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、 平衡轉變平衡轉變 1. 同素異晶轉變同素異晶轉變 l 純金屬在一定的溫度和壓力下，由一種結純金屬在一定的溫度和壓力下，由一種結 構轉變?yōu)榱硪环N結構的現(xiàn)象稱為構轉變?yōu)榱硪环N結構的現(xiàn)象稱為同素異晶同素異晶 轉變。轉變。 l若在固溶體中發(fā)生這種結構的轉變，則稱若在固溶體中發(fā)生這種結構的轉變，則稱 為為多形性轉變多形性轉變。 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 平衡脫溶轉變平衡脫溶轉變 l 高溫過飽和固溶體高溫過飽和固溶體緩緩 慢冷卻慢冷卻過程中析出第過程中析出第 二相的過程二相的過程 l 特點。特點。 u新相的新相

2、的成分和結構始終成分和結構始終 與母相的不同與母相的不同； u母相不會消失母相不會消失。 A Fe3CII 3 共析轉變共析轉變 合金冷卻時，由一種母相同時合金冷卻時，由一種母相同時析出兩析出兩 種不同固相種不同固相的過程稱為共析轉變。的過程稱為共析轉變。 4 有序化轉變有序化轉變 固溶體中，各組元的相對位置從無序過固溶體中，各組元的相對位置從無序過 渡到有序的過程，稱為有序化轉變。渡到有序的過程，稱為有序化轉變。 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構相與原固溶體結構相 同，而成分不同同，而成分不同

3、的微區(qū)的的微區(qū)的 轉變稱為增幅分解轉變稱為增幅分解,可用反可用反 應式表示為應式表示為: 特點特點 ： l 新形成的微區(qū)之間新形成的微區(qū)之間無明顯的界無明顯的界 面和成分的突變面和成分的突變； l 通過通過上坡擴散上坡擴散，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 無需驅動力無需驅動力，且進行的速度極，且進行的速度極 快快。 21 二、二、 非平衡轉變非平衡轉變 1. 偽共析轉變偽共析轉變 鐵素體和滲碳鐵素體和滲碳 體的相對量隨奧氏體的相對量隨奧氏 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)無擴散無擴

4、散過程形成的、過程形成的、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. 塊狀轉變塊狀轉變 在一定的冷速下奧氏體轉變?yōu)樵谝欢ǖ睦渌傧聤W氏體轉變?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程。相的過程。 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. 非平衡脫溶轉變非平衡脫溶轉變 在等溫條件下，由過飽和固溶體中析出第二相的在等溫條件下，由過飽和固溶體中析出第二相的 過程。恒溫下析出的過程。恒溫下析出的相粒子保持相粒子保持細小、均勻分細小、均勻分 布布。 具有不同結構的兩相之間的分界面稱為具有不同結構的

5、兩相之間的分界面稱為“相界相界”。 按結構特點，相界面可分為按結構特點，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位于兩相晶格的結點上，即兩相的晶格是是指界面上的原子同時位于兩相晶格的結點上，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才可能存在。界，且孿晶界即為孿晶面時才可能存在。 （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-一對應，于是在界面上將產(chǎn)生一些位錯，以降低界面的彈性應變能，這時一對應，于是在界面上將產(chǎn)生一些位錯，以降低界面的彈性應變能，這時 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。 半共格相界上位錯間距取決于相界處兩相匹配晶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。錯配度面的錯配度。錯配度 定義為定義為 式中式中a 和和b分別表示相界面兩側的分別表示相界面兩側的 相和相和 相相 的點陣常數(shù)，且的點

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)相變特點二、固態(tài)相變特點 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 慣習面和位向關系慣習面和位向關系 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 為為慣習面慣習面。 馬氏體在奧氏體的(111)上形成， (111)既是 慣習面。 慣習面可能是原子移動最小距離就能形成新相的慣習面可能是原子移動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 向關系，以減小兩相間的界面能。向關系，以減小兩相間的界面能。 馬氏體與奧氏體的晶體學關系：馬氏體與奧氏體的晶體學關系： 011 / 111 / l 完全共格相界的應變能完全共格相界的應變能 當當沉淀相的切變模量沉淀相的切變模量較小較小時，球狀沉淀相的應時，球狀沉淀相的應 變能最大，柱狀次之，片狀最小，若只考慮應變變能最大，柱狀次之，片狀最小，若只考慮應變 能，則能，則新相傾向于呈片狀析出新相傾向于呈片狀析出； 當當沉淀相的切變模量沉淀相的切變模量較大較大時，片狀沉淀相的應時，片狀沉淀相的應 變能最大，柱狀次之，球狀最小，若只考慮應變變能最大，

9、柱狀次之，球狀最小，若只考慮應變 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 與應變能的關系與應變能的關系 比容差應變能比容差應變能-新相形成時體積變化受到母相約束而產(chǎn)生的彈性應變能新相形成時體積變化受到母相約束而產(chǎn)生的彈性應變能 比容比容比重比重 l非共格相界的應變能非共格相界的應變能 新相呈球狀時，體積新相呈球狀時，體積 應變能最大；針狀次應變能最大；針狀次 之；片狀時最低。之；片狀時最低。 新相母相相界為新相母相相界為非非 共格界面時共格界面時，考慮到，考慮到 降低相變時的應變能，降低相變時的應變能， 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，晶內存在的大多固態(tài)相變的形核功較大，晶內存在的 缺陷對固態(tài)相變具有明顯的促進作用。缺陷對固態(tài)相變具有明顯的促進作用。 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)典形核理論簡介經(jīng)典形核理論簡介 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 即使在過飽和的蒸汽即使在過飽和的蒸汽 中，也只有半徑超過中，也只有半徑超過 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， 相應的相應的G為形核功為形核功 G。 按照按照Gibbs理論，只有理論，只有 當當 ，使得，使得 的晶坯的晶坯 才能穩(wěn)定地生長。才能穩(wěn)定地生長。 () 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 設新相晶核的原子數(shù)為設新相晶核的原子數(shù)為n，則形成新相時的，則形成新相時的 自由能變化為自由能變化為 為每個原子母相轉變?yōu)樾孪鄷r的自由為每個原子母相轉變?yōu)樾孪鄷r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為新相晶核每個原子的應變能。為新相晶核每個原子的應變能。 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 相的應變能。為降低應變能，相的應變能。為降低應變能，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，相變阻力較大，為）由于固態(tài)相變時，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冷度，所差增大，這就需要增加相變的過冷度，所 以以固態(tài)相變時的過冷度均較大固態(tài)相變時的過冷度均較大，特別是無，特別是無 擴散相變時過冷度甚至達到了幾百度。擴散相變時過冷度甚至達到了幾百度。 3. 形核率形核率 為無量綱常數(shù)，數(shù)值在為無量綱常數(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 這部分原子所構成界面的面積；這部分原子所構成界面的面積；、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）位錯形核）位錯形核 刃型位錯比螺型位錯更為有利；刃型位錯比螺型位錯更為有利； 較大柏氏矢量的位錯促進形核的作用更為有效；較大柏氏矢量的位錯促進形核的作用更為有效； 在位錯結和位錯割階處易于形核；在位錯結和位錯割階處易于形核； 單獨位錯比亞晶界上的位錯對形核更為有效；單獨位錯比亞晶界上的位錯對形核更為有效； 小角度晶界或亞晶界上慣習面選擇性形核；小角度晶界或亞晶界上慣習面選擇性形核； （3）其它缺陷形核）其它缺陷形核 基體中出現(xiàn)層錯，使結構近于沉淀相就容易促基體中出現(xiàn)層錯，使結構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)相變的晶核長大四、固態(tài)相變的晶核長大 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，采取一定的方式長大。的需要，采取一定的方式長大。 若新相的成分不同于母相，則其長大的過若新相的成分不同于母相，則其長大的過 程必然伴隨原子的遷移，擴散型相變、珠程必然伴隨原子的遷移，擴散型相變、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 有這種傳質過程；有這種傳質過程； 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，則只需結構改變，而無需原子的遷移。變，則只需結構改變，而無需原子的遷移。 晶面能較小的晶面，晶

17、面能較小的晶面，其法線方向的長大速其法線方向的長大速 率較小，將率較小，將在長大過程中擴展；在長大過程中擴展； 晶面能較大的晶面，晶面能較大的晶面，其法線方向的長大速其法線方向的長大速 率反而較大，將率反而較大，將在長大過程中收縮，以致在長大過程中收縮，以致 消失。消失。 新相晶核的長大實質上是界面向母相新相晶核的長大實質上是界面向母相 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 擴散控制型長大擴散控制型長大 長大速率與原子的擴散系長大速率與原子的擴散系 數(shù)、新相數(shù)、新相/母相界面上母母相界面上母 相一側的濃度梯度成正比，相

18、一側的濃度梯度成正比， 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，溶質在母相中溫度下降，溶質在母相中 的擴散系數(shù)急劇減小，故的擴散系數(shù)急劇減小，故 新相的長大速率降低。新相的長大速率降低。 0 x x dxDC G dCCx l 晶界控制型長大晶界控制型長大 1）過冷度較小時過冷度較小時，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 長大速率增加；長大速率增加； 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）過冷度較大時過冷度較大時 隨隨溫度降低，界面遷移速率減小，新相長大溫度降低，界面遷移速率減小，新相長大 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)相變動力學五、固態(tài)相變動力學 研究新相形成量與時間、溫度關