中的晶体缺陷可以作为形核位置，因此，金属固态相 变主要依赖于非均质形核，其系统自由能总变化为：
与均质形核相比，多了一项-DGd，它表示非均质形核时由 于晶体缺陷消失而释放出的能量。因此，相变驱动力增加， 这将导致临界形核功降低，从而大大促进形核过程。
l 在固态相变阻力中，应变能与界面能究竟何者为主体需视具 体条件而定。
l 在过冷度很大时，临界晶核小，比表面积较大，界面能增大 占主要地位，因而需形成共格界面以降低界面能，故新相倾 向于形成盘状。
l 过冷度很小时，临界晶核大，比表面积大，使新相界面能减 少居于次要地位，倾向于形成非共格界面以降低应变能。
其中DG为系统自由能变化； V为新相体积； Dgv是新相与母相的自由能差； s为新相、母相间单位面积界面能；
E为新相单位体积应变能
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上式中，DgvV项为体自由能差即相变的驱动力，当低于平衡转变温度 时为负值，sS和EV项为相变阻力。可见，只有当DgvV的绝对值大于后 两项的和时，才能使DG＜0，即形核称为可能。 临界晶核的半径大小可由上式导出，为：
（五）形成过渡相
l 过渡相也称中间亚稳相，指成分或结构，或者成分 和结构二者都处于新相与母相之间的一种亚稳状态 的相；
l 形成过渡相是减少相比阻力的有效途径之一； l 过渡相在一定条件下仍然能转变成平衡相。
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三、固态相变时的形核
（一）均匀形核
与液态金属相比，固态相变的阻力增加了一项应变能。按照经典 形核理论，系统自由能总变化为：
(三）应变能
l 包括共格应变能与比容差应变能； l 共格界面的共格应变能最大，半共格界面次之，非共格界面能
最小； l 比容差应变能为新相与母相之间比容差，在相变时产生体积约
束而产生弹性应变能，与新相的几何形状有关。
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l 应变能与界面能的总和为固态相变的阻力。与液态金属结晶 过程相比，固态相变的阻力是很大的。
只有对称孪晶界才是理想的 共格界面。
两相点阵总是有一定差别， 或者是点阵结构不同，或者 点阵参数不同，因此两相界 面要完全共格，在界面附近 就必须产生弹性应变。
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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： 显然，错配度越大，弹性应变能就越大。
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2、惯习面
l 固态相变时，新相往往在母相一定的晶面族上形 成，这种晶面被称为惯习面，通常用母相的晶面 指数来表示。如马氏体总是在奥氏体的{111}面上 形成。
l 惯习面的存在意味着在该晶面上新相与母相的原 子排列很相近，能较好的匹配，有助于减少两相 之间的界面能。
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（四）晶体缺陷的作用
l 固态金属中存在各种晶体缺陷如位错、晶界和亚晶界； l 晶体缺陷周围有晶格畸变，储存着畸变能，可在固态相变
时释放出来作为相变驱动力； l 新相往往在缺陷处优先形核，提高形核率； l 晶体缺陷对晶核的生长和组元的扩散过程也有促进作用。
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