材料科學(xué)基礎(chǔ)輔導(dǎo)與習(xí)題-上交課件 第6章 固態(tài)相變的基本原理

材料科學(xué)基礎(chǔ)第

章固態(tài)相變的基本原理6內(nèi)容結(jié)構(gòu)晶體學(xué)熱力學(xué)擴散界面固態(tài)相變擴散型相變非擴散型相變共析相變調(diào)幅分解塊狀轉(zhuǎn)變有序化轉(zhuǎn)變馬氏體相變

上下貝氏體轉(zhuǎn)變脫溶相變●

6.1各種擴散型相變的基本特征五種擴散型相變：

●

1、沉淀（脫溶）相變新相從母相中沉淀析出

基本過程：形核、長大與結(jié)晶過程相似。Cu-Al-NiTEM照片

●

2、共析分解

典型實例：珠光體轉(zhuǎn)變●

3、調(diào)幅分解

特征：1、a、a1、a2結(jié)構(gòu)相同，點陣常數(shù)不同；3、成分分布呈調(diào)幅波。2、沒有形核過程；形成條件：G－X曲線的拐點內(nèi)（化學(xué)調(diào)幅）

●

4、塊狀轉(zhuǎn)變

不同于脫溶晶界形核，快速長大，形貌無規(guī)則。塊狀轉(zhuǎn)變脫溶轉(zhuǎn)變●

5、有序化轉(zhuǎn)變分兩種類型：一種有形核(有序疇）長大過程,屬一級相變，另一種沒有形核長大過程，屬二級相變。●

6.2脫溶（沉淀、析出）相變沉淀相變的分類按工藝分類按組織分類冷卻過程中沉淀時效過程中沉淀自然時效人工時效連續(xù)沉淀非連續(xù)沉淀穩(wěn)態(tài)組織亞穩(wěn)態(tài)組織●

6.2.1連續(xù)沉淀和非連續(xù)沉淀

●

1、連續(xù)沉淀（1）一般情況下連續(xù)沉淀（2）連續(xù)脫溶均勻形核和非均勻形核（3）非均勻形核的可能形核位置、晶界、位錯和空位高溫合金中的g′相●

2、非連續(xù)沉淀

少數(shù)合金系出現(xiàn)非連續(xù)沉淀，典型特例－Mg合金特征：晶界形核垂直于晶界生長和母相晶界一起遷移

非連續(xù)沉淀往往是有害相●

6.2.2連續(xù)沉淀的形核●

1、均勻形核式中,V為晶核體積，S為晶核表面積，σ為單位面積界面能，ω為單位體積彈性應(yīng)變能。

其中:為單位體積新舊兩相化學(xué)自由能差

（GN、GP分別為新、舊相的自由能）。形核過程中的能量變化(6.1)相變驅(qū)動力：ΔGV

當(dāng)ΔGV＜0時，相變有可能發(fā)生。假定晶核為半徑為r的球體，上式變?yōu)椋毫睿?，可得：從上面的三個表達(dá)式可見：

GV（驅(qū)動力，絕對值）越大，則臨界半徑和臨界晶核的體積越小，形核功也越??；

越大，則臨界半徑和臨界晶核的體積越大，形核功也越大；

越大，則臨界半徑和臨界晶核的體積越大，形核功也越大。在固態(tài)相變中絕大多數(shù)是非均勻形核析出相呈均勻分布不一定是均勻形核例：Cu-Al-Ni三元系中的沉淀相NiAl和Cu9Al4（g2）●

2、非均勻形核非均勻形核的形核位置－晶體缺陷（界面、位錯、空位）形核過程中的吉布斯自由能變化：其中：Gd缺陷消失所引起的能量變化。作為形核位置的缺陷類型不同，則Gd也不同。以晶界形核為例計算形核功：如果忽略彈性應(yīng)變能，形核過程中吉布斯自由能變化：設(shè)晶核形狀是兩個球冠，則：代入(6.7)式:令，可得影響形核的主要內(nèi)在因素：

－界面能在什么形核位置上形核取決于：形成什么樣的相界使系統(tǒng)的能量達(dá)到最小值。脫溶（沉淀、析出）相變共格界面半共格界面非共格界面界面的類型：●

6.2.2連續(xù)沉淀的長大

●

1.長大的速度主要取決于界面能，界面能越低長大速度越小(烏耳夫（Wulff）法則)；

●2.界面結(jié)構(gòu)決定了界面能的大小,界面的共格性程度越高（錯配度越小），則界面能越低；

●

3.界面的遷移速率通常用界面遷移率（Mb)表示,Mb

越大，界面遷移越快；

●

4.當(dāng)Mb很小，i(組元在相界兩側(cè)的化學(xué)勢）很大時，界面遷移的速率受界面控制，稱之為界面控制長大；當(dāng)Mb很大，i很小時，界面遷移的速率受擴散控制，稱之為擴散控制長大；介于上述兩種情況之間的是混合控制長大；

●5.一個沉淀相的顆粒（晶粒）與母相之間的相界可能不止一種，不同的相界遷移率不同；這決定了沉淀相顆粒的形貌；

●

6.如果一個沉淀相顆粒與母相之間的相界不止一種，顆粒在不同的方向上長大速度不同。晶粒長大的動力學(xué)問題比較復(fù)雜?！?/p>

6.2.4脫溶產(chǎn)生的亞穩(wěn)相脫溶相變的產(chǎn)物可能是平衡相，也可能是亞穩(wěn)相

如：Al-Cu合金時效溫度不同，析出相不同。

時效：固溶+淬火＋回火平衡析出：

q當(dāng)?shù)蜁r效溫度：

GPZ、q〞、

q′－過渡相

過渡相與平衡相的區(qū)別：結(jié)構(gòu)不同與基體的位向關(guān)系不同

界面結(jié)構(gòu)不同Cu－Al－Ni合金中GPZ●

1、亞穩(wěn)相的結(jié)構(gòu)

GPZ●

2、形成亞穩(wěn)相的熱力學(xué)條件●

3、脫溶分解對合金性能的影響

●

6.3共析轉(zhuǎn)變典型實例－珠光體轉(zhuǎn)變

－＋Fe3C●

6.3.1共析體轉(zhuǎn)變的形核和長大過程

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1、有一相(和Fe3C)先在晶界形核,哪相先形核取決于和母相之間的界面能。

●

2、先形成相和母相（晶界另一側(cè)）之間有固定的位向關(guān)系，以致有較低的界面能。完成珠光體形核。

●3、由于一相先形成，母相中濃度變化，使后形成相形核容易。它與母相（晶界另一側(cè)）之間亦有固定位向關(guān)系。

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4、第二相形核后又有利于第一相再形核，這樣反復(fù)交替。●

6.3.2共析組織的生長和形貌●

1、兩相協(xié)同生長，形貌取決于各相生長速度生長速度相仿－片狀一快一慢－不軌則形貌（degenerate)●

2、退火組織－球狀共析轉(zhuǎn)變●3.片狀共析組織中最小層間距和生長速度最小層間距

S*∝(T)-1

∴T越大，Ｓ越小由此也可見生長速率越高，層間距越小。層間距越小，強度越高?！?/p>

6.3.3亞（過）共析組織中的先共析相和共析組織

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1、亞（過）共析組織中共析相形核時，先形成相與共析轉(zhuǎn)變前先共析相相同，如：亞共析鋼先生成，過共析鋼先生成Fe3C；

●2、先生成相依附于先共析相上形核；

●

3、先共析相的形貌與冷卻速度有關(guān)，冷卻速度較大時容易形成魏氏組織。魏氏組織：析出相呈現(xiàn)針狀形貌，且沿某些特定的方向分布，與母相有固定的位向關(guān)系●

6.4非擴散型相變－馬氏體相變●

6.4.1基本特征(鋼）●

1、反應(yīng)速度快，10－7s時間內(nèi)橫跨奧氏體晶粒

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2、對于鋼中的馬氏體反應(yīng)結(jié)束后總有殘余奧氏體存在；

●

3、奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體后，C原子在馬氏體中過飽和(很大的點陣畸變，強化的主要原因）。黑色和有色金屬中均有馬氏體相變

非擴散型相變亞穩(wěn)相●

6.4.2馬氏體晶體學(xué)的一般概念

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1、形貌

對于鋼中的馬氏體，含碳量不同，形貌也不同低碳（板條狀）中高碳高碳（片狀）●

2、慣析面（habitplane）形成馬氏體后表面有浮凸，表明相變過程中發(fā)生形變在相變過程中，奧氏體和馬氏體有一個公共的不變面

慣析面K-S（Kurdjumov-Sachs）關(guān)系（在Fe-1.4%C合金中發(fā)現(xiàn)）：西山（Nishiyama-Wassermann）關(guān)系（在Fe-30%Ni合金中發(fā)現(xiàn)）：●3、位向關(guān)系馬氏體與奧氏體之間有位向關(guān)系由于馬氏體是以切變方式形成的，這就決定了馬氏體與母相間是共格的，它們間存在確定的位向關(guān)系。

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4、馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)－體心正方（四方），其點陣常數(shù)隨碳含量變化而變?！?/p>

5、Bain模型a.取兩個奧氏體晶胞（fcc）；以[110]和為新坐標(biāo)系的x、y軸，z軸方向不變，畫晶胞。b.在z軸方向壓縮20％，在a和b的方向上各伸長12％，就成為馬氏體晶胞。成功之處：能解釋馬氏體和奧氏體的位向關(guān)系。缺點：

不能解釋相變中的不變面?！?/p>

6、唯象理論為了解釋不變面，相變機制中引入切變，這樣不變面實際上是一個表象面，而不是真正意義上的晶面。

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1、相變溫度和RA相變溫度Ms、Mf與化學(xué)成分、外加應(yīng)力有關(guān)殘余奧氏體（RA）在Mf以下存在形核驅(qū)動力●

6.4.3

相變熱力學(xué)●

2、相變驅(qū)動力●

6.4.4相變動力學(xué)

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1、相變溫度

Ms

相變起始溫度，

對于鋼

Ms與碳含量有關(guān)

Mf

相變終止溫度●

2、等溫淬火條件下得到的馬氏體

3、馬氏體形核4、馬氏體長大非均勻形核借助于位錯形核板條狀馬氏體長大小臺階機制位錯形核片狀馬氏體長大切變孿晶●

6.4.5熱彈性馬氏體●

1、定義母相和馬氏體之間能互逆轉(zhuǎn)換的馬氏體冷卻：母相－馬氏體，加熱：馬氏體－母相馬氏體相變鋼中的馬氏體不是熱彈性馬氏體,鋼中馬氏體含碳，加熱不能直接得到奧氏體，最早發(fā)現(xiàn)的熱彈性馬氏體Cu-Al-Ni●

2、互逆轉(zhuǎn)變的特征馬氏體轉(zhuǎn)變和奧氏體轉(zhuǎn)變溫度不一致，存在溫度滯后現(xiàn)象。馬氏體相變特征：相變驅(qū)動力小，

熱滯?。ˋs-Ms?。R氏體與母相的相界能作正、逆向遷移

形狀應(yīng)變?yōu)閺椥詤f(xié)作性質(zhì)，即彈性能的儲存提供逆相變的驅(qū)動力。熱彈性馬氏體的最典型實例：Ni－Ti系，Cu-Zn-Al,Cu-Al-Ni有些合金只具有上述部分特點，稱之為半熱彈性轉(zhuǎn)變?！?/p>

3、形狀記憶效應(yīng)冷卻得到馬氏體，此時不發(fā)生宏觀變形,（自協(xié)同效應(yīng)，相變應(yīng)力在宏觀上相互抵消），施加外力使其變形加熱，逆轉(zhuǎn)變只有一個途徑，形狀恢復(fù)。

對形狀記憶合金進行“訓(xùn)練”，可以獲得雙向效應(yīng)。

航天：太空天線醫(yī)學(xué)：心臟殖入支架●

6.5貝氏體相變

（亞穩(wěn)組織）鋼的共析分解產(chǎn)物

也是鐵素體＋滲碳體，但形貌和性能均與珠光體不同Bain發(fā)現(xiàn)，稱之為貝氏體。●

1、相變特征（1）動力學(xué)曲線貝氏體轉(zhuǎn)變一般由等溫淬火得到，溫度在珠光體轉(zhuǎn)變溫度之下，Ms之上（2）組織形貌分上貝氏體和下貝氏體，形貌不同，形成溫度不同，形成機理也不同。

上貝氏體形成溫度較高（350℃）以上，條狀，碳化物呈纖維狀，轉(zhuǎn)變有孕育期下貝氏體在較低溫度（350℃以