金属固态相变原理
二、非平衡转变 (non-equilibrium transformation)
4.贝氏体(bainite)转变 有碳原子扩散而铁原子不扩散的不 平衡转变。
5.不平衡脱溶沉淀(non-equilibrium pricipitation ) 在不平衡状态下，过饱和固溶体中 析出新相的转变。
三、固态相变的其他分类
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----有一种晶体结构转变为另一 种晶体结构的过程------Fe、Ti、Co、Sn 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
平衡相变
(3)平衡脱溶转变
扩散型相变
相变时原子迁移特征
非扩散型相变
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。如同素异构转变、多晶型转变，脱溶型 相变、共析型相变、调幅分解和有序化转变等等。
特点：
（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）新相和母相的成分往往不同； （3）只有因新相和母相比容不同而引起的体积变化，没
（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。
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。
固态相变分类
§1-1 金属固态相变的主要类型
按照转变条件，分为：平衡转变、非平衡转变 一、平衡相变(equilibrium transformation)
Fe-C相图的伪共析区
二、非平衡转变 (non-equilibrium transformation)
2. 马氏体(martensite)转变： 无扩散的共格切变型相变。
结构：成分与A相同。在Cu合金， Ti合金及其无机非金属材料中发现了马 氏体转变。 3. 块状(massive)转变
冷却速度不够快-----形成相的形状是 不规则的块，与母相的成分相同、 与母 相的界面是非共格的、无扩散相变。在 Fe-C，Cu-Zn，Cu-Ga合金中存在。
1.012
1.009 1.006
碳含量(%)
0.27 1.4 0.29 1.2 0.29
0.27
0.21 0.14
225
1h
2.861
2.874 1.004
0.08
250ห้องสมุดไป่ตู้
1h
2.863
2.872 1.003
0.06
平衡相变
7.包析转变：两个固相合并转变为一个固相的转变过程。 →。如Fe-B，Mg-Zn，Cu-Sn系合金。
金属固态相变原理
夏鹏成 山东科技大学材料科学与工程学院
教材及其参考书目
教 材：
胡光立主编 《钢的热处理（原理和工艺）》，西工大出版社，1996
参考书：
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 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 戚正风主编 《金属热处理原理》，机械工业出版社，1987 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
实验名称与学时安排
序 号
章目名称
学时 序 分配 号
1 奥氏体组织的观察
2
6
2 P、B、M的组织观察 2
7
3
常规热处理工艺
2
8
4
末端淬火法
2
9
5
表面渗碳
2 合计
章目名称 综合热处理实验
学时 分配
2
12
第一篇
热处理原理
Principle of Heat Treatment
第一章 金属固态相变概论
Generality of Solid-State Transformation
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，也称为“协同型”转变。非扩散型相变时原子 仅作有规则的迁移以使点阵发生改组。迁移时，相邻原子相对移动距离 不超过一个原子间距，相邻原子的相对位置保持不变。
特点：
（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。
含碳 1.4%的马氏体回火后点阵常数、正方度与含碳量的变化
回火温度℃ 回火时间 a
室温
10d
2.846
100
1h
2.846
125
1h
2.846
150
1h
2.852
175
1h
2.857
200
1h
2.859
c
2.880 3.02 2.882 3.02 2.886
2.886
2.884 2.878
c/a
1.012 1.062 1.013 1.062 1.013
➢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
平衡相变
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、Fe-Cr、高碳M在80C 回火时也发生调幅分解。 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。
1： + → 2： + →
二、非平衡转变 (non-equilibrium transformation)
快速加热或冷却----平衡转变受到抑制 ----发生某些在相图上不能反映的不平衡 （亚稳）组织。 1.伪共析(pseudo-eutectoid)转变
由成分偏离共析成分的过冷固溶体 形成的貌似共析体的组织转变。 组成相的相对量由A的碳含量而变。
金属固态相变资料.pptx
3. 按相变方式分类
（1）形核-长大型相变：相变时在很小范围内发生原子 相当激烈的重排，生成新相核心，两相之间产生相界。 相变靠不断的生核和晶核的长大实现。脱溶转变、共析 转变属于此类。 （2）连续型相变：相变时在很大范围内发生原子轻微 的重排，相变的起始状态与最终状态之间存在一系列连 续状态，不需形核，靠连续涨落形成新相。调幅分解属 于此类。
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3.奥氏体的稳定化
概念：马氏体转变中止、停顿后再继续冷却时出 现转变滞后和残余奥氏体量增多的现象。
（1）热稳定化 A体淬火时因缓慢冷却或在MS～Mf之间某温度
停留一段时间后，使过冷奥氏体转变迟滞的现象。
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（2）机械稳定化 在应力—应变作用下可以促进钢中的相变发生，即形变诱发
（3）空位形核
（4）层错形核
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。）
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新相的长大
1.界面过程控制的新相长大 （1）非热激活界面近程控制的新相长大 （2）热激活界面过程控制的新相长大
切
台
变
阶
长
式
大
长
大
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2 扩散控制的新相长大 （1） 界面控制长大 新相生成时无成分变化(有结构、有 序度变化）
S：650～600℃, S0=80～150nm,高倍OM
T: 600～550℃, S0=30～80nm,TEM
组织名称
表示符号
形成温度范围 /℃
硬度
片间距/nm
能分辨片层的 放大倍数
珠光体
P
A1~650
170~200HB 150~450
金属固态相变原理
金属固态相变原理
金属固态相变原理是指金属在一定条件下从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的现象。
金属固态相变是金属材料性质变化的根本原因，对于金属材料的微结构和力学性能具有重要影响。
金属固态相变通常发生在固态下的高温和高压条件下。
当金属的温度或压力发生变化，原子间的相互作用力也会发生变化，从而引起晶体结构的转变。
金属固态相变的过程中，原子重新排列形成新的晶体结构，相应地，金属材料的物理性质和力学性能也会发生改变。
金属固态相变的原理是基于金属的晶体结构和原子间的排列方式。
金属材料的晶体结构可以分为多种不同的形态，包括体心立方结构、面心立方结构、六方最密堆积结构等。
不同的晶体结构具有不同的密堆积方式和原子排列方式，决定了金属材料的力学性能和物理性质。
金属固态相变的原理还涉及到金属的晶格畸变和原子扩散。
晶格畸变是指金属晶体结构在相变过程中的形变和畸变现象，它可以影响金属材料的晶体结构稳定性和力学性能。
原子扩散是指金属内部原子的迁移和重新排列的过程，是金属固态相变发生的基础。
总之，金属固态相变原理是基于金属材料的晶体结构和原子间的相互作用力，通过改变材料的温度、压力和其他外界条件，使金属发生晶体结构的转变，进而影响金属材料的物理性质和
力学性能。
这一原理对于金属材料的研究和应用具有重要的意义。
金属固态相变原理
等离子热处理
形变热处理
真空热处理
化学热处理
• ( 2) 结合产业形势, 反映当前市场需求。
• 现代工业的发展，对制造业提出了更高的要求， 因此材料工业也遇到了很好的提升空间。
• ( 3) 将科研成果引入教学中, 实行产学结合。例 如, 讲到马氏体时，把ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ近分析的T12钢锉刀的失 效工件结合理论分析, 把实际科研成果转变成生 动的教学案例。让学生们明白： 固态相变可以决定产品的内在质量
• 第三章 珠光体转变
3.1 珠光体的组织特征 3.2 珠光体转变机制 珠光体转变时的领先相/ 珠光体的形成过程 亚(过)共析钢的珠光体转变
3.3 珠光体转变动力学
形核率/ 和长大速度 先共析相的长大动力学 影响珠光体转变动力学的因素 3.4 珠光体转变产物的机械性能 珠光体转变动力学图
P的机械性能
• 第五章贝氏体相变
5.1贝氏体相变的基本特征和组织形态 贝氏体相变的基本特征 钢中贝氏体的组织形态 柯俊贝氏体相变假说
5.2贝氏体相变机制
恩金贝氏体相变假说 贝氏体的形成过程 5.3贝氏体相变动力学及其影响因素 贝氏体等温相变动力学 5.4钢中贝氏体的机械性能 影响贝氏体机械性能的主要因素 贝氏体的强度和硬度 贝氏体的韧性 贝氏体相变时碳的扩散
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，着重讲述金 属材料在热处理过程中的基本原理和理论
知识。
4. 《金属固态相变原理》授课内容及重点
第一章 金属固态相变基础 1.1 金属固态相变概论 主要分类 主要特点 1.2 金属固态相变热力学 热力学条件 形核 晶核长大 1.3 金属固态相变动力学 金属固态相变的速率 钢中过冷奥氏体转变动力学
金属固态相变的主要特点
金属固态相变的主要特点金属固态相变是指金属在固态下由于温度、压力或其他外界条件的变化而引起的物理结构和性质的变化。
金属固态相变的主要特点有以下几个方面：1. 温度变化引起的相变：金属的固态相变主要是由于温度的变化引起的。
当金属的温度超过一定的临界温度时，金属内部的晶体结构会发生变化，从而导致固态相变。
例如，铁在不同的温度下会发生α相到γ相的相变，这种相变是由于温度变化引起的。
2. 压力变化引起的相变：除了温度变化，金属固态相变还可以由压力的变化引起。
当金属受到外界的压力作用时，原子之间的距离和排列会发生变化，从而导致固态相变。
例如，钻石可以在高压下转变为金刚石，这是由于压力变化引起的相变。
3. 结构和性质的变化：金属固态相变不仅会引起晶体结构的变化，还会导致金属的性质发生改变。
例如，铁的相变会引起其磁性的变化，从铁磁性到顺磁性的转变。
这种结构和性质的变化对金属的应用具有重要的影响。
4. 相变的可逆性：金属固态相变通常是可逆的，即当外界条件恢复到原来的状态时，金属可以再次发生相反的相变。
这与金属的液态相变或气态相变不同，液态和气态的相变通常是不可逆的。
5. 相变的影响因素：金属固态相变的发生受到多种因素的影响，包括温度、压力、晶体结构、晶界能量等。
这些因素会影响金属内部原子的排列和运动方式，从而导致相变的发生和性质的改变。
6. 金属固态相变的应用：金属固态相变在材料科学和工程中具有重要的应用价值。
通过控制金属的相变过程，可以制备出具有特定结构和性质的材料，如形状记忆合金和超弹性材料等。
这些材料在医学、航空航天等领域有着广泛的应用。
金属固态相变是金属在固态下由于温度、压力或其他外界条件的变化而引起的物理结构和性质的变化。
它具有温度和压力变化引起的相变、结构和性质的变化、相变的可逆性、影响因素和应用等主要特点。
金属固态相变的研究对于材料科学和工程具有重要意义，并且在实际应用中有着广泛的应用前景。
【固态相变原理】第一章 金属固态相变基础2
（2）过冷度很大 此时，ΔGα→γ »kT， exp（-ΔGα→γ/kT）→ 0，则
v ∝exp（-Δg/kT） 可见，过冷度很大时，新相长大速 度随温度降低呈指数函数减小。
(2) 位错形核
• 新相在位错线上形核，新相形成处 的位错线消失，释放出来的畸变能 使形核功降低，从而促进形核。
• 位错线不消失，依附在新相界 面上，成为半共格界面中的位错 部分，补偿了错配，因而降低了 界面能，故使新相形核功降低。
• 溶质原子在位错线上偏聚（ 形成气团），满足成分起伏 条件。 • 位错线是扩散的短路通道
• 若界面迁移需要借助原子的扩散， 而扩散需要时间，故新相的长大速 度相对较低。
扩散分为短程扩散和长程扩散，原 子只做短程扩散时，表明新相长大 不会引起成分的变化；反之，新相 长大通过原子的长程扩散来实现， 则伴随成分的变化。
短程扩散——受界面扩散控制 只有获得额外能量越过相变势垒的原子
νγ→α = ν0 exp（-Δg/kT）
另一种可能，在非共格界 面的微观区域中也可能呈现 台阶状结构，台阶平面是原 子排列最密的晶面，台阶高 度约相当于一个原子层，小 台阶的横向移动，导致相界 面的纵向推移，使新相长大 。
晶核长大速度 新相长大速度取决于相界面迁 移速度。 • 对于以点阵切变机制实现的界面迁 移，不需要原子扩散，其长大激活 能为零，故一般具有很高的长大速 度。
晶核长大机理 实质上是界面向母相方向的迁移
与界面结构有关 共格 半共格 非共格
共格界面的迁移 如何实现保持共格而实现相界面移动？
协同或切变
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。
金属固态相变原理PhaseTransformationTheoryofMetalMaterials
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第一节 金属固态相变动力学（扩散型）
将等温相变动力学曲线 转化为时间-温度-转变量的关系曲线 综合反映物相在冷却时 的等温转变温度、等温时间 和转变量之间的关系
等温转变曲线
（Time-Temperature-Transformation）
TTT曲线
C曲线
（a）相变动力学曲线（b）TTT曲线
过饱和固溶体脱 质点由小尺寸长大
溶
1)以恒定速率形核
2)仅在开始转变时形核
针状物增厚
片状物增厚
n值 4 3 2 1
2.5 1.5 1 0.5
金属固态相变原理 Phase Transformation Theory of Metal Materials
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第一节 金属固态相变动力学（扩散型）
金属固态相变原理 Phase Transformation Theory of Metal Materials
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第一节 金属固态相变动力学（扩散型）
（四）C 曲线的测定方法
金相硬度法 奥氏体和转变产物的金相形态和硬度不同。
膨胀法 奥氏体和转变产物的比容不同。
磁性法及电阻法 奥氏体为顺磁性，转变产物为铁磁性。
相变热力学重点内容回顾
1、金属固态相变热力学条件 相变驱动力（自由能降低、相自由能与温度关系） 相变势垒（附加能量、激活能）
2、金属固态相变形核 均匀形核（临界晶核半径、形核功） 非均匀形核（晶界形核、位错形核、空位形核）
3、晶核长大 长大机制 （半共格界面迁移、非共格界面迁移） 新相长大速度 （无成分变化长大、成分变化的新相长大）
dn dV dX (18) dne dVe dX e
金属材料及热处理 01 固态相变篇
N N /( V t ) const .
③ 恒温下生长速率
G R / t const .
④相变过程中母相浓度不变 这里，时间从孕育期τ后算起。
金属材料及热处理
2. 4 相变动力学
3 3 两侧同除V0 ，令Xt= Vt / V0 ，则有， dX t G t 1 X t N dt 3 dX t 4 3 3 G t N dt 解微分方程 ， 1 1 Xt 3 3 4 In (1 X t ) N G t ⇒ 3 1 3 4 X t 1 exp N G t 可得， 3
母相
溶质原子扩散
新相
母相 新相
本课程中涉及的相变，除了马氏体相变，大多为扩散型相变，如沉淀（脱溶、 析出）、珠光体转变、贝氏体转变（介于马氏体相变和珠光体转变之间的中间型相变）
金属材料热及处理
2. 1 概述
金属材料及热处理
2. 2 新相形核
2. 2 新相形核
新相在母相中形核有两种情况：均匀形核（理想情况，任意随机地形核）不均
Al-Ag （球）， Al-Sc（球）；另外，不同合金系的GP区可能为盘、针、球。
金属材料及热处理
2. 4 相变动力学
2. 4 相变动力学
解决相变速率问题，在时间上的可行性和现实性。（热力学从能量角度分析相变的可能性）
通常，影响相转变量的外因很多，这里只考察温度和时间。
（1）恒温条件下相转变量随时间的变化关系 J-M方程——相变动力学的基本方程（关系）式
① ΔT↑,相变驱动力↑ ， 但是，T↓,原子活动能 力↓⇒相变中止或缓慢， 无法达到平衡。 ②相变阻力使之无法 进行下去。 (a)过饱和固溶体
【固态相变原理】第一章 金属固态相变基础1
共格界面示意图
两种情况，两种后果
理想共格界面（如孪晶界）：其弹 性应变能和界面能都接近于零。
非理想共格：实际上，晶体结构或 点阵常数总是存在差异，完全共格是 强制性的，相界面附近必将产生弹性 应变。
➢固态相变的特性
1．相界面 2．位向关系与惯习面 3．弹性应变能 4．过渡相的形成 5．晶体缺陷的影响 6．原子的扩散
➢固态相变的特性——1. 相界面
相界面
共格界面 半共格界面 非共格界面
共格界面：界面上原子所占位置恰 好是两相点阵的共有位置，或界面 上原子为两相所共有，或界面上两 相原子完全匹配。
原子扩散速度快、相变 应力容易被松弛
形核容易
位错形核更次之
晶界非均匀形核 最小
➢固态相变的特性——6.原子的扩散 固态中原子的扩散速度远远低于
液体原子，所以，原子扩散速度对固 态相变影响很大。
有成分变化的相变，原子迁移率 （温度）是相变速度的控制因素。
温度是影响固态相变中原子扩 散的绝对因素，而温度对冷却时发 生的相变有戏剧性影响。可能使相 变类型发生变化
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， 但化学势的二级偏微商不等的相 变称为二级相变。
已知：
γ等温压缩系数;ε等压膨胀系数;Cp等压比热
发生二级相变时，无相变潜热和 体积的变化，只有比热，压缩系数 和膨胀系数的不连续变化。磁性转 变，有序化等属于二级相变。
Fig.1-1-3 Relationship of thermodynamic functions with temperature. b) second order phase transition.
(完整word版)金属固态相变原理
第2篇热处理原理及工艺第7章钢的热处理教学目标：搞清奥氏体、珠光体、贝氏体、马氏体等基本概念；掌握共析分解、马氏体相变、贝氏体相变基本知识;掌握相变产物的形貌和物理本质。
第8章金属固态相变原理§8 钢的热处理一、热处理的作用机床、汽车、摩托车、火车、矿山、石油、化工、航空、航天等各行各业用的大量零部件需要通过热处理工艺改善其性能。
拒初步统计，在机床制造中，约60%70%的零件要经过热处理;在汽车、拖拉机制造中,需要热处理的零件多达70％80%，而工模具及滚动轴承，则要100％进行热处理。
总之，凡重要的零件都必须进行适当的热处理才能投入使用。
热处理的定义：将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需组织和性能的工艺过程.热处理三大要素：加热、保温和冷却通过以上三个环节,材料的内部组织发生了变化，因而性能也发生变化。
例如:碳素工具钢T8在市场购回的是球化退火的材料其硬度仅为20HRC，作为工具需经淬火并低温回火使硬度提高到60～63HRC,这是因为内部组织由淬火之前的粒状珠光体转变为淬火+低温回火的回火马氏体。
同一种材料，热处理工艺不一样其性能差别很大，导致性能差别如此大的原因是不同的热处理后内部组织截然不同.表 8—1 45号钢经不同热处理后的性能(试样直径15mm)热处理工艺的选择要根据材料的成分来确定.材料内部组织的变化依赖于材料热处理和其他热加工工艺，材料性能的变化又取决于材料的内部组织变化。
所以，材料成分－加工工艺－组织结构－材料性能这四者相互依成的关系贯穿在材料制备的全过程之中。
我们的任务就是要了解和掌握其中的规律性。
二、热处理的基本要素如上所述，热处理工艺中有三大基本要素：加热、保温、冷却。
这三大基本要素决定了材料热处理后的组织和性能。
1、加热按加热温度的高低,加热分为两种：一种是在临界点A1以下加热,此时一般不发生相变;另一种是在A1以上加热,目的是为了获得均匀的奥氏体组织，这一过程称为奥氏体化。