第六章固態(tài)相變材料科學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)工業(yè)出版

1、.1第6章 固態(tài)相變的基本原理材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ).2概述概述 固態(tài)相變固態(tài)相變：固態(tài)物質(zhì)內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)的變化稱為固態(tài)相變。：固態(tài)物質(zhì)內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)的變化稱為固態(tài)相變。 相是成分相同、結(jié)構(gòu)相同、有界面同其他部分分隔的物質(zhì)相是成分相同、結(jié)構(gòu)相同、有界面同其他部分分隔的物質(zhì)均勻組成部分，相變是從已存的相中生成新的相。均勻組成部分，相變是從已存的相中生成新的相。 新相，生成部分與原有部分存在著或成分不同、或相結(jié)構(gòu)新相，生成部分與原有部分存在著或成分不同、或相結(jié)構(gòu)不同、或有序度不同、或兼而有之，并且和原來(lái)部分有界面分不同、或有序度不同、或兼而有之，并且和原來(lái)部分有界面分隔。隔。 原來(lái)的部分稱為原來(lái)

2、的部分稱為母相或反應(yīng)相母相或反應(yīng)相，在轉(zhuǎn)變過(guò)程中數(shù)量減少，在轉(zhuǎn)變過(guò)程中數(shù)量減少，生成部分稱為生成部分稱為新相或生成相新相或生成相，在轉(zhuǎn)變過(guò)程中數(shù)量增加。，在轉(zhuǎn)變過(guò)程中數(shù)量增加。 .3固態(tài)相變固態(tài)相變 三種基本變化：三種基本變化：晶體結(jié)構(gòu)的變化晶體結(jié)構(gòu)的變化。純金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、固溶體的多形性轉(zhuǎn)變、純金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、固溶體的多形性轉(zhuǎn)變、馬氏體相變馬氏體相變 化學(xué)成分的變化化學(xué)成分的變化。只有成分轉(zhuǎn)變而無(wú)相結(jié)構(gòu)的變化只有成分轉(zhuǎn)變而無(wú)相結(jié)構(gòu)的變化 有序程度的變化有序程度的變化。合金的有序化轉(zhuǎn)變，以及與電子結(jié)構(gòu)變化相關(guān)的合金的有序化轉(zhuǎn)變，以及與電子結(jié)構(gòu)變化相關(guān)的轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變 .4相變：指當(dāng)外界條件如

3、溫度、壓力等發(fā)生變化相變：指當(dāng)外界條件如溫度、壓力等發(fā)生變化時(shí)，物相在某一特定條件下發(fā)生的突變。時(shí)，物相在某一特定條件下發(fā)生的突變。相變表現(xiàn)為：相變表現(xiàn)為：1 1）從一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)。）從一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)。2 2）化學(xué)成分的不連續(xù)變化。）化學(xué)成分的不連續(xù)變化。3 3）物質(zhì)物理性能的突變。）物質(zhì)物理性能的突變。 .56.1 6.1 固態(tài)相變的分類與特征固態(tài)相變的分類與特征 1.1.按熱力學(xué)分類按熱力學(xué)分類 按照自由能對(duì)按照自由能對(duì)溫度溫度和和壓力壓力的偏導(dǎo)函數(shù)在相的偏導(dǎo)函數(shù)在相變點(diǎn)的數(shù)學(xué)特征變點(diǎn)的數(shù)學(xué)特征連續(xù)或非連續(xù)，將相變分連續(xù)或非連續(xù)，將相變分為為一級(jí)相變和高級(jí)相變一級(jí)相變和

4、高級(jí)相變（二級(jí)或二級(jí)以上的相（二級(jí)或二級(jí)以上的相變）。變）。 n n級(jí)相變：在相變點(diǎn)系統(tǒng)的化學(xué)勢(shì)的第級(jí)相變：在相變點(diǎn)系統(tǒng)的化學(xué)勢(shì)的第（n-1n-1）階導(dǎo)數(shù)保持連續(xù)，而其）階導(dǎo)數(shù)保持連續(xù)，而其n n階導(dǎo)數(shù)不連續(xù)。階導(dǎo)數(shù)不連續(xù)。6.1.1 6.1.1 固態(tài)相變的分類固態(tài)相變的分類 .6一級(jí)相變的特點(diǎn)是，相變發(fā)生時(shí)，一級(jí)相變的特點(diǎn)是，相變發(fā)生時(shí)，兩平衡相的兩平衡相的化學(xué)勢(shì)相等，但化學(xué)勢(shì)的一階偏導(dǎo)數(shù)不相等。化學(xué)勢(shì)相等，但化學(xué)勢(shì)的一階偏導(dǎo)數(shù)不相等。 21PPTT21STPTTPP21VPT.7 二級(jí)相變：二級(jí)相變：兩平衡相的化學(xué)勢(shì)相等，及一階偏導(dǎo)兩平衡相的化學(xué)勢(shì)相等，及一階偏導(dǎo)數(shù)相等，但是二階偏導(dǎo)數(shù)不相

5、等。數(shù)相等，但是二階偏導(dǎo)數(shù)不相等。 21PPTT21TTPP21PPTT222212TTPP222212PTPT2212TCTSTPPP)(22CP等壓熱容等壓熱容B壓縮系數(shù)壓縮系數(shù)VATVVVPTP)(2A膨脹系數(shù)膨脹系數(shù)VBPVVVPTT)(22.8二級(jí)相變二級(jí)相變AABBCCSSVVPP,兩相的體積和熵發(fā)生連續(xù)變化，熱熔、膨脹系數(shù)和兩相的體積和熵發(fā)生連續(xù)變化，熱熔、膨脹系數(shù)和壓縮系數(shù)發(fā)生不連續(xù)變化。壓縮系數(shù)發(fā)生不連續(xù)變化。 常見的二級(jí)相變有磁性轉(zhuǎn)變、有序無(wú)序轉(zhuǎn)變、常見的二級(jí)相變有磁性轉(zhuǎn)變、有序無(wú)序轉(zhuǎn)變、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變等，大多伴隨材料某種物理性能的變化。超導(dǎo)轉(zhuǎn)變等，大多伴隨材料某種物理性能的變化

6、。 .91).擴(kuò)散型擴(kuò)散型（非協(xié)同型）：（非協(xié)同型）：新相的形成和長(zhǎng)大都要依靠原子的長(zhǎng)距離擴(kuò)散，相界面進(jìn)新相的形成和長(zhǎng)大都要依靠原子的長(zhǎng)距離擴(kuò)散，相界面進(jìn)行擴(kuò)散移動(dòng)，行擴(kuò)散移動(dòng)， 轉(zhuǎn)變的速度由原子擴(kuò)散遷移速度控制，轉(zhuǎn)變的速度由原子擴(kuò)散遷移速度控制，相界面是非共格相界面是非共格。脫溶、共析、增幅分解屬于這種類型。脫溶、共析、增幅分解屬于這種類型。2. 按動(dòng)力學(xué)分類按動(dòng)力學(xué)分類 .102）. 非擴(kuò)散型（位移型）非擴(kuò)散型（位移型）： 在相變過(guò)程中沒有原子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，相變前后沒有成在相變過(guò)程中沒有原子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，相變前后沒有成分的變化，原子以切變的方式，即相對(duì)周圍原子發(fā)生有規(guī)分的變化，原子以切變的方式

7、，即相對(duì)周圍原子發(fā)生有規(guī)律的少量的偏移，基本維持原來(lái)的相鄰關(guān)系，而發(fā)生晶體律的少量的偏移，基本維持原來(lái)的相鄰關(guān)系，而發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)的改變。結(jié)構(gòu)的改變。 新舊相的界面有共格新舊相的界面有共格 馬氏體相變就是屬于非擴(kuò)散型相變馬氏體相變就是屬于非擴(kuò)散型相變。.113 3）. .過(guò)度型相變過(guò)度型相變： 介于二者之間的，具有擴(kuò)散型和非擴(kuò)散型的綜合特征介于二者之間的，具有擴(kuò)散型和非擴(kuò)散型的綜合特征的中間轉(zhuǎn)變稱為過(guò)渡型。的中間轉(zhuǎn)變稱為過(guò)渡型。 a. 塊狀轉(zhuǎn)變塊狀轉(zhuǎn)變，更接近于擴(kuò)散型相變，相界面是非共格的，更接近于擴(kuò)散型相變，相界面是非共格的，相界面移動(dòng)通過(guò)原子擴(kuò)散進(jìn)行，相變時(shí)成分不變。相界面移動(dòng)通過(guò)原子擴(kuò)散進(jìn)

8、行，相變時(shí)成分不變。 b.貝氏體相變貝氏體相變，擴(kuò)散性長(zhǎng)大和非擴(kuò)散性長(zhǎng)大相互制約。，擴(kuò)散性長(zhǎng)大和非擴(kuò)散性長(zhǎng)大相互制約。.123. 3. 按長(zhǎng)大方式分類按長(zhǎng)大方式分類 形核長(zhǎng)大型相變形核長(zhǎng)大型相變連續(xù)型相變連續(xù)型相變 4.4.按相變過(guò)程分類按相變過(guò)程分類近平衡相變近平衡相變遠(yuǎn)平衡相變遠(yuǎn)平衡相變.136.1.2 固態(tài)相變的特征固態(tài)相變的特征1）原子的擴(kuò)散速度）原子的擴(kuò)散速度由于新舊兩相的化學(xué)成分不同，相變時(shí)必須有原子的擴(kuò)散由于新舊兩相的化學(xué)成分不同，相變時(shí)必須有原子的擴(kuò)散 原子擴(kuò)散速度成為相變的控制因素原子擴(kuò)散速度成為相變的控制因素。 當(dāng)相變溫度較高時(shí)，即擴(kuò)散不是決定性因素的溫度范圍內(nèi)當(dāng)相變溫度較

9、高時(shí)，即擴(kuò)散不是決定性因素的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的降低，即過(guò)冷度的增大，相變驅(qū)動(dòng)力增大，隨著溫度的降低，即過(guò)冷度的增大，相變驅(qū)動(dòng)力增大，相變速度加快；但是當(dāng)過(guò)冷度增大到一定程度，擴(kuò)散稱為相變速度加快；但是當(dāng)過(guò)冷度增大到一定程度，擴(kuò)散稱為決定性因素，進(jìn)一步增大過(guò)冷度，反而使得相變速度減小決定性因素，進(jìn)一步增大過(guò)冷度，反而使得相變速度減小。.142 2）. .形核特點(diǎn)形核特點(diǎn)（1）非均勻形核）非均勻形核 存在各種點(diǎn)線面體結(jié)構(gòu)缺陷，存在各種點(diǎn)線面體結(jié)構(gòu)缺陷，缺陷能量最高，越能促進(jìn)形缺陷能量最高，越能促進(jìn)形核核。在固體的各種缺陷結(jié)構(gòu)中，在固體的各種缺陷結(jié)構(gòu)中，界面是能量最高界面是能量最高的一類，其次的

10、一類，其次是位錯(cuò)，再次是空位和其他缺陷。是位錯(cuò)，再次是空位和其他缺陷。非均勻形核是固態(tài)相變按阻力最小進(jìn)行的有效途徑之一非均勻形核是固態(tài)相變按阻力最小進(jìn)行的有效途徑之一 .15（2）共格界面共格界面（a）完全共格 （b）伸縮型半共格 （c）切變形半共格 （d）非共格.16共格界面共格界面：當(dāng)界面上的原子所占據(jù)的位置恰好是兩相點(diǎn)：當(dāng)界面上的原子所占據(jù)的位置恰好是兩相點(diǎn)陣的共有位置時(shí)，兩相在界面上的原子可以一對(duì)一地相互陣的共有位置時(shí)，兩相在界面上的原子可以一對(duì)一地相互匹配匹配 。半共格界面半共格界面：如果一相的某一晶面上的原子排列和另一如果一相的某一晶面上的原子排列和另一相的某晶面的原子排列不能達(dá)到

11、完全相同，但相近，這樣相的某晶面的原子排列不能達(dá)到完全相同，但相近，這樣形成的界面在小區(qū)域內(nèi)可以利用少量得到彈性變形來(lái)維持形成的界面在小區(qū)域內(nèi)可以利用少量得到彈性變形來(lái)維持共格關(guān)系，適當(dāng)利用位錯(cuò)的半原子面來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到能共格關(guān)系，適當(dāng)利用位錯(cuò)的半原子面來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到能量較低。量較低。非共格界面非共格界面：當(dāng)兩相在界面上的晶體當(dāng)兩相在界面上的晶體 結(jié)構(gòu)或晶格參數(shù)差結(jié)構(gòu)或晶格參數(shù)差別很大時(shí)，界面原子完全不匹配。別很大時(shí)，界面原子完全不匹配。.17界面錯(cuò)配度界面錯(cuò)配度界面上彈性應(yīng)變能的大小取決于兩相界面上原子間距的相界面上彈性應(yīng)變能的大小取決于兩相界面上原子間距的相對(duì)差值，這種相對(duì)差值又稱為錯(cuò)配

12、度并以對(duì)差值，這種相對(duì)差值又稱為錯(cuò)配度并以 表之表之、分別是分別是、相沿平行于界面的晶向上的原子相沿平行于界面的晶向上的原子間距，間距，越大，彈性應(yīng)變能越大。越大，彈性應(yīng)變能越大。 0.05 0.05 相界面為共格界面相界面為共格界面 0.050.050.25 0.25 為半共格界面為半共格界面 0.25 0.25 為非共格界面為非共格界面aaaaa.18.19界面能界面能共格界面的原子匹配性最好，界面能最低共格界面的原子匹配性最好，界面能最低非共格界面的原子匹配性最差，界面能最高非共格界面的原子匹配性最差，界面能最高半共格界面能介于兩者之間半共格界面能介于兩者之間 為最大限度的降低固態(tài)相變的

13、形核功，最有效的為最大限度的降低固態(tài)相變的形核功，最有效的途徑就是形成界面能最低的晶核。途徑就是形成界面能最低的晶核。 在相變的形核初期形成共格或半共格界面，是固在相變的形核初期形成共格或半共格界面，是固態(tài)相變按阻力最小進(jìn)行的有效途徑之一態(tài)相變按阻力最小進(jìn)行的有效途徑之一.20共格應(yīng)變能共格應(yīng)變能因相界面共格引起的，并且僅限制在相界面附近的彈性應(yīng)因相界面共格引起的，并且僅限制在相界面附近的彈性應(yīng)變能，稱為共格應(yīng)變能。變能，稱為共格應(yīng)變能。共格界面，兩相的錯(cuò)配度越大，共格應(yīng)變能越大。共格界面，兩相的錯(cuò)配度越大，共格應(yīng)變能越大。 共格界面的應(yīng)變能最高共格界面的應(yīng)變能最高 非共格界面的最低非共格界面

14、的最低 半共格界面介于兩者之間半共格界面介于兩者之間.21界面能和共格應(yīng)變能界面能和共格應(yīng)變能相變時(shí)，形成何種界面決定于界面能和共格應(yīng)變能。相變時(shí)，形成何種界面決定于界面能和共格應(yīng)變能。當(dāng)形成共格界面使界面能的降低超過(guò)了所引起的共格應(yīng)變當(dāng)形成共格界面使界面能的降低超過(guò)了所引起的共格應(yīng)變能，變形成共格界面，可以減小相變阻力。能，變形成共格界面，可以減小相變阻力。否則，便形成半共格或非共格界面。否則，便形成半共格或非共格界面。.22(3) (3) 晶核的位向關(guān)系晶核的位向關(guān)系 固態(tài)相變時(shí)，為了降低新相與母相之間的界面能，固態(tài)相變時(shí)，為了降低新相與母相之間的界面能，新相的某些低指數(shù)晶向與母相的某些低

15、指數(shù)晶向平行。新相的某些低指數(shù)晶向與母相的某些低指數(shù)晶向平行。如如r-Fer-Fe a-Fea-Fe 在形核時(shí)，新相的取向已被舊相所制約，這樣的在形核時(shí)，新相的取向已被舊相所制約，這樣的晶面或晶向相互平行，所形成的界面能最低，形核阻晶面或晶向相互平行，所形成的界面能最低，形核阻力最小，形核就易于進(jìn)行。力最小，形核就易于進(jìn)行。 形核時(shí)兩相保持一定的位相關(guān)系，是固態(tài)相變按形核時(shí)兩相保持一定的位相關(guān)系，是固態(tài)相變按阻力最小進(jìn)行的有效途徑之一阻力最小進(jìn)行的有效途徑之一.233）.長(zhǎng)大特點(diǎn)長(zhǎng)大特點(diǎn)（1）慣習(xí)現(xiàn)象）慣習(xí)現(xiàn)象 固態(tài)相變時(shí)，新相往往以特定的晶向在母相的特定晶面固態(tài)相變時(shí)，新相往往以特定的晶向在

16、母相的特定晶面上形成，這個(gè)晶面即稱為上形成，這個(gè)晶面即稱為慣習(xí)面慣習(xí)面，而晶向則稱為，而晶向則稱為慣習(xí)方向慣習(xí)方向，這種現(xiàn)象叫做，這種現(xiàn)象叫做慣習(xí)現(xiàn)象慣習(xí)現(xiàn)象。在許多情況下，慣習(xí)面和慣習(xí)方向就是取向關(guān)系中母相的在許多情況下，慣習(xí)面和慣習(xí)方向就是取向關(guān)系中母相的晶面和晶向，但也可以是別的晶面或晶向。晶面和晶向，但也可以是別的晶面或晶向。.24 慣習(xí)現(xiàn)象是形核的取向關(guān)系在成長(zhǎng)過(guò)程中的一種特殊慣習(xí)現(xiàn)象是形核的取向關(guān)系在成長(zhǎng)過(guò)程中的一種特殊反映。已經(jīng)表明，固態(tài)相變時(shí)存在界面能與應(yīng)變能，在界反映。已經(jīng)表明，固態(tài)相變時(shí)存在界面能與應(yīng)變能，在界面能隨接觸界面或晶體取向的不同而變化的條件下，應(yīng)該面能隨接觸界面

17、或晶體取向的不同而變化的條件下，應(yīng)該使界面能最低的相界面得到充分發(fā)展，因?yàn)檫@樣有利于減使界面能最低的相界面得到充分發(fā)展，因?yàn)檫@樣有利于減小相變阻力；在應(yīng)變能隨新相成長(zhǎng)方向而發(fā)生變化的條件小相變阻力；在應(yīng)變能隨新相成長(zhǎng)方向而發(fā)生變化的條件下，應(yīng)該沿著應(yīng)變能最小的方向成長(zhǎng)。因此，下，應(yīng)該沿著應(yīng)變能最小的方向成長(zhǎng)。因此，降低界面能降低界面能和應(yīng)變能以減小相變阻力是慣習(xí)現(xiàn)象出現(xiàn)的基本原因。和應(yīng)變能以減小相變阻力是慣習(xí)現(xiàn)象出現(xiàn)的基本原因。為什么會(huì)出現(xiàn)為什么會(huì)出現(xiàn)慣習(xí)現(xiàn)象慣習(xí)現(xiàn)象.25（2）共格性長(zhǎng)大和非共格性長(zhǎng)大）共格性長(zhǎng)大和非共格性長(zhǎng)大擴(kuò)散相變擴(kuò)散相變：新相長(zhǎng)大是通過(guò)非共格相界面的擴(kuò)散性移動(dòng)。：新相長(zhǎng)

18、大是通過(guò)非共格相界面的擴(kuò)散性移動(dòng)。即使在形核階段形成了界面能低的共格界面，從而促進(jìn)了即使在形核階段形成了界面能低的共格界面，從而促進(jìn)了形核，但是共格界面擴(kuò)散性移動(dòng)困難，最后演變?yōu)榉枪哺裥魏?，但是共格界面擴(kuò)散性移動(dòng)困難，最后演變?yōu)榉枪哺窠缑?。界面。非擴(kuò)散相變非擴(kuò)散相變：新相長(zhǎng)大是依靠相界面按切邊方式進(jìn)行的，：新相長(zhǎng)大是依靠相界面按切邊方式進(jìn)行的，只有在維持兩相的共格關(guān)系時(shí)才能長(zhǎng)大，在形核和長(zhǎng)大階只有在維持兩相的共格關(guān)系時(shí)才能長(zhǎng)大，在形核和長(zhǎng)大階段都必須維持界面的共格性。只有當(dāng)新相長(zhǎng)大到一定程度段都必須維持界面的共格性。只有當(dāng)新相長(zhǎng)大到一定程度，由于共格應(yīng)變能擴(kuò)大，引起兩相中較軟的一相發(fā)生塑性，由

19、于共格應(yīng)變能擴(kuò)大，引起兩相中較軟的一相發(fā)生塑性變形，共格性就會(huì)遭到破壞，長(zhǎng)大停止。變形，共格性就會(huì)遭到破壞，長(zhǎng)大停止。.264) 過(guò)渡相過(guò)渡相 易出現(xiàn)過(guò)渡相，有些反應(yīng)不能進(jìn)行到底，過(guò)渡相可以易出現(xiàn)過(guò)渡相，有些反應(yīng)不能進(jìn)行到底，過(guò)渡相可以長(zhǎng)期保留長(zhǎng)期保留。這種情況通常發(fā)生在穩(wěn)定相的成分與母相相差較遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)變這種情況通常發(fā)生在穩(wěn)定相的成分與母相相差較遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)變溫度較低，原子擴(kuò)散慢，穩(wěn)定相的形核困難。鋼中的滲碳溫度較低，原子擴(kuò)散慢，穩(wěn)定相的形核困難。鋼中的滲碳體其實(shí)也是鐵碳平衡中的一過(guò)渡相。體其實(shí)也是鐵碳平衡中的一過(guò)渡相。 過(guò)渡相從熱力學(xué)來(lái)說(shuō)不利，但從動(dòng)力學(xué)來(lái)說(shuō)有力，也過(guò)渡相從熱力學(xué)來(lái)說(shuō)不利，但從動(dòng)力學(xué)

20、來(lái)說(shuō)有力，也是減小相變阻力的重要途徑之一是減小相變阻力的重要途徑之一.27固態(tài)相變與液態(tài)相變相比的的固態(tài)相變與液態(tài)相變相比的的特點(diǎn)特點(diǎn)1.相變阻力大相變阻力大。 固態(tài)相變的驅(qū)動(dòng)力也是新舊兩相的自由能固態(tài)相變的驅(qū)動(dòng)力也是新舊兩相的自由能差，這個(gè)差值越大，越有利于相變的進(jìn)行差，這個(gè)差值越大，越有利于相變的進(jìn)行2.新相與母相界面上原子排列易保持一定的匹配。新相與母相界面上原子排列易保持一定的匹配。新相與新相與母相界面上原子排列易保持一定的匹配的根本原因就在于母相界面上原子排列易保持一定的匹配的根本原因就在于它有利于相變阻力的降低它有利于相變阻力的降低3.新相與母相之間存在一定的晶體學(xué)位向關(guān)系新相與母

21、相之間存在一定的晶體學(xué)位向關(guān)系。.284.新相習(xí)慣在母相的一定晶面上形成。新相習(xí)慣在母相的一定晶面上形成。(慣習(xí)現(xiàn)象慣習(xí)現(xiàn)象)5.母相的晶體缺陷對(duì)相變起促進(jìn)作用母相的晶體缺陷對(duì)相變起促進(jìn)作用。缺陷處形核可得到。缺陷處形核可得到附加能量補(bǔ)充，同時(shí)缺陷的存在可加快擴(kuò)散過(guò)程，有利于附加能量補(bǔ)充，同時(shí)缺陷的存在可加快擴(kuò)散過(guò)程，有利于新相晶體的生長(zhǎng)。新相晶體的生長(zhǎng)。6.易出現(xiàn)過(guò)渡相，有些反應(yīng)不能進(jìn)行到底，過(guò)渡相可以長(zhǎng)易出現(xiàn)過(guò)渡相，有些反應(yīng)不能進(jìn)行到底，過(guò)渡相可以長(zhǎng)期保留期保留。.29熱激活形核熱激活形核：通過(guò)原子熱運(yùn)動(dòng)使晶胚達(dá)到臨界尺寸，特點(diǎn)：通過(guò)原子熱運(yùn)動(dòng)使晶胚達(dá)到臨界尺寸，特點(diǎn)是溫度和時(shí)間對(duì)形核都有

22、影響，晶核可以在等溫過(guò)程中形是溫度和時(shí)間對(duì)形核都有影響，晶核可以在等溫過(guò)程中形成。成。非熱激活形核非熱激活形核：通過(guò)快速冷卻在變溫過(guò)程中形核，是變溫：通過(guò)快速冷卻在變溫過(guò)程中形核，是變溫形核。形核。馬氏體相變馬氏體相變6.2.2 6.2.2 固態(tài)相變時(shí)的形核固態(tài)相變時(shí)的形核 6.2 6.2 相變熱力學(xué)相變熱力學(xué)6.2.1 6.2.1 熱力學(xué)基本原理熱力學(xué)基本原理.301. 1. 均勻形核均勻形核 系統(tǒng)自由能變化系統(tǒng)自由能變化323r34r4vr34GG.31令令臨界晶核半徑為臨界晶核半徑為VcGr2成核位壘（成核功）成核位壘（成核功）23)(316VcGG0rG形核率形核率.32相變驅(qū)動(dòng)力相變

23、驅(qū)動(dòng)力00)()(TTTHvTGv)(0THv為相變潛熱為相變潛熱相變驅(qū)動(dòng)力與過(guò)冷度成正比，溫度越低過(guò)冷度越大，相變驅(qū)動(dòng)力與過(guò)冷度成正比，溫度越低過(guò)冷度越大，驅(qū)動(dòng)力越大驅(qū)動(dòng)力越大.332. 2. 非均勻形核非均勻形核 缺陷能量：表示非均勻形核時(shí)由于晶體缺陷小時(shí)或被缺陷能量：表示非均勻形核時(shí)由于晶體缺陷小時(shí)或被破壞而釋放出來(lái)的能量破壞而釋放出來(lái)的能量.34（1）晶界形核）晶界形核 晶界能量較高，對(duì)形核的促進(jìn)作用強(qiáng)，新舊兩相的界晶界能量較高，對(duì)形核的促進(jìn)作用強(qiáng)，新舊兩相的界面只需部分重建。在晶界上形核時(shí)，晶核的形狀應(yīng)滿足其面只需部分重建。在晶界上形核時(shí)，晶核的形狀應(yīng)滿足其表面積與體積比最小。表面積

24、與體積比最小。.35（2）. 位錯(cuò)形核位錯(cuò)形核什么是位錯(cuò)什么是位錯(cuò) 實(shí)際晶體在結(jié)晶時(shí)受到雜質(zhì)、溫度變化或振動(dòng)產(chǎn)生的實(shí)際晶體在結(jié)晶時(shí)受到雜質(zhì)、溫度變化或振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力作用，或由于晶體受到打擊，切削，研磨等機(jī)械應(yīng)力應(yīng)力作用，或由于晶體受到打擊，切削，研磨等機(jī)械應(yīng)力作用，使晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)排列變形。作用，使晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)排列變形。 原子行列間相互滑移，而不再符合理想晶格的有序排原子行列間相互滑移，而不再符合理想晶格的有序排列形成現(xiàn)狀的缺陷稱為位錯(cuò)列形成現(xiàn)狀的缺陷稱為位錯(cuò).36（2）. 位錯(cuò)形核位錯(cuò)形核v 位錯(cuò)與溶質(zhì)原子交互作用形成溶質(zhì)原子氣團(tuán)，使溶位錯(cuò)與溶質(zhì)原子交互作用形成溶質(zhì)原子氣團(tuán)，使溶質(zhì)原子質(zhì)原子偏

25、聚偏聚在位錯(cuò)線附近，在成分上有利于形核。在位錯(cuò)線附近，在成分上有利于形核。v 位錯(cuò)形核形成的新相如果能使原來(lái)的位錯(cuò)消失，可位錯(cuò)形核形成的新相如果能使原來(lái)的位錯(cuò)消失，可降低成核功降低成核功v 短路擴(kuò)散作用，可降低原子的擴(kuò)散激活能，有利于短路擴(kuò)散作用，可降低原子的擴(kuò)散激活能，有利于晶胚長(zhǎng)大到臨界晶核。晶胚長(zhǎng)大到臨界晶核。v 比容大和比容小的的新相可分別在刃型位錯(cuò)的拉應(yīng)比容大和比容小的的新相可分別在刃型位錯(cuò)的拉應(yīng)力區(qū)和壓應(yīng)力區(qū)形核，降低彈性應(yīng)變能。力區(qū)和壓應(yīng)力區(qū)形核，降低彈性應(yīng)變能。v FCCFCC中的擴(kuò)展位錯(cuò)所夾的層錯(cuò)區(qū)中的擴(kuò)展位錯(cuò)所夾的層錯(cuò)區(qū)HCPHCP結(jié)構(gòu)，可作為結(jié)構(gòu)，可作為FCCHCPFCC

26、HCP轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ш宿D(zhuǎn)變?yōu)榫Ш?37完全無(wú)序偏聚.38單位質(zhì)量的物質(zhì)所占有的容積稱為比容單位質(zhì)量的物質(zhì)所占有的容積稱為比容,用符號(hào)用符號(hào)V表示。其數(shù)值是密度的倒數(shù)。表示。其數(shù)值是密度的倒數(shù)。 （3）. 空位對(duì)形核的促進(jìn)作用空位對(duì)形核的促進(jìn)作用v空位團(tuán)達(dá)到一定尺寸會(huì)崩塌成位錯(cuò)環(huán)，促進(jìn)位錯(cuò)的形核空位團(tuán)達(dá)到一定尺寸會(huì)崩塌成位錯(cuò)環(huán)，促進(jìn)位錯(cuò)的形核的作用。的作用。v當(dāng)兩相比容差很大時(shí)，相變阻力增大，形核比較困難，當(dāng)兩相比容差很大時(shí)，相變阻力增大，形核比較困難，若存在一定數(shù)量的空位，就可以通過(guò)吸收或釋放空位來(lái)若存在一定數(shù)量的空位，就可以通過(guò)吸收或釋放空位來(lái)改變兩相的比容，使形核容易。改變兩相的比容，使形核容易

27、。v擴(kuò)散型相變，原子擴(kuò)散對(duì)相變起控制作用，而空位可增擴(kuò)散型相變，原子擴(kuò)散對(duì)相變起控制作用，而空位可增大置換型溶質(zhì)原子的擴(kuò)散系數(shù)，有利于形核。大置換型溶質(zhì)原子的擴(kuò)散系數(shù)，有利于形核。.39與液態(tài)結(jié)晶相比，固態(tài)相變?cè)谂c液態(tài)結(jié)晶相比，固態(tài)相變?cè)谛魏朔矫嫘魏朔矫嬗腥缦绿攸c(diǎn)有如下特點(diǎn)。(1) 固態(tài)相交主要依靠非均勻形核固態(tài)相交主要依靠非均勻形核。這是由固態(tài)介質(zhì)在結(jié)構(gòu)。這是由固態(tài)介質(zhì)在結(jié)構(gòu)組織方面先天的不均勻性所決定的。固態(tài)介質(zhì)具有各種組織方面先天的不均勻性所決定的。固態(tài)介質(zhì)具有各種點(diǎn)、線、面等缺陷，這些缺陷分布不均勻，具有的能量點(diǎn)、線、面等缺陷，這些缺陷分布不均勻，具有的能量高低不同，這就給非均勻形核創(chuàng)

28、造了條件。高低不同，這就給非均勻形核創(chuàng)造了條件。新相與母相之間存在一定的位向關(guān)系新相與母相之間存在一定的位向關(guān)系。常以低指數(shù)且原。常以低指數(shù)且原子密度較大而又匹配較佳的易面互相平行，構(gòu)成確定位子密度較大而又匹配較佳的易面互相平行，構(gòu)成確定位向關(guān)系的界面借以減小新相與母相之間的界面能。向關(guān)系的界面借以減小新相與母相之間的界面能。(2)相界面易成共格或半共格界面相界面易成共格或半共格界面。這是因?yàn)橐孕纬晒哺窠?。這是因?yàn)橐孕纬晒哺窠缑娑M(jìn)行相變其阻力最小，半共格界面次之，非共格界面而進(jìn)行相變其阻力最小，半共格界面次之，非共格界面阻力最大。面阻力最大。.40相變長(zhǎng)大機(jī)制及其實(shí)例相變長(zhǎng)大機(jī)制及其實(shí)例6.

29、3 6.3 相變動(dòng)力學(xué)相變動(dòng)力學(xué).416.4 擴(kuò)散型相變擴(kuò)散型相變6.4.1 固溶體的析出固溶體的析出過(guò)飽和固溶體的分解過(guò)飽和固溶體的分解.421.析出條件析出條件固溶體的溶解度隨著溫度降低而減小固溶體的溶解度隨著溫度降低而減小原子在析出溫度下具有足夠的擴(kuò)散能力原子在析出溫度下具有足夠的擴(kuò)散能力固溶體處于過(guò)飽和狀態(tài)。固溶體處于過(guò)飽和狀態(tài)。2.分類分類.43 平衡析出平衡析出：將固溶體在溶解度曲線一下緩慢冷卻或者：將固溶體在溶解度曲線一下緩慢冷卻或者析出溫度接近于溶解度曲線時(shí)，析出的是平衡相，析出相析出溫度接近于溶解度曲線時(shí)，析出的是平衡相，析出相和母相的成分分別達(dá)到各自的溶解度曲線上的平衡濃度

30、，和母相的成分分別達(dá)到各自的溶解度曲線上的平衡濃度，這種析出稱為平衡析出。這種析出稱為平衡析出。 將固溶體淬冷到遠(yuǎn)離溶解度曲線的低溫時(shí)，固溶體不將固溶體淬冷到遠(yuǎn)離溶解度曲線的低溫時(shí)，固溶體不析出平衡相，而析出亞穩(wěn)相或過(guò)度相，這種不平衡析出稱析出平衡相，而析出亞穩(wěn)相或過(guò)度相，這種不平衡析出稱為為時(shí)效時(shí)效。鋼的淬火是將鋼加熱到臨界溫度鋼的淬火是將鋼加熱到臨界溫度Ac3(亞共析鋼亞共析鋼)或或Ac1(過(guò)共析鋼過(guò)共析鋼)以上某一溫度以上某一溫度,保溫一段時(shí)間保溫一段時(shí)間,使之全部或部分奧氏體化使之全部或部分奧氏體化,然后以大然后以大于臨界冷卻速度的冷速快冷到于臨界冷卻速度的冷速快冷到Ms以下以下(或或

31、Ms附近等溫附近等溫)進(jìn)行馬氏體進(jìn)行馬氏體(或貝氏體或貝氏體)轉(zhuǎn)變的熱處理工藝轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。 .44共析鋼過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線共析鋼過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線 圖圖奧氏體珠光體貝氏體馬氏體奧氏體穩(wěn)定存奧氏體穩(wěn)定存在區(qū)域在區(qū)域珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū).456.4.2 共析轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變當(dāng)含碳量為當(dāng)含碳量為0.77%的奧氏體（的奧氏體（r）冷卻到共析溫度，將分解）冷卻到共析溫度，將分解成鐵素體（成鐵素體（a）和滲碳體（）和滲碳體（Fe3C）的機(jī)械混合物）的機(jī)械混合物珠光珠光體轉(zhuǎn)變體轉(zhuǎn)變P241.46形成過(guò)程：形成過(guò)程：1.1.通過(guò)碳原子擴(kuò)散形成高碳的

32、通過(guò)碳原子擴(kuò)散形成高碳的Fe3CFe3C和低碳的和低碳的a a2.2.晶格重構(gòu)，由面心立方的晶格重構(gòu)，由面心立方的r r轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方的轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方的a a和復(fù)和復(fù)雜正交結(jié)構(gòu)的雜正交結(jié)構(gòu)的Fe3CFe3C奧氏體晶界.47(c)珠光體基體（200 x） .486.6 過(guò)渡型相變過(guò)渡型相變 共析成分的奧氏體在共析成分的奧氏體在“鼻子鼻子”溫度至溫度至MsMs點(diǎn)范圍內(nèi)等溫停留點(diǎn)范圍內(nèi)等溫停留時(shí)，將發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，形成鐵素體（時(shí)，將發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，形成鐵素體（C C和和a-Fea-Fe的間隙化的間隙化合物）和碳化物（合物）和碳化物（Fe3CFe3C）兩相組成的非層片狀組織）兩相組成的非層片狀組織貝貝

33、氏體。氏體。 .49貝氏體轉(zhuǎn)變的基本特征貝氏體轉(zhuǎn)變的基本特征變溫轉(zhuǎn)變變溫轉(zhuǎn)變形態(tài)與轉(zhuǎn)變溫度有關(guān)。上貝氏體，鐵素體呈板條狀；下貝形態(tài)與轉(zhuǎn)變溫度有關(guān)。上貝氏體，鐵素體呈板條狀；下貝氏體，鐵素體呈片狀。氏體，鐵素體呈片狀。貝氏體轉(zhuǎn)變是貝氏體轉(zhuǎn)變是碳原子擴(kuò)散而鐵原子不擴(kuò)散碳原子擴(kuò)散而鐵原子不擴(kuò)散的半擴(kuò)散型相變的半擴(kuò)散型相變轉(zhuǎn)變是一個(gè)形核與長(zhǎng)大過(guò)程轉(zhuǎn)變是一個(gè)形核與長(zhǎng)大過(guò)程轉(zhuǎn)變按切變方式進(jìn)行。轉(zhuǎn)變按切變方式進(jìn)行。.50.516.5 非擴(kuò)散型相變非擴(kuò)散型相變定義：相變時(shí)不存在原子擴(kuò)散，或者存在原子擴(kuò)散但不是相定義：相變時(shí)不存在原子擴(kuò)散，或者存在原子擴(kuò)散但不是相變的主要過(guò)程。變的主要過(guò)程。分類：分類：無(wú)擴(kuò)散型

34、連續(xù)相變無(wú)擴(kuò)散型連續(xù)相變:相變時(shí)僅需要原子在晶胞內(nèi)進(jìn)行微量相變時(shí)僅需要原子在晶胞內(nèi)進(jìn)行微量的位置調(diào)整，不發(fā)生點(diǎn)陣應(yīng)變。的位置調(diào)整，不發(fā)生點(diǎn)陣應(yīng)變。形核長(zhǎng)大型馬氏體相變形核長(zhǎng)大型馬氏體相變，發(fā)生點(diǎn)陣應(yīng)變，并以點(diǎn)陣畸變，發(fā)生點(diǎn)陣應(yīng)變，并以點(diǎn)陣畸變?yōu)橹?。為主?52 共格切變相變共格切變相變是指相變過(guò)程不是通過(guò)原子擴(kuò)散，而是通過(guò)是指相變過(guò)程不是通過(guò)原子擴(kuò)散，而是通過(guò)切變方式使母相（奧氏體）協(xié)同式的遷移到新相（馬氏體切變方式使母相（奧氏體）協(xié)同式的遷移到新相（馬氏體中）遷移距離小于一個(gè)原子間距，并且兩相間保持共格關(guān)中）遷移距離小于一個(gè)原子間距，并且兩相間保持共格關(guān)系的一種轉(zhuǎn)變。凡滿足這一特征的相變稱為馬氏體相變，系的一種轉(zhuǎn)變。凡滿足這一特征的相變稱為馬氏體相變，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物稱為馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物稱為馬氏體馬氏體最主要的馬氏體最主要的性能特點(diǎn)性能特點(diǎn)就是具有高硬度、高強(qiáng)度，它的就是具有高硬度、高強(qiáng)度，它的硬度隨含碳量的增加而升高硬度隨含碳量的增加而升高 .53馬氏體轉(zhuǎn)變的馬氏體轉(zhuǎn)變的主要特點(diǎn)主要特點(diǎn)（1）無(wú)