固态相变
By Dong大魔王
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：
①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。
②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：
①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：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；新相
和母相得成分往往不同；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。
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的运动是协调一致的
相变称为非扩散型相变。一般特征是：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；相变不需要通过扩散，新相和母相的化学成分相同；新
相和母相之间存在一定的晶体学位向关系；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。
试述金属固态相变的主要特征
①相界面：金属固态相变时，新相和母相的界面分为两种。
②位相关系：两相界面为共格或半共格时新相和母相之间必然有一定位相关系，两项之间
没有位相关系则为非共格界面。
③惯习面：新相往往在母相一定晶面上形成，这个晶面称为惯习面。
④应变能：圆盘型粒子所导致的应变能最小，其次是针状，球状最大。固态相变阻力包括界面能和应变能。
⑤晶体缺陷的影响：新相往往在缺陷处优先成核。原子的扩散：收扩散控制的固态相变可
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。“C”曲线可分为六种类型，影响“C”曲线的因素有：化学成分，奥氏体化条件和奥氏体晶粒尺寸，原始组织及外界能量（塑性变形等）。凡是使过冷奥氏体稳定的因素均使“C”曲线右移（右移，说明相变所需要的临界冷却速率越小，相变越容易）。连续冷却时，“C”曲线“滞后”，即向右下方向漂移。
扩散与固态相变作业
1 P321 第1题
2 P321 第2题
3 说明下列名词或概念的物理意义：（1）稳态扩散和非稳态扩散；（2）柯肯达尔效应；（3）间隙式扩散；（4）反应扩散；（5）上坡扩散；（6）扩散型相变与无扩散相变；（7）Al-Cu 合金的淬火时效；（8）过时效。
4 P321 第5题
5 P322 第8题
6 Compute the number of kilograms of hydrogen that pass per hour through a 5-mm thick sheet of
palladium having an area of 0.20 m2 at 500_C. Assume a diffusion coefficient of 1.0 _ 10_8 m2/s, that
the concentrations at the high- and lowpressure sides of the plate are 2.4 and 0.6 kg of hydrogen per
cubic meter of palladium, and that steady-state conditions have been attained.
1 分析固态相变的动力和阻力。
动力：体系自由能差
阻力：1.两相表面能产生界面能2.界面原子同时受到两相的制约，原子所处的位置要偏离其平衡位置，产生额外应变能。
2 讨论固态相变新相形状的影响因素。
3 比较扩散型相变和非扩散型相变的特点。
扩散型相变 非扩散型相变
外形变化 无外形变化 外形有变化，产生表面浮凸
成分变化 新相与母相成分不同，有成分变化 新相与母相成分相同，无成分变化
位向关系 新相与母相之间的晶体学位向关系可有可无 新相与母相之间有一定的晶体学位向关系
长大速度 相界面移动速度极快，接近声速 长大速度取决于原子扩散速度
1以共析钢为例，说明奥氏体的形成过程，并讨论为什么在铁素体相消失的瞬间，还有部分渗碳体未溶解?
共析钢在加热和冷却过程中经过A1线时，发生珠光体与奥氏体间的相互转变，奥氏体形成时系统总自由能变化为
只有当温度高于A1时，珠光体向奥氏体转变的驱动力才能克服界面能，奥氏体才能自发形成。所以，奥氏体形成必须要有一定的过冷度。奥氏体的形成过程是由碳含量和点阵结构不同的两个相转变为另一种点阵结构的均匀相，包括C原子的扩散重新分布和Fe原子由体心立方向面心立方的点阵重构。
1。奥氏体的形核
形核部位：铁素体和渗碳体两相界面上，以及珠光体团边界处。
2.奥氏体晶核长大，碳在奥氏体中扩散，也在铁素体中扩散。
3. 剩余碳化物溶解
4.奥氏体均匀化
由于：奥氏体向铁素体中的长大速度比向渗碳体中的长大速度快很多，渗碳体剩余。
2奥氏体的晶粒度由几种表示方法？并讨论影响奥氏体晶粒度的影响因素。
起始晶粒度；实际晶粒度；本质晶粒度。
1 加热温度和保温时间的影响
随加热温度升高奥氏体晶粒长大速度提高。当加热温度较低时，保温时间对奥氏体晶粒大小影响不大；当加热温度较高时，初期保温时间奥氏体晶粒长大速度较大，随后逐渐降低。
加热温度较高时，保温时间应当缩短，才能保持较小的奥氏体晶粒。 eSVGGGG2 加热速度的影响
