金属固态相变特征讲解

金属固态相变的特征引言：金属是一类常见的材料，其固态相变是指在一定条件下，金属由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。

金属固态相变具有许多独特的特征，本文将从晶格结构、原子运动和宏观性质三个方面来探讨金属固态相变的特征。

一、晶格结构变化金属的固态相变通常伴随着晶格结构的变化。

晶格是金属内部排列有序的原子阵列，不同的晶格结构决定了金属的性质。

金属固态相变中，晶格结构发生变化，常见的相变类型有铁素体相变、奥氏体相变和马氏体相变等。

不同的相变类型对应着不同的晶格结构，如面心立方结构、体心立方结构和六方最密堆积结构等。

晶格结构的变化直接影响了金属的力学性能、导电性能和磁性等性质。

二、原子运动特征金属固态相变中，原子的运动是相变发生的基础。

在金属的相变过程中，原子会发生位移、交换或重新排列等运动。

例如在铁素体相变中，铁原子的位置会从面心立方结构变为体心立方结构，原子发生了位移和重新排列。

此外，金属固态相变的过程中，原子间的键合也会发生改变。

原子运动的特征直接影响了金属的热膨胀性、热导率和硬度等性质。

三、宏观性质变化金属固态相变引起了金属的宏观性质变化。

金属的固态相变通常伴随着热学性质和力学性质的变化。

例如，在铁素体相变中，金属的磁性会发生明显变化，从铁磁性转变为顺磁性。

此外，金属的热膨胀性、热导率和电阻率等热学性质也会随着相变发生变化。

另外，金属相变还会对金属的力学性能产生影响，如硬度和韧性等。

金属固态相变的特征不仅与金属的性质有关，也与相变过程的条件有关。

金属的固态相变通常需要一定的温度和压力条件，不同的温度和压力条件下，金属的相变行为也会有所不同。

此外，金属的化学成分也会对固态相变产生影响，不同的化学成分会导致金属的相变温度发生变化。

总结：金属固态相变是金属由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程，具有晶格结构变化、原子运动特征和宏观性质变化等特征。

金属固态相变的特征与金属的性质、相变过程的条件和化学成分有关。

第一章 金属固态相变特征复习：相的概念，合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。

固态相变定义：固态金属（纯金属和合金）在温度和压力改变时，组织和结构会发生变化，这种变化统称为金属的固态相变。

重点：理解相和相变的物理意义，固态相变的基本特征。

难点：意义：固态相变是金属材料热处理的基础。

例如，马氏体相变可以使钢淬火强化；过饱和固溶体分解使合金时效强化等。

因此，研究固态相变有重要的实际意义。

金属固态相变与凝固过程相同处：* 以新相和母相的自由能差作为相变的驱动力；* 大多数固态相变也都包含成核和长大两个基本过程，并遵循结晶过程的一般规律。

但因其为固态下的结晶过程，故又具有不同于液态金属结晶的一系列特点。

热处理：将钢在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却到室温的一种热加工工艺。

热处理的作用？（1） 改变钢的组织结构，进而改善材料的性能，延长期使用寿命；（2） 消除铸、锻、焊等工艺造成的缺陷，细化晶粒，消除偏析，降低内应力，均匀钢的组织和性能；（3） 热处理还可以改善材料的切削加工性能；（4） 热处理可以提高工件表面的抗磨、耐蚀性能。

§1-1 固态相变的特点一、相界面金属固态相变时，新相与母相的界面为两种晶体的界面，按其结构特点可分为共格界面、半共格（部分共格）、非共格界面，如图1-1：1、共格界面――界面上的原子同时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，如图1-1a)。

只有孪生晶面才是理想的完全共格界面。

第一类共格：当两相之间的共格联系依靠正应变来维持时，图1-2a ）；第二类共格：当两相之间的共格联系依靠切应变来维持时，图1-2b ）。

无论哪种共格，晶界两侧都有一定的畸变。

共格界面的特点：共格界面的界面能很小，但因界面附近有畸变，所以弹性畸变能大。

共格界面必须依靠弹性畸变来维持，当新相不断长大而使共格晶面的弹性畸变能增大到足够量时，也可能超过母相的屈服极限而产生塑性变形，结果使共格联系遭到破坏。

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。

第一章 金属固态相变特征复习：相的概念，合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。

固态相变定义：固态金属（纯金属和合金）在温度和压力改变时，组织和结构会发生变化，这种变化统称为金属的固态相变。

重点：理解相和相变的物理意义，固态相变的基本特征。

难点：意义：固态相变是金属材料热处理的基础。

例如，马氏体相变可以使钢淬火强化；过饱和固溶体分解使合金时效强化等。

因此，研究固态相变有重要的实际意义。

金属固态相变与凝固过程相同处：* 以新相和母相的自由能差作为相变的驱动力；* 大多数固态相变也都包含成核和长大两个基本过程，并遵循结晶过程的一般规律。

但因其为固态下的结晶过程，故又具有不同于液态金属结晶的一系列特点。

热处理：将钢在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却到室温的一种热加工工艺。

热处理的作用？（1） 改变钢的组织结构，进而改善材料的性能，延长期使用寿命；（2） 消除铸、锻、焊等工艺造成的缺陷，细化晶粒，消除偏析，降低内应力，均匀钢的组织和性能；（3） 热处理还可以改善材料的切削加工性能；（4） 热处理可以提高工件表面的抗磨、耐蚀性能。

§1-1 固态相变的特点一、相界面金属固态相变时，新相与母相的界面为两种晶体的界面，按其结构特点可分为共格界面、半共格（部分共格）、非共格界面，如图1-1：1、共格界面――界面上的原子同时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，如图1-1a)。

只有孪生晶面才是理想的完全共格界面。

第一类共格：当两相之间的共格联系依靠正应变来维持时，图1-2a ）；第二类共格：当两相之间的共格联系依靠切应变来维持时，图1-2b ）。

无论哪种共格，晶界两侧都有一定的畸变。

共格界面的特点：共格界面的界面能很小，但因界面附近有畸变，所以弹性畸变能大。

共格界面必须依靠弹性畸变来维持，当新相不断长大而使共格晶面的弹性畸变能增大到足够量时，也可能超过母相的屈服极限而产生塑性变形，结果使共格联系遭到破坏。

一、名词解释1.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。

2.扩散：相邻原子相对移动距离超过一个原子间距，相邻原子的相对位置发生改变。

3.均匀形核：晶核在母相中无择优地任意均匀分布4.非均匀形核：晶核在母相中某些区域择优地不均匀分布5.惯习面：新相往往在母相一定的晶面上开始形成，这个晶面为惯习面6.共格界面：界面上的原子所占据的位置恰好是两相点阵共有的位置时，两相在界面上的原子可以一对一的相互匹配。

7.球化退火：使片状渗碳体球状化，获得球状p的热处理工艺。

8.派敦处理：使高碳钢获得细珠光体（索氏体）组织，再经过深度冷拔而获得高强度钢丝。

9.魏氏组织：工业上将具有片（针）状铁素体或渗碳体加珠光体的组织（消除：细化晶粒的正火、退火以及锻造）10.伪共析转变：过冷奥氏体将全部转变为珠光体型组织，但合金的成分并非共析成分，并且其中铁素体和渗碳体的相对含量也与共析成分珠光体不同，随奥氏体的碳含量变化而变化。

11.切变共格界面：Ms的形成是以切变方式进行的，且Ms和r之间的界面上的原子是共有的。

这种界面。

12.冷处理：若Ms点在室温以上，Mf点在室温以下，则淬火到室温时将保留相当残余r。

若继续冷却至室温以下，则残余r转变为M。

13.相变诱发塑性：金属及合金在相变过程中塑性增加，往往在低于母相屈服强度时即可发生塑性变形。

14.二次淬火：回火加热、保温过程中不发生分解，冷却时残余奥氏体转变为马氏体的现象。

15.回火抗力（抗回火性）：合金元素这种阻碍α相中碳含量降低和碳化物颗粒长大而使钢件保持高硬度、高强度的性质。

16.二次硬化：当马氏体中含有足够量的碳化物形成元素时，在500℃以上回火时将会析出细小的特殊碳化物，导致因回火温度升高，θ-碳化物粗化而软化的钢再度硬化。

17.回火脆性：随回火温度升高，冲击韧性反而下降的现象。

18.脱溶（沉淀）：从过饱和固溶体中析出第二相（沉淀相）或形成溶质原子聚集区以及亚稳定过渡相的过程，是一种扩散型相变。

材料相变作业（一）3120102244 陈丹科1、金属固态相变有哪些特征？试述相变的驱动力和阻力。

金属固态相变的特征：1)金属固态相变具有相界面：金属固态相变时，新旧两相都是固相，可产生共格界面、半共格界面和非共格界面。

2)金属固态相变时新相和母相之间往往存在一定的位相关系，而且新相往往在在母相一定的晶面上开始形成，即存在惯习面。

3)金属固态相变时，由于受到周围母相的约束，新相不能自由胀缩，因此新相与其周围母相之间必将产生弹性应变和应力，使系统额外地增加了一项弹性应变能。

4)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。

5)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，金属固态相变时新相晶核总是优先在晶体缺陷处形成。

6)在很多情况下，由于新相和母相的成分不同，金属固态相变必须通过某些组元的扩散才能进行，这时扩散便成为相变的控制因素。

原子扩散速度对固态相变有显著的影响。

相变的驱动力：新旧两相的自由能差相变的阻力：界面能，弹性应变能2、分析晶体缺陷对固态相变中新相形核的作用。

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。

新旧两相自由能差∆G=V∆G V+Sσ+εV−∆G d，其中∆G d为缺陷消失所降低的能量，因此，可以认为晶体缺陷提供了形核的一部分驱动力。

在固态相变中，均匀形核的形核功最大，空位形核功次之，位错形核更次之，晶界非均匀形核的形核功最小。

3、计算金属固态相变中均匀形核时临界形核功和临界晶核尺寸。

∆G=−Vβ∆G V+Vβ∆Gε+AβσαβVβ：β相体积∆G V：β的自由能变化∆Gε：单位体积的应变能Aβ：相界面积σαβ：单位面积的界面能当晶核为球形时，∆G=−43πr3∆G V+43πr3∆Gε+4πr2σαβ对于r 求导：d（∆G）dr=0，可得临界晶核尺寸：r∗=2σαβ∆G V−∆Gε，形成临界晶核的形核功：∆G∗=16σαβ33（∆G V−∆Gε）24、简述固态相变形成新相的形状与界面能和界面应变能的关系。

1.固态相变：固态金属在一定压力温度下，内部组织结构发生改变的现象。

2.金属固态相变：固态金属及合金在温度压力改变时，内部相结构发生相互转变的现象3.过冷奥氏体：临界点以下存在的将要发生转变的不稳定的奥氏体4.惯习面：马氏体转变时，新相和母相保持一定的位相关系，马氏体在母相的一定晶面上开始形成，此晶面称为惯习面5，滑移：在切应力作用下，警惕的两部分沿一定的晶面和晶向发生相对运动的滑动6.滑移系：晶体中一个滑移面和其上的一个滑移方向的组合称为滑移系7回复：形变金属加热时，在新晶粒出现之前，某些物理，化学性能及亚结构发生变化的过程8.再结晶：经冷变形有很大畸变的金属，加热到一定温度产生一些无畸变的小晶粒并不断长大，直到由无畸变晶粒所取代的过程9冷加工：是指在结晶温度以下，并且无加热的加工，10.热加工：是指在结晶温度以上的不发生加工硬化的加工11固溶处理：将钢或合金加热到一定的温度，使碳或合金元素溶入固溶体中，然后以较快的速度冷却下来，得到过饱和状态的固溶体或过饱和的新相12.时效：脱溶将引起组织，性能，内应力的改变等，这种热处理工艺称为13.脱溶：经过固溶处理而得到的固溶体或新相大多是亚稳的，在室温保持一段时间或者加热到一定温度，过饱和相将脱溶，析出沉淀相，故称为脱溶14.回火脆性：有些钢在某些温度区间回火，可能出现韧性显著降低1.固态相变的驱动力是什么？答案：那些因素构成相变的阻力：：相变驱动力是两相自由焓之差相变阻力是由界面能和畸变能组成2.晶体缺陷对固态相变形核有何影响？答案：a固相界面有现成的一部分，因而只需部分重建b原缺陷能可以贡献给形核功，形核功变小c界面处扩散速率比晶内快得多d相变引起的应变能可较快的通过晶界流变而松弛d溶质原子易于偏聚在晶界处，有利于提高形核率3.说明共析钢奥氏体的形成过程，为什么铁素体先消失部分渗碳体未溶解完毕。

答案：a 奥氏体在晶界处的形核阶段b奥氏体核长大阶段c剩余渗碳体的溶解阶段d奥氏体的成分均匀化阶段各阶段产生的原因：奥氏体分别向铁素体和渗碳体两界面推移；奥氏体向铁素体界面的推移速度要大于向铁素体界面推移的速度，因此造成铁素体先消失。

金属固态相变知识点总结一、金属固态相变概述金属的固态相变是指金属在固态下由于温度、压力等外部条件的变化而发生的结构变化。

金属的固态相变具有一定的规律性，可以通过实验和理论研究来预测和解释金属相变过程中的行为。

金属固态相变对于金属材料的性能和应用具有重要的影响，因此对金属固态相变进行深入的研究具有重要的意义。

二、金属固态相变类型1. 多种金属的固态相变类型金属的固态相变包括晶格变化、相变温度、相变形式等不同的类型，主要有以下几种类型：(1) α-β型固溶体相变α-β型固溶体相变是金属合金中比较常见的相变类型，指的是在金属合金中存在两种不同的固溶体相，分别为α相和β相。

这种相变类型在许多重要的金属合金中都有出现，如Fe-C合金、Ni-Cr合金等。

(2) 费氏体相变费氏体相变是一种典型的金属固态相变类型，指的是金属在一定温度下发生由奥氏体相向费氏体相转变的过程。

这种相变类型在一些铁素体不锈钢中尤为常见。

(3) 莫尔铂相变莫尔铂相变是一种金属固态相变类型，指的是金属在相变过程中由六方最密堆积（HCP）结构向立方最密堆积（FCC）结构的转变。

这种相变类型在一些贵金属合金中具有重要作用。

2. 典型金属的固态相变不同的金属在固态下的相变类型也有所不同，下面以常见的几种金属为例进行介绍：(1) 铁素体不锈钢的固态相变铁素体不锈钢是一种重要的金属材料，其固态相变主要包括奥氏体到费氏体的相变，以及费氏体到马氏体的相变。

这些相变在不锈钢的应用性能中具有重要的影响。

(2) 铝合金的固态相变铝合金是一种广泛应用的金属材料，其固态相变主要包括固溶体相变和析出相变。

这些相变对于铝合金的强度和耐腐蚀性能具有重要的影响。

(3) 镍基高温合金的固态相变镍基高温合金是一种用途广泛的高温合金，其固态相变主要包括γ'-γ''转变、析出相变等。

这些相变对于高温合金的高温强度和高温抗氧化性能具有重要的影响。

三、金属固态相变的影响因素金属的固态相变受到多种因素的影响，主要包括温度、压力、合金元素、晶体结构等因素。

金属固态相变的主要特点金属固态相变是指金属在温度或压力变化下发生的物态转变。

相变是物质由一种物态转变为另一种物态的过程，其中固态相变是指物质从固态转变为其他物态的过程。

金属固态相变具有以下主要特点：1. 温度和压力的影响：金属固态相变通常受到温度和压力的共同影响。

随着温度的升高或压力的增加，金属的晶体结构和原子排列方式发生变化，从而导致相变的发生。

2. 结构转变：金属固态相变中，金属的晶体结构会发生变化。

金属晶体结构可以分为多种类型，如面心立方结构、体心立方结构和六方最密堆积结构等。

相变时，金属晶体结构的类型可能发生改变，从而导致其他性质的变化。

3. 形态变化：金属固态相变还会导致金属的形态发生变化。

例如，金属在相变过程中可能出现晶体的生长、晶界的移动、晶粒的合并或分裂等现象。

这些形态的变化会影响金属的力学性能和微观结构。

4. 热力学性质变化：金属固态相变会引起金属的热力学性质变化。

例如，相变可能导致金属的热导率、电导率、热膨胀系数等物理性质的变化。

这些性质的变化与金属的晶体结构和原子排列方式有关。

5. 相变温度和相变范围：金属固态相变有一定的相变温度和相变范围。

相变温度是指金属从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的温度点，而相变范围是指在相变温度附近金属可以存在的温度范围。

不同金属的相变温度和相变范围各不相同。

6. 相变速率：金属固态相变的速率取决于温度、压力、晶体结构和金属的化学成分等因素。

相变速率较快的金属相变过程称为快速相变，而相变速率较慢的金属相变过程称为慢速相变。

7. 相变过程的可逆性：金属固态相变通常是可逆的，即金属可以在相反的条件下恢复到原来的相态。

例如，当金属从高温相变为低温相时，如果温度重新升高到相变温度以上，金属会再次发生相变，恢复到高温相。

总的来说，金属固态相变是金属在温度和压力变化下发生的物态转变过程，具有结构转变、形态变化、热力学性质变化等特点。

金属固态相变的研究对于理解金属的微观结构和性能变化具有重要意义，也有助于金属材料的设计和应用。