固态相变1资料
固态相变
按相变方式分类
相变过程的实质
1、结构：同素异构、多形性、马氏体、
块状转变、 2、成分：调幅分解
3、有序化程度：有序化转变
4、结构和成分：贝氏体转变、共析、脱 溶沉淀
注意
同一种材料在不同条件下可发生不同的相变，从而获得不同的组织
和性能。
共析碳钢
平衡转变:珠光体组织，硬度约为HRC23；
快速冷却:马氏体组织，硬度达HRC60以上。
A1-4%Cu合金
平衡组织:抗拉强度仅为150MPa； 不平衡脱溶沉淀:抗拉强度可达350MPa。
由此可见，通过改变加热与冷却条件，使之发生某种转变继而获得
某种组织，则可在很大程度上改变材料的性能。
金属固态相变的一般特征
大多数固态相变（除调幅分解）都是通 过形核和长大过程完成的。因此，液态 结晶理论及其基本概念原则上仍适用于 固态相变。但是，由于相变是在“固态”
固体相变
重点内容：
① 相变的分类及相变分析；
② 液-固相变过程的热力学和动力学分析，晶 体生长过程动力学； ③ 固态相变的特点，固态相变的形核与晶核 长大。
1.基本概念 相变：指当外界条件如温度、压力等发生变化 时，物相在某一特定条件下发生的突变。 *狭义相变：过程前后相的化学组成不变， 即不发生化学反应。 如：单元系统中,晶体I晶体Ⅱ *广义相变：包括过程前后相组成的变化。 相变表现：1）从一种结构转变为另一种结构； 2）化学成分的不连续变化； 3）物质物理性能的突变。 应用：相变可以控制材料的结构和性质。
P T 1 T P
一般类型： 晶体的熔化、升华； 液体的凝固、气化； 气体的凝聚以及晶体中的多数晶型转变等。
结果：有相变潜热，并伴随有体积改变。
固态相变
非连续脱溶与连续脱溶的主要区别： 连续脱溶属于长程扩散，非连续脱溶属于短程 扩散。 非连续脱溶的产物主要集中于晶界上，并形成 胞状物；连续脱溶的产物主要集中于晶粒内部， 较为均匀。
36
四、调幅分解（Spinodal Decomposition） 调幅分解（也称为增幅分解）是指过饱和固溶 体在一定温度下分解成结构相同、成分不同两 个相的过程。
20
3）空位对形核 促进扩散
空位形核 被新相生成处空位消失，提供能量 空位群可凝结成位错 （在过饱和固溶体的脱溶析出过程
中， 空位作用更明显。）
21
第三节 固态相变的的晶核长大
扩散
长大
切变
界面控制
相界面附近 原子的短程 迁移进行
扩散控制
原子的长 程扩散完 成
一、长大机制 共格、半共格界面的晶核，长大方式不同。 实际长大的界面：非共格和半共格界面。
22
1.非共格界面的迁移 非共格界面的迁移方式有两种。 1)直接迁移模式：母相原子通过热激活越过界 面不断地短程迁入新相，界面随之向母相中迁 移，新相长大。 2)原子迁移至新相台阶端部：
23
2 半共格界面的长大
1）切变长大
界面长大通过半共格界面上母相一侧的原子的 均匀切变完成，大量原子沿着某个方向作小间 距的迁移并保持原有的相邻关系不变。——协 同型长大。
7
2 半共格界面 3 非共格界面
8
二、位向关系 固态相变中，新相常与低指数、原子密度大且 彼此匹配较佳的晶面互相平行，借以减小新相 与母相之间的界面能。典型的关系是K-S关系。 {111}γ//{110}α,<110>γ//<111>α 表明晶体发生固态相变时新相和母相存在特定 的关系。
5. 固态相变
α
∂ G ≠ ∂p 2 T
2
β
T
∂ G ∂ G ≠ ∂T∂p ∂T∂p
2 2
α
β
由于
cp ∂ 2G ∂S 2 = − =− ∂T T p ∂T p
迁移使点阵发生改组。马氏体转变 固态相变不一定都属于单纯的扩散型或非扩散 型。
3. 按相变方式分类 有核相变和无核相变
有核相变：有形核阶段， （1）有核相变：有形核阶段，新相核心可均匀形 也可择优形成。大多数固态相变属于此类。 成，也可择优形成。大多数固态相变属于此类。 （2）无核相变：无形核阶段，通过扩散偏聚的方 无核相变：无形核阶段， 式进行。以成分起伏作为开端， 式进行。以成分起伏作为开端，新旧相间无明显界 如调幅分解。 面，如调幅分解。
第五章
固态相变
第一节
总论
固态相变的定义：
固体材料的组织、结构在温度、压力、成分改 变时所发生的转变统称为固态相变。
一、固态相变的特点
驱动力: 大多数固态相变是通过形核和长大完 成的，驱动力是新相和母相的自由焓之差。 阻力: 界面能和应变能。
1. 相界面
a) 共格界面
b) 半共格界面
c) 非共格界面
晶粒1 晶粒2
新相
非共格界面 晶界
共格或半共格界面
晶界形核示意图
四、晶核的长大 1. 晶核长大的方式 “平民式”散漫无序位移 非协同型长大 “军队式”有序位移 协同型长大 2. 晶核长大类型
• 成分不变协同型长大 • 成分不变非协同型长大 • 成分改变协同型长大 • 成分改变非协同型长大 前两类无需溶质原子扩散，长大速度仅与界面点 阵重构过程有关，故晶核长大速度很快。
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。
6.1固态相变资料
相界
a D
共格相界
a 半共格相界
非共格相界
• 半共格相界上位错间距取决于相界处两相匹配晶面的错 配度。
界面能
在三种相界面中，由于界面结构不同，界面性质也存在 很大差异，从而影响固态相变的形核与生长过程。
（1）共格界面的原子匹配性最好，界面能最低；
化，原子以切变和转动的方式，即相对周围原子发生有规律的少 量的偏移，基本维持原来的相邻关系，而发生晶体结构的改变。
新旧相的界面是共格的，转变前后两相的化学成分不变，两 相的位向关系不变。 马氏体相变就是属于非扩散型相变。 3）过渡型相变：
介于二者之间的，具有扩散型和非扩散型的综合特征的中间 转变称为过渡型。
（a）完全共格 （b）伸缩型半共格 （c）切变形半共格 （d）非共格
（2）共格界面
②半共格界面：若两相邻晶体在相界面处的晶面间距 相差较大，则在相界面上不可能做到完全的一一对应，于是在 界面上将产生一些位错，以降低界面的弹性应变能，这时界面 上两相原子部分地保持匹配，这样的界面称为半共格界面或部 分共格界面。
（2）共格界面
固态相变时，界面为相界面。如果界面上两相原子排列匹配得 越好，界面的能力就会越低。特别是在形核阶段最易出现匹配关系 很好的界面。根本原因就是有利于相变阻力的降低。
①共格界面： 所谓“共格”是指界面上的原子同时位于两相晶格的结点上， 即两相的晶格是彼此衔接的，界面上的原子为两者共有。但是理想 的完全共格界面，只有在孪晶界，且孪晶界即为孪晶面时才可能存 在。 只有两相的晶体结构和晶格常数，特别是在界面上两相的晶体 结构和晶格常数非常接近的时候，才能形成完全共格界面。
➢ 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、离子或电子的位置或位向）或不同组织形态或不同性 质的相，称为相变。
固态相变基础1
固态金属（包括纯金属和合金）在加热和冷却过程中可能发生各种相的转变，称为固态相变。
材料科学研究中的固态相变主要是指温度改变而产生的相变。
固态相变包括以下三种基本变化：①晶体结构的变化②化学成分的变化③有序程度的变化。
按相变过程中原子的运动特点分类:1）扩散型相变；2）非扩散型相变。
扩散型相变特点转变，块状转变，多形性转变，调幅分解1. 脱溶分解脱溶：从过饱和固溶体中析出新相的过程称为脱溶或沉淀。
条件：凡是有固溶度变化的相图，从单相区进入两相区时都会发生脱溶。
固溶处理工艺＝淬火，不是淬火, 没有相变。
脱溶过程中由于析出了弥散分布的强化相，导致强度硬度显著升高的现象称沉淀强化（沉淀硬化），溶质原子的沉淀需要时间，随着时间的延长强化效果明显，又称为时效强化。
2）调幅分解：调幅分解（也称为增幅分解）是指过饱和固溶体在一定温度下分解成结构相同、成分不同两个相的过程。
特点：1）两个相之间没有明显的界面2）调幅分解没有形核，因此没有新的晶体结构出现3）调幅分解的成分变化通过上坡扩散来实现。
3)块状转变:新相与母相成分一样,但晶体结构不同.非扩散型相变：前后组元原子运动不超过一个原子间距的转变。
按平衡状态分类1)平衡相变2)非平衡相变三、按热力学分类1)一级相变 2)二级相变金属固态相变与液态金属结晶一样，金属固态相变与液-固相变一样，其相变驱动力来自新相与母相的自由能差，也通过形核和长大两个过程来完成。
但因相变前后均为固态，固有以下几个特点：（1）.界面与界面能固态相变时，母相和新相均为固相，故其界面与固/液界面不同。
通常固/固界面可以按结构特点分为共格界面、半共格界面和非共格界面三种，其中共格界面界面能最低，半共格界面次之，非共格界面最高。
（2）.惯习面和新、旧两相的位相关系惯习面的存在是为了减小两相的界面能，它的存在表面新相与母相存在一定晶体学位相关系。
（3）.弹性应变能固态相变的阻力由界面能和弹性应变能构成。
材料科学基础固态相变PPT课件
固态相变
《材料科学基础》第八章
固态相变 1
第四章第一节
固态相变总论
《材料科学基础》第八章 第一节
固态相变 2
固态相变的定义：
固体材料的组织、结构在温度、压力、成 分改变时所发生的转变统称为固态相变。
一、固态相变的特点
大多数固态相变是通过形核和长大完成的， 驱动力同样是新相和母相的自由焓之差。 阻力: 界面能和应变能
V
所以 Sα≠Sβ, Vα≠Vβ
一级相变有体积和熵的突变， △V≠0，△S≠0
固态相变
7
二级相变：
若相变时，Gα＝Gβ，μαi=μβi ，并且自由焓的 一阶偏导数也相等，但自由焓的二阶偏导数 不相等，称为二级相变。
G T
p
G T
p
G p
T
G p
T
固态相变
8
2TG2
p
2G T2
固态相变
19
3. 晶核长大控制因素
对于冷却过程中发生的相变，当相变 温度较高时原子扩散速率较快，但过 冷度和相变驱动力较小，晶核长大速 率的控制因素是相变驱动力；相变温 度较低时，过冷度和相变驱动力较大， 原子的扩散速率将成为晶核长大的控 制因素。
固态相变
20
<1>受界面过程控制的晶核长大 过冷度较小时，新相长大速率u与驱动力 △G成正比；过冷度较大时，长大速率随温 度下降而单调下降。
γαβ
θ β
rθ
△G=V△GV+Aαβγαβ +V△GE -Aααγαα
固态相变
界面形核示意图
16
推导出：
r* =-2γαβ/(△GV+△GE)
△G*非=△G*均 f( θ)
金属材料科学工程固态相变理论1
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：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。
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：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：①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；②新相和母相得成分往往不同；③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。
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：①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；②相变不需要通过扩散，新相和母相的化学成分相同；③新相和母相之间存在一定的晶体学位向关系；④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。
共格界面：若两相晶体结构相同、点阵常数相等、或者两相晶体结构和点阵常数虽有差异，单存在一组特定的晶体学平面使两相原子之间产生完全匹配。
此时，界面上原子所占位置恰好是两相点阵的共有位置，界面上原子为两相所共有，这种界面称为共格界面。
当两相之间的共格关系依靠正应变来维持时，称为第一类共格；而以切应变来维持时，成为第二类共格。
半共格界面：半共格界面的特点：在界面上除了位错核心部分以外，其他地方几乎完全匹配。
在位错核心部分的结构是严重扭曲的，并且点阵面是不连续的。
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T 2
P
2
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P
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TP TP
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P
CP T
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P2
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TP
k 1 V V P T
1 V
V T P
➢ 相变时，Sα＝Sβ；Vα＝Vβ；CPα≠CPβ；Kα≠Kβ；λα≠λβ即在二级相变时，无
2020/10/4
U S T P
U V P T
➢在一级相变时，熵S和体积V将发生不连续变化，即一级相变有
相变潜热和体积改变。
➢材料的凝固、熔化、升华以及同素异构转变等均属于一级相变。
几乎所有伴随晶体结构变化的固态相变都是一级相变。
2020/10/4
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商也相等，但化学势的二级
• 相变热力学与动力学基础
2020/10/4
金属固态相变概论 Solid-State Transformation
相（phase）
什么是相？ 物理性质和化学性质完全相同且均匀的部分。 相与相之间有分界面，可用机械的方法将它们分开。 系统中存在的相可以是稳定的、亚稳的或不稳定的。 系统在某一热力学条件下，只有当能量具有最小值的 相才是最稳定的。系统的热力学条件改变时，自由能
固态相变 第一讲
2020/10/4
参考书目
康煜平主编 《金属固态相变及应用》，化学工业出版社，2007 徐洲等主编 《金属固态相变原理》，科学出版社，2004 崔忠圻主编 《金属学与热处理》，机械工业出版社，1983 戚正风主编 《金属热处理原理》，机械工业出版社，1987 赵连成主编 《金属热处理原理》，哈尔滨工业大学出版社，1987 夏立芳主编 《热处理工艺学》，哈尔滨工业大学出版社，1996 刘宗昌主编 《金属固态相变教程》，冶金工业出版社，2004 安运铮主编 《热处理工艺学》，机械工业出版社，1988 G.克劳斯主编 《钢的热处理原理》，冶金工业出版社，1987
会发生变化，相的结构也相应发生变化。
2020/10/4
金属固态相变概论
固态相变：金属或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，即发生从一种相状态到另一种相状态的改 变。
相变前的相状态称为旧相或母相， 相变后的相状态称为新相。 控制相变过程获得预期的组织，具有预期的性能。 最常用手段：热处理
2020/10/4
本章要点
• 金属固态相变的主要类型与分类
– 平衡转变与非平衡转变； – 按不同方式对相变进行分类(热力学、原子移动机制、相变方式)
• 固态相变的一般特征
– 位向关系、关西面及弹性应变能的概念； – 母相晶体缺陷对相变机制的影响；
• 形核与长大
– 均匀形核、晶界形核与位错形核； – 影响形核的因素； – 扩散生长与滑移生长 – 影响生长的因素
β密集六角
C 金刚石
碳
6
石墨
钻石立方 六角
W
钨 74 α 体心立方
β 复杂立方
Np
镎 93 α 正 交
β四 方
γ 体心立方
元素符 号 Mn
Hf La Co U
Zr S
元素 名称 锰
铪 镧 钴 铀
锆 硫
原子 序数 25
72 57 27 92
40 16
晶型
α 复杂立方 58 β复杂立方 20 γ 面心四方 δ 面心立方 α 密集六角 β 体心立方 α 密集六角 β 面心立方 α 密集六角 β 面心立方 α正 交 β四 方 γ 体心立方 α 密集六角 β 体心立方 α正 交 β单 斜
相变潜热和体积改变，只有比热CP、压缩系数K和膨胀系数λ的不连续变化。
➢ 材料的部分有序化转变、磁性转变以及超导体转变均属于二级相变。
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高级相变
在临界温度，临界压力时，一阶，二阶偏导数相等，而三阶偏导数不相 等的相变成为三级相变。 实例：量子统计爱因斯坦玻色凝结现象为三级相变。 依次类推，自由焓的n-1阶偏导连续，n阶偏导不连续时称为高级相变。 二级以上的相变称为高级相变，一般高级相变很少，大多数相变为低级 相变。
2020/10/4
固态相变分类
2020/10/4
按相变热力学（一级相变、二级相变、高级相变）
➢ 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商不等。
设α代表旧相，β代表新相，μ为化学势、T为温度、P为压力，则有：
U1 U 2 T P T P
U1 U 2 P T P T
2. 多形性转变 固溶体中一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程--- FA
2020/10/4
元素符 元 素 原 子 晶 型
号
名称 序数
Fe
铁 26 α 体心立方
γ 面心立方
δ 体心立方
ε 密集六角
Cr
铬 24 α 体心立方
β 密集六角
Ce
铈 58 α 面心立方
β 密集六角
Ca
钙 20 ）分类
平衡转变、非平衡转变
一、平衡相变(equilibrium transformation) 固态金属---缓慢加热或冷却---获得符合相图的平衡组织
1. 同素异构（allotropic）转变 纯金属：温度和压力改变时----由一种晶体结构转变为另一种晶体结构 的过程------Fe、Ti、Co、Sn 所有70余种金属元素中只有12种金属元素具有多种晶型，而其余的非 金属元素中只有两种元素具有多种晶型。
2020/10/4
2020/10/4
3 平衡脱溶转变
➢高温过饱和固溶体缓慢
冷却过程中析出第二相的 过程
➢特点：
(a) 新相的成分和结构始 终与母相的不同； (b)母相不会消失。
➢钢在冷却时，由奥氏体
析出二次渗碳体的过程
可发生脱溶转变的合金
2020/10/4
4.共析（eutectoid）转变 一个固相分解为两个不同的固相 γ→ 特点：生成的两个相的成分和结构与原母相不同 5.调幅（spinodal)分解 一种固溶体分解为结构相同，而成分明显不同的微区，→12 特点：转变初期，无明显界面和成分突变，随后通过上坡扩散溶质再分 配，富溶质原子1与贫溶质原子2 。如Al-Zn、Al-Cu、Fe-Cr等合金。 6.有序化转变 固溶体中，各组元的相对位置从无序→有序转变过程。如Cu-Zn，CuAu，Mn-Ni，Ti-Ni等合金。