《固态相变原理及应用》第三章 固态相变动力学原理

固态相变与液态相变相比的的特点 ?1.相变阻力大。 固态相变的驱动力也是新旧两相的自由能
差，这个差值越大，越有利于相变的进行 ?2.新相与母相界面上原子排列易保持一定的匹配。新相与
母相界面上原子排列易保持一定的匹配的根本原因就在于 它有利于相变阻力的降低 ?3.新相与母相之间存在一定的晶体学位向关系。
? ?P ?T
6
二级相变： 两平衡相的化学势相等，及一阶偏导
数相等，但是二阶偏导数不相等。
?1 ? ?2
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? ?T ?P ? ?T ?P ? ?P ?T ? ?P ?T
????
? 2 ?1
?T 2
????P
?
????
应力作用，或由于晶体受到打击，切削，研磨等机械应力 作用，使晶体内部质点排列变形。
原子行列间相互滑移，而不再符合理想晶格的有序排 列形成现状的缺陷称为位错
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（2）. 位错形核
? ①位错与溶质原子交互作用形成溶质原子气团，使溶 质原子偏聚在位错线附近，在成分上有利于形核。
? ②位错形核形成的新相如果能使原来的位错消失，可 降低成核功
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2. 按动力学分类
? 1). 扩散型（非协同型）： ?新相的形成和长大都要依靠原子的长距离扩散，相界面进
行扩散移动， ?转变的速度由原子扩散迁移速度控制，相界面是非共格。 ?脱溶、共析、增幅分解属于这种类型。
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2）. 非扩散型（位移型）： 在相变过程中没有原子的扩散运动，相变前后没有成分
的变化，原子以切变的方式，即相对周围原子发生有规律 的少量的偏移，基本维持原来的相邻关系，而发生晶体结 构的改变。

理
与 过程，目的地——脱溶出平衡相，
应
用 经历亚稳相或溶质原子聚集区。
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控制脱溶析出相的结构、尺寸、
固
态 分布等，能使合金的强度硬度显著
相
变 提高。这种脱溶可显著提高合金的
原
理 强度和硬度，称为沉淀强（硬）化
与
应 或时效强（硬）化，是强化合金材
用
料的重要途径之一。尤其是....
1 脱溶过程和脱溶物的结构
固
态
形成θ″相强化
相
变
效果最大，出
原
理
现θ′相硬度开
与
始下降。初期
应
用
是冷时效，后
期是温时效。
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时效时引起硬度变化的因素溶度下降
原
（2）基体回复与再结晶
理
与
（3）新相析出
应
用
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固
态
相
变
原
理
与
应
用
三个因素共同决定的结果
3.2 时效硬化机制
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变
原 后室温放置，硬度随时间的推移不
理
与 断升高，但观察不到显微组织的任
应
用 何变化。当时无法解释其原因，就
称此现象为时效硬化。
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条件：凡是平衡相图上存在固溶
固 态
度变化（固溶度随温度降低而减少）
相
变 的合金。二次渗碳体、三次渗碳体
原
理 的析出，回火时发生的马氏体分解
与
应 或二次硬化等，本质上都是脱溶过
理
与 列出了几种时效硬化型合金的析出
应
用 系列。

各处界面不同时满足与母相 的晶体学关系
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ii.非共格晶界形核
31
令： 2 cos
则G*hetero
=
16 3

（3 1

S S
）3
（Gv-）2
界隅形核达到零形核功的最小，最容易形核
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各类晶界非均匀形核的形核率
I n ( )3i exp( Q ) exp( AiG *homo )
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小结： 晶体缺陷形核的难易：
最难:均匀形核——空位——位错——层错—— 晶界/相界——自由表面：最易
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1.2.3 金属固态相变的晶核长大 1.新相长大的机制 相长大过程是界面不断向母相迁移的过程。 涉及或不涉及原子的扩散
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（1）共格/半共格界面的迁移机制
非扩散型（协同）长大机制 非热激活过程 对温度不敏感
即固态相变需要大过冷
ii.固态相变的临界晶核尺寸、临界形核功
新相的比表面能σ和单位体积的弹性应变能ε显著 影响临界晶核。 σ 、ε增大将增加形核困难
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(2) 均匀形核率
I=n exp( Q ) exp( G *)
kT
kT
n : 单位体积中母相的原子数
: 原子振动频率
Q:原子扩散激活能
α
可以证明，临界晶核半径：
β
r* 2 Go
*
V hetero *
V homo

f ()

2 3cos cos3
2
其中： cos 2
0 f ( ) 1
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非均匀形核更容易进行
大角度晶界是形核的重要位置 新相晶核与母相的界面可以是共格的或非共格的。 i.一侧共格的界面晶核

激光热处理 电子束热处理
等离子热处理
形变热处理
真空热处理
化学热处理
• ( 2) 结合产业形势, 反映当前市场需求。
• 现代工业的发展，对制造业提出了更高的要求， 因此材料工业也遇到了很好的提升空间。
• ( 3) 将科研成果引入教学中, 实行产学结合。例 如, 讲到马氏体时，把ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ近分析的T12钢锉刀的失 效工件结合理论分析, 把实际科研成果转变成生 动的教学案例。让学生们明白： 固态相变可以决定产品的内在质量
• 第三章 珠光体转变
3.1 珠光体的组织特征 3.2 珠光体转变机制 珠光体转变时的领先相/ 珠光体的形成过程 亚(过)共析钢的珠光体转变
3.3 珠光体转变动力学
形核率/ 和长大速度 先共析相的长大动力学 影响珠光体转变动力学的因素 3.4 珠光体转变产物的机械性能 珠光体转变动力学图
P的机械性能
• 第五章贝氏体相变
5.1贝氏体相变的基本特征和组织形态 贝氏体相变的基本特征 钢中贝氏体的组织形态 柯俊贝氏体相变假说
5.2贝氏体相变机制
恩金贝氏体相变假说 贝氏体的形成过程 5.3贝氏体相变动力学及其影响因素 贝氏体等温相变动力学 5.4钢中贝氏体的机械性能 影响贝氏体机械性能的主要因素 贝氏体的强度和硬度 贝氏体的韧性 贝氏体相变时碳的扩散
相变、贝氏体相变、钢中的回火转变和合
金的脱溶沉淀与时效等部分，着重讲述金 属材料在热处理过程中的基本原理和理论
知识。
4. 《金属固态相变原理》授课内容及重点
第一章 金属固态相变基础 1.1 金属固态相变概论 主要分类 主要特点 1.2 金属固态相变热力学 热力学条件 形核 晶核长大 1.3 金属固态相变动力学 金属固态相变的速率 钢中过冷奥氏体转变动力学