15第一章金属固态相变基础全解

第1章金属固态相变概论1.1金属固态相变的主要类型1.2金属固态相变的分类1.3金属固态相变的主要特点1.4固态相变的形核1.5固态相变时的晶核长大1.6固态相变动力学1.1金属固态相变的主要类型21ααα+→一、平衡转变61.同素异构体转变和多晶型转变62.平衡脱溶转变6共析转变6包析转变6调幅分解6有序化转变1.1金属固态相变的主要类型二、不平衡转变6伪共析转变6马氏体转变6块状转变6贝氏体转变6不平衡脱溶沉淀（时效）固态相变包括三个基本变化6晶体结构的变化：如同素异构转变、多晶型转变、马氏体相变；6化学成分的变化：调幅分解，只有成分转变而无相结构的变化；6有序程度的变化：如有序化转变，磁性转变、超导转变1.2金属固态相变的分类按热力学分类6平衡转变：缓慢加热或冷却同素异构、共析转变、调幅分解等6不平衡转变：快速加热或冷却伪共析转变、M转变、B转变等按动力学分类（依据原子运动的情况）6扩散型：脱溶沉淀、共析转变、有序化、块状转变、同素异构转变6非扩散型：M转变1.3金属固态相变的主要特点基本特点：È固态相变阻力大È原子迁移率低È非均匀形核派生特点：È低温相变时出现亚稳相È新相有特定形状È相界面È位向关系È存在惯习面新相有特定形状析出物的形状由相变中比体积（比容差）应变能和界面能的共同作用。

新相与母相保持弹性联系时，相同体积的晶核比较，新相呈片状的比体积应变能最小，针状次之，球状最大。

若过冷度很大，r*很小，界面能居主要地位，两相间易形成共格或半共格界面以降低表面能，同时应变能的降低使新相倾向于形成盘状（或薄片状）若过冷度很小时，r*较大，界面能居次要地位，两相间易形成非共格界面以降低应变能，若两相比容差很小，新相倾向于形成球状以降低界面能；若两相比容差较大，则倾向于形成针状以兼顾界面能和应变能相界面界面能居中界面能最小界面能最大位向关系为了减少界面能，新相与母相之间往往存在一定的晶体学关系，它们常以原子密度大而彼此匹配较好的低指数晶面相互平行来保持这种位向关系。

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
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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

• ２）位错 • Ｉ）在位错线 • ＩＩ）补偿错配 • ＩＩＩ）在位错线偏聚 • ３）晶界
晶界形核时晶核的形状
晶粒１ 晶粒２
新相
晶界
§２ 固态相变的长大
• 一、长大机制 • １半共格界面的迁移 • ２非共格界面的迁移 • ３扩散型相变与无扩散型相变 • １）扩散型相变的特征 • ２）无扩散型相变的特征
3.溶质原子在晶界上的不均匀分布
应变能Es 溶质原子浓度%
Why?
晶界 溶质原子分布位置
二、位向关系（orientation relationship）
• 1.位向关系:低指数、原子密度大、匹配较好的晶面相 互平行。
• ２.Ｋ－Ｓorientation relationship
• Austenite(FCC) Martensite(Body-Centred
第一章 金属固态相变特征
basic features of metallic solid-state phase transformation
§1 固态相变的特点
• 驱动力：新相与母相的自由能差
• 阻力:界面能和应变能
• 基本过程：成核（nucleation）
•
长大(growing)
一、相界面（phase interface ）
四、应变能
• 1.盘状最小，其次是针状，球形最大。 • ２.主导作用：具体分析。
五、晶体缺陷的影响
• 缺陷的促进作用。
• 思考：晶体中常见的缺陷有哪些？
六、原子的扩散 七、过渡相的形成
§２ 固态相变的形核
• 成核主要在母相的晶界、层错、位错等 晶体缺陷处形成。是非均匀形核。
一、均匀形核 １.形核功： △ G=V △gv+Aσ ＋εV

动力 阻力 当温度低于转变温度， △gv为负值。 只有|V △gv |> Aσ ＋εV △ G<０
形核可能
• 临届晶胚尺寸：r*=2 σ/ (△gv—ε) 形核功： △ G*=16π σ 3/3 (△gv—ε)2 2.非均匀形核 △ G=V △gv+Aσ ＋εV —△gd
动力 阻力
3.晶体缺陷对形核的作用： １）空位
第一章 金属固态相变特征
basic features of metallic solid-state phase transformation
§1 固态相变的特点
• 驱动力：新相与母相的自由能差 • 阻力:界面能和应变能 • 基本过程：成核（nucleation） • 长大(growing)
一、相界面（phase interface ）
四、应变能
• 1.盘状最小，其次是针状，球形最大。 • ２.主导作用：具体分析。
五、晶体缺陷的影响
• 缺陷的促进作用。
• 思考：晶体中常见的缺陷有哪些？
六、原子的扩散 七、过渡相的形成
§２ 固态相变的形核
• 成核主要在母相的晶界、层错、位错等 晶体缺陷处形成。是非均匀形核。 一、均匀形核 １.形核功： △ G=V △gv+Aσ ＋εV
• 1.弹性应变能:随错配度变化 • 2.错配度:δ= Δa/a
δ<0.05 δ=0.05-0.25 δ >0.25
完全共格 半共格 非共格
一、相界面（phase interface ）
金属界面结构示意图---非共格界面
金属界面结构示意图---半共格界面
半共格界面
金属界面结构示意图---共格界面
• 二、新相长大速度：界、新相形成的转变速度与过冷度的关 系