东南大学材料科学基础-第6章固态相变初步

7.3.2 共析组织的生长和形貌
1. 两相协同生长， 形貌取决于各相生长速度 生长速度相仿－片状 一快一慢－不规则形貌 （degenerate) 2. 退火组织－球状
共析转变
共析转变
3. 片状共析组织中最小层间距和生长速度 最小层间距 S*∝(T)-1 ∴ T越大，Ｓ越小
生长速率 v kDc ( T )2 其中k是热力学常数
式中， V为晶核体积，S为晶核表面积，σ为单位面积界面能，
ω为单位体积弹性应变能。
其中： ΔGV = GN－GP为单位体积新旧两相化学自由能差 （GN、GP分别为新、旧相的自由能）.
相变驱动力：
ΔGV
当ΔGV＜0时，相变有可能发生。
假定晶核为半径为r的球体，上式变为：
4 3 4 3 2 G r GV 4r r (7.2) 3 3
32 3 临界晶核的体积： Vc （6.4) 3 3(GV ) 16 3 形核功： Gc （ 6.5） 2 3(GV )
从上面的三个表达式可见： GV（驱动力，绝对值）越大，则临界半径和临界晶核的体积越
小，形核功也越小；
越大，则临界半径和临界晶核的体积越大，形核功也越大； 越大，则临界半径和临界晶核的体积越小，形核功也越小。
(2 ) 相变驱动力
GV
G
a '
a
GV GV
a
形核驱动力
H
a '
T0 M s ( ) T0
a’-Fe
(3)碳在铁中的固溶体 -Fe a-Fe
马氏体相变
4.相变动力学 4.1 相变温度 Ms 相变起始度， 对于钢 Ms与碳含量有关 Mf 相变终止温度
脱溶（沉淀、析出）相变
少数合金系出现非连续沉淀，典型特例－Mg合金 特征： • 晶界形核 • 垂直于晶界生长 • 和母相晶界一起迁移 非连续沉淀往往是有害相
脱溶（沉淀、析出）相变
共晶b相
白色析出相
4m
7.2.2 连续沉淀的形核
脱溶（沉淀、析出）相变
（1）均匀形核 形核过程中的能量变化 ： G VGV S V （ 7.1)
可见过冷度越大，生长 速率越高，这是因为过 冷度越大， 驱动力越大。
由此也可见生长速率越高，层间距越小。 层间距越小，强度越高，
7.3.3 亚（过）共析组织中的先共析相和共析组织
共析转变
1) 亚（过）共析组织中共析相形核时，先形成相与共析转变前先共 析相相同，如：亚共析钢先生成a，过共析钢先生成Fe3C； 2) 先生成相依附于先共析相上形核。 3) 先共析相的形貌与冷却速度有关，冷却速度较大是容易形成魏氏 组织
（2）对于钢中的马氏体 反应结束后总有残余
奥氏体存在； －M+RA （3）奥氏体转变为马氏体后，C原子过饱和在 马氏体中。
7.4.2马氏体晶体学的一般概念
马氏体相变
（1）形貌
对于钢中的马氏体，含碳量不同，形貌也不同 低碳 中高碳 高碳
（2）惯析面（habit plane）
形成马氏体后表面有浮凸，表明相变过程中发形变
其中：Gd缺陷消失所引起的能量变化。 作为形核位置的缺陷类型不同，则Gd也不同。 以晶界形核为例计算形核功： 如果忽略弹性应变能，形核过程中 吉布斯自由能变化：
G VGV ab Sab aa Saa （ 7.7）
其中： ab 相界的界面能 aa 2 ab cos 晶界的界面能
魏氏组织：析出相呈现针状形貌，且沿某些特定的方向分布， 与母相有固定的位向关系
{110 }a //{111 } , 111a // 110
7.3.3 亚（过）共析组织中的先共析相和共析组织
共析转变
7.4 非扩散型相变－马氏体相变 非扩散型相变 亚稳相
马氏体相变
黑色和有色金属中均有马氏体相变 7.4.1基本特征(钢） （1）反应速度快 10－7s 时间内横跨奥氏体晶粒
脱溶（沉淀、析出）相变
设晶核形状是两个是球冠，则：
其中： Saa r 2 sin 2 形核前晶界的面 积 Sab 4r 2 (1 cos ) 形核后相界的面积 h r (1 cos ) 球冠高度 2 V r 3 ( 2 3 cos cos3 ) 晶核体积 3
速度越小； 2. 界面结构决定了界面能的大小, 界面的共格性程 度越高（错配度越小），则界面能越低； 3. 界面的迁移速率通常用界面迁移率（Mb)表示,
Mb 越大，界面迁移越快；
脱溶（沉淀、析出）相变
7.2.2 连续沉淀的长大
4. 当Mb很小， i很大时，界面迁移的速率受界面控制，称 之为界面控制长大；当Mb很大， i很小时，界面迁移的 速率受扩散控制，称之为扩散控制长大；介于上述两种情 况之间的是混合控制长大；
？
上 下 贝氏体转变
马 氏 体 相 变
7.1 各种扩散型相变的基本特征 五种扩散型相变： 1) 沉淀（脱溶）相变 b a 基本过程：形核、长大
各种扩散型相变的基本特征
新相从母相中沉淀析出 与结晶过程相似。
Cu-Ni-Al合金 X100000
Mg-2Nd合金
100nm
200nm
2、共析分解
各种扩散型相变的基本特征
G-T（Greninger-Troiano）关系 （在Fe-0.8%C-22%Ni合金中发现）： 与K-S关系基本一致，略有1~2°的偏差
马氏体相变
（4）马氏体的晶体结构 不同材料中的M晶体结构可能不同， 钢中，体心正方（四方），其点阵常数随碳含量变化而变
（5）Bain模型
马氏体相变
a. 取两个奥氏体晶胞（fcc）； b. 以[110]和[11 0 ]为新坐标系的x、y轴，z轴方向不 变，画晶胞； c.在z轴方向压缩20％，在a和b的方向上个伸长12％， 就成为马氏体晶胞。
代入(7.7)式，
G VGV ab Sab aa Saa （ 7.7）
临界半径： rc
令：G / r 0 ， 可得： 2 ab
GV
（ 7.8)
3
ab 8 3 形核功： Gc (2 3 cos cos ) （ 7.9） 2 3 GV
马氏体相变
在相变过程中，奥氏体和马氏体有一个公共的不变面 －惯析面
马氏体相变
* 惯析面所标的指数是奥氏体的晶面指数 含碳量不同，惯析面不同， 低碳钢：｛111｝ 中高碳钢：（0.6－1.4%C），｛225｝ 高碳钢：（>1.4%C）, {259}
马氏体相变
（3）位向关系
马氏体与奥氏体之间有位向关系
固溶体组元原子从无序排列到有序排列的转变过程 分两种类型： 一种有形核(有序畴）长大过程属一级相变， 另一种没有形核长大过程，属二级相变
各种扩散型相变的基本特征
各种扩散型相变的基本特征
各种扩散型相变的基本特征
7.2 脱溶（沉淀、析出）相变
冷却过程 中沉淀
脱溶（沉淀、析出）相变
按工艺分类
时效过程 中沉淀 自然时效 人工时效
脱溶（沉淀、析出）相变
4 3 4 3 2 G r GV 4r r 3 3
4 4 G r 3 GV 4r 2 r 3 3 3
脱溶（沉淀、析出）相变
令：G / r 0 ， 可得：
临界半径： rc 2 (6.3) GV
脱溶（沉淀、析出）相变
GPZ
过渡相
脱溶（沉淀、析出）相变
（2）形成亚稳相的热力学条件
脱溶（沉淀、析出）相变
(3)脱溶分解对合金性能的影响
脱溶（沉淀、析出）相变
7.3 共析转变
典型实例－珠光体转变 －a＋Fe3C
7.3.1 共析体转变的形核和长大过程
• 有一相(a和Fe3C) 先在晶界形核,哪相 先形核取决和于母相之间的界面能。 • 先形成相和母相（晶界另一侧） 之间有固定的位向关系，以致有较低 的界面能。完成珠光体形核。 • 由于一相先形成，母相中浓度变 化，使后形成相形核容易。它与母相 （晶界另一侧）之间亦有固定位向 系。 • 第二相形核后又有利于第一相再形 核，这样反复交替，
沉 淀 相 变 的 分 类 按组织分类
稳态组织 连续沉淀 亚稳态组织 非连续沉淀
7.2.1 连续沉淀和非连续沉淀 （1）连续沉淀 一般情况下 连续沉淀 连续脱溶 均匀形核和非均匀形核 非均匀形核的可能形核位置 晶界、位错、和空位
脱溶（沉淀、析出）相变
高 温 合 金 中 的’ 相
（2）非连续沉淀
时效：固溶淬火＋回火 平衡析出： 当低时效温度： GPZ、”、 ’ －过渡相 过渡相与平衡相的区别： 结构不同 与基体的位向关系不同 界面结构不同
脱溶（沉淀、析出）相变
Al-Cu合金中的GPZ和过渡相的TEM像
Cu－Al－Ni合金中GPZ
脱溶（沉淀、析出）相变
(1)亚稳相的结构
马氏体相变
成功之处：能解释马氏体 和奥氏体的位向关系 缺点： 不能解释相变中 的不变面
马氏体相变
（6）唯象理论
为了解释不变面相变机制中引入切变，这样不变面
实际上是一个表象面，而不是真正意义上的晶面
马氏体相变
7.4.3 相变热力学
(1) 相变温度和RA • 相变温度 Ms、 Mf 与化学成分、外加应力有关 • 残余奥氏体（RA）在Mf以下存在
5. 一个沉淀相的颗粒（晶粒）与母相之间的相界可能不止 一
种，不同的相界迁移率不同；这决定了沉淀相颗粒的形貌； 6. 如果一个沉淀相颗粒与母相之间的相界不止一种，颗粒 粒在不同的方向上长大速度不同。晶颗粒长大的动力学问 题比较复杂。
7.2.4 脱溶产生的亚稳相
脱溶（沉淀、析出）相变
脱溶相变的产物可能是平衡相，也可能是亚稳相 如：Al-Cu合金时效 温度不同，析出相不同。
4、块状转变 新相的成分与母相相同，但晶体结构不同， b a 不同于脱溶 晶界形核，快速长大，形貌无规则 如：纯铁或低碳钢在一定的冷却速度下相转变为成分 相同而形貌呈块状的a相。 纯铁、Cu-Zn等合金中
各种扩散型相变的基本特征
各种扩散型相变的基本特征
块状转变
脱溶
5、有序化转变
各种扩散型相变的基本特征
脱溶（沉淀、析出）相变
影响形核的主要内在因素： －界面能 在什么形核位置上形核取决于：
形成什么样的相界使系统的能量达到最小值。
界面的类型：
脱溶（沉淀、析出）相变
共格界面
半共格界面
非共格界面
脱溶（沉淀、析出）相变
复杂半共格界面－固定的位向关系
脱溶（沉淀、析出）相变
7.2.2 连续沉淀的长大
1. 长大的速度主要取决于界面能，界面能越低长大
第六章 固态相变初步
固态相变的分类
• 按热力学：一级相变——化学位相等，但一阶偏 导数不等 二级相变——二阶偏导数不等
• 按动力学：扩散型相变 非扩散型相变 过渡型相变
晶体学
热力学
扩散
界面
固态相变
扩散型相变
脱 溶 相 变
共 析 相 变 调 幅 分 解 块 状 转 变 有 序 化 转 变
非扩散型相变
脱溶（沉淀、析出）相变
（2）非均匀形核
在固态相变中绝大多数是非均匀形核 析出相呈均匀分布不一定是均匀形核 例：Cu-Al-Ni三元系中的沉淀相NiAl和Cu9Al4（2）
脱溶（沉淀、析出）相变
非均匀形核的形核位置－晶体缺陷（界面、位错、空位）
形核过程中的吉布斯自由能变化：
G VGV S V Gd (6.6)
一个固相分解为结构不同的两个新相混合物的相变
a b
典型实例：珠光体转变
百度文库
3、调幅分解 a a1a2
各种扩散型相变的基本特征
特征：1、a、a1、a2结构相同，点阵常数不同 2、没有形核过程 3、成分分布呈调幅波 形成条件： G－X曲线的拐点内（化学调幅）
各种扩散型相变的基本特征
各种扩散型相变的基本特征
K-S（Kurdjumov-Sachs）关系（在Fe-1.4%C合金中发现）：
{111 } //{110 }a , 110 // 111a
西山（Nishiyama-Wassermann）关系 （在Fe-30%Ni合金中发现）：
{111 } //{110 }a , 112 // 110 a