第二章 J金属固态相变基础

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二、金属固态相变主要特点
5.易产生过渡相（降低形核功） 在有些情况下，固态相变不能直接形成自由能最低 的稳定相，而是经过一系列的中间阶段，先形成一系 列自由能较低的过渡相（又称 中间亚稳相），然后在 中间亚稳相 条件允许时才形成自由能最低的稳定相．相变过程可 以写成： 母相 ―→ 较不稳定过渡相 ―→ 较稳定过渡相 应特别指出：温度越低时，固态相变的上述特点 越显著。 过渡相的出现有利于减小固态相变的阻力。 如：铁碳合金中γ分解时 γ→M → α＋Fe3C Fe3C→Fe＋C M，Fe3C为过渡相
调幅分解
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一、相变分类
小结：相变的实质，是相结构、成分或有序化程度发生变化， 相变可以兼有上述相变类型的一种或几种。 如：马氏体相变 是非扩散相变、非平衡相变、有核相变； （新旧相成分相同、结构不相同） 珠光体相变 是扩散相变、 平衡相变、有核相变； （新旧相成分不相同、结构不相同） 思考：同素异构转变，脱溶转变（平衡、非平衡）， 伪共析相变，贝氏体相变，奥氏体转变，调幅分解等 各属于什么相变类型？
r*
令
( G ) r
=0
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2.3 金属固态相变的形核
一、均匀形核
形核自由能变化 G V Gv S V 4 4 假设晶核为球形 r 3 Gv 4r 2 r 3 令
第二章 金属固态相变基础
2.1 金属固态相变概述 2.2 金属固态相变热力学 2.3 金属固态相变的形核 2.4 金属固态相变的长大 2.5 金属固态相变动力学
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2.1 金属固态相变概述

相： 体系中具有相同成分、结构和性质的均匀部分 称为相，不同相之间有明显的界面分开。
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1. 相界面特殊（新相和母相间存在不同的界面） (3)非共格界面 新、旧相界面处原子排列差别很大,两原子之间匹 配关系不再维持,为非共格界面。
特点：界面能大，弹性畸变能小
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界面能：非共格>半共格>共格
弹性畸变能：非共格<半共格<共格
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（不同类型，具有不同界面能和应变能） 1. 相界面特殊 2. 新旧相之间存在一定位向关系与惯习面 新、旧相之间存在一定位向关系,并且新相往往 在旧相的一定晶面上开始形成,这个晶面称为惯习面.

相变： 随外界条件的变化(温度)，体系中新相取代 旧相的过程。 固态相变： 固态金属及合金在温度及压力改变时， 组织及结构发生的变化

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2.1 金属固态相变概述
一、相变分类
1.按热力学分类 (1)一级相变 对新、旧相α和β，有： μα=μβ Sα≠ Sβ Vα≠Vβ 说明一级相变有相变潜热和体积变化。 材料凝固、熔化、升华、同素异构转变均为一级相变。 固态相变大部分为一级相变。
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2.3 金属固态相变的形核
自由能差 一、均匀形核 界面能 应变能 形核自由能变化 G V Gv S V 4 4 假设晶核为球形 r 3 Gv 4r 2 r 3
3 3
• 对Δ G 与 r 之间的函数关系作图 得到新相晶胚形成时自由能的改 变量与晶核半径的关系曲线图 只有晶胚尺寸大于r*时，晶胚的长 大才会使系统自由能降低，这种晶 胚才可作为稳定的晶核而长大
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2.2金属固态相变热力学
一、相变驱动力
T0——理论转变温度 γ→α转变，只有在T ＜ T0 时才能够进行，即过冷。 ∵Gγ→α = Gα - Gγ ＜0
Gγ→α <0 Gγ→α >0
G
Gγ Gα
α
γ
T0 （问题， α → γ相变在何条件下方可进行？） 过热
新相的基本形状可分为：球、针、盘。 新相形状与应变能/界面能的关系如图。
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二、金属固态相变主要特点
4.原子迁移率低，多数相变受扩散控制 固态相变中，成分的改变必须通过组元的扩 散才能完成，此时扩散成为相变的控制因素，而固 态金属中原子的扩散系数，即使在熔点附近也仅为 液态的十万分之一，所以固态相变的转变速率很 慢，可以有很大的过冷度。随着温度降低，过冷度 增大，形核率增高，相变驱动力增大，但同时原子 扩散系数降低。这一对矛盾运动的结果，就有可能 使相变后得到的组织变细。
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+ B
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共析相变 如珠光体转变。由一个固相分解为两个固相的转变。

调幅分解 α
α1+ α2
高温合金单相固溶体在冷却到某一温度分解为两个结构 相同成分不同两相 有序化转变 无序 有序 原子在晶体中相对位置由无序到有序转变，使其电、 磁、物理、机械性能变化。 如：Cu-Zn,Cu-Au ,Mn-Ni ,Fe-Ni ,Ti-Ni合金等。
因此：无相变潜热和体积变化，而比热、压缩系数、膨胀系 数是变化的。如材料有序化转变、磁性转变、超导转变等。
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一、相变分类
2.按平衡状态图分类 (1)平衡相变

同素异构转变和多形性转变 纯金属 固溶体 平衡脱溶沉淀
Ⅰ L T A
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固态相变均匀形核率：
Q G * ) N C exp( ) exp( RT RT

•固态转变时的形核功比结晶时的大，固态扩散的激活能要比 液态的大几个数量级 •固态相变的形核率远比相似条件下金属结晶的形核率小得多
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二、金属固态相变主要特点
1.相界面特殊（新相和母相间存在不同的界面） (1)共格界面 新、旧相的晶体结构、点阵常数相同；或有差异但存 在一组特定晶体学平面可使两相原子之间产生完全匹配。
旧相 新相 特点：界面能小，弹性畸变能大
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一、相变分类
3. 按原子迁移情况分类 （1）扩散型相变 （2）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运 动是协调一致的。原子只作有规则的迁移以使晶体点阵 重组，原子迁移范围有限不超过一个原子间距。 如：淬火马氏体相变 特点： 存在均匀切变引起宏观变形； 相变无扩散，新、旧相化学成分相同； 新、旧相之间存在一定晶体学取向关系； 相变速度快。
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T℃
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二、相变势垒
要使γ向 α转变能够进行 还必须越过△g的势垒 ——原子间的引力 G 因此相变条件： Gγ→α ＜0 克服△g的势垒 （能量起伏) 状态Ⅰ γ
Δg
Gγ→α
α
状态Ⅱ
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―→稳定相
二、金属固态相变主要特点
6.母相晶体缺陷的促进作用（提供驱动力） 晶态固体中的空位、位错、晶界等缺陷周 围因点阵畸变而储存一定的畸变能。新相极易 在这些位置非均匀形核。它们对晶核的长大过 程也有一定的影响。 通常，固态相变时，母相中晶体缺陷起促 进作用。新相优先在晶体缺陷处形核。

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一、相变分类
2.按平衡状态图分类 (1)平衡相变 (2)非平衡相变 加热或冷却速度快，使无限缓慢的平衡相变被抑制， 产生不平衡相变。 伪共析相变 马氏体相变 Ⅰ L 贝氏体相变 非平衡脱溶转变
T A
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2.3 金属固态相变的形核
二、非均匀形核
G V Gv S V Gd
缺陷提供的相变驱动力
① 晶界形核 ②位错形核 ③空位形核 固态相变中均匀形核几乎不可能，大多为非均匀形核。
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二、金属固态相变主要特点
（不同类型，具有不同界面能和应变能） 1. 相界面特殊 2.新旧相之间存在一定位向关系与惯习面 3. 相变阻力大（弹性应变能作用） 4.原子迁移率低，多数相变受扩散控制 5.易产生过渡相 （降低形核功）
6.母相晶体缺陷的促进作用 （提供驱动力）
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