固态相变1-2
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7大晶系和14个布拉维点阵
图1.1 相变及能量变化
图1.2 7大晶系和14个布拉维点阵
第一章 绪论 §1.1 相变研究的意义
固态相变是金属材料热处理的基础。利用相变可改善材料 的显微组织，提高材料的性能，充分发挥材料的潜力。
图1.1 材料研究的四要素
第一章 绪论 §1.1 相变研究的意义
（旋转、反射、反演）
Biblioteka Baidu
§2.1 相及相变
230个空间群
格子类型
p2mg
3 由上到下( 由上到下(x方向) 方向)的对称元素
1 垂直纸面方向的对称元素
2 从左至右( 从左至右(y方向) 方向)的对称元素
最前面的大写英文字母表示Bravais 点阵类型：P—简单点阵，C—底心点阵 ，I—体心点阵，F—面心点阵 ，R—菱方体点阵； 其后是各晶系特定取向上的宏观和微观对称元素。
§1.3 相变研究发展简况
1945-49年，Zener系统研究了珠光体的长大以及新相长大过 程的相互干扰，建立了扩散控制相变长大的基本动力学理论。 1948年， Kurdjumov提出马氏体相变也是形核－长大的过 程，但不发生组元扩散的切变相变。 1949年，Greniger，Troiano提出马氏体相变是无扩散切变 相变，无需形核和长大过程；提出马氏体转变的 G-T 关系； G-T切变模型。 1953-54年，Wechsler、Bowles和Mackenzie等提出马氏体 相变的晶体学唯像理论。 1958年，Massalski提出块状转变的理论。 1960年，Duwze利用快冷技术获得了金属非晶。
1869年，安德鲁斯发现（气-液相变）临界点和临界现象 1873年，范德瓦尔斯(Van der Waals )提出了范德瓦尔斯(非理 想气体)方程 a ( p 2 )( v b ) R T v 1876和1878年，Gibbs分两部分发表了“论复相物质的平衡” Gibbs主要贡献： 引入Gibbs函数和化学势
相的主要分析表征 技术
XRD TEM/SAED OM（光学显微） SEM/EDX（扫描电镜）
§2.1 相及相变
相变：外界条件（温度或是压强）做连续变化时，物质聚集 状态的突变。
（1）从一种结构变化为另一种结构。狭义上来讲是指物态或晶型 的改变。如，气相液相或固相，液相固相等。广义上讲，结构 变化还包括分子取向或电子态的改变。 （2）成分的连续或不连续变化。如，固溶体的脱溶分解或是溶液 的结晶析出。 （3）某种物理性质的跃变，如顺磁体‐铁磁体转变正常导体‐超导 体转变等，反应了某一种长程序的出现或是消失。
第二章 相变概论 §2.1 相及相变
相：系统中结构相同、成分和性质连续变化（均匀 一致、无突变）、与其他部分有界面分开的部分。 相的状态 稳定态（平衡态）、亚稳态、非稳定态 气（汽）、固、液， 单质（元素） 初次固溶体，如-(Fe)、 -(Mg)等 化合物，如Al2Cu、AlNi和Fe3C等
主要内容
第一章 § 1.1 § 1.2 第二章
§ 2.1 § 2.2 § 2.3 § 2.4 § 2.5 § 2.6 § 2.7 § 2.8 § 3.1 § 3.2 § 3.3 § 3.4
绪论 相变研究的意义 相变研究发展简况 相变概论
相及相变 固态相变的分类 固态相变特征 相变热力学基础 固态相变的形核 固态相变的长大 固态相变动力学 固态相变产物的粗化
来体现具有特定物理机制的扩散、有序化势和热力学驱动的综合作用，通过计算机编程求解 上述方程，从而获取研究体系在时间和空间上的瞬时状态。 http://web.access.rwth‐aachen.de/MICRESS/
Landau二级相变理论
现代实验技术：SEM、TEM、HRTEM、XRD、EBSD、FIM、STM、 AFM
图1.5 1.6%C钢中珠光体 （Osmond，1901）
图1.6 冷却曲线
§1.3 相变研究发展简况
1897年，Austen在ЧерноB和Sauveur等人的工作基础上， 绘制了第一张Fe-C 相图,两年后发表了改进的Fe-C相图。
图1.7a Austen第一幅Fe‐C相图，1897
图1.7b Austen第二幅Fe‐C相图，1899
导出相率和热力学基本方程
§1.3 相变研究发展简况
1878年和1885年，德国A Martens和法国F Osmond分别独 立地用显微镜观察了钢铁的显微组织。Osmond测出了钢铁的 三个转变点（900、750和700C），发现了铁的三种同素异构体、 和。 1895年,Osmond建义用Martens命名钢的淬火组织：马氏体
淬火
1. 热处理
退火
回火 正火
2. 形状记忆合金（TiNi合金） 3. 陶瓷的相变增韧 4. 相变潜热
图1.2 主要的热处理工艺温度范围
§1.2 相变研究发展简况
第一章 相变概论
天然矿石的研究（积累晶体学知识），金属材料的分析研究
1808年，Widmanstabtten铁陨石（铁镍合金）的魏氏组织
第四章 § 4.1 § 4.2 第五章 第六章 第七章 第八章
珠光体共析转变 珠光体共析转变 相间沉淀 马氏体相变 贝氏体相变 其它相变 近代相变理论简介(自学)
第三章 脱溶沉淀和Spinodal分解
脱溶沉淀 时效硬化合金中的脱溶沉淀 胞状脱溶 Spinodal分解
主要内容
材料相变过程涉及热力学、动力学和晶体学
晶态 相的种类
非晶态：石英玻璃、金属玻璃 准晶
相的标记方法
Phase Pearson symbol Space group
Strukturbericht designation
Structure Symbol Prototype
§2.1 相及相变 Parameters
Fe Fe Ti FeTi TiAl () TiAl3(h)
七大晶系晶系的关系
§2.1 相及相变
从空间群符号辨认晶系
(1) 立方—第2个对称符号： 3 或 3 (如： Ia3, Pm3m, Fd3m)
§2.1 相及相变
(2) 四方—第1个对称符号： 4, 4 , 41, 42 或 43 (如： P41212, I4/m, P4/mcc) (3) 六方—第1个对称符号： 6, 6 , 61, 62, 63, 64 或 65 (如： P6mm, P63/mcm) (4) 三方—第1个对称符号： 3, 3 ，31 或 32 (如： P31m, R3, R3c, P312) (5)正交—点阵符号后的全部三个符号是镜面，滑移面，2次旋转轴或2次螺旋轴 (即Pnma, Cmc21, Pnc2） (6)单斜—点阵符号后有唯一的镜面、滑移面、2次旋转或者螺旋轴，或者轴/平 面符号(即Cc、P2、P21/n) (7)三斜—点阵符号后是1或(- 1)
§1.3 相变研究发展简况
1961年，Hillert、Cahn和Hilliard等建立了Spinodal分解理 论。 1964年，Wayman，“马氏体相变晶体学导论”阐述了晶体学 表象理论，较好地解释了马氏体转变晶体学机制。 1970年，Bollomann提出了0点阵理论。 1980年，Aaronson等提出了金属相界面能及其随温度和界面 位向变化的计算方法。 1983年，徐祖耀通过理论计算确认低碳钢在马氏体相变时， （由于 MS 温度较高） 间隙原子碳的扩散率较大，可能存在碳的扩 散。
给出马氏体相变定义：“替换原子经无扩散位移 (均匀和不均匀形 变 ) ，由此产生形状改变和表面浮突出、呈不变平面应变特征的一 级、形核-长大相变”。
§1.3 相变研究发展简况
Landau理论 Ginzburg-Landau理论 近代相变理论 电子-声子理论 软模理论（Soft Mode） 计算机技术+现代实验技术 相场方法（Phase Field method）：以Ginzburg‐Landau理论为物理基础，通过微分方程
固态相变原理
朱景川，来忠红 编著 科学出版社，2010.7
(索书号O414.13/ZJC)
金属与合金中的固态相变 陈景榕、李承基编著 冶金工业出版社，1997.5
（索书号：75.33/CJR）
参考教材
材料相变
徐祖耀著 科学出版社，2013
（索书号：TB303/XZY ）
合金固态相变
赵乃勤主编 中南大学出版社，2008
§1.3 相变研究发展简况
1900年，荷兰Roozeboom根据相率修订了Austen1899年发 表的Fe-C相图。
图1.8a Roozeboom 修订的Fe‐C相图，1900年
图1.8b 目前接受的Fe‐C相图
为纪念Austen在固溶体和Fe‐C相图的贡献，1900年命名固溶体为奥氏体。
§1.3 相变研究发展简况
1906年，Wilm发现Al合金室温析出硬化现象。 1919年，Tammann (塔姆曼)提出晶格的概念。 1921年，Westgren确定铁素体和奥氏体的晶体结构。 1926-1927年, F. Campbell用X射线方法测得马氏体是体心正 方结构，曾一度认为马氏体就是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。 1930年，西山测定了马氏体和奥氏体的一种晶体学关系，被 称为西山关系。 1930年，Bain等开始研究钢的等温相变过程，观察到了后来 被称为贝氏体的组织。 1937-38年，法国Guinier(吉尼尔)、英国Preston(普雷斯顿) 用X衍射分 析发现Al-Cu合金时效析出的GP区。
图1.3 金相组织（稀硝酸腐刻，1820年发表）
图1.4 Sorby当年观察过的珠光体试样
（保存于Sheffield大学，1953照）
1863年，英国Sorby用反射式显微镜观察抛光腐刻钢铁的微 观组织（魏氏组织），并对钢的淬火和回火组织做了基本正确 的解释。（论文于1864年发表）
§1.3 相变研究发展简况
（索书号： TG111.5/ZNQ）
参考教材
金属和合金中的相变
波特，伊斯特林等著， 陈冷，余永宁译 高等教育出版社，2011 （ 索书号：TG111/BT）
金属固态相变及应用
康煜平 化学工业出版社，2007
（索书号： TG111.5/KYP）
固态相变原理新论
刘宗昌，任慧平，计云萍 科学出版社；2015
Structure Symbol，如Fe： A1
第一个大写字母表示结构的类型，后面的数字为顺序号 不同的顺序号表示不同的结构，例如A1: 面心立方， A2: 体心立方，A3: 密排六 方， B1：NaCl结构（立方）， B2：CsCl结构（立方），
空间群(Space Group)
7个晶系 32个点群 （平移）14种Bravais格子
EXAFS ‐ Extended X‐ray Absorption Fine Structure XSAS ‐ X‐ray small angle scattering HAADF‐STEM ‐ high-angle annular detector dark-field scanning transmission electron microscope EBSD ‐ Electron Back‐Scattered Diffraction
上述三种变化可以单独出现，也可以两种或三种变化兼而有之。
§2.1 相及相变
图2.1 水的P‐T图
图2.2 铁的P‐T图
§2.1 相及相变
相变的 分析表征技术
固 态 相 变
Phase transformations in metals and alloys
授课人: 徐洪辉 (教授) E‐mail: hhxu@csu.edu.cn Tel: 13077377087
参考教材
金属固态相变原理
徐洲, 赵连城 科学出版社，2004
（索书号： TG111.5/XZ）
cF4 cI2 hP2 cP2 tP4 tI8
Fm3m
A1 A2 A3 B2 L10 D022
Cu W Mg CsCl AuCu TiAl3(h)
Pearson符号，如Fe： cF4
第一个小写英文字母表示所属晶系 第二个大写英文字母表示它所属的布喇菲点阵类型（例如P、I、F、C等）， 第三个数字表示单胞中的原子数
图1.1 相变及能量变化
图1.2 7大晶系和14个布拉维点阵
第一章 绪论 §1.1 相变研究的意义
固态相变是金属材料热处理的基础。利用相变可改善材料 的显微组织，提高材料的性能，充分发挥材料的潜力。
图1.1 材料研究的四要素
第一章 绪论 §1.1 相变研究的意义
（旋转、反射、反演）
Biblioteka Baidu
§2.1 相及相变
230个空间群
格子类型
p2mg
3 由上到下( 由上到下(x方向) 方向)的对称元素
1 垂直纸面方向的对称元素
2 从左至右( 从左至右(y方向) 方向)的对称元素
最前面的大写英文字母表示Bravais 点阵类型：P—简单点阵，C—底心点阵 ，I—体心点阵，F—面心点阵 ，R—菱方体点阵； 其后是各晶系特定取向上的宏观和微观对称元素。
§1.3 相变研究发展简况
1945-49年，Zener系统研究了珠光体的长大以及新相长大过 程的相互干扰，建立了扩散控制相变长大的基本动力学理论。 1948年， Kurdjumov提出马氏体相变也是形核－长大的过 程，但不发生组元扩散的切变相变。 1949年，Greniger，Troiano提出马氏体相变是无扩散切变 相变，无需形核和长大过程；提出马氏体转变的 G-T 关系； G-T切变模型。 1953-54年，Wechsler、Bowles和Mackenzie等提出马氏体 相变的晶体学唯像理论。 1958年，Massalski提出块状转变的理论。 1960年，Duwze利用快冷技术获得了金属非晶。
1869年，安德鲁斯发现（气-液相变）临界点和临界现象 1873年，范德瓦尔斯(Van der Waals )提出了范德瓦尔斯(非理 想气体)方程 a ( p 2 )( v b ) R T v 1876和1878年，Gibbs分两部分发表了“论复相物质的平衡” Gibbs主要贡献： 引入Gibbs函数和化学势
相的主要分析表征 技术
XRD TEM/SAED OM（光学显微） SEM/EDX（扫描电镜）
§2.1 相及相变
相变：外界条件（温度或是压强）做连续变化时，物质聚集 状态的突变。
（1）从一种结构变化为另一种结构。狭义上来讲是指物态或晶型 的改变。如，气相液相或固相，液相固相等。广义上讲，结构 变化还包括分子取向或电子态的改变。 （2）成分的连续或不连续变化。如，固溶体的脱溶分解或是溶液 的结晶析出。 （3）某种物理性质的跃变，如顺磁体‐铁磁体转变正常导体‐超导 体转变等，反应了某一种长程序的出现或是消失。
第二章 相变概论 §2.1 相及相变
相：系统中结构相同、成分和性质连续变化（均匀 一致、无突变）、与其他部分有界面分开的部分。 相的状态 稳定态（平衡态）、亚稳态、非稳定态 气（汽）、固、液， 单质（元素） 初次固溶体，如-(Fe)、 -(Mg)等 化合物，如Al2Cu、AlNi和Fe3C等
主要内容
第一章 § 1.1 § 1.2 第二章
§ 2.1 § 2.2 § 2.3 § 2.4 § 2.5 § 2.6 § 2.7 § 2.8 § 3.1 § 3.2 § 3.3 § 3.4
绪论 相变研究的意义 相变研究发展简况 相变概论
相及相变 固态相变的分类 固态相变特征 相变热力学基础 固态相变的形核 固态相变的长大 固态相变动力学 固态相变产物的粗化
来体现具有特定物理机制的扩散、有序化势和热力学驱动的综合作用，通过计算机编程求解 上述方程，从而获取研究体系在时间和空间上的瞬时状态。 http://web.access.rwth‐aachen.de/MICRESS/
Landau二级相变理论
现代实验技术：SEM、TEM、HRTEM、XRD、EBSD、FIM、STM、 AFM
图1.5 1.6%C钢中珠光体 （Osmond，1901）
图1.6 冷却曲线
§1.3 相变研究发展简况
1897年，Austen在ЧерноB和Sauveur等人的工作基础上， 绘制了第一张Fe-C 相图,两年后发表了改进的Fe-C相图。
图1.7a Austen第一幅Fe‐C相图，1897
图1.7b Austen第二幅Fe‐C相图，1899
导出相率和热力学基本方程
§1.3 相变研究发展简况
1878年和1885年，德国A Martens和法国F Osmond分别独 立地用显微镜观察了钢铁的显微组织。Osmond测出了钢铁的 三个转变点（900、750和700C），发现了铁的三种同素异构体、 和。 1895年,Osmond建义用Martens命名钢的淬火组织：马氏体
淬火
1. 热处理
退火
回火 正火
2. 形状记忆合金（TiNi合金） 3. 陶瓷的相变增韧 4. 相变潜热
图1.2 主要的热处理工艺温度范围
§1.2 相变研究发展简况
第一章 相变概论
天然矿石的研究（积累晶体学知识），金属材料的分析研究
1808年，Widmanstabtten铁陨石（铁镍合金）的魏氏组织
第四章 § 4.1 § 4.2 第五章 第六章 第七章 第八章
珠光体共析转变 珠光体共析转变 相间沉淀 马氏体相变 贝氏体相变 其它相变 近代相变理论简介(自学)
第三章 脱溶沉淀和Spinodal分解
脱溶沉淀 时效硬化合金中的脱溶沉淀 胞状脱溶 Spinodal分解
主要内容
材料相变过程涉及热力学、动力学和晶体学
晶态 相的种类
非晶态：石英玻璃、金属玻璃 准晶
相的标记方法
Phase Pearson symbol Space group
Strukturbericht designation
Structure Symbol Prototype
§2.1 相及相变 Parameters
Fe Fe Ti FeTi TiAl () TiAl3(h)
七大晶系晶系的关系
§2.1 相及相变
从空间群符号辨认晶系
(1) 立方—第2个对称符号： 3 或 3 (如： Ia3, Pm3m, Fd3m)
§2.1 相及相变
(2) 四方—第1个对称符号： 4, 4 , 41, 42 或 43 (如： P41212, I4/m, P4/mcc) (3) 六方—第1个对称符号： 6, 6 , 61, 62, 63, 64 或 65 (如： P6mm, P63/mcm) (4) 三方—第1个对称符号： 3, 3 ，31 或 32 (如： P31m, R3, R3c, P312) (5)正交—点阵符号后的全部三个符号是镜面，滑移面，2次旋转轴或2次螺旋轴 (即Pnma, Cmc21, Pnc2） (6)单斜—点阵符号后有唯一的镜面、滑移面、2次旋转或者螺旋轴，或者轴/平 面符号(即Cc、P2、P21/n) (7)三斜—点阵符号后是1或(- 1)
§1.3 相变研究发展简况
1961年，Hillert、Cahn和Hilliard等建立了Spinodal分解理 论。 1964年，Wayman，“马氏体相变晶体学导论”阐述了晶体学 表象理论，较好地解释了马氏体转变晶体学机制。 1970年，Bollomann提出了0点阵理论。 1980年，Aaronson等提出了金属相界面能及其随温度和界面 位向变化的计算方法。 1983年，徐祖耀通过理论计算确认低碳钢在马氏体相变时， （由于 MS 温度较高） 间隙原子碳的扩散率较大，可能存在碳的扩 散。
给出马氏体相变定义：“替换原子经无扩散位移 (均匀和不均匀形 变 ) ，由此产生形状改变和表面浮突出、呈不变平面应变特征的一 级、形核-长大相变”。
§1.3 相变研究发展简况
Landau理论 Ginzburg-Landau理论 近代相变理论 电子-声子理论 软模理论（Soft Mode） 计算机技术+现代实验技术 相场方法（Phase Field method）：以Ginzburg‐Landau理论为物理基础，通过微分方程
固态相变原理
朱景川，来忠红 编著 科学出版社，2010.7
(索书号O414.13/ZJC)
金属与合金中的固态相变 陈景榕、李承基编著 冶金工业出版社，1997.5
（索书号：75.33/CJR）
参考教材
材料相变
徐祖耀著 科学出版社，2013
（索书号：TB303/XZY ）
合金固态相变
赵乃勤主编 中南大学出版社，2008
§1.3 相变研究发展简况
1900年，荷兰Roozeboom根据相率修订了Austen1899年发 表的Fe-C相图。
图1.8a Roozeboom 修订的Fe‐C相图，1900年
图1.8b 目前接受的Fe‐C相图
为纪念Austen在固溶体和Fe‐C相图的贡献，1900年命名固溶体为奥氏体。
§1.3 相变研究发展简况
1906年，Wilm发现Al合金室温析出硬化现象。 1919年，Tammann (塔姆曼)提出晶格的概念。 1921年，Westgren确定铁素体和奥氏体的晶体结构。 1926-1927年, F. Campbell用X射线方法测得马氏体是体心正 方结构，曾一度认为马氏体就是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。 1930年，西山测定了马氏体和奥氏体的一种晶体学关系，被 称为西山关系。 1930年，Bain等开始研究钢的等温相变过程，观察到了后来 被称为贝氏体的组织。 1937-38年，法国Guinier(吉尼尔)、英国Preston(普雷斯顿) 用X衍射分 析发现Al-Cu合金时效析出的GP区。
图1.3 金相组织（稀硝酸腐刻，1820年发表）
图1.4 Sorby当年观察过的珠光体试样
（保存于Sheffield大学，1953照）
1863年，英国Sorby用反射式显微镜观察抛光腐刻钢铁的微 观组织（魏氏组织），并对钢的淬火和回火组织做了基本正确 的解释。（论文于1864年发表）
§1.3 相变研究发展简况
（索书号： TG111.5/ZNQ）
参考教材
金属和合金中的相变
波特，伊斯特林等著， 陈冷，余永宁译 高等教育出版社，2011 （ 索书号：TG111/BT）
金属固态相变及应用
康煜平 化学工业出版社，2007
（索书号： TG111.5/KYP）
固态相变原理新论
刘宗昌，任慧平，计云萍 科学出版社；2015
Structure Symbol，如Fe： A1
第一个大写字母表示结构的类型，后面的数字为顺序号 不同的顺序号表示不同的结构，例如A1: 面心立方， A2: 体心立方，A3: 密排六 方， B1：NaCl结构（立方）， B2：CsCl结构（立方），
空间群(Space Group)
7个晶系 32个点群 （平移）14种Bravais格子
EXAFS ‐ Extended X‐ray Absorption Fine Structure XSAS ‐ X‐ray small angle scattering HAADF‐STEM ‐ high-angle annular detector dark-field scanning transmission electron microscope EBSD ‐ Electron Back‐Scattered Diffraction
上述三种变化可以单独出现，也可以两种或三种变化兼而有之。
§2.1 相及相变
图2.1 水的P‐T图
图2.2 铁的P‐T图
§2.1 相及相变
相变的 分析表征技术
固 态 相 变
Phase transformations in metals and alloys
授课人: 徐洪辉 (教授) E‐mail: hhxu@csu.edu.cn Tel: 13077377087
参考教材
金属固态相变原理
徐洲, 赵连城 科学出版社，2004
（索书号： TG111.5/XZ）
cF4 cI2 hP2 cP2 tP4 tI8
Fm3m
A1 A2 A3 B2 L10 D022
Cu W Mg CsCl AuCu TiAl3(h)
Pearson符号，如Fe： cF4
第一个小写英文字母表示所属晶系 第二个大写英文字母表示它所属的布喇菲点阵类型（例如P、I、F、C等）， 第三个数字表示单胞中的原子数