凝固理论与固态相变
凝固理论与固态相变
《凝固理论与固态相变》课程考查论文钛合金的快速凝固技术及其应用南京航空航天大学二О一二年四月钛合金的快速凝固技术及其应用摘要：快速凝固技术应用于钛合金生产，能极大地促进钛工业的发展，因而快速凝固技术的研究发展深刻影响了钛合金工业。
本文介绍了快速凝固技术的基本原理及目前应用于钛合金生产的几种快速凝固技术的研究状况，简述了快速凝固技术在提高现有钛合金性能和开发新型钛合金方面的作用。
1引言快速凝固是指通过对合金熔体的快速冷却(103~106K/s)或非均质形核被抑制，使合金在很大的过冷度下发生高生长速率(1~100 cm/s)的凝固。
快速非平衡凝固通过控制凝固过程对平衡偏离的程度所产生的非平衡效应，不仅可以减小偏析、扩大亚稳固溶度、细化组织、形成新的亚稳相，还发展了非晶、准晶、纳米晶新材料。
基于快速凝固技术这些特殊的性质和优点，研究钛合金快速凝固技术就显得十分必要。
快速凝固技术在材料辩学中的作用主要有下述几点：（1）扩大了溶质在钛中的固溶度，得蓟过饱和固溶体：（2）减少或消除偏祈；（3）细化晶粒和弥散第二相；（4）能获得准晶态和非晶态组织。
由于快速凝固技术的这些作用，就决定了它在研制开发新钛合金方面将发挥重要作用。
快速凝固依其方法的不同，不仅冷却速度有异，而且制得的粉末形状也不一。
迄今，快速凝固粉束的形状有球形、薄片形、丝状形和窄条形等。
这些快速凝固粉末的特点是尺寸细小，质点间的界面结合较困难。
钛及钛合金的快速凝固粉末，通常是经热等静压或快速全方位压制成型的[1]。
由于快速凝固粉末质点问的界面结合较差，热等静压后有时还要进行热挤压、真空轧制、等温锻造或冲压等加工，以实现固结。
由于钛在含氢的情况下塑性很好，且在加工后又容易脱氢，因此国外已把氢作为一种工艺元素而用于钛粉的固结工艺之中。
自快速凝固技术移植到钛及钛合金的研究工作中来，人们着重进行了二个方面的工作，一是提高现有常规钛及钛合金的性能，二是研究铸锭冶金难以制取的新型钛合金。
材料凝固理论
即即与与熔熔融k融T熵m 熵值值SkmS成成正正比比
即与熔融熵值Sm成m 正比
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N 界面上可被占据的原子位置数
N 界面上实际占据的原子位置数 A
x N N,界面上原子沉积几率 A
k N
玻界耳面兹上曼可常被数占据的原子位置数
NN 界界面面上上可实被际占占据据的的原原子子位位置置数数
当温度T在Tm附近凝固时，将上式代入得：
G H TS Hm TSm
H
m
(1
T Tm
)
H m T Tm
SmT
式中， T Tm T ,过冷度
可见，进入凝固的驱动力，主要取决于过冷度ΔT ，过冷度越大，
凝固的驱动力越大。
6
第三节 形核
根据经典的相变动力学理论，金属
根据物理化学，存在以下关系：
式中，S—体系的熵，反映了所考察体系紊乱程度的大小。 V，P ，T—体系的体积、压力、温度。
金属的凝固过程一般在定压下进行，故上式可表示为：
3
已知体系的墒S恒为正值。对金属来说，温度升高时，其Gibbs自由 能降低，降低速率取决于墒值大小。液态金属属短程有序排列结构，紊 乱度自然大于固态金属．故有高的墒值，其Gibbs自由能随温度上升而 降低的速率高于固态金属的。若对上式求二阶偏导数，则有：
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不同生长方式生长速率与动力学过冷度间的关系
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第五节 溶质再分配（单相合金的凝固） 一、溶质再分配
从原子尺度上说是粗糙的，在宏观上却是“光滑”的；反之，在原子 尺度上是光滑的，从宏观上看却是“粗糙”的，下图示意界面原子角 度的差别，下下图示意了宏观角度界面的差别。我们可以详细的比较 上面两图的差别。
5 第四章 金属的凝固与固态相变
晶核形成： 自发形核（均匀形核）； 非自发形核（非均匀形核）。 晶核长大： 平面状长大； 树枝状长大。
9
4.1纯金属的结晶
形核与长大：
10
4.1纯金属的结晶
树枝状长大
11
4.1纯金属的结晶
影响形核和长大的因素：
过冷度 难熔杂质
12
4.1纯金属的结晶
晶粒度：单位体积或单位面积上的晶粒 数目/晶粒尺寸。晶粒 平衡结晶过程：
ＬＬ＋
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1.匀晶相图
杠杆定律：结晶过程中的成分变化和两 相相对量的变化。 两相区中Q/QＬ＝ab/bc
26
1.匀晶相图
原因：固相中原子扩散速 度慢，跟不上结晶速度
晶内偏析（属于微观偏析）
枝晶偏析
消除办法：高温扩散退火
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2.共晶相图
亚共晶合金
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2.共晶相图
亚共晶合金L L+ (M+N )+ M L
L+
(M+N )+ M 冷却 曲线
45
2.共晶相图
亚共晶合金L L+ (M+N )+ M
( M+ N )
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2.共晶相图
亚共晶合金L L+ (M+N )+ M 过共晶合金L L+ (M+N )+ N
液相线与固相线之间为 两相区，液相与固相平 衡共存
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4.2.1二元合金相图与凝固（结晶）
相图的分类： 匀晶相图 共晶相图 包晶相图 其它相图
金属凝固理论原理及应用
金属凝固理论原理及应用金属凝固理论是指研究金属在固态凝固过程中的组织形态和相变行为的科学原理。
金属凝固理论的研究可以帮助我们了解金属的凝固机理以及改变金属的性质和应用。
以下将从原理和应用两个方面进行详细阐述。
一、金属凝固理论的原理：1. 凝固过程中的相变行为：在金属凝固过程中，会发生相变行为，从液相变为固相。
主要包括凝固核形成、晶体长大及晶粒形核和生长等过程。
凝固核形成是指凝固过程中由于界面能降低而导致固相形成的过程。
晶体长大是指固相晶体的体积逐渐增大。
晶粒形核和生长是指液相金属晶粒在凝固过程中通过固相组织的转变形成新的晶粒。
2. 凝固速率的影响因素：凝固速率是凝固过程中晶体生长速度的量度。
影响凝固速率的因素包括金属的熔点、凝固液体的过冷度、核活化能、晶体生长速度以及固相晶粒形核密度等。
通过调节这些因素，可以改变金属凝固的速率和组织形态，从而影响金属的性质和应用。
3. 相图和凝固曲线的研究：金属凝固过程中，可以通过相图和凝固曲线来了解金属凝固过程中的相变行为和组织形态演化。
相图可以显示凝固温度、成分和组织形态之间的关系，而凝固曲线可以用来研究凝固速率和金属的晶体生长速度。
二、金属凝固理论的应用：1. 金属材料制备：金属凝固理论可以帮助我们了解金属材料制备过程中的相变行为和组织演化规律。
在铸造和凝固过程中，通过调节凝固速率和组织形态，可以获得不同性能和应用要求的金属材料。
例如，通过改变凝固速率可以获得细晶粒或均匀晶粒分布的材料，从而提高材料的强度和韧性。
2. 改善金属材料性能：金属凝固理论的研究可以帮助我们改善金属材料的性能。
例如，通过合适的添加剂和凝固工艺，可以改善金属材料的耐磨性、耐腐蚀性、高温稳定性等性能。
同时，金属凝固理论也可以指导材料加工过程中的热处理和冷处理，从而进一步提高金属材料的性能。
3. 金属合金设计：金属凝固理论是金属合金设计的重要基础。
通过研究金属合金的凝固机制和相图，可以合理地选择合金元素和调整合金成分，以达到特定的性能和应用要求。
第二章 金属材料的凝固与固态相变
两相组织合金的力学和物理性能与成分 呈直线关系变化。
2 .合金的工艺性能与相图的关系 铸造性能：纯组元和共晶成分的合金的流动 性最好，缩孔集中，铸造性能好。 锻造性能：单相合金的锻造性能好。单相组 织时变形抗力小，变形均匀，因而变形能力 大。双相组织的合金变形能力差些，特别是 组织中存在有较多的化合物相时。
固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却较快，原子扩散不能充 分进行，则形成成分不均匀的固溶体。
2 .共晶相图
(1)相图分析 在共晶合金相图中，acb为液相线，adceb为固相线，合金系有 三种相，相图中有三个单相区（L、α 、β ）；三个两相区（L+α 、 L+β 、α +β ）；一条三相(L+α +β )共存线（水平线dce）。 dce为共晶线（ c点为共晶点）。 Lc → α d+ β
2.2.3 铸锭(件)的凝固
把金属熔化注入铸模，冷却后获得一定形状的铸件的工艺叫做 铸造。 1.铸锭（件）结晶组织 最典型的铸造结构，整 个铸锭明显地分为三个各具 特征的晶区。 ⑴细等轴晶区 在铸锭的 表层形成的一层厚度不大、 晶粒很细的区域。
⑵柱状晶区
⑶粗等轴晶区
2.3 铁碳合金 2.3.1 Fe-Fe3C相图
2.3.2 铁碳合金在平衡状态下的相变
根据Fe—Fe3C相图，铁碳合金可分为三类： 1)工业纯铁[wc ≤0.0218%] 2)钢[0.0218%< wc ≤2.11%
3)白口铸铁[2.11%< wc <6.69%]
工业纯铁的室温平衡组织为铁素体（F），呈白色状。由于其强 度低、硬度低、不宜用作结构材料。
第十七章-马氏体
马氏体转变 切变示意图
马氏体转变产生的表面浮凸
第二节 马氏体转变的特点
γ
α’
γ 惯习面
C
F
G
S’ S
B
T’
T
D
E
R
A O
H P
中脊面
N M
马氏体形成时引起的表面倾动
第二节 马氏体转变的特点
若相变前在试样抛光面上刻一直线划痕STR，则 相变后产生浮凸使其变为折线S’T’TR，在显微镜 光线照射下，浮凸两边呈现明显的山阴和山阳。故 马氏体的形成是通过切变方式来进行的，马氏体和 奥氏体界面的原子是二者共有的，而整个相界面是 相互牵制的。
发现，在室温以上温度形成的马氏体与奥氏体之 间存在K-S关系，而在-70℃以下形成的马氏体则 存在下列关系：
{111}γ ∥ {110}α′； <110>α′∥<112> γ
按照西山关系，在每个{111}γ晶面上马氏体只 有3种不同取向，因此共有12种马氏体取向。
第二节 马氏体转变的特点
西 山 关 系 与 K-S 关 系比较，晶面平行关系 相同，而平行方向却有 5°16′之差。
马氏体转变是在低温下进行的一种相变，对 于钢来说，不仅铁原子及其它置换原子不能扩 散，而且间隙的碳原子也较难以扩散（只有短 距离的移动），故马氏体转变具有一系列不同 于扩散型相变的特点。
第二节 马氏体转变的特点
一、切变共格与表面浮凸现象
马氏体转变时，在预先抛 光的试样表面产生倾动，出 现浮凸现象，这表明转变是 以切变机制进行。γ中已转变 为M部分发生切变而使点阵 重组，且一边凹陷，一边突 起，带动界面附近的未转变γ 随之发生弹塑性应变。
逆相变与马氏体相变具有相同的特点。与冷却 时的Ms和Mf相对应，逆相变也有相变开始点As和 相变终了点Af 。
固态相变知识点总结
固态相变知识点总结固态相变（solid state phase transition）是指物质在固态下，由于温度、压力等外界条件的变化，使得物质的晶体结构和性质发生显著变化的现象。
固态相变分为一级相变和二级相变两种类型，其中一级相变又称为凝固、熔化或者升华相变，而二级相变则包括了铁磁性转变、铁电性转变、铁弹性转变等多种类别。
一级相变是指固态物质在相变过程中伴随着传热的明显变化，其自由能函数在温度、压力和摩尔体积或摩尔焓差范围内不连续变化。
一级相变包括了凝固、熔化和升华三种基本类型。
凝固是物质由液态转变为固态的一种相变过程。
在凝固的过程中，液体的分子排列变得有序，形成规则的晶体结构。
凝固点是物质在一定压力下的温度，当温度降低达到凝固点时，液体开始凝固。
熔化是物质由固态转变为液态的一种相变过程。
在熔化的过程中，固体的晶体结构破坏，分子之间的相互作用减弱，形成无序排列的分子结构。
熔点是物质在一定压力下的温度，当温度升高达到熔点时，固体开始熔化。
升华是物质由固态转变为气态的一种相变过程。
在升华的过程中，固体的晶体结构破坏，分子之间的相互作用减弱，形成无序排列的分子结构。
升华点是物质在一定压力下的温度，当温度升高达到升华点时，固体开始升华。
与一级相变不同，二级相变是指固态物质在相变过程中没有明显的传热变化，其自由能函数在温度、压力和摩尔体积或摩尔焓差范围内连续变化。
二级相变包括了铁磁性转变、铁电性转变和铁弹性转变等多种类型。
铁磁性转变是指在一定温度下，物质由铁磁相转变为顺磁相或者反铁磁相的一种相变过程。
铁磁性转变常伴随着磁滞回线的出现，磁化强度和温度之间存在明显的关联。
铁电性转变是指在一定温度下，物质由铁电相转变为非铁电相的一种相变过程。
铁电性转变常伴随着电滞回线的出现，电极化强度和温度之间存在明显的关联。
铁弹性转变是指在一定温度下，物质由弹性相转变为非弹性相的一种相变过程。
铁弹性转变常伴随着应力-应变曲线的出现，应力和温度之间存在明显的关联。
第十五章固态相变原理基础1课件
第一节 金属固态相变的特征
一、相界面
固态相变时，新相与母相的界面为两种晶 体的分界面，按结构特点可分为共格界面、半 共格（部分共格）界面和非共格界面。
第一节 金属固态相变的特征
1、共格界面
界面上的原子完全位于两相晶格的结点上， 即两相界面上的原子排列完全匹配，界面上的原 子为两相所共有。
第一节 金属固态相变的特征
凝固理论与固态相变
Solidification Theory and Phase Transformations in Solids
第十五章 金属固态相变理论基础
前言
固态相变是金属热处理的基础。例如, 马氏体相 变使钢得以淬火强化，过饱和固溶体分解使合金得 以时效强化等。
金属相变理论研究不仅在热处理技术的发展中 具有决定性意义，而且在新型金属材料的研制中也 处于举足轻重的地位。
（3） 在新相与母相成分不同的情况下，由于溶质 原子在位错线上的偏聚（形成了气团），有利于 沉淀相核心的形成，对相变起到催化作用。
第二节 金属固态相变的形核
根据估算，当相变驱动力很小而新相与母相 的界面能约为2×105J/cm2时，均匀形核的成核率 仅为10-70/（cm3·s）；如果晶体中的位错密度为 108/cm，则由位错促成的非均匀形核的成核率为 108/（cm3·s）。可见当晶体中存在高密度位错时 ，固态相变很难以均匀形核的方式进行。
半共格界面晶核长大有两种形式——平面迁 移和阶梯推移。
a）
b
）
半共格界面的可能结构，a）平面状，b）阶梯状
第三节 金属固态相变的长大
平界面。刃型位错的柏氏矢量b沿 但是平界面位错攀移困难，故其牵制界面迁移， 阻止晶核长大。
阶梯界面。面间位错分布在阶梯界面上，位错的 滑移运动使阶梯跨过界面侧向迁移，而使界面朝 其法线方向发展，从而使新相长大。
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研究生课程教学大纲
课程编号：S292022
课程名称：凝固理论与固态相变
开课院系：机电工程学院任课教师：张亮
先修课程：材料科学基础适用学科范围：机械制造、材料加工
学时：36 学分：1
开课学期：2 开课形式：讲授
课程目的和基本要求：
本课程的授课对象是材料加工专业硕士研究生，属机械类专业的专业选修课。
开设本课程的目的是研究以材料科学为基础、分析材料在凝固过程中的相关理论和研究成果，分析材料相变理论在热处理过程中的应用。
该课程研究的内容为机械制造和材料加工及以上内容在金属材料中的应用。
在本课程中，培养学生利用所学知识正确分析与判断材料宁国过程的技能，并了解掌握相变理论知识的发展。
课程主要内容：
本课程主要介绍凝固理论和固态相变的进出理论和工程应用，是材料科学与工程专业的基础理论课程，阐述材料领域较为深入的理论。
其内容分为固液界面的原子迁移、界面结构稳定性、晶体生长及快速凝固、金属固态相变基础、钢中奥氏体的形成、珠光体转变、马氏体相变、贝氏体相变、钢中的回火转变和合金的脱溶沉淀与时效等部分。
通过课程的学习，旨在使学生理解和掌握凝固理论与固态相变的基础理论和方法及系统深入的专门知识，提高独立解决材料工程实际中存在问题的能力，培养学生的科研创新能力。
可培养学生从事金属材料的研究、生产和使用的能力。
课程主要内容如下：
第1章绪论
凝固的重要性、散热、凝固的微观组织、毛细作用、溶质再分配
第2章固液界面的原子迁移
形核条件、形核率、界面结构
第3章固液界面的形态不稳定性
纯物质的界面不稳定性、平面状固液界面前沿的溶质富集、合金的界面不稳定性、扰动分析
第4章凝固的微观组织：胞状和树枝状
强制性和非强制性生长、枝晶的形态和晶体学、针状晶尖端的扩散场、针状晶的控制点——尖端半径、定向生长后树枝晶的一次间距、定向或等轴生长后的二次间距第5章凝固的微观组织：共晶和包晶
规则和不规则共晶、扩散共生生长、毛细效应、共晶的作用范围、枝晶与共晶的竞争生长、包晶生长
第6章溶质再分配
定向凝固过程中的质量平衡、初始过渡过程、稳态、末端过渡区、小区域液相系统中的
快速扩散、微观偏析
第7章快速凝固的微观组织
偏离局域平衡、绝对稳定性、快速枝晶／胞晶生长、快速共晶生长、胞晶间的溶质再分配
第8章固态相变导论
金属及合金整合系统、固态相变中原子的迁移、固态相变热力学基础、形核、新相的长大、相变动力学
第9章逆共析转变与奥氏体
奥氏体、奥氏体成分的不均匀性、奥氏体等温形成动力学
第10章共析分解与珠光体
珠光体的形貌和物理本质、共析分解机理、共析分解的特殊形式：“相间沉淀”、过冷奥氏体共析分解动力学、珠光体表面浮凸及其成因
第11章马氏体相变与马氏体
马氏体相变的基本特征、马氏体相变的分类、马氏体相变热力学、马氏体的物理本质及组织形态、马氏体相变动力学、马氏体相变机制
第12章贝氏体相变与贝氏体
贝氏体相变理论的研究进展、贝氏体相变的特征和定义、贝氏体的组织结构、贝氏体相变热力学、贝氏体相变动力学、块状相变、贝氏体相变机制
第13章淬火钢的回火转变
Fe-C马氏体中碳化物的析出、合金马氏体中碳化物的析出及二次硬化、回火时a相和残留奥氏体的变化
第14章合金的脱溶
概述、脱溶热力学、调幅分解(拐点分解)、铝合金中的脱溶过程、合金脱溶(时效)时性能的变化、低碳钢的脱溶、含铜低碳钢的脱溶
课程主要教材：
1.库尔兹，费希尔，李建国(译)，胡侨丹(译)．凝固原理(第4版)．北京：高等教育出版社．2010年4
版
2.朱景川，来忠红．固态相变原理．北京：科学出版社. 2010年1版
主要参考文献：
1. 库尔兹，费希尔，李建国(译)，胡侨丹(译)．凝固原理(第4版)．北京：高等教育出版社．2010年4版
2.胡汉起．金属凝固原理．北京：机械工业出版社．2007年2-4版
3. 马幼平，许云华．金属凝固原理及技术．北京：冶金工业出版社．2008年1版
4. 朱景川，来忠红．固态相变原理．北京：科学出版社. 2010年1版
5. 程晓农、戴起勋、邵红红. 材料固态相变与扩散.北京：化学工业出版社.2006年1版.
学院审核意见：学位分委员会审批意见：
签字：签字：
日期：日期：。