第1章_金属固态相变基础

化学势二级偏微商不等
因此：相变潜热和体积无变化，而比热、压缩系数、膨 胀系数是变化的。如材料有序化转变、磁性转变、超导 转变等。
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1.1 金属固态相变的主要类型
1.1.2 按平衡状态图分类
同素异构转变和多形性转变 平衡脱溶沉淀 共析相变
（1）平衡相变
调幅分解
有序化转变 伪共析转变 马氏体相变
1.1 金属固态相变的主要类型
小结：相变的实质是相结构、成分或有序化程度发生变化， 相变可以兼有上述相变类型的一种或几种。 马氏体相变：非扩散相变、非平衡相变、无核相变； （新旧相成分相同、结构不相同） 珠光体相变：扩散相变、平衡相变、有核相变； （新旧相成分不相同、结构不相同） 思考：同素异构转变，脱溶转变（平衡、非平衡），伪 共析相变，贝氏体相变，奥氏体转变，调幅分解等各属 于什么相变类型？
特点：界面能大，弹性畸变能小
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1.2 金属固态相变的主要特点
1. 相界面特殊（新相和母相间存在不同的界面）
界面能：非共格＞半共格＞共格
弹性畸变能：非共格＜半共格＜共格
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1.2 金属固态相变的主要特点
新、旧相之间存在一定位向关系，并且新相往往在旧 相的一定晶面上开始形成，这个晶面称为惯习面。 例如，低碳钢中马氏体的惯习面为{111}γ 惯习面和位向关系的区别：惯习面指母相的某一主平面； 位向关系指新相的某些晶面、晶向∥旧相的某些晶面、晶 向。钢中发生马氏体相变，具有K-S关系：
第一章
金属固态相变概论
1.1 金属固态相变概述 1.2 金属固态相变热力学 1.3 金属固态相变的形核 1.4 金属固态相变的长大
1.5 金属固态相变动力学
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预备知识：
相： 体系中具有相同成分、结构和性质的均匀部 分称为相，不同相之间有明显的界面分开。可 分为固溶体和金属间化合物两种类型。 如：钢中奥氏体相就是碳在面心立方铁形成 的间隙固溶体，铁素体相则是碳在体心立方铁 中形成的间隙固溶体。
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1.1.2 按平衡状态图分类 1.平衡转变 ③平衡脱溶沉淀——在缓慢冷却的条件下，由过饱
和固溶体析出过剩相的过程称为平衡脱溶沉淀。
平衡脱溶沉淀特点是新相 的成分与结构始终与母相的 不同；随着新相的析出，母 相的成分和体积积分数将不 断变化，但母相不会消失。 钢在冷却时，二次渗碳体从 奥氏体中析出即属这种转变.
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1.1.3 按原子迁移情况分类
1. 扩散型相变 温度足够高、原子活动能力足够强、时间足够长情况 下发生的相变。
特点： 相变过程有原子扩散，相变速率受原子扩散速度控制; 新、旧相成分不同； 新、旧相比容不同引起体积变化，但宏观形状不变。 如：同素异构转变、脱溶转变、共析转变、调幅分解、 有序化转变、珠光体转变等.
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⑵ 半共格界面
新、旧相之间存在少量位错，除此之外的晶体结构和 点阵常数均能使两相原子之间产生完全匹配。
新、旧相间错配度 |a﹣ a | / a 小，共格关系 大，半共格关系 很大，非共格关系
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⑶ 非共格界面
新、旧相界面处原子排列差别很大，两原子之间匹配 关系不再维持，为非共格界面。
A T + B Ⅰ
L

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1.1.2 按平衡状态图分类 2. 非平衡转变 ① 伪共析转变 以钢为例。当奥氏体以较快 冷速被过冷到GS和ES的延长线 以下温度时，将从奥氏体中同 时析出铁素体和渗碳体。从这 一转变过程和转变产物的组成 相来看，与钢中共析转变相同,
但其组成相的相对量却并非定
织的合金，冷却到某一温度范围内时，可分解为两种
结构与原固溶体相同但成分有明显差别的微区的转变 称为调幅分解。 调幅分解可以用反应式 1+2表示。其特点是： 在转变初期，新形成的两个微区之间并无明显的界面 和成分的突变，但通过上坡扩散，最终使一个均匀固 溶体变为一个不均匀固溶体。
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1.1.2 按平衡状态图分类 1.平衡转变 ⑥有序化转变——固溶体中，各组元原子的相对位臵
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1.2 金属固态相变的主要特点
1. 相界面特殊（新相和母相间存在不同的界面）
金属固态相变时，新相与母相之间的界面与金属凝固 过程中的液固界面不同，为两种晶体的界面；与一般的 晶粒边界也不相同。 根据界面上两相原子在晶体学上的匹配程度，相界面 可以分为： 共格界面 半共格界面
非共格界面
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值，而是随奥氏体的碳含量而 变化，故称为伪共析转变。
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1.1.2 按平衡状态图分类 2. 非平衡转变 ② 马氏体转变 若进一步提高冷速，使奥氏体来不及进行伪共析转 变而被过冷到更低温度，由于在低温下铁原子和碳原 子都难于扩散，这时奥氏体便以一种特殊的机理，即
无需借助于原子扩散的方式将点阵改组为点阵，这
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⑵ 半共格界面
新、旧相之间存在少量位错，除此之外的晶体结构和 点阵常数均能使两相原子之间产生完全匹配。 界面上弹性应变能的大小取决于 两相界面上原子间距的相对差值， 即错配度（ |a﹣ a|/ a ）。 愈大，弹性应变能便愈大。当增 大到一定程度时，界面便难以继续 维持完全共格，在界面上产生一些 刃型位错，以补偿原子间距差别过 大的影响，使界面弹性应变能降低.
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1.1.3 按原子迁移情况分类
2. 非扩散型相变 相变过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子运 动是协调一致的。原子只作有规则的迁移以使晶体点阵 重组，原子迁移范围有限不超过一个原子间距。如淬火 马氏体相变。 特点： 存在均匀切变引起宏观变形； 相变无扩散，新、旧相化学成分相同； 新、旧相之间存在一定晶体学取向关系； 相变速度快。
（2）非平衡相变
贝氏体相变 非平衡脱溶沉淀
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1.1 金属固态相变的主要类型
1.1.2 按平衡状态图分类 1.平衡转变
固态金属在缓慢加热或冷却时发生的能获得符合相 图所示平衡组织的相变。
①同素异构转变——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体结构的过程叫做同素 异构转变。
②多形性转变——固溶体的同素异构转变称为多形性
种相变称为马氏体转变，其转变产物称为马氏体。

马氏体的成分与母相奥氏体的相同。除铁碳合金以
外，在许多其它合金（如铜合金、钛合金）中也能发 生马氏体转变。
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1.1.2 按平衡状态图分类 2. 非平衡转变 ③ 贝氏体转变 以钢为例。当奥氏体被过冷至珠光体转变和马氏体 转变之间的温度范围时，由于铁原子已难以扩散，而 碳原子尚具有一定扩散能力，故出现一种不同于马氏
{111}γ// {110}α′；<110> γ// <111> α′
2. 新旧相之间存在一定位向关系与惯习面
若两相间为（半）共格界面 → 有取向关系；但反过来
不成立。即两相间虽然存在一定的晶体学取向关系，也 未必都具有共格或半共格界面。 若无取向关系→ 必为非共格界面
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1.2 金属固态相变的主要特点
由无序到有序的转变过程称为有序化转变。 在Cu-Zn、Cu-Au、Mn-Ni、Fe-Ni、Ti-Ni等60多种
合金系中都可发生这种转变。
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1.1.2 按平衡状态图分类 2. 非平衡转变 加热或冷却速度快，使无限缓慢的平衡相变被抑
制，产生不平衡相变。铁碳合金的不平衡转变包括:
伪共析相变 马氏体相变 贝氏体相变 非平衡脱溶转变
3. 相变阻力大（弹性应变能作用）
在许多情况下，固态相变时，新相与母相界面上的原子 由于要强制性地实行匹配，以建立共格或半共格联系，在 界面附近区域内将产生弹性应变，从而产生弹性应变能， 也称为共格应变能。
新相和母相的比容往往不同，故新相形成时的体积变化 将受到周围母相的约束而产生弹性应变能，称为比容差应 变能。这种比容差应变能的大小与新相的几何形状有关。 弹性应变能和界面能共同构成金属发生固态相变的阻力。
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预备知识：
相变： 随外界条件的变化(温度)，构成物质的原子 (或分子)的聚合状态(相状态)发生变化的过程称 为相变。
相变前的相状态称为旧相或母相。 相变后的相状态称为新相。 相变就是体系中新相取代旧相的过程。
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预备知识：
固态相变： 金属（合金）和陶瓷等固态材料在温度和压 力改变时，其内部组织或结构会发生变化，即 发生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。
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1.1 金属固态相变的主要类型
1.1.1 按热力学分类
① 一级相变：相变时两相的化学势相等，而化学势对温 度及压力的一阶偏微分（-S，V）不等的相变。对新、 旧相 和 ，有：
( )P ( )P ; ( )T ( )T T T P P ( ) P S ; ( )T V T P S S ;V V
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新相形状与弹性应变能之间关系
圆盘状新相引起的比容差应变能最小，针状的次之，而 球状的最大。但是对于体积相等的新相来说，盘状的表面 积比其它两种都大。因此，应变能和界面能对新相形状的 影响是互相矛盾的。究竟哪一个起支配作用，要视具体情 况而定。
⑴ 共格界面
新、旧相的晶体结构、点阵常数相同；或有差异但存 在一组特定晶体学平面可使两相原子之间完全匹配。
旧相
新相
只有对称孪晶界才是理想的共格界面。实际上，两相点 阵总有一定差别，或者是点阵结构不同，或者是点阵参数 不同，因此两相界面要完全共格，在界面附近必将产生弹 性应变。
特点：界面能小，弹性畸变能大
转变。
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1.1.2 按平衡状态图分类 1.平衡转变 ③平衡脱溶沉淀——在缓慢冷却的条件下，由过饱