材料科學與工程專業(yè)《金屬熱處理原理及工藝》課件-第二章-金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)

第三節(jié)金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)3.1金屬固態(tài)相變概述3.2金屬固態(tài)相變熱力學3.3金屬固態(tài)相變的形核3.4金屬固態(tài)相變的長大3.5金屬固態(tài)相變動力學返回下一頁上一頁

本章首頁相：體系中具有相同成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的均勻部分稱為相，不同相之間有明顯的界面分開。相變：隨外界條件的變化(溫度)，體系中新相取代舊相的過程。固態(tài)相變：固態(tài)金屬及合金在溫度及壓力改變時，組織及結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化3.1金屬固態(tài)相變概述金屬固態(tài)相變主要特點

1.相界面特殊（新相和母相間存在不同的界面）

(1)共格界面

新、舊相的晶體結(jié)構(gòu)、點陣常數(shù)相同；或有差異但存在一組特定晶體學平面可使兩相原子之間產(chǎn)生完全匹配。

舊相新相特點：界面能小，彈性畸變能大(2)半共格界面新、舊相之間存在少量位錯，除此之外的晶體結(jié)構(gòu)和點陣常數(shù)均能使兩相原子之間產(chǎn)生完全匹配。新、舊相間錯配度δ=|αβ-αα|/αα小(<0.05)，共格關(guān)系大(0.05-025).，半共格關(guān)系很大(>0.25)，非共格關(guān)系

1.相界面特殊（新相和母相間存在不同的界面）(3)非共格界面新、舊相界面處原子排列差別很大,兩原子之間匹配關(guān)系不再維持,為非共格界面。

1.相界面特殊（新相和母相間存在不同的界面）特點：界面能大，彈性畸變能小界面能：非共格>半共格>共格彈性畸變能：非共格<半共格<共格7共格相界Daa半共格相界非共格相界半共格相界上位錯間距取決于相界處兩相匹配晶面的錯配度。2.新舊相之間存在一定位向關(guān)系與慣習面新、舊相之間存在一定位向關(guān)系,并且新相往往在舊相的一定晶面上開始形成,這個晶面稱為慣習面.慣習面和位向關(guān)系的區(qū)別：慣習面指母相的某一主平面；位向關(guān)系指新相的某些晶面、晶向∥舊相的某些晶面、晶向若兩相間為（半）共格界面→

若無取向關(guān)系→

金屬固態(tài)相變主要特點

有取向關(guān)系必為非共格界面降低界面能和應變能以減小相變阻力是慣習現(xiàn)象出現(xiàn)的原因。金屬固態(tài)相變主要特點

3.相變阻力大相界面上原子強制匹配引起的彈性應變能共格＞半共格＞非共格新、舊相比容差彈性應變能彈性應變能和界面能共同構(gòu)成金屬發(fā)生固態(tài)相變的阻力（彈性應變能作用）新相形狀與彈性應變能之間關(guān)系4.易出現(xiàn)過渡相（降低形核功）在有些情況下，固態(tài)相變不能直接形成自由能最低的穩(wěn)定相，而是經(jīng)過一系列的中間階段，先形成一系列自由能較低的過渡相（又稱中間亞穩(wěn)相），然后在條件允許時才形成自由能最低的穩(wěn)定相．相變過程可以寫成：母相―→較不穩(wěn)定過渡相―→較穩(wěn)定過渡相―→穩(wěn)定相應特別指出：溫度越低時，固態(tài)相變的上述特點越顯著。

過渡相的出現(xiàn)有利于減小固態(tài)相變的阻力。如：鐵碳合金中γ分解時

γ→M→α＋Fe3CFe3C→Fe＋C

M，F(xiàn)e3C為過渡相金屬固態(tài)相變主要特點

5.母相晶體缺陷的促進作用晶態(tài)固體中的空位、位錯、晶界等缺陷周圍因點陣畸變而儲存一定的畸變能。新相極易在這些位置非均勻形核。它們對晶核的長大過程也有一定的影響。通常，固態(tài)相變時，母相中晶體缺陷起促進作用。新相優(yōu)先在晶體缺陷處形核。

金屬固態(tài)相變主要特點

（提供驅(qū)動力）

6.原子的擴散（原子遷移率低）固態(tài)相變中，成分的改變必須通過組元的擴散才能完成，此時擴散成為相變的控制因素，而固態(tài)金屬中原子的擴散系數(shù)，即使在熔點附近也僅為液態(tài)的十萬分之一，所以固態(tài)相變的轉(zhuǎn)變速率很慢，可以有很大的過冷度。隨著溫度降低，過冷度增大，形核率增高，相變驅(qū)動力增大，但同時原子擴散系數(shù)降低。這一對矛盾運動的結(jié)果，就有可能使相變后得到的組織變細。金屬固態(tài)相變主要特點

金屬固態(tài)相變主要特點

1.相界面特殊

2.新舊相之間存在一定位向關(guān)系與慣習面

3.相變阻力大（彈性應變能作用）

4.易于形成過渡相

5.母相晶體缺陷對相變起促進作用

6.原子的擴散（擴散控制相變過程）（提供驅(qū)動力）（降低形核功）（不同類型，具有不同界面能和應變能）3.2金屬固態(tài)相變熱力學一、相變驅(qū)動力γ→α轉(zhuǎn)變，只有在T＜T0時才能夠進行，即過冷。（問題，α→γ相變在何條件下方可進行？）GT℃T0GαGγGγ→α>0Gγ→α<0αγ

∵Gγ→α

=Gα-Gγ

＜0過熱二、相變勢壘要使γ向α轉(zhuǎn)變能夠進行還必須越過△g的勢壘

因此相變條件：

△G＜0克服△g的勢壘（能量起伏)返回下一頁上一頁

本章首頁金屬熱處理原理及工藝,SMSE,CUMTG狀態(tài)Ⅰ狀態(tài)ⅡΔgγαGγ→α——原子間的引力3.3金屬固態(tài)相變的形核一、均勻形核金屬結(jié)晶均勻形核＞＞形核自由能變化臨界晶核半徑：臨界形核功形核率假設(shè)晶核為球形自由能差界面能應變能3.3金屬固態(tài)相變的形核二、非均勻形核①界面形核②位錯形核③空位形核缺陷提供的相變驅(qū)動力固態(tài)相變中均勻形核幾乎不可能，大多為非均勻形核。1.晶界形核晶界類型：界面、界棱、界隅晶界形核時的能量變化提供的能量：需要的形核功：界隅形核的最容易，但界隅占的體積分數(shù)最小，數(shù)量最多的界面形核的貢獻最大。二、非均勻形核Ⅳ界面<界棱<界隅界隅<界棱<界面<均勻形核圖晶界形核時晶核的形狀

2.位錯形核位錯促進形核。位錯線上形核，位錯線消失釋放能量，降低形核功。位錯線不消失，成為半共格界面中的位錯部分，降低形核功。溶質(zhì)原子在位錯上偏聚，滿足新相形核的成分起伏。擴散的短路通道，↘Q，加速形核。二、非均勻形核3.空位及空位集團形核空位及空位集團促進形核。釋放能量提供成核驅(qū)動力凝聚成位錯加速擴散過程（空位機制）二、非均勻形核3.4金屬固態(tài)相變的晶核長大一、長大機制

新相晶核的長大，實質(zhì)是界面向母相方向的遷移。成分變化結(jié)構(gòu)變化——擴散——界面過程γαα/γ——界面附近原子調(diào)整位置，使晶核得以長大的過程。1、半共格界面的遷移(1)均勻切變特點：大量的原子有規(guī)律地沿某一方向作小于一個原子間距的遷移，遷移后原子保持原有的相鄰關(guān)系不變。是無擴散型相變。右下圖為馬氏體轉(zhuǎn)變的表面傾動。一、長大機制（2）臺階機制

（相界面上位錯的滑動）特點：通過半共格界面上的界面位錯的運動，使界面作法線方向遷移，從而實現(xiàn)晶核的長大。1、半共格界面的遷移一、長大機制3.4金屬固態(tài)相變的晶核長大一、長大機制2、非共格界面的遷移：

通過界面擴散進行紊亂排列臺階狀結(jié)構(gòu)3.4金屬固態(tài)相變的晶核長大二、長大速度（擴散型）1、無成分變化時：GΔgγαGγ→αλ過冷度很小時，兩相自由能差極小。界面遷移速率與兩相的自由能差成正比，隨溫度降低，兩相的自由能差增大，新相長大速率增加；3.4金屬固態(tài)相變的晶核長大二、長大速度（擴散型）1、無成分變化時：GΔgγαGγ→α過冷度很大時λ取決于△g，隨溫度降低，界面遷移速率減小，新相長大速率隨之下降。3.4金屬固態(tài)相變的晶核長大二、長大速度（擴散型）1、無成分變化時：GΔgγαGγ→αλ在整個相變范圍內(nèi)，新相長大速度隨溫度降低，先增后減。3.4金屬固態(tài)相變的晶核長大二、長大速度2、有成分變化時：是擴散控制型長大長大速率與原子的擴散系數(shù)、新相/母相界面上母相一側(cè)的濃度梯度成正比，與新相與母相間的濃度差成反比。T↘，擴散系數(shù)急劇↘，新相的長大速率降低。

3.5金屬固態(tài)相變動力學T1等溫動力學曲線轉(zhuǎn)變體積分數(shù)xt0T1>T2>T3T2T3100%

在一定過冷度下的等溫轉(zhuǎn)變動力學可用阿弗拉密方程描述：3≤n≤4n＞4等溫轉(zhuǎn)變曲線：將不同