第一章金属固态相变基础.ppt

材料成型及控制工程,1,第一章 金属固态相变基础,1.1 金属固态相变的主要类型,材料成型及控制工程,2,1.1.1 按原子的运动特点分类,扩散型相变－相变依靠原子或离子的扩散来进行，如温度足够高，可以改变相的成分如钢中的加热相变、珠光体相变等脱溶分解：α′→ α +β共析转变：γ → α +β有序化转变： α（无序） → α′（有序）,材料成型及控制工程,3,无扩散型相变－相变过程中原子或离子不发生扩散，低温下发生，原子或离子仅作有规则的迁移以使点阵发生改组，相对移动距离不超过原子间距如马氏体相变材料成型及控制工程,4,1.1.2 按平衡状态分类（1）平衡相变 在缓慢加热或冷却时所发生的符合平衡相图的相变 a、同素异晶转变纯金属在一定的温度和压力下，由一种结构转变为另一种结构的现象称为同素异晶转变δ→γ→α）若在固溶体中发生这种结构的转变，则称为多形性转变如钢在冷却时由奥氏体中析出先共析铁素体的过程 亚共析钢）,材料成型及控制工程,5,,b、 平衡脱溶转变,高温过饱和固溶体缓慢冷却过程中析出第二相的过程 特点：(a) 新相的成分和结构始终 与母相的不同；(b)母相不会消失。

钢在冷却时，由奥氏体析出二次渗碳体的过程,图1-1 可发生脱溶转变的合金,材料成型及控制工程,6,,c、共析转变 合金冷却时，由一个固相同时析出两个不同固相的过程称为共析转变 钢中的珠光体相变d、调幅分解 由一种高温固溶体，冷至某一温度范围，分解为两种与原固溶体结构相同，而成分不同的微区的转变称为调幅分解 α→ α1 + α2,材料成型及控制工程,7,e、 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，称为有序化转变 Cu-Zn、Au-Cu等合金中均可发生这种转变,特点 ：(a) 新形成的微区之间无明显的界面和成分的突变；(b) 通过上坡扩散，最终使均匀固溶体变为不均匀固 溶体材料成型及控制工程,8,（2）非平衡相变,a、伪共析转变 接近共析点成分的合金，过冷到共析点以下发生共析转变的过程 铁素体和渗碳体的相对量随奥氏体的含碳量而变，故称为伪共析体,图1-2 Fe-Fe3C相图的伪共析区,材料成型及控制工程,9,b、 马氏体相变 钢在快冷时，若能避免其发生扩散型转变，则将无需原子的扩散，以一种切变共格的方式实现点阵的改组，而转变为马氏体c、块状转变 在一定的冷速下奥氏体转变为与母相成分相同而形貌呈块状的α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,材料成型及控制工程,10,d、贝氏体相变在珠光体转变与马氏体转变温度范围之间（中温），铁原子不能扩散，碳原子可以扩散过冷奥氏体转变为由铁素体和渗碳体组成的非层片状组织 — 贝氏体e、非平衡脱溶转变 在等温条件下，由过饱和固溶体中析出第二相的过程析出相为非平衡亚稳相,材料成型及控制工程,11,按热力学分类－一级相变和二级相变,一级相变：由1相转变为2相时，G1=G2，μ1＝μ2，但化学位的一阶偏导数不等,,,,,,,一级相变有热效应（相变潜热）与体积效应，从而可用热膨胀仪测量一级相变的开始点，金属固态相变一般为一级相变。

材料成型及控制工程,12,二级相变：由1相转变为2相时，不仅G1=G2，μ1＝μ2，且化学位的一阶偏导数相等，但化学位的二阶偏导数不等,,,,,,,,,,,,Cp --热容，β-- 压缩系数，α-- 膨胀系数,材料成型及控制工程,13,二级相变时没有熵和体积改变，只有热容、压缩系数和膨胀系数的改变 有序-无序转变、磁性转变、超导态转变属于二级相变,材料成型及控制工程,14,金属固态相变的三种基本变化：（1）结构；（2）成分；（3）有序程度 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 既有结构又有成分上的变化：共析转变，脱溶沉淀,材料成型及控制工程,15,1.2 金属固态相变的基本特征,,固态相变的驱动力也为新相与母相的自由能差，与结晶过程相比，固态相变有其自身特点1.2.1 界面和界面能 按结构特点可分为：共格界面、半共格界面、非共格界面,材料成型及控制工程,16,（1）共格界面 两相界面上的原子排列完全匹配，即界面上的原子为两相所共有界面原子排列混乱程度低 特点：界面能很小，弹性应变能大 错配度δ= ∆a/a 越大，弹性应变能越大∆a-原子间距之差，a-母相原子间距。

材料成型及控制工程,17,图1-2 a) 共格界面 b) 半共格界面 c) 非共格界面,材料成型及控制工程,18,半共格界面：相界面上分布若干位错，界面上的两相原子部分地保持匹配，弹性应变能降低界面上出现刃型位错，断原子面）(3)非共格界面：两相界面完全不匹配，即存在大量缺陷的界面，为很薄的一层原子不规则排列的过渡层，界面能较高材料成型及控制工程,19,1.2.2 惯习面和位向关系 固态相变时，新相往往在母相的一定晶面上开始形成， 这个晶面称为惯习面如：亚共析钢中，在 {111}γ析出先共析铁素体 ------ 魏氏组织 位向关系：新相与母相之间的某些低指数晶面和晶向往往存在一定的位向关系，以减小两相间的界面能{110}α// {111}γ ； <111>α// <110>γ,材料成型及控制工程,20,1.2.3 弹性应变能,图1-4 新相形状与应变能的关系由纳巴罗 ( Nabarro )计算,非共格相界面的体积（比容）应变能（由于比容不同）：球状最大，针状次之，盘状最小 两相界面上不匹配也引起弹性应变能，共格界面最大，半共格界面次之，非共格界面为零材料成型及控制工程,21,固态相变的阻力：界面能 + 应变能,1.2.4 晶体缺陷的影响 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。

位错、点缺陷等）1.2.5 过渡相（亚稳相）的形成 为了减少界面能，固态相变中往往先形成具有共格相界面的过渡相（亚稳相） 亚稳相有向平衡相转变的倾向，但在室温下转变速度很慢材料成型及控制工程,22,1.3 固态相变的形核,1.3.1 均匀形核与凝固过程相比，增加了一项应变能∆G = -V ∆Gv + S γ+ V ∆Gs (1-4)其中∆Gv ---- 新旧相间单位体积自由能差 γ ---- 单位面积界面能∆Gs ---- 单位体积应变能相变驱动力： V ∆Gv ，新旧相间自由能差相变阻力： S γ+ V ∆Gs ，界面能 + 应变能,材料成型及控制工程,23,设形成的新相晶核为球形对于 r 求导：,图1-5 球形晶核的自由能变化,,可得临界晶核尺寸：,,,形成临界晶核的形核功,,形核功：晶核长大到 r* 所需克服的能垒，或所做的功,材料成型及控制工程,24,液态金属中的形核,材料成型及控制工程,25,固态相变的形核率 ---- 单位体积母相中所形成的核心数,,c0 ---- 单位体积母相中的原子数ω---- 原子振动频率∆G* ---- 形核功∆Gm ---- 原子扩散激活能 固态相变较难均匀形核,材料成型及控制工程,26,1.3.2 非均匀形核晶体缺陷储存的能量可使形核功降低，促进形核∆G = -V ∆Gv + S σ+ V ∆Gs - ∆Gd (1-11) - ∆Gd ---- 由于晶体缺陷消失所降低的能量晶体缺陷：空位、位错、晶界（1）空位 空位通过促进溶质原子扩散或利用本身能量提供形核驱动力而促进形核 空位团可凝聚成位错而促进形核,材料成型及控制工程,27,材料成型及控制工程,28,（3）晶界 大角晶界具有较高的界面能，在晶界上形核可利用晶界能量，使形核功降低。

有三种位置：a) 晶界面 b) 棱边 c)隅角,晶界形核时三种位置,材料成型及控制工程,29,晶界面形核时晶核形状,三晶粒相交的棱边,四晶粒相交的隅角,材料成型及控制工程,30,,图1-8 晶界不同位置形核功比较,θ ---- 接触角 隅角形核的形核功比其他位置小 在晶界上的三种位置中，隅角位置在多晶体中所占的体积分数最少,材料成型及控制工程,31,1.4 固态相变的长大,1.4.1 长大机制长大实质：界面向母相的迁移过程 新相晶核长大的过程分为两种情况：传质过程和界面过程1、新相形成时没有成分的改变，只有结构或有序度的变化，如纯金属的同素异构转变等，只要紧邻相界的母相原子作近程扩散越过相界，新相即长大界面附近原子调整位置使晶核长大的过程为“界面控制长大”，又称界面过程； 2、新旧两相的成分不同，如过饱和固溶体的分解等，需要溶质原子进行长程扩散迁移到新相，才能使新相长大这时的长大为“扩散控制长大”，又称传质过程.,材料成型及控制工程,32,1.4 固态相变的长大,1.4.1 长大机制 滑动型界面的迁移半共格界面上存在位错列要随界面移动，位错要攀移台阶侧向移动，位错可滑移,材料成型及控制工程,33,协同型长大机制： 无扩散型相变，原子通过切变方式协同运动，大量的原子有规律地沿某一方向作小于一个原子间距的迁移，迁移后原子保持原有的相邻关系不变。

如马氏体相变，会发生外形变化，出现表面浮凸 新相和母相间有一定的位向关系,图1-12 马氏体相变表面浮凸,材料成型及控制工程,34,（2）非滑动型界面非协同型长大方式——母相原子不断地以非协同方式向新相中转移，界面沿其法线方向向母相推进，使新相逐渐长大热激活扩散过程）　　非协同型长大特点——原子无规律地迁移，迁移的距离不等，相邻关系改变图1-11 非协同台阶长大机制,材料成型及控制工程,35,1.4.2 新相长大速度(1) 成分不变的扩散型转变长大,激活能示意图,,材料成型及控制工程,36,原子在母相α和新相β间往返的频率分别为:,材料成型及控制工程,37,设单原子层厚度为δ，则界面迁移速率为：,,,,,材料成型及控制工程,38,过冷度较小时，∆GV → 0,随温度降低，两相的自由能差增大，新相长大速率增加材料成型及控制工程,39,过冷度较大时，∆GV >> kT,,,随温度降低，新相长大速率按指数函数减小材料成型及控制工程,40,扩散控制型长大 成分发生改变的相变，受传质过程，亦即扩散速度所控制a) 平衡相图 (b) 界面附近浓度分布,材料成型及控制工程,41,根据费克第一定律，扩散通量为,,,,随着温度的下降，溶质在母相中的扩散系数急剧减小，故新相的长大速率降低。

材料成型及控制工程,42,新相长大速度与过冷度的关系,材料成型及控制工程,43,1.5 综合转变动力学-奥氏体等温转变图,研究新相形成量(体积分数)与时间、温度关系的学科称为相变动力学 与再结晶过程类似，形核—长大过程材料成型及控制工程,44,（1）C曲线,材料成型及控制工程,45,图 1-18 （a） S曲线（b）C曲线,材料成型及控制工程,46,1、在金属和合金中分别举出一例处于非稳定态、亚稳态、平衡态的相的例子2、金属固态相变中，哪些因素构成相变阻力？晶界形核的情况中，哪一种形核功最低？3、在非共格界面中，什么新相的比容应变能最大？什么新相的比容应变能最小？请详述之！4、请分析新相长大速度和过冷度之间的关系5、时效合金在晶界附近出现“PFZ”无析出区的原因是？,。