固態(tài)相變概論

1、物理冶金學(xué)原理物理冶金學(xué)原理研究對(duì)象研究對(duì)象: :New MaterialsProcessing Innovations金屬固態(tài)相變概論金屬固態(tài)相變概論Introduction to Solid-State Phase Transformation of Metals相變及其對(duì)材料科學(xué)與工程的意義相變及其對(duì)材料科學(xué)與工程的意義相相 Phase相變相變 Phase Transformation or Transition 氣氣-固相變固相變（Condensation or Vapor Deposition） 液液-固相變固相變（Solidification） 固態(tài)相變固態(tài)相變（Solid-Sta

2、te Phase Transformation）一、固態(tài)相變及意義一、固態(tài)相變及意義控制材料組織結(jié)構(gòu)、提高挖掘材料控制材料組織結(jié)構(gòu)、提高挖掘材料性能的主要途徑性能的主要途徑加熱時(shí)的加熱時(shí)的及及固態(tài)相變固態(tài)相變冷卻時(shí)的冷卻時(shí)的及及相變相變固態(tài)相變亞穩(wěn)組織的進(jìn)一步固態(tài)相固態(tài)相變亞穩(wěn)組織的進(jìn)一步固態(tài)相變（過飽和固溶體的時(shí)效、馬氏體變（過飽和固溶體的時(shí)效、馬氏體的回火等）的回火等）Thermodynamically Stable StatesMetastable StatesRadical, Non-Equilibrium Processing of MaterialsControlled Secon

3、dary Processing for Required or Optimum Properties固態(tài)相變的分類固態(tài)相變的分類Classifications of Solid-State Phase Transformation 根據(jù)相變時(shí)熱力學(xué)函數(shù)的變化：根據(jù)相變時(shí)熱力學(xué)函數(shù)的變化：一級(jí)相變（一級(jí)相變（First Order Phase Transition）：）：相變時(shí)有體積變化及相變潛熱釋放的固態(tài)相變相變時(shí)有體積變化及相變潛熱釋放的固態(tài)相變 (物態(tài)變化及同素異構(gòu)物態(tài)變化及同素異構(gòu))二級(jí)相變（二級(jí)相變（Second Order Phase Transition） ：相變時(shí)無體積變化、無相

4、變潛熱，只有比熱、相變時(shí)無體積變化、無相變潛熱，只有比熱、膨脹系數(shù)、壓縮系數(shù)等的變化膨脹系數(shù)、壓縮系數(shù)等的變化 （磁性轉(zhuǎn)變、有序化、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變等）（磁性轉(zhuǎn)變、有序化、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變等）固態(tài)相變的分類固態(tài)相變的分類Classifications of Solid-State Phase Transformation 根據(jù)相變時(shí)有無原子擴(kuò)散：根據(jù)相變時(shí)有無原子擴(kuò)散：擴(kuò)散型相變（擴(kuò)散型相變（Diffusive Phase Transformation）非擴(kuò)散型相變非擴(kuò)散型相變(Diffusionless Phase Transformation or Martensite Transformation)固態(tài)

5、相變熱力學(xué)固態(tài)相變熱力學(xué)Thermodynamics of Solid-State Phase Transformation固態(tài)相變的特點(diǎn)固態(tài)相變的特點(diǎn)Characteristics of Solid-State Phase Transformation 由于相變阻力大由于相變阻力大相變的過冷度一般很大相變的過冷度一般很大 固態(tài)相變都是非自法形核固態(tài)相變都是非自法形核 晶體缺陷（空位、位錯(cuò)、界面）對(duì)固態(tài)相晶體缺陷（空位、位錯(cuò)、界面）對(duì)固態(tài)相變形核、生長(zhǎng)及固態(tài)相變組織與性能具有變形核、生長(zhǎng)及固態(tài)相變組織與性能具有決定性影響決定性影響 新相與母相間往往存在嚴(yán)格的晶體學(xué)取向新相與母相間往往存在嚴(yán)格的

6、晶體學(xué)取向關(guān)系（關(guān)系（Habit Planes） 相變歷程復(fù)雜，往往經(jīng)歷溶質(zhì)偏析過渡相變歷程復(fù)雜，往往經(jīng)歷溶質(zhì)偏析過渡相析出穩(wěn)定相析出及粗化等一系列過程相析出穩(wěn)定相析出及粗化等一系列過程擴(kuò)散性相變過程動(dòng)力學(xué)擴(kuò)散性相變過程動(dòng)力學(xué) 存在形核的孕育期（存在形核的孕育期（Incubation Time） 轉(zhuǎn)變量服從轉(zhuǎn)變量服從Avrami方程方程 f = 1 exp(-k tn) C-曲線曲線固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)Kinetics of Solid-State Phase Transformation固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)Kinetics of Solid-State Phase Trans

7、formation典型的擴(kuò)散型相變：過飽和固溶體典型的擴(kuò)散型相變：過飽和固溶體的時(shí)效（沉淀析出）的時(shí)效（沉淀析出）Typical Diffusive Transformation：Aging of Supersaturated Solid Solution時(shí)效熱力學(xué)時(shí)效熱力學(xué)共格界面共格界面Coherent Interface 特點(diǎn)：特點(diǎn)：界面能很低界面能很低！但應(yīng)變能較高！但應(yīng)變能較高！a ab b沉淀析出第二相粒子的強(qiáng)化效果及沉淀析出第二相粒子的強(qiáng)化效果及強(qiáng)化機(jī)制與粒子尺寸的關(guān)系：強(qiáng)化機(jī)制與粒子尺寸的關(guān)系：Strengthening Effect and Mechanisms by Pre

8、cipitation Particles炮狀沉淀或非連續(xù)沉淀：炮狀沉淀或非連續(xù)沉淀：Cellular Precipitation or Discontinuous Precipitation過固溶體的調(diào)幅分解過固溶體的調(diào)幅分解一種特殊的沉淀析出轉(zhuǎn)變一種特殊的沉淀析出轉(zhuǎn)變Spinodal Decomposition過固溶體的調(diào)幅分解過固溶體的調(diào)幅分解一種特殊的沉淀析出轉(zhuǎn)變一種特殊的沉淀析出轉(zhuǎn)變Spinodal Decomposition馬氏體轉(zhuǎn)變無擴(kuò)散型馬氏體轉(zhuǎn)變無擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變或切變型轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變或切變型轉(zhuǎn)變Martensitic or Shear Transformation馬氏體轉(zhuǎn)變的條件：馬氏體

9、轉(zhuǎn)變的條件：1、冷卻速度很高（高于、冷卻速度很高（高于Vc），抑制了高溫的），抑制了高溫的擴(kuò)散型相變擴(kuò)散型相變2、亞穩(wěn)相應(yīng)力或應(yīng)變誘發(fā)相變、亞穩(wěn)相應(yīng)力或應(yīng)變誘發(fā)相變固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)Kinetics of Solid-State Phase Transformation馬氏體轉(zhuǎn)變無擴(kuò)散型馬氏體轉(zhuǎn)變無擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變或切變型轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變或切變型轉(zhuǎn)變Martensitic or Shear Transformation鋼中馬氏體轉(zhuǎn)變的意義鋼中馬氏體轉(zhuǎn)變的意義鋼中馬氏體晶格常數(shù)與鋼中馬氏體晶格常數(shù)與C%的關(guān)系的關(guān)系馬氏體馬氏體 Martensite: 通過母相中原子的整體通過母相中原子的整體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)（協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)（Military Movement）、以母相特定晶）、以母相特定晶面（慣析面）為基面通過共格面（慣析面）為基面通過共格（孿晶）方式轉(zhuǎn)（孿晶）方式轉(zhuǎn)變成的新相！變成的新相！馬氏體轉(zhuǎn)變的基本特征馬氏體轉(zhuǎn)變的基本特征低碳馬氏體（位錯(cuò)馬氏體）低碳馬氏體（位錯(cuò)馬氏體）高碳馬氏體（片狀馬氏體）高碳馬氏體（片狀馬氏體）高碳馬氏體（片狀馬