固態(tài)相變概論(研究生)

1、1潘 清 林21 概概 論論 物質(zhì)三態(tài)的相互轉(zhuǎn)變（物質(zhì)三態(tài)的相互轉(zhuǎn)變（VLS） 固態(tài)金屬和合金在條件（溫度、應(yīng)力等）改變時(shí)，固態(tài)金屬和合金在條件（溫度、應(yīng)力等）改變時(shí)， 組織結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，即發(fā)生固態(tài)相變，從而使金屬和組織結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，即發(fā)生固態(tài)相變，從而使金屬和合金的力學(xué)性能也發(fā)生改變。合金的力學(xué)性能也發(fā)生改變。 相變是自然界中普遍存在的現(xiàn)象。如：相變是自然界中普遍存在的現(xiàn)象。如：1、現(xiàn)象、現(xiàn)象 fcc-Fe bcc-Fe 6063鋁合金鋁合金:sss（Mg2Si） 32 2、基本概念：、基本概念： 相、相變、固態(tài)相變相、相變、固態(tài)相變n 相相n 相是系統(tǒng)中均勻的、與其他部分有界面分開的部

2、相是系統(tǒng)中均勻的、與其他部分有界面分開的部分（分（均勻的均勻的：成分、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)相同或者連續(xù)變化）：成分、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)相同或者連續(xù)變化） 4n 相的狀態(tài)相的狀態(tài)只有當(dāng)某相的自由能最低時(shí)，該相才是穩(wěn)定的，只有當(dāng)某相的自由能最低時(shí)，該相才是穩(wěn)定的， 且處于且處于平衡態(tài)平衡態(tài)；若某相的自由能并不處于最低，但是與最低自由若某相的自由能并不處于最低，但是與最低自由能態(tài)之間有能態(tài)之間有能壘能壘相分隔，則該相處于相分隔，則該相處于亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)； 若不存在這種能壘，則體系處于若不存在這種能壘，則體系處于非穩(wěn)定態(tài)非穩(wěn)定態(tài)，這種，這種狀態(tài)是不穩(wěn)定的，它一定會轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶鈶B(tài)或亞穩(wěn)態(tài)。狀態(tài)是不穩(wěn)定的，它一定會轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶鈶B(tài)

3、或亞穩(wěn)態(tài)。 5n 材料中有各種各樣的相，如材料中有各種各樣的相，如：純組元純組元 Cr、Na固溶體固溶體 （Al）、）、（Mg）化合物化合物 Cu3Au、Al3Sc 絕大多數(shù)的材料是多相。絕大多數(shù)的材料是多相。相的種類、大小、形狀和分布的總和構(gòu)成組織相的種類、大小、形狀和分布的總和構(gòu)成組織材料的組織是決定其性能的重要因素之一材料的組織是決定其性能的重要因素之一6n 相變相變從廣義上講，構(gòu)成物質(zhì)的原子（或分子）的聚合狀態(tài)（相狀態(tài)）發(fā)生從廣義上講，構(gòu)成物質(zhì)的原子（或分子）的聚合狀態(tài)（相狀態(tài)）發(fā)生變化的過程。變化的過程?；蛟诰鶆虻囊幌嗷驇讉€(gè)混合相內(nèi)，出現(xiàn)具有不同成分、或在均勻的一相或幾個(gè)混合相內(nèi)，出

4、現(xiàn)具有不同成分、或不同結(jié)構(gòu)、或不同組織形態(tài)、或不同性質(zhì)的相，稱為相變?；虿煌Y(jié)構(gòu)、或不同組織形態(tài)、或不同性質(zhì)的相，稱為相變。一般地，相變過程包括：一般地，相變過程包括：（1）晶體結(jié)構(gòu)的變化（包括原子、離子或電子位置和位向的變化）晶體結(jié)構(gòu)的變化（包括原子、離子或電子位置和位向的變化） （2）化學(xué)成分的變化）化學(xué)成分的變化（3）某些物質(zhì)性質(zhì)的變化（如有序度、電子結(jié)構(gòu)、原子的配位變化）某些物質(zhì)性質(zhì)的變化（如有序度、電子結(jié)構(gòu)、原子的配位變化）7n 固態(tài)相變固態(tài)相變金屬或陶瓷等固態(tài)材料在溫度和金屬或陶瓷等固態(tài)材料在溫度和/ /或壓力改變時(shí)，其內(nèi)或壓力改變時(shí)，其內(nèi)部組織或結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，即發(fā)生從一種相狀態(tài)

5、到另一部組織或結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，即發(fā)生從一種相狀態(tài)到另一種相狀態(tài)的改變。種相狀態(tài)的改變。8固態(tài)相變是金屬學(xué)和金屬物理的研究領(lǐng)域之一。固態(tài)相變是金屬學(xué)和金屬物理的研究領(lǐng)域之一。本課程研究金屬及合金在經(jīng)受各種加工（本課程研究金屬及合金在經(jīng)受各種加工（T T、P P），尤其是熱處理時(shí)，），尤其是熱處理時(shí)，相變的種相變的種類、發(fā)生條件、進(jìn)行速度、轉(zhuǎn)變機(jī)制及產(chǎn)物等。類、發(fā)生條件、進(jìn)行速度、轉(zhuǎn)變機(jī)制及產(chǎn)物等。3 3、相變的主要內(nèi)容、相變的主要內(nèi)容“三學(xué)三學(xué)”：熱力學(xué)：熱力學(xué)相變?yōu)槭裁窗l(fā)生？朝什么方向發(fā)生？相變?yōu)槭裁窗l(fā)生？朝什么方向發(fā)生？ （方向：朝著能量最低的方向進(jìn)行）（方向：朝著能量最低的方向進(jìn)行） 動力

6、學(xué)動力學(xué)相變是如何進(jìn)行的？它的途徑和速度如何？相變是如何進(jìn)行的？它的途徑和速度如何？ （途徑：選擇阻力最小、速度最快的途徑進(jìn)行）（途徑：選擇阻力最小、速度最快的途徑進(jìn)行） 晶體學(xué)晶體學(xué)相變產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變有何特征？相變產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變有何特征？ （結(jié)果：可以有不同的形態(tài)，獲得不同的相，（結(jié)果：可以有不同的形態(tài)，獲得不同的相， 其中只有最適合結(jié)構(gòu)環(huán)境的新相才易于生存下來）其中只有最適合結(jié)構(gòu)環(huán)境的新相才易于生存下來）9本課程的具體內(nèi)容本課程的具體內(nèi)容n 固態(tài)相變概論固態(tài)相變概論 n 固態(tài)相變的基本原理（形核、長大、動力學(xué)）固態(tài)相變的基本原理（形核、長大、動力學(xué)）n 脫溶（調(diào)幅分解、鋼的回火轉(zhuǎn)變脫溶（調(diào)

7、幅分解、鋼的回火轉(zhuǎn)變 ）n 珠光體相變珠光體相變n 馬氏體相變馬氏體相變n 貝氏體相變貝氏體相變n 其它相變（有序化轉(zhuǎn)變、塊型相變）其它相變（有序化轉(zhuǎn)變、塊型相變）104 4、實(shí)際意義、實(shí)際意義 固態(tài)相變是金屬材料熱處理的基礎(chǔ)。通過固態(tài)相變的熱固態(tài)相變是金屬材料熱處理的基礎(chǔ)。通過固態(tài)相變的熱處理可改善材料的性能組織，強(qiáng)韌化材料，充分發(fā)揮材處理可改善材料的性能組織，強(qiáng)韌化材料，充分發(fā)揮材料的潛力。料的潛力。 如：馬氏體相變使鋼淬火硬化（馬氏體強(qiáng)化）如：馬氏體相變使鋼淬火硬化（馬氏體強(qiáng)化） 過飽和固溶體的分解（時(shí)效強(qiáng)化、析出強(qiáng)化）過飽和固溶體的分解（時(shí)效強(qiáng)化、析出強(qiáng)化） 反過來，固態(tài)相變理論的發(fā)展

8、又推動了新材料和熱處理反過來，固態(tài)相變理論的發(fā)展又推動了新材料和熱處理實(shí)踐的發(fā)展實(shí)踐的發(fā)展1132h(20h+12h)講授與自學(xué)相結(jié)合講授與自學(xué)相結(jié)合參考書：參考書：研究生教材研究生教材陳景榕等編著，金屬與合金中的固態(tài)相變，冶工版，陳景榕等編著，金屬與合金中的固態(tài)相變，冶工版，1997戚正風(fēng)編，固態(tài)金屬中的擴(kuò)散與相變，機(jī)工版，戚正風(fēng)編，固態(tài)金屬中的擴(kuò)散與相變，機(jī)工版，1998宮秀敏編著，相變理論基礎(chǔ)及應(yīng)用，武漢理工大學(xué)出版社，宮秀敏編著，相變理論基礎(chǔ)及應(yīng)用，武漢理工大學(xué)出版社，2004程曉農(nóng)等編著，材料固態(tài)相變與擴(kuò)散，化工版，程曉農(nóng)等編著，材料固態(tài)相變與擴(kuò)散，化工版，20065 5、學(xué)習(xí)方法與

9、主要參考書、學(xué)習(xí)方法與主要參考書12英文教材英文教材Porter D A, Easterling K E. Phase transformations in metals and alloys. Alden Press, Oxford,1981Christian J W. The theory of transformations in metals and alloys. Pergamn Press, Oxford, 1975Rao C N R, Rao K J. Phase transitions in solids. Great Britain,1978R W Cahn 等主編，劉治國譯

10、。材料科學(xué)與技術(shù)叢書：第等主編，劉治國譯。材料科學(xué)與技術(shù)叢書：第5卷相變，卷相變，科學(xué)出版社，科學(xué)出版社，199813典型專著典型專著徐祖耀著，相變原理，科學(xué)出版社，徐祖耀著，相變原理，科學(xué)出版社，2000馮端著，金屬物理學(xué)（第馮端著，金屬物理學(xué)（第2卷，相變），科學(xué)出版社，卷，相變），科學(xué)出版社，1998肖紀(jì)美編，合金相與相變，冶金工業(yè)出版社，肖紀(jì)美編，合金相與相變，冶金工業(yè)出版社，2004鄧永瑞編著，固態(tài)相變，冶金工業(yè)出版社，鄧永瑞編著，固態(tài)相變，冶金工業(yè)出版社，1996鄧永瑞著，馬氏體轉(zhuǎn)變理論，科學(xué)出版社，鄧永瑞著，馬氏體轉(zhuǎn)變理論，科學(xué)出版社，1993徐祖耀著，馬氏體相變與馬氏體，科學(xué)出

11、版社，徐祖耀著，馬氏體相變與馬氏體，科學(xué)出版社，198014 同素異晶轉(zhuǎn)變同素異晶轉(zhuǎn)變n 純金屬在一定的溫度和壓力下，由純金屬在一定的溫度和壓力下，由一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪灰环N結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)種結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象稱為同素異晶轉(zhuǎn)變。的現(xiàn)象稱為同素異晶轉(zhuǎn)變。(1)若在固溶體中發(fā)生這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，則稱為若在固溶體中發(fā)生這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，則稱為多形性轉(zhuǎn)變多形性轉(zhuǎn)變。如如鋼在冷卻時(shí)由奧氏體中析出先共析鐵素體的過程鋼在冷卻時(shí)由奧氏體中析出先共析鐵素體的過程 。2 固態(tài)相變的主要類型固態(tài)相變的主要類型1 平衡轉(zhuǎn)變平衡轉(zhuǎn)變15(2) 平衡脫溶轉(zhuǎn)變平衡脫溶轉(zhuǎn)變n 高溫過飽和固溶體高溫過飽和固溶體緩慢緩慢冷卻冷卻過程中析出

12、第二相的過程中析出第二相的過程過程n 特點(diǎn)：特點(diǎn)：(a) 新相的新相的成分和結(jié)構(gòu)成分和結(jié)構(gòu)始終始終 與母相的不同；與母相的不同；(b)母相不會消失。母相不會消失。n 鋼在冷卻時(shí)，由奧氏體鋼在冷卻時(shí)，由奧氏體析出二次滲碳體的過程析出二次滲碳體的過程 可發(fā)生脫溶轉(zhuǎn)變的合金可發(fā)生脫溶轉(zhuǎn)變的合金16（3）共析轉(zhuǎn)變）共析轉(zhuǎn)變n 合金冷卻時(shí)，由一個(gè)固相同時(shí)析出兩個(gè)不同固相的過合金冷卻時(shí)，由一個(gè)固相同時(shí)析出兩個(gè)不同固相的過程稱為共析轉(zhuǎn)變程稱為共析轉(zhuǎn)變n 鋼中的珠光體相變鋼中的珠光體相變17由一種高溫固溶體冷至某一溫度范圍，分解為兩種由一種高溫固溶體冷至某一溫度范圍，分解為兩種與與原固溶體結(jié)構(gòu)相同，而成分不同

13、原固溶體結(jié)構(gòu)相同，而成分不同的微區(qū)的轉(zhuǎn)變稱為增的微區(qū)的轉(zhuǎn)變稱為增幅分解。幅分解。 1 + 2特點(diǎn)特點(diǎn) ：(a) 新形成的微區(qū)之間新形成的微區(qū)之間無明顯的界面和成分的突變無明顯的界面和成分的突變；(b) 通過通過上坡擴(kuò)散上坡擴(kuò)散，最終使均勻固溶體變?yōu)椴痪鶆蚬?，最終使均勻固溶體變?yōu)椴痪鶆蚬?溶體。溶體。 （4）調(diào)幅分解（）調(diào)幅分解（Spinodal分解）分解）18n 固溶體中，各組元的相對位置從無序過渡到有序的固溶體中，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(zhuǎn)變。過程，稱為有序化轉(zhuǎn)變。 n Cu-Zn、Au-Cu等合金中均可發(fā)生這種轉(zhuǎn)變等合金中均可發(fā)生這種轉(zhuǎn)變 Cu3Au型：型：390

14、，Au、Cu呈有序排列呈有序排列(5) (5) 有序化轉(zhuǎn)變有序化轉(zhuǎn)變192 不平衡轉(zhuǎn)變不平衡轉(zhuǎn)變n 接近共析點(diǎn)成分的合金，接近共析點(diǎn)成分的合金，過冷到共析點(diǎn)以下發(fā)生過冷到共析點(diǎn)以下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變的過程共析轉(zhuǎn)變的過程 n 鐵素體和滲碳體的相對鐵素體和滲碳體的相對量隨奧氏體的含碳量而量隨奧氏體的含碳量而變，故稱為偽共析體變，故稱為偽共析體 Fe-Fe3C相圖的偽共析區(qū)相圖的偽共析區(qū)(1) 偽共析轉(zhuǎn)變偽共析轉(zhuǎn)變 20n 鋼在快冷時(shí)，若能避免其發(fā)生擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，則將鋼在快冷時(shí)，若能避免其發(fā)生擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，則將無無需原子的擴(kuò)散需原子的擴(kuò)散，以一種，以一種切變共格切變共格的方式實(shí)現(xiàn)的方式實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣的改點(diǎn)陣的改組組

15、，而轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體(2) 馬氏體相變馬氏體相變(3) 貝氏體轉(zhuǎn)變貝氏體轉(zhuǎn)變n 在珠光體轉(zhuǎn)變與馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍之間（中溫），在珠光體轉(zhuǎn)變與馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍之間（中溫），鐵原子不能擴(kuò)散，碳原子可以擴(kuò)散鐵原子不能擴(kuò)散，碳原子可以擴(kuò)散n 過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橛设F素體和滲碳體組成的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橛设F素體和滲碳體組成的非層片狀非層片狀組織組織 貝氏體貝氏體21(4) 塊型相變塊型相變(5) 不平衡脫溶轉(zhuǎn)變不平衡脫溶轉(zhuǎn)變n在等溫條件下，從在等溫條件下，從過飽和固溶體過飽和固溶體中析出第二相的過程中析出第二相的過程n析出相為非平衡亞穩(wěn)相析出相為非平衡亞穩(wěn)相n在一定的冷速下，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樵谝欢ǖ?/p>

16、冷速下，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榕c母相成分相同而形與母相成分相同而形貌呈塊狀貌呈塊狀的的相的過程相的過程n 通過原子的通過原子的短程擴(kuò)散短程擴(kuò)散使使非共格相界面非共格相界面在母相中推移在母相中推移223 特性轉(zhuǎn)變特性轉(zhuǎn)變（1）磁性轉(zhuǎn)變）磁性轉(zhuǎn)變 物質(zhì)由順磁相轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁相的相變物質(zhì)由順磁相轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁相的相變 居里點(diǎn)：鐵磁相轉(zhuǎn)變溫度，如鐵素體為居里點(diǎn)：鐵磁相轉(zhuǎn)變溫度，如鐵素體為770 產(chǎn)物：磁性材料（鐵氧體、產(chǎn)物：磁性材料（鐵氧體、NdFeB等）等）（2）順電）順電鐵電轉(zhuǎn)變鐵電轉(zhuǎn)變（電子自旋狀態(tài)）（電子自旋狀態(tài)） 具有鐵滯回線的晶體稱為具有鐵滯回線的晶體稱為鐵電體鐵電體，如：，如：KH2PO4(KDP)（3）

17、正常態(tài)）正常態(tài)超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變 某些物質(zhì)在某一臨界溫度（某些物質(zhì)在某一臨界溫度（0K或大于或大于0K）電阻突然變?yōu)椋╇娮柰蝗蛔優(yōu)? 如：如：Y-Ba-Cu-O 70K Nb3Ge 23.2K23n 金屬固態(tài)相變的三種基本變化：金屬固態(tài)相變的三種基本變化：（1）結(jié)構(gòu)；（）結(jié)構(gòu)；（2）成分；（）成分；（3）有序程度）有序程度 只有結(jié)構(gòu)的變化：多形性轉(zhuǎn)變，馬氏體相變只有結(jié)構(gòu)的變化：多形性轉(zhuǎn)變，馬氏體相變 只有成分的變化：調(diào)幅分解只有成分的變化：調(diào)幅分解 既有結(jié)構(gòu)又有成分上的變化：共析轉(zhuǎn)變，既有結(jié)構(gòu)又有成分上的變化：共析轉(zhuǎn)變， 脫溶沉淀脫溶沉淀24問題提出：問題提出：1、分類？、分類？2、共同特性

18、？共同特性？25 n 一級相變有熱效應(yīng)（一級相變有熱效應(yīng)（相變潛熱）與體積效應(yīng)，從而可用熱膨相變潛熱）與體積效應(yīng)，從而可用熱膨脹儀測量一級相變的開始點(diǎn)，金屬固態(tài)相變一般為一級相變。脹儀測量一級相變的開始點(diǎn)，金屬固態(tài)相變一般為一級相變。0S0VPPTT21STPTTPP21VPTn一級相變：由一級相變：由1相轉(zhuǎn)變?yōu)橄噢D(zhuǎn)變?yōu)?相時(shí)，相時(shí)，G1=G2，12， 但化學(xué)位的一階偏導(dǎo)數(shù)不等但化學(xué)位的一階偏導(dǎo)數(shù)不等 3 3 相變的分類相變的分類1、 按熱力學(xué)分類：一級相變和二級相變按熱力學(xué)分類：一級相變和二級相變26 n 二級相變：由二級相變：由1相轉(zhuǎn)變?yōu)橄噢D(zhuǎn)變?yōu)?相時(shí)，不僅相時(shí)，不僅G1=G2，12，且，且化學(xué)位的一階偏導(dǎo)數(shù)相等，但化學(xué)位的二階偏導(dǎo)數(shù)不等化學(xué)位的一階偏導(dǎo)數(shù)相等，但化學(xué)位的二階偏導(dǎo)數(shù)不等n Cp -熱容，熱容，- - 壓縮系數(shù)，壓縮系數(shù)，- - 膨脹系數(shù)膨脹系數(shù) PPTT222212TCTSTPPP220PCTTPP222212VPVVVPTT220PTPT2212VTVVVPTP2027TCTUPP22VPUT22TPVV1VPTU2PTVV128n 二級相變時(shí)沒有熵和體積改變，只有熱容、壓縮系數(shù)和膨脹二級相變時(shí)沒有熵和體積改變，只有熱容、壓縮系數(shù)