工学金属固态相变概论.pptx

钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）第一章第一章金属固态相变概论金属固态相变概论材料科学与工程学院材料科学与工程学院钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）固态相变概论固态相变概论 固态相变的主要固态相变的主要分类分类 固态相变的主要固态相变的主要特点特点固态相变热力学固态相变热力学固态相变的固态相变的热力学条件热力学条件固态相变的固态相变的形核形核固态相变的固态相变的晶核长大晶核长大固态相变动力学固态相变动力学固态相变的固态相变的速率速率钢中过冷奥氏体转变钢中过冷奥氏体转变动力学动力学第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论主要内容主要内容钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）重点重点理解相和相变的理解相和相变的物理意义物理意义以及固态相变的以及固态相变的基本特征基本特征。难点难点金属固态相变金属固态相变热力学热力学和和动力学动力学。意义意义固态相变是金属材料热处理的基础。如马氏体相变可固态相变是金属材料热处理的基础。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以使钢淬火强化；过饱和固溶体分解使合金时效强化等。研究固态相变有重要的实际意义。等。研究固态相变有重要的实际意义。第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）几个概念相相被一定边界包围、具有确定而均匀的物理和化学性质的一个系统或系统的一个部分。也就是指结构相同、成分和性能均结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。一并以界面相互分开的组成部分。稳定相稳定相对于一定的热力学条件，只有当某相的自由能最低自由能最低时，该相才是稳定稳定的，且处于平衡态平衡态。亚稳相亚稳相若某相的自由能虽不处于最低不处于最低，但与最低自由能态具有能垒具有能垒相分隔相分隔，则该相为亚稳相亚稳相。非稳定相非稳定相若不存在不存在这种能垒，则体系处于非稳定态非稳定态，这种状态是不稳定的，它一定会转变为平衡态或亚稳态转变是自发的。被一定边界包围、具有确定而均匀的物理和化学性质的一个系统或系统的一个部分。也就是指结构相同、成分和性能均结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。一并以界面相互分开的组成部分。对于一定的热力学条件，只有当某相的自由能最低自由能最低时，该相才是稳定稳定的，且处于平衡态平衡态。第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）几个概念构成物质的原子（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凝固过程从液相到气相的蒸发蒸发过程金属和陶瓷等固态材料在温度温度和压力压力改变时，其内部组织组织或结构结构会发生变化，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固态相变。相相 变变固态相变固态相变相变前的相状态称为旧相旧相或母相母相，相变后的相状态称为新相新相*第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）相变理论要解决的问题相变为什么发生，朝着什么方向进行？相变为什么发生，朝着什么方向进行？相变是如何进行的？它的途径和速度如何？相变是如何进行的？它的途径和速度如何？相变产物的结构有什么特征？相变产物的结构有什么特征？结论相变总是朝着能量降低的方向进行；相变总是朝着能量降低的方向进行；相变总是遵循阻力最小的途径进行；相变总是遵循阻力最小的途径进行；相变可以有不同的终态，只有最适合结构环境的相变可以有不同的终态，只有最适合结构环境的新相才能生存。新相才能生存。第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）固固态态相相变变分分类类按原子迁移分类按相变方式分类扩散相变非扩散型相变有核相变无核相变按热力学分类一级相变二级相变按平衡状态分类平衡相变非平衡相变1.1 1.1 金属固态相变的主要类型金属固态相变的主要类型第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）形成条件形成条件：缓慢加热或冷却：缓慢加热或冷却获得组织获得组织：符合平衡状态图的平衡组织：符合平衡状态图的平衡组织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有代表性的几种平衡相变平衡相变平衡相变第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论一、按平衡状态图分类一、按平衡状态图分类钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）（1）同素异构转变）同素异构转变纯金属在温度和压力改变时，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由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程称为体结构的过程称为同素异构转同素异构转变变。若在固溶体中发生这种结构的若在固溶体中发生这种结构的转变，则称为转变，则称为多形性转变多形性转变。如如钢在冷却时由奥氏体中析出先共钢在冷却时由奥氏体中析出先共析铁素体的过程析铁素体的过程。纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）（2）平衡脱溶沉淀）平衡脱溶沉淀高温过饱和固溶体高温过饱和固溶体缓慢冷却缓慢冷却过程中析出过程中析出过剩相过剩相（或（或第二相第二相）的过程。）的过程。具有脱溶沉淀的二元合金平衡状态图具有脱溶沉淀的二元合金平衡状态图特点：特点：(a)新相的成分和结构始终与新相的成分和结构始终与母相的不同；母相的不同；(b)母相不会消失。母相不会消失。钢在冷却时，由奥氏体析出钢在冷却时，由奥氏体析出二次渗碳体的过程二次渗碳体的过程第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）合金在冷却时，由一个固相分解为两个不同固相的转变称为合金在冷却时，由一个固相分解为两个不同固相的转变称为共析共析相变相变（或（或珠光体型转变珠光体型转变），如：），如：AFFe3C；反之，如果合金加热时所发生的相反转变称为反之，如果合金加热时所发生的相反转变称为逆共析相变逆共析相变，如：，如：FFe3C A。具有共析相变的二元合金平衡状态图具有共析相变的二元合金平衡状态图（3）共析相变）共析相变特点：特点：两个生成相的两个生成相的结构结构和和成分成分都与都与母相母相不同不同。类似于合金结晶时的共晶反应。类似于合金结晶时的共晶反应。第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）（4）调幅分解）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时可分解成为与原固溶体结构相同原固溶体结构相同但但成分不同成分不同的两个微区，这种转变的两个微区，这种转变称为称为调幅分解调幅分解。特点：特点：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；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；通过通过上坡扩散上坡扩散，最终使原来的，最终使原来的均匀均匀固溶体变成固溶体变成不均匀不均匀固溶体。固溶体。（5）有序化转变）有序化转变 固溶体中，各组元的相对位置从无序过渡到有序的过程，称为固溶体中，各组元的相对位置从无序过渡到有序的过程，称为有序化转变。有序化转变。在在Cu-Zn、Cu-Au、Mn-Ni、Fe-Ni、Ti-Ni等许多合金系中都可发生等许多合金系中都可发生这种有序化转变。这种有序化转变。第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）非平衡相变非平衡相变形成条件形成条件：快速加热或冷却：快速加热或冷却获得组织获得组织：亚稳或不平衡，不能用平衡状态图来解释：亚稳或不平衡，不能用平衡状态图来解释伪共析相变伪共析相变马氏体相变马氏体相变贝氏体相变贝氏体相变非平衡脱溶沉淀非平衡脱溶沉淀有代表性有代表性的几种非的几种非平衡相变平衡相变块状相变块状相变第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）（1）伪共析相变）伪共析相变Fe-CFe-C平衡状态图平衡状态图接接近近共共析析点点成成分分的的合合金金，过过冷冷到到共共析析点点以以下下发发生生共共析析转转变的过程变的过程 特点：特点：铁铁素素体体和和渗渗碳碳体体的的相相对对量量随随奥奥氏氏体体的的含含碳碳量量而而变变，故故称称为伪共析体为伪共析体第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）（2）马氏体相变）马氏体相变条件：条件：快速冷却快速冷却特点：特点：原子不扩散原子不扩散成分不改变（与母相相同）成分不改变（与母相相同）点阵改组（通过切变方式）点阵改组（通过切变方式）Ms点：点：马氏体相变开始点。马氏体相变开始点。钢中的马氏体：钢中的马氏体：碳溶于碳溶于-Fe中形中形成的过饱和固溶体。成的过饱和固溶体。第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）（3）块状相变）块状相变 在一定的冷速下在一定的冷速下奥氏体奥氏体转变为与母相转变为与母相成分相同成分相同而而形貌呈块状形貌呈块状的的相的过程。相的过程。通过原子的短程扩散使非共格相界面在母相中推移通过原子的短程扩散使非共格相界面在母相中推移（4）贝氏体相变）贝氏体相变 珠光体转变和马氏体转变温度范围之间，珠光体转变和马氏体转变温度范围之间，铁原子不能扩散铁原子不能扩散，碳原碳原子子尚具有一定的尚具有一定的扩散扩散能力，这种非平衡相变称为贝氏体相变（或称能力，这种非平衡相变称为贝氏体相变（或称为中温转变）。为中温转变）。转变产物是转变产物是相与碳化物混合组成的非层片状组织，称其为相与碳化物混合组成的非层片状组织，称其为贝氏贝氏体。体。第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）（5）非平衡脱溶沉淀）非平衡脱溶沉淀快速冷却时，固溶体中的快速冷却时，固溶体中的过剩相过剩相来不及析出，但在室温或低于固来不及析出，但在室温或低于固溶度曲线的某一温度等温时，将从过饱和固溶体中溶度曲线的某一温度等温时，将从过饱和固溶体中析出析出一种一种成分和结成分和结构构与平衡沉淀相不同的与平衡沉淀相不同的新相新相（也称为（也称为第二相第二相）。）。析出相为析出相为非平衡亚稳相非平衡亚稳相；第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）二、按热力学分类二、按热力学分类一级相变一级相变特点特点：在：在一级相变时，一级相变时，熵熵S和和体积体积V将发生将发生不连续变化不连续变化，即一级相变有，即一级相变有相变相变潜热潜热和和体积改变体积改变。材料的材料的凝固、熔化、升华凝固、熔化、升华以及以及同素异构转变同素异构转变等均属于一级相变。几乎所等均属于一级相变。几乎所有伴随有伴随晶体结构变化晶体结构变化的固态相变都是一级相变。的固态相变都是一级相变。n 一级相变：由一级相变：由1相相转变为转变为2相相时，时，G1=G2，12，但化学位的，但化学位的一阶一阶偏导数不等偏导数不等。第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论二级相变二级相变n二级相变：由二级相变：由1相相转变为转变为2相相时，不仅时，不仅G1=G2，12，且化学位，且化学位的的一阶偏导数相等一阶偏导数相等，但化学位的，但化学位的二阶偏导数不等二阶偏导数不等n Cp-热容，热容，-压缩系数，压缩系数，-膨胀系数膨胀系数钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）特点：特点：无无相变潜热相变潜热和和体积改变体积改变，只有比热，只有比热Cp、压缩系数、压缩系数K和和膨胀系数膨胀系数的的不连续不连续变化。变化。材料的部分材料的部分有序化转变有序化转变、磁性转变磁性转变以及以及超导体转变超导体转变均属于二级均属于二级相变。相变。第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论二级相变二级相变钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）定义：定义：在化学位差的驱动下，相界面的移动是通过在化学位差的驱动下，相界面的移动是通过原子近程原子近程或或远程扩散远程扩散而进行而进行的，原子的迁移造成原有原子邻居关系的破坏，也称为的，原子的迁移造成原有原子邻居关系的破坏，也称为“非协同型非协同型”转变。转变。条件：条件：温度足够高，原子活动能力足够强。温度足够高，原子活动能力足够强。特点：特点：相变中有原子扩散。相变中有原子扩散。温度愈高，扩散距离愈远。温度愈高，扩散距离愈远。新相和母相的成分不同。新相和母相的成分不同。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。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。如：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。化转变等等。三、按原子迁移分类三、按原子迁移分类扩散型相变扩散型相变第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）定义：定义：相变过程中原子不发生扩散，所有参与转变的原子的运动是协调一致的，原相变过程中原子不发生扩散，所有参与转变的原子的运动是协调一致的，原有原子的邻居关系不被破坏，原子位移不超过一个原子间距。也称为有原子的邻居关系不被破坏，原子位移不超过一个原子间距。也称为“协同型协同型”转转变。变。条件：条件：低温，原子已不能扩散。低温，原子已不能扩散。特点：特点：相变时原子仅作有相变时原子仅作有规则的迁移规则的迁移以使点阵发生以使点阵发生改组改组。迁移时，相邻原子相对位置迁移时，相邻原子相对位置保持不变保持不变。存在由于均匀切变引起的宏观存在由于均匀切变引起的宏观形状改变形状改变，可在预先制备的抛光试样表面，可在预先制备的抛光试样表面 上出现浮突现象。上出现浮突现象。相变不需要通过扩散，新相和母相的相变不需要通过扩散，新相和母相的化学成分化学成分相同。相同。新相和母相之间存在一定的新相和母相之间存在一定的晶体学位向关系晶体学位向关系。某些材料发生非扩散相变时，相界面移动某些材料发生非扩散相变时，相界面移动速度极快速度极快，可接近声速。，可接近声速。非扩散型相变非扩散型相变第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）相变方式：相变方式：通过通过形核形核核长大核长大进行进行形核部位：形核部位：晶核在母相中有利部位优先形成，一般为晶界、来晶界、位错晶核在母相中有利部位优先形成，一般为晶界、来晶界、位错等晶体缺陷处。大多数固态相变属于此类。等晶体缺陷处。大多数固态相变属于此类。特点：特点：新相与母相之间有新相与母相之间有相界面相界面隔开。隔开。无形核阶段，以成分起伏作为开端，依靠无形核阶段，以成分起伏作为开端，依靠上坡扩散上坡扩散使浓度差逐渐增大，使浓度差逐渐增大，最后由一个单相固溶体分解成为最后由一个单相固溶体分解成为成分不同成分不同而而点阵结构相同点阵结构相同的以共格界面相联的以共格界面相联系的两个相。如调幅分解即为无核相变。系的两个相。如调幅分解即为无核相变。四、按相变方式分类四、按相变方式分类有核相变有核相变无核相变无核相变第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）相变分类总结：相变分类总结：n金属固态相变的三种基本变化：金属固态相变的三种基本变化：（1）结构结构；（；（2）成分成分；（；（3）有序程度；有序程度；只有结构的变化：多形性转变，马氏体相变只有结构的变化：多形性转变，马氏体相变 只有成分的变化：调幅分解只有成分的变化：调幅分解 既有结构又有成分上的变化：共析转变，脱溶沉淀既有结构又有成分上的变化：共析转变，脱溶沉淀第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）n界面能：界面能：界面处的原子结合键与两相内部原子键合的差别所导致的能界面处的原子结合键与两相内部原子键合的差别所导致的能量升高。（由界面上量升高。（由界面上原子排列不规则原子排列不规则产生产生点阵畸变点阵畸变，引起，引起能量升高能量升高，这部分能量称为界面能）这部分能量称为界面能）界面上原子排列不规则将导致两相界面能升高。界面上原子排列不规则将导致两相界面能升高。两相界面有吸附溶质原子的作用。两相界面有吸附溶质原子的作用。溶质原子趋向于在界面处偏聚，使总的能量降低。溶质原子趋向于在界面处偏聚，使总的能量降低。n弹性应变能：弹性应变能：新旧相新旧相比容不同比容不同、相界面原子排列差异相界面原子排列差异而产生的应力、而产生的应力、应变所引起的能量。（与新旧相的比容差、弹性模量、新相形状有关）应变所引起的能量。（与新旧相的比容差、弹性模量、新相形状有关）n固态相变的阻力：固态相变的阻力：界面能，弹性应变能界面能，弹性应变能1.2 1.2 金属固态相变的主要特点金属固态相变的主要特点第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）相界面相界面 位向关系与惯习面位向关系与惯习面 弹性应变能弹性应变能 过渡相的形成过渡相的形成 晶体缺陷的影响晶体缺陷的影响 原子的扩散原子的扩散n固固态态相相变变的的驱驱动动力力为为新新相相与与母母相相的的自自由由能能差差，与与结结晶晶过过程程相比，固态相变有其自身特点：相比，固态相变有其自身特点：1.2 1.2 金属固态相变的主要特点金属固态相变的主要特点第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）1)相界面相界面 按结构特点可分为：按结构特点可分为：共格界面、半共格界面、非共格界面共格界面、半共格界面、非共格界面a)共格界面共格界面 b)半共格界面半共格界面 c)非共格界面非共格界面第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）两相界面上的原子排列完全吻合，即界面上的原子为两相所共有。两相界面上的原子排列完全吻合，即界面上的原子为两相所共有。只有孪晶面才是理想的完全共格界面，界面两侧相相同，因此不产生弹性只有孪晶面才是理想的完全共格界面，界面两侧相相同，因此不产生弹性应变。实际两相点阵总有差别，或应变。实际两相点阵总有差别，或点阵类别点阵类别不同，或不同，或点阵参数点阵参数不同，因此不同，因此两相界面完全共格时必将产生弹性应变。两相界面完全共格时必将产生弹性应变。共格界面共格界面 两相之间的共格关系依靠正应变来维持时，称为两相之间的共格关系依靠正应变来维持时，称为第一类共格第一类共格。两相之间的共格关系以切应变来维持时，称为两相之间的共格关系以切应变来维持时，称为第二类共格第二类共格。两者的晶界两侧都有一定的两者的晶界两侧都有一定的晶格畸变晶格畸变。第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）共格界面的特点共格界面的特点:界面能较小，弹性应变能较大。界面能较小，弹性应变能较大。共格界面必须依靠弹性畸变来维持。共格界面必须依靠弹性畸变来维持。共格界面共格界面（a）图为正应变，靠近晶图为正应变，靠近晶界处一侧受压缩，另一侧受界处一侧受压缩，另一侧受拉伸。拉伸。（b b）图为切应变，晶界附图为切应变，晶界附近有晶面弯曲近有晶面弯曲第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）相界面上分布若干位错，界面上的两相原子相界面上分布若干位错，界面上的两相原子部分部分地保持匹配，弹性地保持匹配，弹性应变能降低。（界面上出现刃型位错，断原子面）应变能降低。（界面上出现刃型位错，断原子面）错配度：错配度：若以若以a和和a分别表示两相沿平行分别表示两相沿平行于界面的晶向上的原子间距，在此于界面的晶向上的原子间距，在此方向上的两相原子间距之差以方向上的两相原子间距之差以a=|a-a|表示，则错配度表示，则错配度为为:半共格界面半共格界面当错配度增大到一定程度是，便难以继续维持完全共格，于是将在界面上产生一些位错，当错配度增大到一定程度是，便难以继续维持完全共格，于是将在界面上产生一些位错，以降低界面的弹性应变能，这时界面上的两相原子变成部分地保持匹配，即半共格以降低界面的弹性应变能，这时界面上的两相原子变成部分地保持匹配，即半共格第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）两两相相界界面面完完全全不不匹匹配配，即即错错配配度度很很大大时时，存存在在大大量量缺缺陷陷的的界界面面，为为很很薄薄的一层原子不规则排列的过渡层，界面能较高。的一层原子不规则排列的过渡层，界面能较高。错配度小于错配度小于0.05时两相可以构成完全时两相可以构成完全的共格界面的共格界面错配度大于错配度大于0.25时易形成非共格界面时易形成非共格界面错配度介于错配度介于0.050.25之间，则易形之间，则易形成半共格界面成半共格界面错配度与界面的关系:非共格界面非共格界面第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）由于界面上原子排列的不规则性会导致界由于界面上原子排列的不规则性会导致界面能升高，因此，非共格界面能最高，半共面能升高，因此，非共格界面能最高，半共格界面能次之，而共格界面能最低。因此，格界面能次之，而共格界面能最低。因此，界面结构的不同，对新相的形核、长大过程界面结构的不同，对新相的形核、长大过程以及相变后的组织形态等都将产生很大影响。以及相变后的组织形态等都将产生很大影响。第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）2）位向关系）位向关系固态相变时，为了减少新相与母相之间的界面能，新相与母相之间往往存在固态相变时，为了减少新相与母相之间的界面能，新相与母相之间往往存在一定的一定的位向关系位向关系。他们常以低指数的、原子密度大而又彼此匹配较好的晶面互相平行。他们常以低指数的、原子密度大而又彼此匹配较好的晶面互相平行。如马氏体转变时马氏体的密排面如马氏体转变时马氏体的密排面011与奥氏体的密排面与奥氏体的密排面111平行。平行。（*新相的某一晶面和晶向分别与母相的某一晶面、晶向平行新相的某一晶面和晶向分别与母相的某一晶面、晶向平行新相的某一晶面和晶向分别与母相的某一晶面、晶向平行新相的某一晶面和晶向分别与母相的某一晶面、晶向平行）界面与位向关系界面与位向关系:共格或半共格界面时必然有一共格或半共格界面时必然有一定的位向关系；定的位向关系；若无一定的位向关系，则为非若无一定的位向关系，则为非共格界面；共格界面；有一定的位向关系，也未必都有一定的位向关系，也未必都具有共格或半共格界面；具有共格或半共格界面；111 110M ;M 西山关系：西山关系：K-S关系：关系：111 110M ;M111 110M 差差10;M 差差20 G-T关系：关系：晶面内的方向差晶面内的方向差5016第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）3）惯习面）惯习面在固态相变时，新相往往在母相一定的晶面上开始形成，这个晶面称为在固态相变时，新相往往在母相一定的晶面上开始形成，这个晶面称为惯习面惯习面，通常以母相的晶面指数来表示。通常以母相的晶面指数来表示。惯习面的存在意味着在该晶面上新相与母相的原子排列很相近，能较好的匹配，惯习面的存在意味着在该晶面上新相与母相的原子排列很相近，能较好的匹配，有助于减少两相之间的界面能。有助于减少两相之间的界面能。惯习面可能是原子移动最小中距离就能形成新相的面。惯习面可能是原子移动最小中距离就能形成新相的面。惯习现象惯习现象 *新相沿特定的晶向特定的晶向在母相特定晶面特定晶面上形成。惯习方向（母相）惯习面原因：原因：沿应变能最小的方向和界面能最低的界面发展。例如：亚共析钢中，在例如：亚共析钢中，在 111析出先共析铁素体析出先共析铁素体 -魏氏组织。魏氏组织。第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）包括共格应变能与比容差应变能4）弹性应变能）弹性应变能 （a a）点阵错配：点阵错配：新相和母相的晶体结构和位向相同，但点阵常数不同，新相和母相的晶体结构和位向相同，但点阵常数不同，由此在所形成的界面附近产生弹性应变的现象。而产生的应变能称为共格由此在所形成的界面附近产生弹性应变的现象。而产生的应变能称为共格应变能。应变能。共格应变能以共格界面最大，半共格界面次之，非共格界面为零。共格晶界的界面能很小，但因晶界附近有畸变，所以弹性畸变能大。这是共格晶界的界面能很小，但因晶界附近有畸变，所以弹性畸变能大。这是共格界面的特点。共格晶界必须依靠弹性畸变来维持，当新相不断长大而共格界面的特点。共格晶界必须依靠弹性畸变来维持，当新相不断长大而使共格界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使共格界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。产生塑性变形，结果使共格联系遭到破坏。第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）4）弹性应变能）弹性应变能 （b b）体积错配：体积错配：新相和母相的比体积不新相和母相的比体积不同，固态相变时将发生体积变化，新相受同，固态相变时将发生体积变化，新相受到周围母相的约束不能自由涨缩而产生弹到周围母相的约束不能自由涨缩而产生弹性应变能。性应变能。由比容差引起的应变能与新相粒子的几何由比容差引起的应变能与新相粒子的几何形状有关，下图给出非新相粒子几何形状形状有关，下图给出非新相粒子几何形状对应变能的影响，设将不同形状的新相看对应变能的影响，设将不同形状的新相看成旋转椭球体，由图可见，圆盘形粒子所成旋转椭球体，由图可见，圆盘形粒子所导致的应变能最小，其次是针状，球形粒导致的应变能最小，其次是针状，球形粒子引起的应变能最大。子引起的应变能最大。aa为椭圆体赤道面直径为椭圆体赤道面直径 C C旋转轴两极间的距离旋转轴两极间的距离 第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）4）弹性应变能）弹性应变能新相形状与相对应变能的关系新相形状与相对应变能的关系l在在过冷度很大过冷度很大时，临界晶核小，比表面积较大，时，临界晶核小，比表面积较大，界面能增大占主要地界面能增大占主要地位位，因而需形成共格界面以降低界面能，故，因而需形成共格界面以降低界面能，故新相倾向于形成盘状新相倾向于形成盘状。l过冷度很小时过冷度很小时，临界晶核大，比表面积大，使新相界面能减少居于次，临界晶核大，比表面积大，使新相界面能减少居于次要地位，倾向于形成非共格界面以要地位，倾向于形成非共格界面以降低应变能降低应变能。（c c）相变阻力：）相变阻力：应变能与界面能的总和应变能与界面能的总和为固态相变的阻力。与液态金属结晶为固态相变的阻力。与液态金属结晶过程相比，固态相变的阻力是很大的。过程相比，固态相变的阻力是很大的。l在固态相变阻力中，应变能与界面能在固态相变阻力中，应变能与界面能究竟何者为主体需视具体条件而定。究竟何者为主体需视具体条件而定。第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）共格界面共格界面 半共格界面半共格界面 非共格界面非共格界面第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）5）晶体缺陷的作用）晶体缺陷的作用大多数固态相变的形核功较大，极易在晶体缺陷处优先不均匀形核，提高形核率，大多数固态相变的形核功较大，极易在晶体缺陷处优先不均匀形核，提高形核率，对固态相变起明显的促进作用。对固态相变起明显的促进作用。均匀形核均匀形核 空位形核空位形核 位错形核位错形核 晶界非均匀形核晶界非均匀形核缺陷处形核功的大小：缺陷处形核功的大小：第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）6）过渡相的形成）过渡相的形成母相母相新相新相过渡相过渡相共格界面共格界面半共格界面半共格界面晶体结构或成分相近晶体结构或成分相近界面能小、形核功小界面能小、形核功小自由能低自由能低自由能最低自由能最低自由能高自由能高非共格界面非共格界面晶体结构差异大晶体结构差异大界面能大、形核功大界面能大、形核功大过渡相也称中间过渡相也称中间亚稳相，指成分亚稳相，指成分或结构，或者成或结构，或者成分和结构二者都分和结构二者都处于新相与母相处于新相与母相之间的一种亚稳之间的一种亚稳状态的相；状态的相；形成过渡相是减形成过渡相是减少相变阻力的有少相变阻力的有效途径之一；效途径之一；过渡相在一定条过渡相在一定条件下仍然能转变件下仍然能转变成平衡相。成平衡相。第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）7）原子的扩散）原子的扩散l固态相变中，成分的改变必须通过组元的扩散才能完成，固态相变中，成分的改变必须通过组元的扩散才能完成，此时扩散成为相此时扩散成为相变的控制因素变的控制因素，而固态金属中原子的扩散系数，即使在熔点附近也上液态，而固态金属中原子的扩散系数，即使在熔点附近也上液态的十万分之一，所以固态相变的转变速率很慢，可以有很大的过冷度。的十万分之一，所以固态相变的转变速率很慢，可以有很大的过冷度。l随着温度降低，过冷度增大，随着温度降低，过冷度增大，形核率增加，相变驱动力增大形核率增加，相变驱动力增大，但同时原子，但同时原子扩散系数降低。扩散系数降低。l这一对矛盾运动的结果就可能使相变后得到的组织细化这一对矛盾运动的结果就可能使相变后得到的组织细化第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）一、金属固态相变的热力学条件一、金属固态相变的热力学条件1 1）相变驱动力）相变驱动力 G是系统的一个特征函数，设是系统的一个特征函数，设H为焓、为焓、S为熵、为熵、T为绝对温度，则有为绝对温度，则有G=H-TS任何相的自由能都是温度的函数，通过任何相的自由能都是温度的函数，通过改变温度改变温度是可以获得相变热力是可以获得相变热力学条件的。学条件的。这也是所谓的相变热力学条件相变热力学条件。1.3 1.3 固态相变的热力学条件固态相变的热力学条件第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）必须产生一定的过冷度或过热度，即：过冷度过冷度 TT0T1 过热度过热度 TT2T0以获得相变所需的自由能差（G或G），即满足相变热力学的能量条件时才能发生或的相变。分析图：分析图：u 产生相变的条件？产生相变的条件？u 影响驱动力的因素？影响驱动力的因素？u 相变进行的方向？相变进行的方向？第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）2 2）相变阻力）相变阻力界面能界面能弹性应变能弹性应变能第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）谁起主导作用？谁起主导作用？u 过冷度大过冷度大，临界晶核尺寸小，单位体积新相界面积大，界面能，临界晶核尺寸小，单位体积新相界面积大，界面能增加巨大，从而增加了形核功而成为主要的相变阻力，此时增加巨大，从而增加了形核功而成为主要的相变阻力，此时界面能界面能起主导作用起主导作用，两相界面易取共格方式以降低界面能。，两相界面易取共格方式以降低界面能。u 过冷度小过冷度小，临界晶核尺寸大，临界晶核尺寸大，界面能不起主导作用界面能不起主导作用，易形成非，易形成非共格界面。共格界面。若两相比容差较大，弹性应变能起主导作用，则形成盘（片）状若两相比容差较大，弹性应变能起主导作用，则形成盘（片）状新相；新相；若两相比容差较小，弹性应变能作用不大，则形成球状新相。若两相比容差较小，弹性应变能作用不大，则形成球状新相。界面能界面能与与弹性应变能弹性应变能第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）相变势垒：相变时改组晶格所必须克服的原子间引力相变时改组晶格所必须克服的原子间引力。势垒的高低可以近似地用。势垒的高低可以近似地用激活能激活能Q Q来表示。来表示。获得附加能量的方式获得附加能量的方式：一是一是原子热振动的不均匀性原子热振动的不均匀性，它使个别，它使个别原子可能具有很高的热振动能量，足以原子可能具有很高的热振动能量，足以克服原子间引力而离开平衡位置，即获克服原子间引力而离开平衡位置，即获得附加能量。得附加能量。二是二是机械应力机械应力，例如弹性变形或塑性变，例如弹性变形或塑性变形破坏了晶体原子排列的规律性，在晶形破坏了晶体原子排列的规律性，在晶体中产生内应力，可强制某些原子离开体中产生内应力，可强制某些原子离开平衡位置，从而获得附加能量。平衡位置，从而获得附加能量。第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）激活能：使晶体原子离开平衡位置迁移到另一个新的平衡或非平衡位置所需要使晶体原子离开平衡位置迁移到另一个新的平衡或非平衡位置所需要的能量的能量。显然，激活能愈大，相变势垒就愈高。显然，激活能愈大，相变势垒就愈高。式中，D0为系数（频率因子）；R为气体常数；T为绝对温度；Q为激活能。自扩散系数自扩散系数D愈大，克服势垒的能力愈强，相变愈容易进行。愈大，克服势垒的能力愈强，相变愈容易进行。自扩散系数：自扩散系数：第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论温度越高，激活能越小，相变阻力就越小，相变越容易进行（指扩散型相温度越高，激活能越小，相变阻力就越小，相变越容易进行（指扩散型相变，非扩散相变的激活能为零）。变，非扩散相变的激活能为零）。钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）二、金属固态相变的形核二、金属固态相变的形核第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论均匀形核：均匀形核：晶核在母相中无择优地任意均匀分布。晶核在母相中无择优地任意均匀分布。非均匀形核：非均匀形核：晶核在母相中某些区域择优地不均匀分布。晶核在母相中某些区域择优地不均匀分布。形核种类形核种类形核种类形核种类形形 核核固态相变的方式固态相变的方式固态相变的方式固态相变的方式核长大核长大(1)晶界形核晶界形核(2)位错形核位错形核(3)空位形核空位形核形核位置形核位置形核位置形核位置钢钢 的的 热热 处处 理理（原原 理理 和和 工工 艺艺）1.均匀形核均匀形核系统自由能变化系统自由能变化自由能差自由能差自由能差自由能差界面能界面能界面能界面能应变能应变能应变能应变能Gv-新旧相间单位体积自由能差新旧相间单位体积自由能差 -单位面积界面能单位面积界面能 -单位体积应变能单位体积应变能相变驱动力：相变驱动力：V