金属固态相变整理
第九章 金属固态相变
3. 晶界促进形核 具有高能量的大晶界可以释放界面能为形核提供相变 驱动力，以降低形核功。 驱动力，以降低形核功。 三、晶核长大 1. 长大机制 新相晶核的长大，实质是相界面向旧相迁移的过程。 新相晶核的长大，实质是相界面向旧相迁移的过程。 新旧相成分不同时： 新旧相成分不同时：晶核的长大依赖于溶质原子在旧 相中的长程扩散。 相中的长程扩散。
五、母相晶体缺陷促进相变 在母相晶体中的缺陷处，晶格畸变、自由能高， 在母相晶体中的缺陷处，晶格畸变、自由能高，促进形 核及相变。 核及相变。 六、易出现过渡相 固态相变阻力大， 直接转变困难， 固态相变阻力大 ， 直接转变困难 ， 往往先形成协调性 中间产物（过渡相） 中间产物（过渡相）。 母相→较不稳定的过渡相→较稳定的过渡相→ 母相→较不稳定的过渡相→较稳定的过渡相→稳定相
二、新相与母相界面上原子排列的匹配性 固态相变时， 固态相变时，新相与母相界面上原子排列越保持一定 的匹配性，越有利于相变阻力的降低。 的匹配性，越有利于相变阻力的降低。 固态相变产生的相界面根据两相原子在晶体学上匹配 程度不同可分为三种类型， 共格界面，半共格界面和 程度不同可分为三种类型，即共格界面，半共格界面和非 共格界面，如图9-1所示 所示。 共格界面，如图 所示。
3. 非共格界面 当界面处的原子排列差异很大， 原子匹配关系不能继 当界面处的原子排列差异很大 ， 续维持，形成非共格界面。 续维持，形成非共格界面。 一般认为， 小于 小于0.05时完全共格； δ大于 时完全共格； 大于 大于0.25时形成 一般认为，δ小于 时完全共格 时形成 非共格界面； 介于 介于0.05和 0.25之间时，形成半共格界面， 之间时， 非共格界面；δ介于 和 之间时 形成半共格界面， 它们的能量是不同的。 它们的能量是不同的。
固态相变 知识点总结
固态相变By Dong大魔王固态相变：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，即发生从一种状态到另一种状态的改变，这种转变称为固态相变。
按热力学分类：一级相变：相变时新旧两相的化学势相等，但化学势的一级偏微熵不等的相变称为一级相变;二级相变：相变时新旧两相的化学势相等，且化学势的一级偏微熵也相等，但化学势的二级偏微熵不相等的相变称为二级相变。
按平衡状态图分类：①平衡相变指在缓慢加热或冷却过程中所发生的能获得的符合平衡状态相图的平衡组织的相变。
主要有同素异构转变、多形性转变、平衡脱溶沉淀、共析相变、调幅分解、有序化转变。
②非平衡相变:伪共析相变、马氏体相变、贝氏体相变、非平衡脱溶相变按原子迁移情况分类：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称为扩散型相变。
基本特点是：相变过程中有原子扩散运动，相变速率受原子扩散速度所控制；新相和母相得成分往往不同；只有因新相和母相比容不同而引起的体积变化，没有宏观形状改变。
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的运动是协调一致的相变称为非扩散型相变。
一般特征是：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；相变不需要通过扩散，新相和母相的化学成分相同；新相和母相之间存在一定的晶体学位向关系；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。
试述金属固态相变的主要特征①相界面：金属固态相变时，新相和母相的界面分为两种。
②位相关系：两相界面为共格或半共格时新相和母相之间必然有一定位相关系，两项之间没有位相关系则为非共格界面。
③惯习面：新相往往在母相一定晶面上形成，这个晶面称为惯习面。
④应变能：圆盘型粒子所导致的应变能最小，其次是针状，球状最大。
固态相变阻力包括界面能和应变能。
⑤晶体缺陷的影响：新相往往在缺陷处优先成核。
原子的扩散：收扩散控制的固态相变可以产生很大程度的过冷。
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。
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。
金属固态相变的三种基本变化
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钛合金相变知识整理
钛合金的固体相变（整理版）钛的主要相及其结构纯钛在固态下有两种同素异构体，常温下以密排六方（hcp）晶格结构存在，称之为a钛。
hcp单元晶胞如图1-1左图所示，在室温下点阵常数a=0.295nm，c=0.468nm。
纯钛的c/a=1.587，小于理想hcp结构的c/a值1.663，（0001）是称为底面（basal plane），为密排面；（1010）称为棱柱面，（1011）称为棱锥面;a1、a2、a3轴是密排方向，即＜1120＞方向。
当温度升到882.5℃以上时，变成体心立方（bcc）晶格结构，称之为B钛。
bcc单元晶胞如图1-1右图所示，（110）为密排面，密排方向为＜111＞, 900℃时，点阵常数a=0.332nm。
■r■:＜图1-1 a钛和P钛的原子结构示意图钛合金两相间的具体的转变温度会受间隙和置换元素含量的强烈影响，所以钛的合金元素被分为a稳定元素、中性元素和P稳定元素，如图所示：a稳定元素提高a/B转变温度，置换式的Al和间隙式的C、N、O都是强a稳定元素，这些元素含量越多，则钛合金的a/B转变温度越高。
Zr，Hf和Sn 等属于中性元素，因为它们含量很低时略微降低a /B相变温度，当们含量增加时，又会提高a/B相变温度。
B稳定元素能够降低钛的同素异型转变温度，扩大B相区并增加B相在热力学上的稳定性，这类元素包括间隙式的H和大量的置换式元素，其中置换式B稳定元素又分为B同晶元素和B共析元素，这取决于所产生的二元相图的细节。
钛合金的相变钛合金热处理是钛合金学科领域内一个重要的分枝。
其典型特征为：淬火过程中发生了马氏体相变，或保留高温组织，合金的塑性韧性稍有升高，强度硬度稍有降低。
在随后时效过程中，由于亚稳定相和中间相的生成，合金硬度、强度升高，塑性、韧性降低。
对过渡阶段的每一种亚稳相和中间相都有其产生的条件和相应的性质，钛合金热处理的研究实际上就是对其淬火和时效过程中中间相的研究。
金属材料的热处理可以归纳为三大类：第一类，淬火+回火；第二类，固溶+时效；第三类，淬火+时效。
金属固态相变概论
（四）晶体缺陷的作用
固态金属中存在各种晶体缺陷如位错、晶界和亚晶界； 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； 新相往往在缺陷处优先形核，提高形核率； 晶体缺陷对晶核的生长和组元的扩散过程也有促进作用。
（五）形成过渡相
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；
形成过渡相是减少相比阻力的有效途径之一； 过渡相在一定条件下仍然能转变成平衡相。
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：
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。
(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。
晶体缺陷对形核的具体作用
1、空位
空位可通过加速扩散过程或释放自身能量提供形 核驱动力而促进形核。 此外，空位群亦可以凝聚成位错而促进形核。 2、位错
位错可以通过多种形式促进形核： （1）新相在位错线上形核，可借形核处位错消失时所释放出来的能量作 为相变驱动力，以降低形核功； （2）新相形核时位错并不消失，而是依附于新相界面上构成半共格界面 上的位错部分，以补偿错配，从而降低应变能，使形核功降低； （3）溶质原子在位错线上偏聚，使溶质含量增高，便于满足新相形成时 所需的成分条件，使新相晶核易于形成。 （4）位错线可作为扩散的短路通道，降低扩散激活能，加速形核过程； （5）位错可以分解形成由两个分位错与其间的层错组成的扩散位错，使 其层错部分作为新相的核胚而有利于形核。
第1章_金属固态相变基础总结
（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
体转变的独特的不平衡转变，称为贝氏体转变，又称
为中温转变。 贝氏体转变产物的组成相是相和碳化物，但相的 形态和碳含量以及碳化物的形态和分布等均与珠光体 的不同，称为贝氏体。
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1.1.2 按平衡状态图分类 2. 非平衡转变
④ 非平衡脱溶沉淀
若合金C0自T1温度采取快冷，则相来不及析出，待冷 到室温时便得到一个过饱和固溶体。如果在室温或低于 MN线的温度下，溶质原子尚具有一定扩散能力，则在上 述温度停留期间，过饱和固溶体便会自发地发生分解，从 中逐渐析出新相，但这种新相在析出的初级阶段，在成分 和结构上均与平衡沉淀相有所不同，这种相变称为不平衡 脱沉淀（也称为时效）。在低碳钢和铝、镁等有色合金中 会发生这种转变。
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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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1.1.2 按平衡状态图分类 1.平衡转变 ④共析转变——冷却时由一个固相分解为两个不同
固相的转变称为共析转变。
共析转变可以用反应式 +表示。共析转变生 成的两个新的成分和结构 都与母相不同。钢在冷却 时由奥氏体转变珠光体 （铁素体与渗碳体的混合 物），即属这种转变。
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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。
19.固溶处理：将双相组织加热到固溶度线以上某一温度并保温足够时间，将获得均匀的单相固溶体α相。
20.时效强化（沉淀强化）：合金元素经固溶处理后，获得亚稳过饱和α相固溶体。
在随后的室温放置或低温加热保温时，第二相从过饱和固溶体中析出，引起强度，硬度以及物理和化学性能的显著变化。
（经固溶处理后随着时间的延长强度不断提高的现象）
21.自然时效：室温下产生的时效。
人工时效：高于室温的时效。
二、简答题
1.材料四要素：性质与现象、使用性能、结构与成分、合成与加工
2.水可以在同一个温度有三种相吗？
3.G为什么总是随T的增加而降低? （由于S总为正值，所以G对T的偏导为负值，即。
）
4.自由能G-温度T的特性曲线总是凹面向下? （由于S随T增加而增加，所以S对T偏导为正，所以G对T 的二阶导为负）
5.在相变初期，新相和母相的相界面一般是什么类型？（主要是共格界面，因为相变初期新相和母相之间的弹性应变能大，界面能小）
6.相变热力学条件：新旧两相的自由能差和新相自由能较低时旧相转变为新相的驱动力。
7.绘制Fe-Fe3C相图，并标出相图中各区域的相名称和三个三相平衡转变。
8.Ms点的物理意义：即为奥氏体和马氏体两相自由能差达到相变所需要最小驱动力值时的温度。
三、论述题
1.试述影响奥氏体晶粒长大的因素有哪些，是如何影响的？
2.共析碳钢奥氏体化包括那几个阶段？描述片层珠光体向奥氏体转变机制。
3.试说明影响奥氏体形成速度的因素有哪些，是如何影响的？
4.与等温转变相比，连续加热奥氏体的形成有什么特点？
5.试述片层珠光体的分类？
6.试述片层珠光体、粒状珠光体的形成过程？
7.试述影响珠光体转变动力学的因素？化学成分对珠光体转变动力学有什么影响？。