第一章 金屬固態(tài)相變概論

1、第一章第一章 金屬固態(tài)相變概論金屬固態(tài)相變概論 一、一、 平衡轉(zhuǎn)變平衡轉(zhuǎn)變 1. 同素異晶轉(zhuǎn)變同素異晶轉(zhuǎn)變 l 純金屬在一定的溫度和壓力下，由一種結(jié)純金屬在一定的溫度和壓力下，由一種結(jié) 構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象稱為構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象稱為同素異晶同素異晶 轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變。 l若在固溶體中發(fā)生這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，則稱若在固溶體中發(fā)生這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，則稱 為為多形性轉(zhuǎn)變多形性轉(zhuǎn)變。 F A 第一節(jié)第一節(jié) 固態(tài)相變的主要類型固態(tài)相變的主要類型 2 平衡脫溶轉(zhuǎn)變平衡脫溶轉(zhuǎn)變 l 高溫過(guò)飽和固溶體高溫過(guò)飽和固溶體緩緩 慢冷卻慢冷卻過(guò)程中析出第過(guò)程中析出第 二相的過(guò)程二相的過(guò)程 l 特點(diǎn)。特點(diǎn)。 u新相的新相

2、的成分和結(jié)構(gòu)始終成分和結(jié)構(gòu)始終 與母相的不同與母相的不同； u母相不會(huì)消失母相不會(huì)消失。 A Fe3CII 3 共析轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變 合金冷卻時(shí)，由一種母相同時(shí)合金冷卻時(shí)，由一種母相同時(shí)析出兩析出兩 種不同固相種不同固相的過(guò)程稱為共析轉(zhuǎn)變。的過(guò)程稱為共析轉(zhuǎn)變。 4 有序化轉(zhuǎn)變有序化轉(zhuǎn)變 固溶體中，各組元的相對(duì)位置從無(wú)序過(guò)固溶體中，各組元的相對(duì)位置從無(wú)序過(guò) 渡到有序的過(guò)程，稱為有序化轉(zhuǎn)變。渡到有序的過(guò)程，稱為有序化轉(zhuǎn)變。 5 增幅分解增幅分解 由一種高溫固溶體，由一種高溫固溶體， 冷至某一溫度范圍，分解冷至某一溫度范圍，分解 為兩種為兩種與原固溶體結(jié)構(gòu)相與原固溶體結(jié)構(gòu)相 同，而成分不同同，而成分不同

3、的微區(qū)的的微區(qū)的 轉(zhuǎn)變稱為增幅分解轉(zhuǎn)變稱為增幅分解,可用反可用反 應(yīng)式表示為應(yīng)式表示為: 特點(diǎn)特點(diǎn) ： l 新形成的微區(qū)之間新形成的微區(qū)之間無(wú)明顯的界無(wú)明顯的界 面和成分的突變面和成分的突變； l 通過(guò)通過(guò)上坡擴(kuò)散上坡擴(kuò)散，最終使均勻固，最終使均勻固 溶體變?yōu)椴痪鶆蚬倘荏w。溶體變?yōu)椴痪鶆蚬倘荏w。 l 無(wú)需驅(qū)動(dòng)力無(wú)需驅(qū)動(dòng)力，且進(jìn)行的速度極，且進(jìn)行的速度極 快快。 21 二、二、 非平衡轉(zhuǎn)變非平衡轉(zhuǎn)變 1. 偽共析轉(zhuǎn)變偽共析轉(zhuǎn)變 鐵素體和滲碳鐵素體和滲碳 體的相對(duì)量隨奧氏體的相對(duì)量隨奧氏 體的含碳量而變，體的含碳量而變， 故稱為偽共析體。故稱為偽共析體。 2. 馬氏體相變馬氏體相變 經(jīng)經(jīng)無(wú)擴(kuò)散無(wú)擴(kuò)

4、散過(guò)程形成的、過(guò)程形成的、與母相成分相同與母相成分相同的一的一 種組織。種組織。 3. 塊狀轉(zhuǎn)變塊狀轉(zhuǎn)變 在一定的冷速下奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樵谝欢ǖ睦渌傧聤W氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榕c母相成分相與母相成分相 同而形貌呈塊狀同而形貌呈塊狀的的相的過(guò)程。相的過(guò)程。 4. 貝氏體相變貝氏體相變 由鐵素體和滲碳體組成的由鐵素體和滲碳體組成的非層片狀非層片狀組織。組織。 5. 非平衡脫溶轉(zhuǎn)變非平衡脫溶轉(zhuǎn)變 在等溫條件下，由過(guò)飽和固溶體中析出第二相的在等溫條件下，由過(guò)飽和固溶體中析出第二相的 過(guò)程。恒溫下析出的過(guò)程。恒溫下析出的相粒子保持相粒子保持細(xì)小、均勻分細(xì)小、均勻分 布布。 具有不同結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面稱為具有不同結(jié)構(gòu)的

5、兩相之間的分界面稱為“相界相界”。 按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，相界面可分為按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，相界面可分為： 共格相界共格相界 半共格相界半共格相界 非共格相界非共格相界 （1）共格相界）共格相界 所謂所謂共格共格是指界面上的原子同時(shí)位于兩相晶格的結(jié)點(diǎn)上，即兩相的晶格是是指界面上的原子同時(shí)位于兩相晶格的結(jié)點(diǎn)上，即兩相的晶格是 彼此銜接的，界面上的原子為兩者共有。但是理想的完全共格界面，只有在孿晶彼此銜接的，界面上的原子為兩者共有。但是理想的完全共格界面，只有在孿晶 界，且孿晶界即為孿晶面時(shí)才可能存在。界，且孿晶界即為孿晶面時(shí)才可能存在。 （2）半共格相界）半共格相界 若兩相鄰晶體在相界面處的晶面間距相差較大，則在相

6、界面上不可能做到完若兩相鄰晶體在相界面處的晶面間距相差較大，則在相界面上不可能做到完 全的全的-一對(duì)應(yīng)，于是在界面上將產(chǎn)生一些位錯(cuò)，以降低界面的彈性應(yīng)變能，這時(shí)一對(duì)應(yīng)，于是在界面上將產(chǎn)生一些位錯(cuò)，以降低界面的彈性應(yīng)變能，這時(shí) 界面上兩相原子部分地保持匹配，這樣的界面稱為半共格界面或部分共格界面。界面上兩相原子部分地保持匹配，這樣的界面稱為半共格界面或部分共格界面。 半共格相界上位錯(cuò)間距取決于相界處兩相匹配晶半共格相界上位錯(cuò)間距取決于相界處兩相匹配晶 面的錯(cuò)配度。錯(cuò)配度面的錯(cuò)配度。錯(cuò)配度 定義為定義為 式中式中a 和和b分別表示相界面兩側(cè)的分別表示相界面兩側(cè)的 相和相和 相相 的點(diǎn)陣常數(shù)，且的點(diǎn)

7、陣常數(shù)，且a a 。 0.05 - 共格界面共格界面 0.05 0.25 - 非共格界面非共格界面 1.相界面相界面 二、固態(tài)相變特點(diǎn)二、固態(tài)相變特點(diǎn) l完全共格相界完全共格相界 l半共格相界半共格相界 l彈性畸變共格相界彈性畸變共格相界 l非共格相界非共格相界 2 慣習(xí)面和位向關(guān)系慣習(xí)面和位向關(guān)系 新相往往在母相的一定晶面上形成，該晶面即稱新相往往在母相的一定晶面上形成，該晶面即稱 為為慣習(xí)面慣習(xí)面。 馬氏體在奧氏體的(111)上形成， (111)既是 慣習(xí)面。 慣習(xí)面可能是原子移動(dòng)最小距離就能形成新相的慣習(xí)面可能是原子移動(dòng)最小距離就能形成新相的 面。面。 新相和母相之間的晶面和晶向往往存在

8、一定的位新相和母相之間的晶面和晶向往往存在一定的位 向關(guān)系，以減小兩相間的界面能。向關(guān)系，以減小兩相間的界面能。 馬氏體與奧氏體的晶體學(xué)關(guān)系：馬氏體與奧氏體的晶體學(xué)關(guān)系： 011 / 111 / l 完全共格相界的應(yīng)變能完全共格相界的應(yīng)變能 當(dāng)當(dāng)沉淀相的切變模量沉淀相的切變模量較小較小時(shí)，球狀沉淀相的應(yīng)時(shí)，球狀沉淀相的應(yīng) 變能最大，柱狀次之，片狀最小，若只考慮應(yīng)變變能最大，柱狀次之，片狀最小，若只考慮應(yīng)變 能，則能，則新相傾向于呈片狀析出新相傾向于呈片狀析出； 當(dāng)當(dāng)沉淀相的切變模量沉淀相的切變模量較大較大時(shí)，片狀沉淀相的應(yīng)時(shí)，片狀沉淀相的應(yīng) 變能最大，柱狀次之，球狀最小，若只考慮應(yīng)變變能最大，

9、柱狀次之，球狀最小，若只考慮應(yīng)變 能，則能，則新相傾向于呈球狀析出新相傾向于呈球狀析出。 3.第二相的形狀第二相的形狀 與應(yīng)變能的關(guān)系與應(yīng)變能的關(guān)系 比容差應(yīng)變能比容差應(yīng)變能-新相形成時(shí)體積變化受到母相約束而產(chǎn)生的彈性應(yīng)變能新相形成時(shí)體積變化受到母相約束而產(chǎn)生的彈性應(yīng)變能 比容比容比重比重 l非共格相界的應(yīng)變能非共格相界的應(yīng)變能 新相呈球狀時(shí)，體積新相呈球狀時(shí)，體積 應(yīng)變能最大；針狀次應(yīng)變能最大；針狀次 之；片狀時(shí)最低。之；片狀時(shí)最低。 新相母相相界為新相母相相界為非非 共格界面時(shí)共格界面時(shí)，考慮到，考慮到 降低相變時(shí)的應(yīng)變能，降低相變時(shí)的應(yīng)變能， 新相往往呈片狀。新相往往呈片狀。 4.晶體缺

10、陷的作用晶體缺陷的作用 大多固態(tài)相變的形核功較大，晶內(nèi)存在的大多固態(tài)相變的形核功較大，晶內(nèi)存在的 缺陷對(duì)固態(tài)相變具有明顯的促進(jìn)作用。缺陷對(duì)固態(tài)相變具有明顯的促進(jìn)作用。 5.形成亞穩(wěn)相形成亞穩(wěn)相 減少相變阻力減少相變阻力 三、固態(tài)相變的形核三、固態(tài)相變的形核 1. 經(jīng)典形核理論簡(jiǎn)介經(jīng)典形核理論簡(jiǎn)介 l 在未飽和蒸汽中是不在未飽和蒸汽中是不 可能形成液滴的；可能形成液滴的； l 即使在過(guò)飽和的蒸汽即使在過(guò)飽和的蒸汽 中，也只有半徑超過(guò)中，也只有半徑超過(guò) 的液滴才能是體系的液滴才能是體系 的自由能降低，相變的自由能降低，相變 的阻力為增加的界面的阻力為增加的界面 能能 。 r s G 稱稱r為臨界晶

11、核半徑，為臨界晶核半徑， 相應(yīng)的相應(yīng)的G為形核功為形核功 G。 按照按照Gibbs理論，只有理論，只有 當(dāng)當(dāng) ，使得，使得 的晶坯的晶坯 才能穩(wěn)定地生長(zhǎng)。才能穩(wěn)定地生長(zhǎng)。 () 0 r r G r 2 rr GGkT 2. 固態(tài)相變的均勻形核固態(tài)相變的均勻形核 設(shè)新相晶核的原子數(shù)為設(shè)新相晶核的原子數(shù)為n，則形成新相時(shí)的，則形成新相時(shí)的 自由能變化為自由能變化為 為每個(gè)原子母相轉(zhuǎn)變?yōu)樾孪鄷r(shí)的自由為每個(gè)原子母相轉(zhuǎn)變?yōu)樾孪鄷r(shí)的自由 能變化；能變化； 為晶核的形狀因子；為晶核的形狀因子； Es為單位面積界面能；為單位面積界面能； E為新相晶核每個(gè)原子的應(yīng)變能。為新相晶核每個(gè)原子的應(yīng)變能。 2 3 Vs

12、 Gn Gn EnE V G 由由 ，可求得，可求得 1）、E的減小，均使形核功降低，從而有的減小，均使形核功降低，從而有 利于形核。利于形核。 2）若新相）若新相/母相的界面為母相的界面為共格或半共格界面共格或半共格界面， 由于界面能較低，影響形核功的主要因素為新由于界面能較低，影響形核功的主要因素為新 相的應(yīng)變能。為降低應(yīng)變能，相的應(yīng)變能。為降低應(yīng)變能，新相趨向于呈片新相趨向于呈片 狀或針狀。狀或針狀。 3）若新相）若新相/母相的界面為母相的界面為非共格界面非共格界面，由于界，由于界 面能較高，影響形核功的主要因素為新相面能較高，影響形核功的主要因素為新相/母相母相 界面面積。為減小界面面

13、積，界面面積。為減小界面面積，新相趨向于呈球新相趨向于呈球 狀。狀。 () 0 n n G n 3 8 9() s V E n GE 33 2 4 27 () V G GE 4）由于固態(tài)相變時(shí)，相變阻力較大，為）由于固態(tài)相變時(shí)，相變阻力較大，為 減小形核功，需使新相和母相間的自由能減小形核功，需使新相和母相間的自由能 差增大，這就需要增加相變的過(guò)冷度，所差增大，這就需要增加相變的過(guò)冷度，所 以以固態(tài)相變時(shí)的過(guò)冷度均較大固態(tài)相變時(shí)的過(guò)冷度均較大，特別是無(wú)，特別是無(wú) 擴(kuò)散相變時(shí)過(guò)冷度甚至達(dá)到了幾百度。擴(kuò)散相變時(shí)過(guò)冷度甚至達(dá)到了幾百度。 3. 形核率形核率 為無(wú)量綱常數(shù)，數(shù)值在為無(wú)量綱常數(shù)，數(shù)值在0

14、.55之間。之間。 exp()exp() G NzN kTt 1 22 2 1() 2 n n G z kTn 非平衡因子非平衡因子 為為Feder孕核期孕核期 2 2 2 () n n kT G n 4. 固態(tài)相變的非均勻形核固態(tài)相變的非均勻形核 為母相在晶界上消失的原子數(shù)，為母相在晶界上消失的原子數(shù)， 為為 這部分原子所構(gòu)成界面的面積；這部分原子所構(gòu)成界面的面積；、分分 別為別為/、/單位面積界面能。單位面積界面能。 22 33 V Gn GnnEn n 2 3 n （1）晶界形核）晶界形核 新相新相在三晶粒相在三晶粒相 交的棱邊上形核交的棱邊上形核 新相新相在在/晶界上形核晶界上形核 新

15、相新相在四晶粒相交的隅角上形核在四晶粒相交的隅角上形核 （2）位錯(cuò)形核）位錯(cuò)形核 刃型位錯(cuò)比螺型位錯(cuò)更為有利；刃型位錯(cuò)比螺型位錯(cuò)更為有利； 較大柏氏矢量的位錯(cuò)促進(jìn)形核的作用更為有效；較大柏氏矢量的位錯(cuò)促進(jìn)形核的作用更為有效； 在位錯(cuò)結(jié)和位錯(cuò)割階處易于形核；在位錯(cuò)結(jié)和位錯(cuò)割階處易于形核； 單獨(dú)位錯(cuò)比亞晶界上的位錯(cuò)對(duì)形核更為有效；單獨(dú)位錯(cuò)比亞晶界上的位錯(cuò)對(duì)形核更為有效； 小角度晶界或亞晶界上慣習(xí)面選擇性形核；小角度晶界或亞晶界上慣習(xí)面選擇性形核； （3）其它缺陷形核）其它缺陷形核 基體中出現(xiàn)層錯(cuò)，使結(jié)構(gòu)近于沉淀相就容易促基體中出現(xiàn)層錯(cuò)，使結(jié)構(gòu)近于沉淀相就容易促 使沉淀相形核。使沉淀相形核。 四、固

16、態(tài)相變的晶核長(zhǎng)大四、固態(tài)相變的晶核長(zhǎng)大 新相晶核一旦形成后，將按照其自身相變新相晶核一旦形成后，將按照其自身相變 的需要，采取一定的方式長(zhǎng)大。的需要，采取一定的方式長(zhǎng)大。 若新相的成分不同于母相，則其長(zhǎng)大的過(guò)若新相的成分不同于母相，則其長(zhǎng)大的過(guò) 程必然伴隨原子的遷移，擴(kuò)散型相變、珠程必然伴隨原子的遷移，擴(kuò)散型相變、珠 光體相變、脫溶分解、貝氏體相變等均伴光體相變、脫溶分解、貝氏體相變等均伴 有這種傳質(zhì)過(guò)程；有這種傳質(zhì)過(guò)程； 若新相成分與母相的相同，例如馬氏體相若新相成分與母相的相同，例如馬氏體相 變，則只需結(jié)構(gòu)改變，而無(wú)需原子的遷移。變，則只需結(jié)構(gòu)改變，而無(wú)需原子的遷移。 晶面能較小的晶面，晶

17、面能較小的晶面，其法線方向的長(zhǎng)大速其法線方向的長(zhǎng)大速 率較小，將率較小，將在長(zhǎng)大過(guò)程中擴(kuò)展；在長(zhǎng)大過(guò)程中擴(kuò)展； 晶面能較大的晶面，晶面能較大的晶面，其法線方向的長(zhǎng)大速其法線方向的長(zhǎng)大速 率反而較大，將率反而較大，將在長(zhǎng)大過(guò)程中收縮，以致在長(zhǎng)大過(guò)程中收縮，以致 消失。消失。 新相晶核的長(zhǎng)大實(shí)質(zhì)上是界面向母相新相晶核的長(zhǎng)大實(shí)質(zhì)上是界面向母相 方向的遷移；方向的遷移； （1）半共格界面的遷移）半共格界面的遷移 （2）非共格界面的遷移）非共格界面的遷移 l 擴(kuò)散控制型長(zhǎng)大擴(kuò)散控制型長(zhǎng)大 長(zhǎng)大速率與原子的擴(kuò)散系長(zhǎng)大速率與原子的擴(kuò)散系 數(shù)、新相數(shù)、新相/母相界面上母母相界面上母 相一側(cè)的濃度梯度成正比，相

18、一側(cè)的濃度梯度成正比， 而與新相與母相間的濃度而與新相與母相間的濃度 差成反比。差成反比。 溫度下降，溶質(zhì)在母相中溫度下降，溶質(zhì)在母相中 的擴(kuò)散系數(shù)急劇減小，故的擴(kuò)散系數(shù)急劇減小，故 新相的長(zhǎng)大速率降低。新相的長(zhǎng)大速率降低。 0 x x dxDC G dCCx l 晶界控制型長(zhǎng)大晶界控制型長(zhǎng)大 1）過(guò)冷度較小時(shí)過(guò)冷度較小時(shí)，兩相的自由能差極小，兩相的自由能差極小 界面遷移速率與兩相的自由能差成正比，界面遷移速率與兩相的自由能差成正比， 隨隨溫度降低，兩相的自由能差增大，新相溫度降低，兩相的自由能差增大，新相 長(zhǎng)大速率增加；長(zhǎng)大速率增加； exp()1exp() V QG v kTkT 界面遷移速率界面遷移速率 V GkT exp() V GQ v kTkT 2）過(guò)冷度較大時(shí)過(guò)冷度較大時(shí) 隨隨溫度降低，界面遷移速率減小，新相長(zhǎng)大溫度降低，界面遷移速率減小，新相長(zhǎng)大 速率隨之下降。速率隨之下降。 exp()1exp() V QG v kTkT V GkTexp()0 V G kT exp() Q v kT 五、固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)五、固態(tài)相變動(dòng)力學(xué) 研究新相形成量與時(shí)間、溫度關(guān)