《固态相变原理及应用》第一章 金属固态相变基础

平衡相变
平衡相变是指在缓慢加热或冷却时所发生的能获得符合平衡 状态图的平衡组织的相变。
同素异构转变 纯金属在温度和压力改变时，由一种晶体结构转变
为另一种晶体结构的过程称为同素异构转变。在
固溶体中发生的同素异构转变称为多形性转变。
纯铁的同素异构转变
平衡脱溶沉淀
在缓慢冷却条件下，由过饱和固溶体中析出过剩相的过程称为平衡脱溶沉淀。
且满足：
H U pV F U TS G H TS
内因: 材料内部的三大起伏 - 能量起伏，结构起伏和成分起伏。
1.1 固态相变的分类
按热力学分类
固态 相变 分类
按平衡状态分类 按原子迁移分类
按相变方式分类
一级相变 二级相变 平衡相变 非平衡相变 扩散相变 非扩散型相变 有核相变 无核相变
非平衡脱溶沉淀
若b成分合金自T1温度快冷，抑制β相的析出，则冷到室温时得到过饱和的α 固溶体。若在低于固溶度曲线的某一温度进行等温时由于溶质原子尚具有一定 的扩散能力，则过饱和α固溶体将发生分解，逐渐析出新相。但在析出的初期 阶段，新相的成分和结构均与平衡脱溶沉淀相有所不同，这一过程称为非平衡 脱溶沉淀。
F 固态相变理论基础 undamental of Phase Transformation Theories
1. 固态相变概论
相变 从广义上讲，构成物质的原子（或分子）的聚合状态（相状态） 发生变化的过程均称为相变。
如：从液相到固相的凝固过程
从液相到气相的蒸发过程
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，即发生从一种相状态到另一种相状态的转变，这种转变称为 固态相变。
特点： 母相α不消失，但随着新相β析出， 母相的成分和体积分数不断变化， 新相的结构和成分与旧相不同，且 新相的成分一般也有变化。
具有脱溶沉淀的二元合金平衡状态图
逆共析相变
加热时也可发生α+β→γ转变，称为逆共析相变。 例如：钢中奥氏体（γ）与珠光体（α+Fe3C）的转变
冷却时：γ→α+Fe3C 共析相变 加热时：α+Fe3C→γ 逆共析型相变
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称为扩散 型相变，也称为“非协同型”转变。
只有当温度足够高，原子活动能力足够强时，才能发生扩散型相变。温度 愈高，原子活动能力愈强，扩散距离也就愈远。
如：同素异构转变、多形性转变、脱溶型相变、共析型相变、调幅分解和 有序化转变等等。
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。
即：
已知：
比热CP 压缩系数K 膨胀系数λ
相变时：
即在二级相变时，无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。
1.1 固态相变的共性
内因与外因
外因: 满足热力学条件是发生相变的必要条件。根据热力学第二定律， 可得到以下相变进行的能量判据：
绝热恒容： 绝热恒压： 恒温恒容： 恒温恒压：
dU 0 S ,V
dH 0 S ,P
dF 0 T ,V
dG 0 T ,P
U：内能 H：焓 F：自由能 G：自由焓
同素异构转变 平衡脱溶沉淀 共析转变 调幅分解 有序化转变
伪共析相变 马氏体相变 贝氏体相变 非平衡脱溶沉淀
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的相变称为 一级相变。
设α代表旧相，β表新相，μ为化学势、T为温度、P为压力，则有
已知：
特点：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。
非平衡相变 某些平衡状态图上不能反映的转变并获得被称为不平衡或亚稳态
的组织，这种转变称为非平衡相变。
伪共析相变
以较快速度冷却时，非共析成分的奥氏 体被过冷到图中影线区，将同时析出铁 素体和渗碳体。这种转变过程和转变产 物类似于共析相变，但转变产物中铁素 体量与渗碳体量的比值（或转变产物的 平均成分）不是定值，而是随奥氏体碳 含量变化而变化，故称为伪共析相变。
马氏体相变
若进一步提高冷却速度，使伪共析相变也来不及进行而将奥氏体过冷到更低温 度，则由于在低温下铁原子和碳原子都已不能或不易扩散，故奥氏体只能以不 发生原子扩散、不引起成分改变的方式，通过切变由γ点阵改组为α点阵，这 种转变称为马氏体相变，转变产物称为马氏体（为区别于平衡相变所形成的α 相，称其为α′相），其成分与母相奥氏体相同。
扩散型相变的基本特点:
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； 新相和母相的成分往往不同； 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。
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。
非扩散型相变的一般特征
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。
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
1.1 固态相变的共性
新相与母相
相变发生，新相与母相之间必然存在某些差别。这些差别或者表现在:
晶体结构上（如同素异构转变） 化学成分上（如调幅分解） 有序化程度的变化 表面能上（如粉末烧结） 应变能上（如形变再结晶） 界面能上（如晶粒长大） 兼而有之（如过饱和固溶体脱溶沉淀）
调幅分解
某些合金在高温下具有均匀单相固溶体，但冷却到某一温度范围时可分解成 为与原固溶体结构相同但成分不同的两个微区，如α→α1+α2，这种转变称 为调幅分解。 它的特点是在转变初期形成的两个微区之间并无明显界面和成分突变，但是 通过上坡扩散，最终使原来的均匀固溶体变成不均匀固溶体。
若加热或冷却速度很快，平衡相变将被抑制，固态材料可能发生