典型固态相变(研究生)

课程名称：固态相变
一、考试的总体要求
掌握金属材料中的相变基本理论，主要是钢中组织转变的基本规律。

具有运用金属材料中相变基本规律，分析和研究热处理工艺问题的能力。

初步掌握成分、组织与性能之间的关系，对金属材料具有一定的分析研究能力。

二、考试内容及比例
第一章绪论及金属固态相变特征
概述；金属固态的扩散和无扩散转变，弹性能对新旧相形成的影响；新相成核时的惯习面和位向关系、共格界面、半共格界面和非共格界面；界面能和晶界对新相形成的影响；过渡相的形成。

第二章钢中奥氏体的形成
平衡组织加热时的奥氏体形成，P-A 转变的热力学条件、形成机理、等温形成动力学；连续加热时的奥氏体形成，亚（过）共析钢的奥氏体形成及特点。

奥氏体晶粒长大及其控制，奥氏体晶粒度的概念，影响奥氏体长大的因素，加热时钢的过热现象。

第三章珠光体转变
珠光体的组织形态，片状、粒状珠光体的形成过程；珠光体转变动力学及其影响因素; 亚（过）共析钢中的无共析相的形成、形态及动力学，伪共析组织；片状珠光体和粒状珠光体的机械性能及。

常见固态相变组织观察固态相变是指物质在温度、压力或组分发生改变时，从一个晶体结构转变为另一个晶体结构的过程。

对于材料科学和固态物理学而言，研究相变的机制和组织观察是非常重要的。

以下是一些常见的固态相变组织观察。

一、金属相变：1.相变组织的显微结构观察：通过显微镜观察金属相变过程中的晶粒尺寸、形状、分布以及晶界的变化情况。

2.X射线衍射：利用X射线衍射技术观察金属相变时结构的改变，如晶胞参数、晶体对称性的变化等。

3.DSC（差示扫描量热法）：通过测量金属的热容和热量的变化来分析金属相变的温度和热焓，进而观察金属相变的组织特征。

二、合金相变：1.电子显微镜观察：使用透射电子显微镜（TEM）或扫描电子显微镜（SEM）观察合金相变的微观组织变化，如晶界、孪晶、析出物等。

2.热电偶测量方法：通过测量合金相变过程中的温度变化，进而观察合金组织的变化。

3.相图分析：根据合金的相图，推测合金相变过程中的相变类型和相对应的组织。

三、聚合物相变：1.热循环测试：通过对聚合物样品进行高温和低温循环测试，观察聚合物相变的温度和形态变化。

2.压缩试验：通过对聚合物样品施加压力，观察聚合物的压缩变形和相变状态的变化。

3.差示扫描量热法（DSC）：通过测量聚合物相变过程中的热量变化来观察聚合物相变的温度和热焓。

4.傅里叶变换红外光谱（FTIR）：通过对聚合物样品进行红外光谱测试，观察聚合物相变过程中的化学键的变化情况。

四、无机化合物相变：1.X射线衍射分析：通过测量无机化合物样品的X射线衍射图谱，观察无机化合物相变前后晶体结构的变化。

2.红外光谱测试：通过对无机化合物样品进行红外光谱测试，观察无机化合物相变过程中化学键的变化。

3.热膨胀系数测试：通过测量无机化合物样品的热膨胀系数，观察无机化合物相变过程中的体积变化。

综上所述，常见的固态相变组织观察方法包括显微观察、X射线衍射、差示扫描量热法、电子显微镜观察、热电偶测量方法、相图分析、热循环测试、压缩试验、傅里叶变换红外光谱、红外光谱测试和热膨胀系数测试等。

固态相变原理1、相变的基础理论涉及三个方面的共性问题：1）相变能否进行，相变的方向2）相变进行的途径及速度3）相变的结果，即相变时结构转变的特征。

分别对应相变热力学、相变动力学和相变晶体学。

相变是朝着能量降低的方向进行；相变是选择阻力最小、速度最快的途径进行；相变可以有不同的终态，但只有最适合结构环境的新相才易于生存下来。

2、固态相变的特殊性（相界面、弹性应变能、位向关系与惯习面、亚稳过渡相、原子迁移率、晶体缺陷）。

固态相变除满足热力学条件外，还须获得额外能量来克服晶格改组时原子间的引力，即存在相变势垒。

相变势垒由激活能决定，也与是否有外加机械应力有关。

3、相变驱动力和相变阻力驱动力：体积自由能，来自晶体缺陷（点，线，面缺陷）的储存能。

储存能由大到小的排序：界面能，线缺陷，点缺陷。

界面能中界隅提供的能量最大，但体积分数小，界棱次之，界面最小，但体积分数最大。

相变阻力是界面能和弹性应变能。

弹性应变能与新旧相的比容差和弹性模量，及新相的几何外形有关。

从能量的角度来看：共格界面的弹性应变能最大，非共格界面的界面能最大。

球形新相界面能最小，但应变能最大，圆盘状新相相反，针状新相居中。

4、长大方式新相晶核的长大分为协同（共格或半共格，切变）和非协同（非共格或扩散）两种，前者速度快，后者速度慢。

原子只能短程扩散时，长大速度与过冷度（温度）存在极大值；长程扩散时，长大速度与扩散系数和母相的浓度梯度成正比，与相界面处两相的浓度差呈反比。

5、相变速率相变速率满足Johnson-Mehl方程或Avrami经验方程。

相变之初和相变结束其，相变速率最小，转变量约50%时，相变速度最大。

扩散型相变的动力学曲线呈“C”形。

是由驱动力和扩散两个矛盾因素共同决定的。

6、C曲线“C”曲线建立的原理：一定外界条件下，只要发生了相变，宏观上就能检测出某种变化（组织，结构，性能等），确定该条件下这种变化与新相转变量的关系。

相变进行的难以程度决定“C”曲线的位置。

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。

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。

选择题1 根据扩散观点,奥氏体晶核的形成必须依靠系统内的 BA相起伏、浓度起伏、结构起伏;B能量起伏、浓度起伏、结构起伏;C能量起伏、价键起伏、相起伏;D能量起伏、价健起伏、结构起伏2 连续冷却转变曲线CCT曲线都处于同种材料等温转变TTT曲线的 BA左上方;B右下方;C右上方;D左下方3 消除网状碳化物的方法有 AA淬火和正火;B淬火和回火;C球化退火和正火;D正火和回火4 在A1温度以下发生P转变，奥氏体与铁素体相界面上的碳浓度 A 奥氏体与渗碳体界面上碳浓度从而引起了奥氏体的碳的扩散。

A低于; B小于等于; C等于; D高于5 关于马氏体相变的特点,下列哪项的说法是错误的 AA马氏体转变有孕育期(等温马氏体除外);B马氏体可以发生可逆性转变;C表面浮突和界面共格;D马氏体转变有转变开始和终了温度6 针状马氏体的亚结构主要是 AA孪晶;B空位;C孪晶和位错;D位错7 在贝氏体形成过程中通常 B 是领先相A渗碳体;B铁素体;C奥氏体;D渗碳体和铁素体8 对于某些尺寸较大而采用表面淬火的工件,或者有特殊要求的工件如凿子、扁铲等,可以利用淬火冷却后的余热进行回火,这种方法叫做 DA局部回火;B带温回火;C电热回火;D自回火9 淬火钢在回火时的力学性能是如何变化的? CA强度硬度下降,塑性韧性也下降;B强度硬度提高,塑性韧性下降;C强度硬度下降,塑性韧性提高;D强度硬度提高,塑性韧性也提高10超过极大值后硬度下降称为 BA温时效;B过时效;C冷时效;D自然时效判断题1·一般情况下,在体积相同时,新相呈球状体积应变能最小。

（×）2·1-4级为本质细晶粒钢,5~8级为本质粗晶粒钢。

(×)3·奥氏体晶粒长大在一定条件下是一个自发过程。

(√)4·奥氏体实际晶粒度是在某一热处理加热条件下得到的晶粒尺寸。

(√) 5·在钢的各种组织中,奥氏体的比容最小。

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相态的转变，这种转变称之为固态相变。

固态相变的阻力有哪些：金属固态相变时的相变阻力应包括界面能和弹性应变能两项。

当界面共格时，可以降低界面能，但使弹性应变能增大。

当界面不共格时，盘(片)状新相的弹性应变能最低，但界面能较高；而球状新相的界面能最低，但弹性应变能却最大。

为什么固态相变中出现过渡相?晶体缺陷对固态相变形核有什么影响？1.当稳定的新相与母相的晶体结构差异较大时，母相往往不直接转变为自由能最低的稳定新相，而是先形成晶体结构或成分与母相比较接近，自由能比母相稍低些的亚稳定的过渡相。

此时，过渡相往往具有界面能较低的共格界面或半共格界面，以降低形核功，使形核容易进行。

2.晶体缺陷是能量起伏、结构起伏和成分起伏最大的区域，在这些区域形核时，原子扩散激活能低，扩散速度快，相变应力容易被松弛。

在固态相变中，从能量的观点来看，均匀形核的形核功最大，空位形核次之，位错形核更次之，晶界非均匀形核的形核功最小。

为什么新相形成的时候，常常呈薄片状或针状？如果新相呈球状，新相与母相之间是否存在位相关系？①金属固态相变时，因新相与母相恶比容不同，可能发生体积变化，但由于受到周围母相的约束，新相不能自由膨胀产生弹性应变能。

而片状或针状的弹性应变能最小，所以新相形成时常常呈片状或针状②存在位相关系。

许多情况下，金属固态相变时，新相与母相之间往往存在一定的位相关系，且新相呈球状时与母相的弹性应变能最大，是由新、母相的比容不同或两相界面共格或半共格关系造成的，所以必然存在一定的位相关系。

TTT曲线的建立：将不同温度下的等温转变开始时间和终了时间以及某些特定的转变量所对应的时间绘制在温度—时间半对数坐标系中，并将不同温度下的转变开始点和转变终了点以及转变50%点分别连接成曲线，则可得到过冷奥氏体等温转变图，即TTT曲线。

TTT图的作用：TTT图反映了在临界点以下温度等温或以一定冷却速度冷却时过冷奥氏体的转变规律，综合显示了合金元素等对转变动力学的影响以及等温温度或冷却速度对转变产物和性能的影响。

北科⼤《固态转变》研究⽣课程考题历年整理及部分答案北科⼤《固态转变》研究⽣课程考题历年整理及部分答案1.从⾃由能成分曲线，相界⾯，原⼦扩散⽅式，新相的成分和结构状态，驱动⼒，形核的⽅式，显微组织区分调幅分解和形核长⼤型相变。

2.什么是第⼀类相变，什么是第⼆类相变，并举例？分类标志：热⼒学势及其导数的连续性。

⾃由能和内能都是热⼒学函数，它们的第⼀阶导数是压⼒（或体积）和熵（或温度）等，⽽第⼆阶导数是⽐热、膨胀率、压缩率和磁化率等。

第⼀类相变（⼀级相变）：凡是热⼒学势本⾝连续，⽽第⼀阶导数不连续的状态突变，称为第⼀类相变。

第⼀阶导数不连续，表⽰相变伴随着明显的体积变化和热量的吸放(潜热)。

普通的⽓液相变、液固相变、⾦属和合⾦的多数固态相变、在外磁场中的超导转变，属于第⼀类相变。

第⼆类相变（⼆级相变）：热⼒学势和它的第⼀阶导数连续变化，⽽第⼆阶导数不连续的情形，称为第⼆类相变。

这时没有体积变化和潜热，但膨胀率、压缩率和⽐热等物理量随温度的变化曲线上出现跃变或⽆穷的尖峰。

超流、没有外磁场的超导转变、⽓液临界点、磁相变、合⾦中部分有序-⽆序相变，属于第⼆类相变。

习惯上把第⼆类以上的⾼阶相变，通称为连续相变或临界现象。

玻⾊-爱因斯坦凝结现象是三级相变。

按相变⽅式分类：形核长⼤型相变、连续型相变……<材基P595>按原⼦迁移特征分类：扩散型相变、⽆扩散型相变相似问题：相变的分类有哪些，其分类标准是什么？3.下图哪个是第⼀类相变，哪个是第⼆类相变，并说明理由？从热⼒学函数的性质看，第⼀类相变点不是奇异点（singularity），它只是对应两个相的函数的交点。

交点两侧每个相都可能存在，通常能量较低的的那个得以实现。

这是出现“过冷”或“过热”的亚稳态以及两相共存的原因。

第⼆类相变则对应热⼒学函数的奇异点，它的奇异性质⽬前并不完全清楚。

在相变点每侧只有⼀个相能够存在，因此不容许“过冷”和“过热”和两相共存。

实验一 奥氏体的组织观察及奥氏体晶粒度测定一、 实验目的1.了解显示奥氏体晶粒的腐蚀方法；2.掌握奥氏体的典型组织特征及亚结构；3.研究加热温度对奥氏体晶粒的影响；4.应用软件测定奥氏体的晶粒度。

二、 实验原理钢加热到相变温度（临界点Ac1、Ac3、Accm ）以上形成奥氏体组织。

奥氏体是碳在γ-Fe 中的间隙固溶体，具有面心立方结构。

溶Ｃ的位置主要是在八面体的晶格中心及棱边中点。

由于体积因素的限制，碳在γ-Fe 中的最大固溶度只有2.11%（重量）。

奥氏体的面心立方结构使其具有高的塑性和低得屈服强度，在相变过程中容易发生塑性变形，产生大量的位错或出现孪晶，从而造成相变硬化和随后的再结晶、高温下晶粒的反常细化以及低温下马氏体相变的一系列特点。

奥氏体的显微组织有两个特点：1）显微组织呈等轴多边形结构，且每三个晶粒的角度大致是120°，因为这样才能保证奥氏体处于能量最稳定的状态。

2）在奥氏体的组织中出现孪晶，主要是由于存在热应力导致相变过程中发生塑性变形的结果。

在铁碳合金中，奥氏体只在A 1温度以上才稳定，因此只有用高温显微镜才能观察图1 奥氏体的典型显微组织到它那等轴状的、并带有以{111}面为孪生面的孪晶晶粒组织。

但如果加入足够的合金元素，如锰、镍、钴等元素，会大大的扩大γ相区，可以使奥氏体在室温下稳定，因此对于某些合金钢，在常温下就可以直接观察到奥氏体的组织结构。

奥氏体的成分和晶粒大小对于它向其它组织转变得动力学影响很大，从而对钢的性能也有很大的影响。

奥氏体是在加热过程中形成的，因此钢的成分、加热温度和保温时间不同，从而会造成加热转变后的奥氏体晶粒大小有所差别，从而对材料的性能产生重要的影响。

因此了解奥氏体晶粒大小的控制是一个非常重要的内容。

三、实验内容及步骤本次实验旨在观察奥氏体组织的典型结构特征，了解奥氏体晶粒大小对于材料性能的影响。

1）制备试样根据实验条件和实验要求，选用1~2种钢材按标准制备和腐蚀试样。

固态相变作业⼀2.奥⽒体形核时需要过热度△T ，那么⾦属熔化时（S-L ）,要不要过热度，为什么？答：固态⾦属熔化时会出现过热度。

原因：由热⼒学可知，在某种条件下，熔化能否发⽣取决于液相⾃固态⾦属熔化时会出现过热。

原因：⾃由度是否低于固相的⾃由度，即0<-=?S L G G G ，只有当温度⾼于理论结晶温度Tm 时，液态⾦属的⾃由能才能低于固态⾦属的⾃由能，固态⾦属才能⾃发转变为液态⾦属。

因此，⾦属熔化时移动要有过热度。

3.相变热⼒学条件是什么？答：⾦属固态相变的热⼒学条件：（1）相变驱动⼒相变热⼒学指出，⼀切系统都有降低⾃由能以达到稳定状态的⾃发趋势。

若具备引起⾃由能降低的条件，系统将由⾼能到低能转变转变，称为⾃发转变。

⾦属固态相变就是⾃发转变，则新相⾃由能必须低于旧相⾃由能。

新旧两相⾃由能差既为相变的驱动⼒，也就是所谓的相变热⼒学条件。

（2）相变势垒要使系统有旧相转变为新相除了驱动⼒外，还要克服相变势垒。

所谓相变势垒是指相变时改组晶格所必须克服的原⼦间引⼒。

4.简述固态相变的主要特征。

答：⑴相界⾯：根据界⾯上新旧两相原⼦在晶体学上匹配程度的不同，可分为共格界⾯、半共格界⾯和⾮共格界⾯。

⑵位向关系与惯习⾯：在许多情况下，⾦属固态相变时新相与母相之间往往存在⼀定的位向关系，⽽且新相往往在母相⼀定的晶⾯上开始形成，这个晶⾯称为惯习⾯通常以母相的晶⾯指数来表⽰。

⑶弹性应变能：⾦属固态相变时，因新相和母相的⽐容不同可能发⽣体积变化。

但由于受到周围母相的约束，新相不能⾃由膨胀，因此新相与其周围母相之间必将产⽣弹性应变和应⼒，使系统额为地增加了⼀项弹性应变能。

⑷过渡相的形成：当稳定的新相与母相的晶体结构差异较⼤时，母相往往不直接转变为⾃由能最低的稳定新相，⽽是先形成晶体结构或成分与母相⽐较接近，⾃由能⽐母相稍低些的亚稳定的过渡相。

⑸晶体缺陷的影响：固态晶体中存在着晶界、亚晶界、空位及位错等各种晶体缺陷，在其周围点阵发⽣畸变，储存有畸变能。

【非均匀形核】基底与结晶晶体结构越相似，越易促进非均匀形核。

晶体长大【晶体长大】液相中液-固界面位置存在原子相互迁移，即凝固和熔化，当液相向固体的原子迁移量高于固体向液体的原子迁移量大时，晶粒长大。

晶体长大过程中，固-液界面力图保持能量最低。

熔化熵是表征晶体凝固过程中生长特性的参数。

△S f -熔化熵；k-波尔玆曼常数；△H f -熔化潜热；Te-理论凝固温度。

大多数金属属此类。

【粗糙界面】固-液界面微观上粗糙不平，存在几个原子层厚的过渡层，过渡层约有半数原子的位置为固相所占据，称为粗糙界面。

从宏观上看，界面显得平直，不出现曲折的小平面。

液相原子不断在固相表面各处连续沉积，使晶体垂直于界面向液相中连续生长。

晶体生长特点：①不需孕育期和形核功；②连续垂直生长；③固-液界面生长所需动态过冷度△Tk(结晶时，固-液界面处温度与理论结晶温度之差)很小（约10-4℃）；④生长速率(固-液界面向液相推进速率)很大：v=k △T半导体硅、锗以及锑、铋等属此类。

【光滑界面】以上为液相，以下为固相，固相的表面为基本完整的原子密排面，液固两相截然分开，所以从微观上看是光滑的，但是在宏观上它们往往由不同位相的小平面组成，故呈折线状，这类界面也称小平面界面。

界面上存在许多台阶，液相原子在台阶处附着沉积，使晶体横向一层一层的向液相中生长。

晶体生长特点：①依赖界面台阶的生长速率较慢。

②当界面存在螺位错时，不需在固-液界面上反复形核，生长连续，生长速率为：v=k’△T2 （k’为常数）e f f kT H /k S ∆∆-=1、 2kT H e f <∆高分子及一些结构复杂的物质属此类。

生长特点：①需要不断形成新的二维晶核，需形核功，生长不连续；②晶体生长需要较大动态过冷度△Tk（1～2℃）；③生长速率：v=Aexp(-B/△Tk)式中，A、B为常数。

二、温度梯度对晶体生长的影响1、正温度梯度下的晶体生长—平面状生长---纯物质平面生长，形成等轴晶粗糙界面和光滑界面皆以平面状方式向液相中推移。