材料科學(xué)基礎(chǔ)第10章-相變課件

第十章材料熱力學(xué)

與固態(tài)相變基礎(chǔ)合金自由能的計(jì)算自由能隨成分變化規(guī)律相平衡原理相圖與吉布斯自由能曲線固態(tài)相變概論總結(jié)與回顧－－材料的成分、加工工藝對(duì)組織、性能的影響第十章材料熱力學(xué)

與固態(tài)相變基礎(chǔ)合金自由能的計(jì)算1引言平衡狀態(tài)：系統(tǒng)吉布斯自由能處于最低所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)。

相圖：表述物質(zhì)的成分、環(huán)境條件與平衡狀態(tài)下存在相之間關(guān)系的圖形。

相圖的測(cè)定方法：一般用物理方法來進(jìn)行，利用不同組成相所具有的不同物理性能特征參數(shù)或性能變化時(shí)的表現(xiàn)出物理兩地變化特征來進(jìn)行測(cè)定工作。例如常用的熱分析法、熱膨脹系數(shù)/比容變化、磁性法等等。計(jì)算法預(yù)測(cè)相圖：由材料的成分判斷可能組成的相結(jié)構(gòu)，計(jì)算在某一溫度下的自由能，找出合適組成相或他們之間的組合，達(dá)到能量最低的狀態(tài)(平衡態(tài))，從而確定相圖的結(jié)構(gòu)。隨著熱力學(xué)數(shù)據(jù)的積累，計(jì)算機(jī)能力提高和普及，這種設(shè)想現(xiàn)在逐步可以實(shí)現(xiàn)。引言平衡狀態(tài)：系統(tǒng)吉布斯自由能處于最低所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)。2第一節(jié)固溶體自由能的計(jì)算純組元自由能與溫度的關(guān)系

兩相混合自由能的計(jì)算

固溶體的自由能與成分溫度的關(guān)系

混合過程中S的變化

混合過程中H的變化

第一節(jié)固溶體自由能的計(jì)算純組元自由能與溫度的關(guān)系3純組元自由能與溫度的關(guān)系其中H0和S0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(25℃,一個(gè)大氣壓)的值，可以查相關(guān)的熱力學(xué)資料得到。

純組元自由能與溫度的關(guān)系其中H0和S0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(25℃4兩相混合自由能的計(jì)算設(shè)同樣有A、B兩組元組成的兩相α和β，α的成分(原子百分比)為x1，β的成分(原子百分比)為x2，α和β兩相所占地比例分別為N1和N2(原子百分比),顯然N1＋N2＝1。

在G－X的圖形中，G1、G、G2三點(diǎn)在一直線上，并服從杠桿定律。

兩相混合自由能的計(jì)算設(shè)同樣有A、B兩組元組成的兩相α和5固溶體自由能與成分溫度的關(guān)系

在溫度T下，尋找G－x之間的關(guān)系。設(shè)NA和NB為固溶體中A、B的原子數(shù)，XA和XB為兩組元的摩爾濃度，即在溫度T下，G0為混合前的自由能，ΔGm為混合過程中自由能變化。G0A的值由純組元公式計(jì)算出。先計(jì)算混合過程中H、S的變化量，可以計(jì)算ΔGm變化。固溶體自由能與成分溫度的關(guān)系在溫度T下，尋找G－x之間的關(guān)6混合過程中S的變化

熵表征為系統(tǒng)的混亂程度，固態(tài)下系統(tǒng)的熵構(gòu)成：主要是混合熵(配置熵)，決定于原子可能排列的方式；其次還有振動(dòng)熵，決定于溫度和缺陷。每摩爾物質(zhì)有原子，在二元系統(tǒng)中，A、B各自的原子數(shù)為NA、NB，即NA＋NB＝N，材料的成分和濃度為：XA＝NA/N、XB＝NB/N(XA＋N＝1)。 混合時(shí)熵的變化：配置熵定義：

K－波耳茲曼常數(shù)W－可能構(gòu)成的排列方式

混合過程中S的變化熵表征為系統(tǒng)的混亂程度，固態(tài)下系7混合過程中S的變化

混合過程中S的變化8混合過程中H的變化利用溶液的準(zhǔn)化學(xué)模型：①設(shè)A、B組元尺寸相接近，排列無序；②混合過程中體積基本不變，即ΔV＝0；③原子只與最近鄰的原子之間存在相互作用，即只計(jì)算最近鄰原子之間的結(jié)合能。設(shè)兩最近鄰原子之間的結(jié)合能分別為uAA、uBB、uAB，固溶體和組元的配位數(shù)均為Z。由于H=u+PV，混合過程中H的變化利用溶液的準(zhǔn)化學(xué)模型：①設(shè)A、B9混合過程中H的變化混合過程中H的變化10固溶體自由能與成分溫度的關(guān)系

注意這個(gè)表達(dá)式的推導(dǎo)用的假設(shè)，即使用條件，這是一最簡單的情況，其它情況下應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境來加以修正。結(jié)論：固溶體自由能與成分溫度的關(guān)系注意這個(gè)表達(dá)式的推導(dǎo)用的11第二節(jié)自由能隨成分變化規(guī)律數(shù)學(xué)表達(dá)關(guān)系分析

當(dāng)ΔHM=0時(shí)的狀態(tài)當(dāng)ΔHM<0時(shí)的狀態(tài)當(dāng)ΔHM>0時(shí)的狀態(tài)第二節(jié)自由能隨成分變化規(guī)律數(shù)學(xué)表達(dá)關(guān)系分析12數(shù)學(xué)表達(dá)關(guān)系分析數(shù)學(xué)表達(dá)關(guān)系分析13自由能隨成分變化規(guī)律

當(dāng)ΔHM=0時(shí)：這時(shí)為理想溶液模型，即

G(x)為下垂線，即曲線的凹向朝上。

自由能隨成分變化規(guī)律當(dāng)ΔHM=0時(shí)：G(x)為下垂線，即曲14自由能隨成分變化規(guī)律

ΔHM<0時(shí)：這時(shí)異類原子的結(jié)合力大于同類原子之間的結(jié)合力。表現(xiàn)為在溶解時(shí)會(huì)放出熱量。G(x)為下垂線，曲線的凹向朝上。由于ΔHM和TΔSM的同時(shí)作用，曲線下垂更大。自由能隨成分變化規(guī)律ΔHM<0時(shí)：G(x)為下垂線，曲線15ΔHM>0時(shí)自由能隨成分變化規(guī)律溶解時(shí)會(huì)吸收熱量，由于ΔHM和TΔSM表現(xiàn)為相反的作用，曲線的形狀與二者的大小相關(guān)。

混合所提高的內(nèi)能全部由熱溫熵來補(bǔ)充，ΔGm≤0，G(x)依然為下垂曲線，僅僅下垂的程度小一點(diǎn)。

下頁ΔHM>0時(shí)自由能隨成分變化規(guī)律溶解時(shí)會(huì)吸收熱量，由于16ΔHM>0時(shí)自由能隨成分變化規(guī)律構(gòu)成的曲線有三個(gè)極值點(diǎn)和兩個(gè)拐點(diǎn)，在靠近坐標(biāo)軸(x接近0或1)處為上凹曲線，有兩個(gè)極小值，而中部位凹向朝下的上凸曲線，會(huì)有一極大值。在這種情況下，存在兩個(gè)必然的規(guī)律：其一是任何組元，少量的溶解其它組元都會(huì)使其吉布斯自由能下降，絕對(duì)的不能溶解其它元素是不存在的，得到絕對(duì)的純凈物資是不可能的，即“金無赤足”。其二是當(dāng)出現(xiàn)上凸時(shí)，吉布斯自由能會(huì)提高，自發(fā)的趨勢(shì)是形成兩相混合物可以降低體系的自由能，兩組元表現(xiàn)為有限溶解。ΔHM>0時(shí)自由能隨成分變化規(guī)律構(gòu)成的曲線有三個(gè)極值17ΔHM>0時(shí)自由能隨成分變化規(guī)律溶解時(shí)會(huì)吸收熱量，由于ΔHM和TΔSM表現(xiàn)為相反的作用，曲線的形狀與二者的大小相關(guān)。若T＝0時(shí)，兩組元的混合全部表現(xiàn)為提高自由能，由于絕對(duì)0度是不可能的，所以這種情況不可能出現(xiàn)。ΔHM>0時(shí)自由能隨成分變化規(guī)律溶解時(shí)會(huì)吸收熱量，由于18第三節(jié)相平衡原理相平衡原理化學(xué)位的圖解求法單相平衡兩相平衡－公切線法則體系的自由能最低；

每一組元在平衡各相中的化學(xué)位相等。

相平衡原理第三節(jié)相平衡原理相平衡原理體系的自由能最低；相平衡19化學(xué)位的圖解求法在某固定的溫度下，由AB兩組元構(gòu)成的某一相α，其自由能與成分之間的關(guān)系如圖所示，當(dāng)其成分為XB時(shí)，求這時(shí)A、B組元在該相中的化學(xué)位？由成分xB在G(x)曲線上的位置M，過M作曲線G(x)的切線交坐標(biāo)兩端P、Q點(diǎn)，截距即為這時(shí)A、B組元的化學(xué)位。若已知G(x)與成分xB的關(guān)系如圖所示?；瘜W(xué)位的圖解求法在某固定的溫度下，由AB兩組元構(gòu)成的20化學(xué)位的圖解法證明化學(xué)位的圖解法證明21單相平衡2、當(dāng)曲線為“上凹”時(shí)，應(yīng)為均勻成分xB的自由能最低。如果某一處出現(xiàn)高出xB的成分時(shí)，因?yàn)槲镔|(zhì)不滅，必然存在另一處為低于xB的成分，這時(shí)系統(tǒng)的自由能將高于均勻成分時(shí)的自由能，系統(tǒng)未達(dá)到平衡，在動(dòng)力學(xué)條件滿足時(shí)，趨于形成單一均勻成分。例如枝晶偏析較平衡態(tài)的能量高，均勻化退火加熱時(shí)通過擴(kuò)散達(dá)到成分均勻的過程是自發(fā)的。

穩(wěn)定的單相為在某一溫度下，該相的自由能最低，并且在該成分點(diǎn)出的G(x)~x曲線為“上凹”。1、在溫度T下，AB組元可能形成α、β兩種相，為了降低系統(tǒng)的自由能，顯然將以單一的α存在比β相或α＋β兩相混合時(shí)的自由能低一些。

單相平衡2、當(dāng)曲線為“上凹”時(shí)，應(yīng)為均勻成分xB的自由能最22兩相平衡－公切線法則a點(diǎn)為組元A在α和β的化學(xué)位，b點(diǎn)為組元B在α和β的化學(xué)位,顯然二者相等，所以P點(diǎn)的α相成分為x1；Q點(diǎn)的β相成分為x2；它們是平衡相。兩相的數(shù)量滿足杠桿定律，以這兩相混合的自由能在M點(diǎn)。這時(shí)的自由能最低，它們才是這個(gè)溫度下的平衡相。在二元的情況，溫度T一定時(shí),若AB組元可能形成α、β兩種相，其自由能與成分的關(guān)系曲線如圖所示,合金成分為X時(shí):

以單一的α相存在,自由能在1點(diǎn)；以單一的β相存在,自由能在2點(diǎn)；作Gα、Gβ的公切線，切點(diǎn)分別為P、Q，延長交坐標(biāo)軸為a、b。兩相平衡－公切線法則a點(diǎn)為組元A在α和β的化學(xué)位，b點(diǎn)為組23兩相平衡－公切線法則成，近兩相的數(shù)量因合金的成分不同而異。對(duì)應(yīng)在PQ之外，無法由P點(diǎn)的α相和Q點(diǎn)的β相混合而成，以自由能較低的單相存在，P點(diǎn)的左邊為合金成分的單一α相，Q點(diǎn)的右邊為合金成分的單一β相。注意平衡相是以共切點(diǎn)的成分來分配，如果連接兩曲線的最低點(diǎn)，以這樣的成分的兩相混合，盡管每一相的自由能比切點(diǎn)低，但數(shù)量按杠桿定律分配后的混合自由能在3點(diǎn)，依然高于M點(diǎn)，所以平衡相是以公切線對(duì)應(yīng)的切點(diǎn)作為確定點(diǎn)。在PQ之間，所有成分的合金都由P點(diǎn)的α相和Q點(diǎn)的β相混合而兩相平衡－公切線法則成，近兩相的數(shù)量因合金的成分不同而異。24多相平衡－公切線法則結(jié)論：二元合金兩相平衡的條件是能夠作出這兩相自由能曲線的工切線。公切線在兩條曲線上的切點(diǎn)的成分坐標(biāo)值便是這兩個(gè)相在給定溫度下的平衡成分。

推論：三個(gè)溶體平衡共存的條件是在給定的溫度下，公切線能同時(shí)切過三條自由能曲線?；蛟贿@三個(gè)溶體的自由能曲線有公切線。這三個(gè)切點(diǎn)的成分坐標(biāo)值便是這三個(gè)相在給定溫度下的平衡成分。

多相平衡－公切線法則結(jié)論：二元合金兩相平衡的條件是能夠作出25第四節(jié)相圖與吉布斯

自由能曲線

二元?jiǎng)蚓鄨D

二元共晶相圖

二元包晶相圖

增幅分解

第四節(jié)相圖與吉布斯

自由能曲線二元?jiǎng)蚓鄨D26二元?jiǎng)蚓鄨D二元?jiǎng)蚓鄨D27二元?jiǎng)蚓鄨D二元?jiǎng)蚓鄨D28二元共晶相圖二元共晶相圖29二元共晶相圖二元共晶相圖30二元包晶相圖二元包晶相圖31二元包晶相圖二元包晶相圖32增幅分解(Spinodel)在無限溶解固溶體中，如果溶解時(shí)為吸熱過程，當(dāng)溫度較低時(shí)，自由能曲線中部有上凸(凹向朝下)部分出現(xiàn)，這時(shí)單一的固溶體的自由能不是最低，可以分解為結(jié)構(gòu)相同而成分不同兩個(gè)相混合物。相圖如圖所示，其中實(shí)線為不同溫度下公切線的切點(diǎn)軌跡，而虛線是曲線上拐點(diǎn)變化的軌跡。

增幅分解是單相固溶體分解為兩相混合物的一種特殊方式，其特殊之點(diǎn)是在這一分解過程中不需要信相的形核。

增幅分解(Spinodel)在無限溶解固溶體中，如33增幅分解(Spinodel)在實(shí)線和虛線之間的區(qū)域。成分為CN的合金有分解的熱力學(xué)動(dòng)力，但形核時(shí)成分的偏離會(huì)造成能量的提高，只有達(dá)到一定數(shù)量(大小)后其自由能才會(huì)降低，表明形核時(shí)要求一定的臨界尺寸，開始能量的聚集來源于那目光了起伏。這種狀態(tài)和固溶體中第二相形成相同。增幅區(qū)外的分解：增幅分解(Spinodel)在實(shí)線和虛線之間的區(qū)域34增幅分解(Spinodel)成分在虛線范圍內(nèi)時(shí)，由于自由能曲線為上凸(凹向朝下)，任何細(xì)小的成分的偏離都會(huì)使自由能下降，偏離加大自由能降低愈多，可見這時(shí)成分的偏離是自發(fā)的，不需要外界提供或自身的聚集。增幅區(qū)內(nèi)的分解增幅分解(Spinodel)成分在虛線范圍內(nèi)時(shí)，由35增幅分解(Spinodel)成分在虛線范圍內(nèi)時(shí)，由于自由能曲線為上凸(凹向朝下)，任何細(xì)小的成分的偏離都會(huì)使自由能下降，偏離加大自由能降低愈多，可見這時(shí)成分的偏離是自發(fā)的，不需要外界提供或自身的聚集，自發(fā)地加大偏離的幅度，所以把這種分解稱為增幅分解。分解的過程和所得組織如圖所示，增幅分解的組織呈布紋狀，非常細(xì)小，只能的高倍的電子顯微鏡下才能觀察得到。增幅區(qū)內(nèi)的分解

增幅分解(Spinodel)成分在虛線范圍內(nèi)時(shí)，由36增幅分解(Spinodel)分解過程自發(fā)地加大成分偏離的幅度，所以稱為增幅分解。這種分解的過程和所得組織如圖所示，增幅分解的組織呈布紋狀，非常細(xì)小，只能的高倍的電子顯微鏡下才能觀察得到。增幅分解組織

增幅分解(Spinodel)分解過程自發(fā)地加大成分37第五節(jié)固態(tài)相變概論

概述

按熱力學(xué)分類

按原子運(yùn)動(dòng)的方式分類

新相形成時(shí)的能量變化

新相形成過程

固態(tài)相變的特點(diǎn)

第五節(jié)固態(tài)相變概論概述38概述固態(tài)相變：固態(tài)物質(zhì)內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)的變化稱為固態(tài)相變。

相是成分相同、結(jié)構(gòu)相同、有界面同其他部分分隔的物質(zhì)均勻組成部分，相變是從已存的相中生成新的相。之所以為新相，生成部分與原有部分存在著或成分不同、或相結(jié)構(gòu)不同、或有序度不同、或兼而有之，并且和原來部分有界面分隔。原來的部分稱為母相或反應(yīng)相，在轉(zhuǎn)變過程中數(shù)量減少，生成部分稱為新相或生成相，在轉(zhuǎn)變過程中數(shù)量增加。

在熱處理過程中，材料處于固態(tài)下，但內(nèi)部都有不同的固態(tài)相變發(fā)生，先分析固態(tài)相變基本規(guī)律。

概述固態(tài)相變：固態(tài)物質(zhì)內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)的變化稱為固態(tài)39按熱力學(xué)分類

由熱力學(xué)知，系統(tǒng)總是相著吉布斯自由能降低的方向自發(fā)轉(zhuǎn)變。兩個(gè)存在的相處于互相平衡狀態(tài)，不發(fā)生轉(zhuǎn)變，二者的吉布斯自由能相等。這時(shí)構(gòu)成材料的組元在兩個(gè)相中的化學(xué)位相等,即μ1＝μ2，否則組元會(huì)從一個(gè)相中向另一相轉(zhuǎn)移，即有相變發(fā)生。

臨界點(diǎn)：在一定的溫度和壓力下，兩相處于平衡，這個(gè)平衡時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度和壓力稱為他們的臨界點(diǎn)，固態(tài)轉(zhuǎn)變中，壓力影響較小，一般臨界點(diǎn)大多指在一個(gè)大氣壓下平衡是對(duì)應(yīng)的溫度。兩相處于臨界點(diǎn)時(shí):按熱力學(xué)分類由熱力學(xué)知，系統(tǒng)總是相著吉布斯自由能降40按熱力學(xué)分類一級(jí)相變：在臨界點(diǎn)處，如果：

當(dāng)T或P發(fā)生變化(偏離臨界點(diǎn)),平衡就被破壞，體系的熵S和體積V會(huì)改變，向吉布斯自由能低的方向發(fā)展，就有一相減少而另一相增加，這時(shí)發(fā)生的相變稱為一級(jí)相變。所以一級(jí)相變過程會(huì)伴隨潛熱的釋放(或吸收)和體積改變的發(fā)生。過去相圖中介紹的合金凝固過程是一級(jí)相變，熱處理中發(fā)生的固態(tài)相變也主要是一級(jí)相變。

按熱力學(xué)分類一級(jí)相變：在臨界點(diǎn)處，如果：當(dāng)T或P41按熱力學(xué)分類二級(jí)相變：在臨界點(diǎn)處，

按熱力學(xué)分類二級(jí)相變：42按熱力學(xué)分類二級(jí)相變：在臨界點(diǎn)處，這時(shí)兩相的化學(xué)位、熵S和體積V相同，但等壓熱容量CP、等溫壓縮系數(shù)k、等壓熱膨脹系數(shù)α可能不相同。

當(dāng)T或P發(fā)生變化(偏離臨界點(diǎn))，平衡也被破壞，向吉布斯自由能低的方向發(fā)展，這時(shí)發(fā)生的相變稱為二級(jí)相變。所以二級(jí)相變過程中無潛熱和體積的改變，一般兩相的成分也相同(成分的變化一般會(huì)改變其熵)。常見的二級(jí)相變有磁性轉(zhuǎn)變、有序－無序轉(zhuǎn)變、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變等，大多伴隨材料某種物理性能的變化。

按熱力學(xué)分類二級(jí)相變：在臨界點(diǎn)處，這時(shí)兩相的化學(xué)位、熵S和43按原子運(yùn)動(dòng)的方式分類擴(kuò)散型（非協(xié)同型）：原子從母相以擴(kuò)散方式向新相遷移。原子可以改變相鄰關(guān)系；轉(zhuǎn)變的速度由原子擴(kuò)散遷移速度控制，在固態(tài)中進(jìn)行較慢；轉(zhuǎn)變過程大多伴隨成分的改變(新舊相成分不相同)；轉(zhuǎn)變產(chǎn)物無固定的形狀，決定于界面能，為減少界面面積，有可能是為球面。脫溶、共析、增幅分解屬于這種類型。

協(xié)同型（非擴(kuò)散型）：在相變過程中沒有原子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，相變前后沒有成分的變化，原子以切變的方式，即相對(duì)周圍原子發(fā)生有規(guī)律的少量的偏移，基本維持原來的相鄰關(guān)系，而發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)的改變，這就是協(xié)同型相變。轉(zhuǎn)變的結(jié)果是新舊相成分相同，為減少原子偏移的距離，新相的取向與母相原來的取相有一定的延續(xù)關(guān)系；轉(zhuǎn)變中新舊相的界面有共格關(guān)系，轉(zhuǎn)變要求較大的驅(qū)動(dòng)力來補(bǔ)償共格應(yīng)變能；轉(zhuǎn)變速度快，但大多不能進(jìn)行到底。以下要介紹的馬氏體相變就是屬于協(xié)同型相變。

混合型：介于二者之間的，具有擴(kuò)散型和協(xié)同型的綜合特征的中間過渡型轉(zhuǎn)變稱為混合型，如熱處理中的貝氏體轉(zhuǎn)變。按原子運(yùn)動(dòng)的方式分類擴(kuò)散型（非協(xié)同型）：原子從母相以擴(kuò)散方44新相形成時(shí)的能量變化1、體積自由能下降：當(dāng)溫度偏離臨界點(diǎn)后，新舊兩相的體積吉布斯自由能不相等。當(dāng)新相的自由能低于母相的自由能時(shí)，新相形成是吉布斯自由能下降的自發(fā)過程，臨界點(diǎn)溫度和實(shí)際溫度的差為過冷度(加熱轉(zhuǎn)變時(shí)為過熱度)，這時(shí)的體積自由能差ΔGV為轉(zhuǎn)變提供的動(dòng)力，轉(zhuǎn)變方向?yàn)棣V＜0。

2、新舊相之間的界面能：兩個(gè)相的成分或結(jié)構(gòu)不相同，二者之間存在相界面分隔，界面處的原子在很小的區(qū)間內(nèi)的平衡位置為從一個(gè)相到另一相的過渡狀態(tài)，這樣能量較低，但還是高于在各自相區(qū)內(nèi)部平衡態(tài)，高出部分組成了它們的界面能。

新相形成時(shí)的能量變化1、體積自由能下降：當(dāng)溫度偏離臨界點(diǎn)后45新相形成時(shí)的能量變化依相界面結(jié)構(gòu)方式不同，①兩相的取向之間沒有相依的關(guān)系的界面稱為非共格界面，各處的界面能大致差不多，類似大角度晶界，原子排列過渡較困難，界面能較高。②如果一相的某一晶面上的原子排列和另一相的某晶面的原子排列完全相同，兩相以這個(gè)晶面來過渡分界，界面能將非常低，這是兩相之間存在固定的取向關(guān)系，這就是完全共格界面。③如果一相的某一晶面上的原子排列和另一相的某晶面的原子排列不能達(dá)到完全相同，但相近，這樣形成的界面在小區(qū)域內(nèi)可以利用少量得到彈性變形來維持共格關(guān)系，適當(dāng)利用位錯(cuò)的半原子面來進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到能量較低，這就是半共格界面，在半共格界面中的界面能主要是為維持共格的彈性應(yīng)變能。當(dāng)二者相差較小，位錯(cuò)的半原子面較少，共格的程度較高，界面的能量較低；隨著二者相差加大，位錯(cuò)的半原子面需要較多(距離密集)，共格的程度下降，界面的能量隨之提高。共格程度可以用共格度(反之也用錯(cuò)配度)來表示，共格度太小(或錯(cuò)配度過大)，就失去了共格的意義，就是非共格界面。

新相形成時(shí)的能量變化依相界面結(jié)構(gòu)方式不同，①兩相的取向之間46新相形成時(shí)的能量變化3、新相形成時(shí)的體積應(yīng)變能：由于成分或結(jié)構(gòu)的差別，新舊兩相的比容不同，即比體積也不同，因此在新相形成和長大時(shí)必然要發(fā)生體積的變化。又因?yàn)槟赶嗍枪腆w，不象液體那樣可以因流動(dòng)來容納這個(gè)變化，受母相的約束，新相和母相都將產(chǎn)生彈性應(yīng)變，例如相變時(shí)體積要是膨脹，則新相就承受壓應(yīng)力而壓縮變形，母相承受拉應(yīng)力而發(fā)生拉伸變形，彈性應(yīng)變將帶來彈性應(yīng)變能的增加。

決定彈性應(yīng)變能的大小一方面是新舊兩相的比容差越大，材料的彈性模量越大，體積應(yīng)變能越大；另一方面與新相的幾何形狀有關(guān)，設(shè)新相為橢球形，半徑比為c/a，在同樣的體積下，體積應(yīng)變能和c/a的關(guān)系如圖所示。

新相形成時(shí)的能量變化3、新相形成時(shí)的體積應(yīng)變能：由于成分或結(jié)47新相形成時(shí)的能量變化4、晶體缺陷的作用：如果新相在母相的晶體結(jié)構(gòu)缺陷處形成，原來的晶體缺陷消失，那部分能量的釋放可以補(bǔ)充其消耗。隨便指出，新舊相成分有變化時(shí)，母相的缺陷集中處對(duì)異類原子偏聚對(duì)形核還有另一方面的作用。

在一定過冷度(過熱度)下，第一項(xiàng)為負(fù)數(shù)，是轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力；第二項(xiàng)是增加的界面能，第二項(xiàng)是增加的體積應(yīng)變能，都是轉(zhuǎn)變的阻力；第四相為晶體缺陷消失釋放的能量，在數(shù)值上為負(fù)數(shù)。在有些資料為區(qū)分動(dòng)力和阻力，將式中第一、四相前加上負(fù)號(hào)，這樣，計(jì)算時(shí)其變化量不是用物理化學(xué)中定義的后一狀態(tài)減前一狀態(tài)，在應(yīng)用時(shí)要注意理解物理意義。

總能量變化新相形成時(shí)的能量變化4、晶體缺陷的作用：如果新相在母相的晶48新相形成過程－－形核位置：在形核過程中，為了增加形核的動(dòng)力，往往首先在母相的晶體缺陷較集中的位置，如母相中原晶界、相界、位錯(cuò)集中的地方，這些位置的能量較高，這時(shí)可利用的能量(動(dòng)力)除體積自由能外，還可以利用缺陷的能量。

形狀：為最大限度的降低阻力，當(dāng)單位面積的相界面能較大，而體積應(yīng)變能較小時(shí)，最大限度的減小表面積，核心往往為球形；當(dāng)單位面積的相界面能不大，而體積應(yīng)變能較大時(shí)，核心以盤狀(薄片狀)來減小體積應(yīng)變能，而大片的面積部分與母相形成共格或半共格以降低表面能；二者相當(dāng)時(shí)為針狀或其它形狀。當(dāng)新相核心在晶界處形成時(shí)，母相原兩晶粒的取向不同，可能一邊為共格，另一邊為非共格的部分球面。

新相形成過程－－形核位置：在形核過程中，為了增加形核的動(dòng)力49新相形成過程－－長大新相的生長：非共格界面的生長主要是以擴(kuò)散方式，原子從母相遷移到新相，按新相的結(jié)構(gòu)排列，界面向母相中發(fā)展。共格界面的前進(jìn)是以原子切變方式進(jìn)行，切變量的增加將提高共格應(yīng)變能，同時(shí)大范圍內(nèi)難保證晶體取向的一致性，對(duì)維持大面積的共格帶來困難，共格界面的生長會(huì)受到一定的限制，生長到一定大小時(shí)，共格會(huì)被破壞，發(fā)展成為非共格界面。

新相形成過程－－長大新相的生長：50固態(tài)相變的特點(diǎn)綜合上述，固態(tài)相變中由于母相為固體，原晶體有固定的排列和取向，并不能隨意改變其形狀，轉(zhuǎn)變過程和產(chǎn)物有如下共同特點(diǎn)：

相變阻力大。新相形成除增加界面能外，由于存在體積變化造成應(yīng)變能，相變阻力比液體凝固大，轉(zhuǎn)變要求較大驅(qū)動(dòng)力，相變發(fā)生在較大的過冷度下。新相與母相之間存在一定的晶體學(xué)位向關(guān)系。一方面新舊之間以原子排列相互接近的晶面為界面，單位面積的能量可降低；另一方面當(dāng)以切變方式轉(zhuǎn)變時(shí)，按這種特定關(guān)系原子的切變量較小，易于實(shí)現(xiàn)。為保持這種關(guān)系，轉(zhuǎn)變往往在母相的一定晶面上開始形成，這個(gè)晶面稱為慣習(xí)面。所以新相的組織對(duì)母相有一定的遺傳性。固態(tài)相變的特點(diǎn)綜合上述，固態(tài)相變中由于母相為51固態(tài)相變的特點(diǎn)母相的晶體缺陷對(duì)相變起促進(jìn)作用。缺陷處形核可得到附加能量補(bǔ)充，同時(shí)缺陷的存在可加快擴(kuò)散過程，有利于新相晶體的生長。擴(kuò)散過程對(duì)相變的影響較大。固體中原子擴(kuò)散速度有限，反應(yīng)速度，特別是伴隨成分改變的相變過程，擴(kuò)散成為控制因素；在溫度較低時(shí)，大的相變驅(qū)動(dòng)力可能改變轉(zhuǎn)變類型，如從擴(kuò)散型改變?yōu)閰f(xié)同型。鋼的冷卻轉(zhuǎn)變就是一例。易出現(xiàn)過渡相，有些反應(yīng)不能進(jìn)行到底，過渡相可以長期保留。這種情況通常發(fā)生在穩(wěn)定相的成分與母相相差較遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)變溫度較低，原子擴(kuò)散慢，穩(wěn)定相的形核困難。鋼中的滲碳體其實(shí)也是鐵碳平衡中的一過渡相。固態(tài)相變的特點(diǎn)母相的晶體缺陷對(duì)相變起促進(jìn)作用。缺陷處形核可52總結(jié)與回顧材料的成分、加工工藝對(duì)組織、性能的影響材料成分與組織、力學(xué)性能的關(guān)系

材料的成分與加工性能的關(guān)系

加工工藝對(duì)組織的影響

材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系

總結(jié)與回顧材料的成分、加工工藝對(duì)組織、性能的影響材料成53材料成分與組織、力學(xué)性能的關(guān)系相圖表示了材料的成分、溫度與最終平衡相之間的關(guān)系。成分的變化決定了材料中組成相及其相對(duì)數(shù)量。組織取決于材料的組成相，不同的相對(duì)應(yīng)的組織自然不相同，決定材料組織的還有這些組織相的數(shù)量、形狀、大小和分布。

構(gòu)成材料中的組成相的類型有：以純?cè)貫榛墓倘荏w，大多出現(xiàn)在金屬材料中。金屬基的固溶體有好的塑性?；衔?，包括正常價(jià)化合物、電子化合物、尺寸因素化合物和拓?fù)涿芏严?，它們的性能有較大的差異，但大多為熔點(diǎn)高、硬度高、塑性低的脆性相。以化合物為基的固溶體，溶質(zhì)為構(gòu)成化合物的元素之一的表現(xiàn)為化合物在一定范圍內(nèi)成分可以變化范圍，也有在化合物中溶入第三組元的其它元素。對(duì)力學(xué)性能可以引起少量變化，但對(duì)物理或其它性能可以帶來較大的影響，特別是后者。

材料成分與組織、力學(xué)性能的關(guān)系相圖表示了材料的成分54材料的成分與加工性能的關(guān)系單相固溶體合金，有利于塑性成形有好的塑性，適應(yīng)冷熱壓力加工，可以進(jìn)行塑性變形來成形，即具有良好的鍛壓性能。

共晶成分合金有利于鑄造①相對(duì)而言，共晶點(diǎn)附近合金的熔點(diǎn)較低，便于熔化；②共晶合金的凝固溫度范圍小，表現(xiàn)為流動(dòng)性好，充型性也好，成分的偏析小，可以鑄造復(fù)雜、精細(xì)的零件。固溶體在一溫度范圍內(nèi)凝固，液固混合物會(huì)阻礙流通，且有成分的偏析。③共晶合金流動(dòng)性好，凝固的縮孔集中，可以置于冒口處而除去，并且熱裂的傾向性小。固溶體凝固在一溫度范圍內(nèi)，特別是樹枝晶凝固，在材料內(nèi)部會(huì)造成大量細(xì)小的疏松孔。④共晶體由兩個(gè)以上組成相，互相強(qiáng)化。特別在冷卻速度較大，共晶體細(xì)化，界面多，若其中一相為較硬，強(qiáng)化效果更明顯。

材料的成分與加工性能的關(guān)系單相固溶體合金，有利于塑性成形55加工工藝對(duì)組織的影響鑄造將材料熔化為液體，注入型腔凝固，得到零件毛坯的工藝過程。晶粒尺寸大小凝固理論中對(duì)晶粒尺寸的影響專門討論過。偏析成分的不均勻性，①枝晶偏析(晶內(nèi))偏析，由固溶體凝固時(shí)溶質(zhì)的重新分布引起，可以用均勻化退火來消除。②區(qū)域偏析，大范圍內(nèi)緩慢冷卻時(shí)固溶體的溶質(zhì)分配可引起，此外大鑄件中先凝固的固體因比容不同造成沉浮而形成比重偏析，區(qū)域偏析不能用均勻化退火來消除。③晶界偏析，晶界是后凝固，排放到液體中的雜質(zhì)最后凝固在晶界而造成，此外，雜質(zhì)原子與晶體缺陷的相互作用也是造成晶界上雜質(zhì)集中的原因之一。共晶體形態(tài)鑄造多用共晶合金，組織為共晶體，不同工藝除改變共晶體的尺寸外，可以改變相界面的結(jié)合力，來改變共晶體的形狀，如灰鑄鐵和球墨鑄鐵。加工工藝對(duì)組織的影響鑄造將材料熔化為液體，注入型腔凝56加工工藝對(duì)組織的影響鍛壓壓力加工除剪切斷外，有冷塑性變形加工和熱加工成形。冷塑性變形晶粒外形被拉長(或壓扁)，晶界模糊，內(nèi)部缺陷增加。多相合金會(huì)出現(xiàn)帶狀組織或纖維組織。此外回出現(xiàn)加工硬化，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，甚至?xí)霈F(xiàn)織構(gòu)。

熱加工焊合缺陷和疏松，使成分均勻和加大材料的致密。鍛造后的冷卻對(duì)晶粒尺寸也有明顯得影響。再結(jié)晶退火冷塑性變形后的再結(jié)晶退火，晶粒的重新形成過程，隨工藝的不同對(duì)晶粒尺寸有很大的影響。加工工藝對(duì)組織的影響鍛壓壓力加工除剪切斷外，有冷塑性變57加工工藝對(duì)組織的影響熱處理通過加熱、保溫、冷卻得方法，改變材料的組織，從而達(dá)到改善材料性能的工藝方法稱為熱處理。在熱處理過程中不改變零件的形狀，不改變材料的成分或在小范圍內(nèi)改變零件表面的成分。無相變過程：均勻化退火――加熱溫度較高，消除晶內(nèi)偏析

去應(yīng)力退火――加熱溫度較低，消除材料的內(nèi)應(yīng)力

再結(jié)晶退火－－冷塑性變形后的再結(jié)晶退火，晶粒的重新形成過程，隨工藝的不同對(duì)晶粒尺寸有很大的影響。

有相變過程：平衡組織――按固態(tài)相變的方式有同素異晶轉(zhuǎn)變、脫溶、共析、包析等不同類型的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)是完全得到或部分得到平衡組織，可以用相圖來具體分析。

快速冷卻――在快速冷卻時(shí)，隨冷卻速度不同，可能得到的是亞穩(wěn)態(tài)組織，有時(shí)得到的是非平衡組織。

加工工藝對(duì)組織的影響熱處理通過加熱、保溫、冷卻得方法，58加工工藝對(duì)組織的影響焊接用熔體把材料連接在一起的工藝過程。焊接過程比較復(fù)雜，需要用相關(guān)的知識(shí)進(jìn)行綜合應(yīng)用，結(jié)合具體條件具體分析。熔化區(qū)熔化區(qū)的冷卻為凝固過程，溶體的成分決定于母材和焊料，冷卻過程與零件的材料、尺寸、工藝都有一定的關(guān)系。

熱影響區(qū)熱影響區(qū)的加熱溫度和冷卻速度與焊接工藝有關(guān)，可能發(fā)生有相變或無相變得固態(tài)轉(zhuǎn)變，母材若為冷變形材料，還可能有再結(jié)晶等。

加工工藝對(duì)組織的影響焊接用熔體把材料連接在一起的工藝過59材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系應(yīng)用材料首先要達(dá)到必需的強(qiáng)度(硬度)，同時(shí)也要考慮相應(yīng)的塑性。以下總結(jié)以下提高材料強(qiáng)度若干途徑所應(yīng)用的原理。提高材料的強(qiáng)度本質(zhì)上是增加材料發(fā)生塑性變形的阻力。

固溶強(qiáng)化：溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑的晶格中，無論是處在晶格的間隙，還是處在晶格節(jié)點(diǎn)的異類原子，都會(huì)造成一定的晶格畸變。利用溶質(zhì)原子造成的晶格畸變，提高強(qiáng)度和硬度。對(duì)金屬材料基體為純金屬，由于固溶體保留溶劑的晶格，溶質(zhì)原子引起的畸變范圍是有限的，所以固溶體保留了較好的塑性，但強(qiáng)化的程度也是有限的。

材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系應(yīng)用材料首先要達(dá)到必需的60材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系2、晶界對(duì)塑性變形的另一貢獻(xiàn)是晶界在外力作用下，可以發(fā)生粘滯性流動(dòng)。少量流動(dòng)有助于晶粒間變形的協(xié)調(diào)，能較大程度流動(dòng)可以構(gòu)成塑性變形的另一方式，且這種流變不會(huì)產(chǎn)生加工硬化。

晶界強(qiáng)化1、常溫下，金屬材料的塑性變形以滑移作為主要方式，位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)是不能穿過晶界，即晶界對(duì)滑移起阻礙作用，可以提高材料的強(qiáng)度。晶粒愈細(xì)，晶界愈多，材料的強(qiáng)度愈高，同時(shí)細(xì)小晶粒有利多晶體變形之間的協(xié)調(diào)，材料的塑性、韌性都會(huì)得到提高。表示屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸關(guān)系的hell－path公式：

材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系2、晶界對(duì)塑性變形的另一貢獻(xiàn)是晶61材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系隨著溫度的提高，原子活動(dòng)能力增強(qiáng)，材料的強(qiáng)度下降，塑性有所提高，并且溫度對(duì)晶界流變的作用更為明顯。為了提高材料的強(qiáng)度，在較低溫度下，流動(dòng)困難，塑變以晶內(nèi)滑移為主，細(xì)化晶粒有助于提高材料的強(qiáng)度；在較高溫度下，晶界流動(dòng)成為塑變的主要方式，提高材料的強(qiáng)度應(yīng)粗化晶粒。3、晶界對(duì)溫度的反應(yīng)材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系隨著溫度的提高，原子活動(dòng)62材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系滑移是塑性變形的主要方式，材料中位錯(cuò)密度對(duì)材料的強(qiáng)度的影響

加工硬化1、完全無位錯(cuò)存在時(shí)，在外力作用下，沒有可以發(fā)生運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)，材料表現(xiàn)極高的強(qiáng)度。但制造這種材料非常困難，目前只能在很小尺寸的晶體中實(shí)現(xiàn)(晶須),用于研究型的復(fù)合材料中。2、在存在位錯(cuò)的晶體材料中,隨位錯(cuò)密度的提高，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受交割作用影響加大，材料的強(qiáng)度得到提高。經(jīng)過冷變形的金屬材料,發(fā)生了加工硬化，強(qiáng)度可以在相當(dāng)范圍內(nèi)得到提高，常用的冷軋鋼板、冷拔鋼絲就是一例。值得注意的是用加工硬化提高強(qiáng)度的材料只能在較低溫度下使用，否則因高溫發(fā)生了再結(jié)晶，加工硬化的強(qiáng)化效果將全部消失。材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系滑移是塑性變形的主要方式63材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系第二相硬質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化

第二相硬質(zhì)點(diǎn)是指那些在韌性材料中存在的不易發(fā)生塑性變形的化合物，它們一般幾乎不能發(fā)生塑性變形，在大的應(yīng)力下將脆性斷裂。在外力作用下，運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)遇到第二相硬質(zhì)點(diǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)方式有兩種，切割或繞過，都會(huì)增加運(yùn)動(dòng)阻力，可以提高材料的強(qiáng)度。

材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系第二相硬質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化第二相64材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系第二相硬質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化

如果第二相硬質(zhì)點(diǎn)的總量(如體積份數(shù)f)一定，單個(gè)質(zhì)點(diǎn)的尺寸愈小，數(shù)量多，排列密集；反之單個(gè)質(zhì)點(diǎn)的尺寸愈大，數(shù)量少，排列稀疏。對(duì)位錯(cuò)來說，小質(zhì)點(diǎn)容易切割，稀疏分布時(shí)容易繞過。所以質(zhì)點(diǎn)對(duì)強(qiáng)度的作用表現(xiàn)為尺寸太小或尺寸過大都會(huì)降低其效果，在特定的合適范圍才有最大的強(qiáng)化效果。

此外，對(duì)于不是彌散分布的二相構(gòu)成的材料，在多相合金應(yīng)用中不同相具有不同性能的特點(diǎn)，采用的原則是分別發(fā)揮各相的作用，例如在軸承合金中利用軟相來保證與軸的良好接觸面，其中大塊的硬相來提高其耐磨性。

材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系第二相硬質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化如果第65材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系熱處理強(qiáng)化

利用熱處理，得到材料的力學(xué)性能更有利的組織形態(tài)。包括：細(xì)化晶粒，可以用再結(jié)晶退火，淬火回火等方法。改善第二相的分布，如脫溶、時(shí)效改變第二質(zhì)點(diǎn)分布，珠光體的球化處理方法等。

得到強(qiáng)度高的亞穩(wěn)態(tài)組織或非平衡組織，如過共析鋼正火來消除二次滲碳體網(wǎng)，淬火回火得到馬氏體、貝氏體等高強(qiáng)度、高硬度的狀態(tài)。

詳細(xì)內(nèi)容將在熱處理中會(huì)進(jìn)一步介紹。

材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系熱處理強(qiáng)化利用熱處理，得到66本章小結(jié)固溶體自由能的計(jì)算原則，簡單條件下自由能與成分之間的關(guān)系和相平衡原理。自由能～成分曲線與相圖的對(duì)應(yīng)關(guān)系。介紹固態(tài)相變的類型、過程和特點(diǎn)。對(duì)應(yīng)緒論，總結(jié)材料的成分、加工工藝對(duì)組織、性能之間的關(guān)系。

本章小結(jié)固溶體自由能的計(jì)算原則，簡單條件下自由能與成分之間的67第十章材料熱力學(xué)

與固態(tài)相變基礎(chǔ)合金自由能的計(jì)算自由能隨成分變化規(guī)律相平衡原理相圖與吉布斯自由能曲線固態(tài)相變概論總結(jié)與回顧－－材料的成分、加工工藝對(duì)組織、性能的影響第十章材料熱力學(xué)

與固態(tài)相變基礎(chǔ)合金自由能的計(jì)算68引言平衡狀態(tài)：系統(tǒng)吉布斯自由能處于最低所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)。

相圖：表述物質(zhì)的成分、環(huán)境條件與平衡狀態(tài)下存在相之間關(guān)系的圖形。

相圖的測(cè)定方法：一般用物理方法來進(jìn)行，利用不同組成相所具有的不同物理性能特征參數(shù)或性能變化時(shí)的表現(xiàn)出物理兩地變化特征來進(jìn)行測(cè)定工作。例如常用的熱分析法、熱膨脹系數(shù)/比容變化、磁性法等等。計(jì)算法預(yù)測(cè)相圖：由材料的成分判斷可能組成的相結(jié)構(gòu)，計(jì)算在某一溫度下的自由能，找出合適組成相或他們之間的組合，達(dá)到能量最低的狀態(tài)(平衡態(tài))，從而確定相圖的結(jié)構(gòu)。隨著熱力學(xué)數(shù)據(jù)的積累，計(jì)算機(jī)能力提高和普及，這種設(shè)想現(xiàn)在逐步可以實(shí)現(xiàn)。引言平衡狀態(tài)：系統(tǒng)吉布斯自由能處于最低所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)。69第一節(jié)固溶體自由能的計(jì)算純組元自由能與溫度的關(guān)系

兩相混合自由能的計(jì)算

固溶體的自由能與成分溫度的關(guān)系

混合過程中S的變化

混合過程中H的變化

第一節(jié)固溶體自由能的計(jì)算純組元自由能與溫度的關(guān)系70純組元自由能與溫度的關(guān)系其中H0和S0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(25℃,一個(gè)大氣壓)的值，可以查相關(guān)的熱力學(xué)資料得到。

純組元自由能與溫度的關(guān)系其中H0和S0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(25℃71兩相混合自由能的計(jì)算設(shè)同樣有A、B兩組元組成的兩相α和β，α的成分(原子百分比)為x1，β的成分(原子百分比)為x2，α和β兩相所占地比例分別為N1和N2(原子百分比),顯然N1＋N2＝1。

在G－X的圖形中，G1、G、G2三點(diǎn)在一直線上，并服從杠桿定律。

兩相混合自由能的計(jì)算設(shè)同樣有A、B兩組元組成的兩相α和72固溶體自由能與成分溫度的關(guān)系

在溫度T下，尋找G－x之間的關(guān)系。設(shè)NA和NB為固溶體中A、B的原子數(shù)，XA和XB為兩組元的摩爾濃度，即在溫度T下，G0為混合前的自由能，ΔGm為混合過程中自由能變化。G0A的值由純組元公式計(jì)算出。先計(jì)算混合過程中H、S的變化量，可以計(jì)算ΔGm變化。固溶體自由能與成分溫度的關(guān)系在溫度T下，尋找G－x之間的關(guān)73混合過程中S的變化

熵表征為系統(tǒng)的混亂程度，固態(tài)下系統(tǒng)的熵構(gòu)成：主要是混合熵(配置熵)，決定于原子可能排列的方式；其次還有振動(dòng)熵，決定于溫度和缺陷。每摩爾物質(zhì)有原子，在二元系統(tǒng)中，A、B各自的原子數(shù)為NA、NB，即NA＋NB＝N，材料的成分和濃度為：XA＝NA/N、XB＝NB/N(XA＋N＝1)。 混合時(shí)熵的變化：配置熵定義：

K－波耳茲曼常數(shù)W－可能構(gòu)成的排列方式

混合過程中S的變化熵表征為系統(tǒng)的混亂程度，固態(tài)下系74混合過程中S的變化

混合過程中S的變化75混合過程中H的變化利用溶液的準(zhǔn)化學(xué)模型：①設(shè)A、B組元尺寸相接近，排列無序；②混合過程中體積基本不變，即ΔV＝0；③原子只與最近鄰的原子之間存在相互作用，即只計(jì)算最近鄰原子之間的結(jié)合能。設(shè)兩最近鄰原子之間的結(jié)合能分別為uAA、uBB、uAB，固溶體和組元的配位數(shù)均為Z。由于H=u+PV，混合過程中H的變化利用溶液的準(zhǔn)化學(xué)模型：①設(shè)A、B76混合過程中H的變化混合過程中H的變化77固溶體自由能與成分溫度的關(guān)系

注意這個(gè)表達(dá)式的推導(dǎo)用的假設(shè)，即使用條件，這是一最簡單的情況，其它情況下應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境來加以修正。結(jié)論：固溶體自由能與成分溫度的關(guān)系注意這個(gè)表達(dá)式的推導(dǎo)用的78第二節(jié)自由能隨成分變化規(guī)律數(shù)學(xué)表達(dá)關(guān)系分析

當(dāng)ΔHM=0時(shí)的狀態(tài)當(dāng)ΔHM<0時(shí)的狀態(tài)當(dāng)ΔHM>0時(shí)的狀態(tài)第二節(jié)自由能隨成分變化規(guī)律數(shù)學(xué)表達(dá)關(guān)系分析79數(shù)學(xué)表達(dá)關(guān)系分析數(shù)學(xué)表達(dá)關(guān)系分析80自由能隨成分變化規(guī)律

當(dāng)ΔHM=0時(shí)：這時(shí)為理想溶液模型，即

G(x)為下垂線，即曲線的凹向朝上。

自由能隨成分變化規(guī)律當(dāng)ΔHM=0時(shí)：G(x)為下垂線，即曲81自由能隨成分變化規(guī)律

ΔHM<0時(shí)：這時(shí)異類原子的結(jié)合力大于同類原子之間的結(jié)合力。表現(xiàn)為在溶解時(shí)會(huì)放出熱量。G(x)為下垂線，曲線的凹向朝上。由于ΔHM和TΔSM的同時(shí)作用，曲線下垂更大。自由能隨成分變化規(guī)律ΔHM<0時(shí)：G(x)為下垂線，曲線82ΔHM>0時(shí)自由能隨成分變化規(guī)律溶解時(shí)會(huì)吸收熱量，由于ΔHM和TΔSM表現(xiàn)為相反的作用，曲線的形狀與二者的大小相關(guān)。

混合所提高的內(nèi)能全部由熱溫熵來補(bǔ)充，ΔGm≤0，G(x)依然為下垂曲線，僅僅下垂的程度小一點(diǎn)。

下頁ΔHM>0時(shí)自由能隨成分變化規(guī)律溶解時(shí)會(huì)吸收熱量，由于83ΔHM>0時(shí)自由能隨成分變化規(guī)律構(gòu)成的曲線有三個(gè)極值點(diǎn)和兩個(gè)拐點(diǎn)，在靠近坐標(biāo)軸(x接近0或1)處為上凹曲線，有兩個(gè)極小值，而中部位凹向朝下的上凸曲線，會(huì)有一極大值。在這種情況下，存在兩個(gè)必然的規(guī)律：其一是任何組元，少量的溶解其它組元都會(huì)使其吉布斯自由能下降，絕對(duì)的不能溶解其它元素是不存在的，得到絕對(duì)的純凈物資是不可能的，即“金無赤足”。其二是當(dāng)出現(xiàn)上凸時(shí)，吉布斯自由能會(huì)提高，自發(fā)的趨勢(shì)是形成兩相混合物可以降低體系的自由能，兩組元表現(xiàn)為有限溶解。ΔHM>0時(shí)自由能隨成分變化規(guī)律構(gòu)成的曲線有三個(gè)極值84ΔHM>0時(shí)自由能隨成分變化規(guī)律溶解時(shí)會(huì)吸收熱量，由于ΔHM和TΔSM表現(xiàn)為相反的作用，曲線的形狀與二者的大小相關(guān)。若T＝0時(shí)，兩組元的混合全部表現(xiàn)為提高自由能，由于絕對(duì)0度是不可能的，所以這種情況不可能出現(xiàn)。ΔHM>0時(shí)自由能隨成分變化規(guī)律溶解時(shí)會(huì)吸收熱量，由于85第三節(jié)相平衡原理相平衡原理化學(xué)位的圖解求法單相平衡兩相平衡－公切線法則體系的自由能最低；

每一組元在平衡各相中的化學(xué)位相等。

相平衡原理第三節(jié)相平衡原理相平衡原理體系的自由能最低；相平衡86化學(xué)位的圖解求法在某固定的溫度下，由AB兩組元構(gòu)成的某一相α，其自由能與成分之間的關(guān)系如圖所示，當(dāng)其成分為XB時(shí)，求這時(shí)A、B組元在該相中的化學(xué)位？由成分xB在G(x)曲線上的位置M，過M作曲線G(x)的切線交坐標(biāo)兩端P、Q點(diǎn)，截距即為這時(shí)A、B組元的化學(xué)位。若已知G(x)與成分xB的關(guān)系如圖所示?；瘜W(xué)位的圖解求法在某固定的溫度下，由AB兩組元構(gòu)成的87化學(xué)位的圖解法證明化學(xué)位的圖解法證明88單相平衡2、當(dāng)曲線為“上凹”時(shí)，應(yīng)為均勻成分xB的自由能最低。如果某一處出現(xiàn)高出xB的成分時(shí)，因?yàn)槲镔|(zhì)不滅，必然存在另一處為低于xB的成分，這時(shí)系統(tǒng)的自由能將高于均勻成分時(shí)的自由能，系統(tǒng)未達(dá)到平衡，在動(dòng)力學(xué)條件滿足時(shí)，趨于形成單一均勻成分。例如枝晶偏析較平衡態(tài)的能量高，均勻化退火加熱時(shí)通過擴(kuò)散達(dá)到成分均勻的過程是自發(fā)的。

穩(wěn)定的單相為在某一溫度下，該相的自由能最低，并且在該成分點(diǎn)出的G(x)~x曲線為“上凹”。1、在溫度T下，AB組元可能形成α、β兩種相，為了降低系統(tǒng)的自由能，顯然將以單一的α存在比β相或α＋β兩相混合時(shí)的自由能低一些。

單相平衡2、當(dāng)曲線為“上凹”時(shí)，應(yīng)為均勻成分xB的自由能最89兩相平衡－公切線法則a點(diǎn)為組元A在α和β的化學(xué)位，b點(diǎn)為組元B在α和β的化學(xué)位,顯然二者相等，所以P點(diǎn)的α相成分為x1；Q點(diǎn)的β相成分為x2；它們是平衡相。兩相的數(shù)量滿足杠桿定律，以這兩相混合的自由能在M點(diǎn)。這時(shí)的自由能最低，它們才是這個(gè)溫度下的平衡相。在二元的情況，溫度T一定時(shí),若AB組元可能形成α、β兩種相，其自由能與成分的關(guān)系曲線如圖所示,合金成分為X時(shí):

以單一的α相存在,自由能在1點(diǎn)；以單一的β相存在,自由能在2點(diǎn)；作Gα、Gβ的公切線，切點(diǎn)分別為P、Q，延長交坐標(biāo)軸為a、b。兩相平衡－公切線法則a點(diǎn)為組元A在α和β的化學(xué)位，b點(diǎn)為組90兩相平衡－公切線法則成，近兩相的數(shù)量因合金的成分不同而異。對(duì)應(yīng)在PQ之外，無法由P點(diǎn)的α相和Q點(diǎn)的β相混合而成，以自由能較低的單相存在，P點(diǎn)的左邊為合金成分的單一α相，Q點(diǎn)的右邊為合金成分的單一β相。注意平衡相是以共切點(diǎn)的成分來分配，如果連接兩曲線的最低點(diǎn)，以這樣的成分的兩相混合，盡管每一相的自由能比切點(diǎn)低，但數(shù)量按杠桿定律分配后的混合自由能在3點(diǎn)，依然高于M點(diǎn)，所以平衡相是以公切線對(duì)應(yīng)的切點(diǎn)作為確定點(diǎn)。在PQ之間，所有成分的合金都由P點(diǎn)的α相和Q點(diǎn)的β相混合而兩相平衡－公切線法則成，近兩相的數(shù)量因合金的成分不同而異。91多相平衡－公切線法則結(jié)論：二元合金兩相平衡的條件是能夠作出這兩相自由能曲線的工切線。公切線在兩條曲線上的切點(diǎn)的成分坐標(biāo)值便是這兩個(gè)相在給定溫度下的平衡成分。

推論：三個(gè)溶體平衡共存的條件是在給定的溫度下，公切線能同時(shí)切過三條自由能曲線。或曰這三個(gè)溶體的自由能曲線有公切線。這三個(gè)切點(diǎn)的成分坐標(biāo)值便是這三個(gè)相在給定溫度下的平衡成分。

多相平衡－公切線法則結(jié)論：二元合金兩相平衡的條件是能夠作出92第四節(jié)相圖與吉布斯

自由能曲線

二元?jiǎng)蚓鄨D

二元共晶相圖

二元包晶相圖

增幅分解

第四節(jié)相圖與吉布斯

自由能曲線二元?jiǎng)蚓鄨D93二元?jiǎng)蚓鄨D二元?jiǎng)蚓鄨D94二元?jiǎng)蚓鄨D二元?jiǎng)蚓鄨D95二元共晶相圖二元共晶相圖96二元共晶相圖二元共晶相圖97二元包晶相圖二元包晶相圖98二元包晶相圖二元包晶相圖99增幅分解(Spinodel)在無限溶解固溶體中，如果溶解時(shí)為吸熱過程，當(dāng)溫度較低時(shí)，自由能曲線中部有上凸(凹向朝下)部分出現(xiàn)，這時(shí)單一的固溶體的自由能不是最低，可以分解為結(jié)構(gòu)相同而成分不同兩個(gè)相混合物。相圖如圖所示，其中實(shí)線為不同溫度下公切線的切點(diǎn)軌跡，而虛線是曲線上拐點(diǎn)變化的軌跡。

增幅分解是單相固溶體分解為兩相混合物的一種特殊方式，其特殊之點(diǎn)是在這一分解過程中不需要信相的形核。

增幅分解(Spinodel)在無限溶解固溶體中，如100增幅分解(Spinodel)在實(shí)線和虛線之間的區(qū)域。成分為CN的合金有分解的熱力學(xué)動(dòng)力，但形核時(shí)成分的偏離會(huì)造成能量的提高，只有達(dá)到一定數(shù)量(大小)后其自由能才會(huì)降低，表明形核時(shí)要求一定的臨界尺寸，開始能量的聚集來源于那目光了起伏。這種狀態(tài)和固溶體中第二相形成相同。增幅區(qū)外的分解：增幅分解(Spinodel)在實(shí)線和虛線之間的區(qū)域101增幅分解(Spinodel)成分在虛線范圍內(nèi)時(shí)，由于自由能曲線為上凸(凹向朝下)，任何細(xì)小的成分的偏離都會(huì)使自由能下降，偏離加大自由能降低愈多，可見這時(shí)成分的偏離是自發(fā)的，不需要外界提供或自身的聚集。增幅區(qū)內(nèi)的分解增幅分解(Spinodel)成分在虛線范圍內(nèi)時(shí)，由102增幅分解(Spinodel)成分在虛線范圍內(nèi)時(shí)，由于自由能曲線為上凸(凹向朝下)，任何細(xì)小的成分的偏離都會(huì)使自由能下降，偏離加大自由能降低愈多，可見這時(shí)成分的偏離是自發(fā)的，不需要外界提供或自身的聚集，自發(fā)地加大偏離的幅度，所以把這種分解稱為增幅分解。分解的過程和所得組織如圖所示，增幅分解的組織呈布紋狀，非常細(xì)小，只能的高倍的電子顯微鏡下才能觀察得到。增幅區(qū)內(nèi)的分解

增幅分解(Spinodel)成分在虛線范圍內(nèi)時(shí)，由103增幅分解(Spinodel)分解過程自發(fā)地加大成分偏離的幅度，所以稱為增幅分解。這種分解的過程和所得組織如圖所示，增幅分解的組織呈布紋狀，非常細(xì)小，只能的高倍的電子顯微鏡下才能觀察得到。增幅分解組織

增幅分解(Spinodel)分解過程自發(fā)地加大成分104第五節(jié)固態(tài)相變概論

概述

按熱力學(xué)分類

按原子運(yùn)動(dòng)的方式分類

新相形成時(shí)的能量變化

新相形成過程

固態(tài)相變的特點(diǎn)

第五節(jié)固態(tài)相變概論概述105概述固態(tài)相變：固態(tài)物質(zhì)內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)的變化稱為固態(tài)相變。

相是成分相同、結(jié)構(gòu)相同、有界面同其他部分分隔的物質(zhì)均勻組成部分，相變是從已存的相中生成新的相。之所以為新相，生成部分與原有部分存在著或成分不同、或相結(jié)構(gòu)不同、或有序度不同、或兼而有之，并且和原來部分有界面分隔。原來的部分稱為母相或反應(yīng)相，在轉(zhuǎn)變過程中數(shù)量減少，生成部分稱為新相或生成相，在轉(zhuǎn)變過程中數(shù)量增加。

在熱處理過程中，材料處于固態(tài)下，但內(nèi)部都有不同的固態(tài)相變發(fā)生，先分析固態(tài)相變基本規(guī)律。

概述固態(tài)相變：固態(tài)物質(zhì)內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)的變化稱為固態(tài)106按熱力學(xué)分類

由熱力學(xué)知，系統(tǒng)總是相著吉布斯自由能降低的方向自發(fā)轉(zhuǎn)變。兩個(gè)存在的相處于互相平衡狀態(tài)，不發(fā)生轉(zhuǎn)變，二者的吉布斯自由能相等。這時(shí)構(gòu)成材料的組元在兩個(gè)相中的化學(xué)位相等,即μ1＝μ2，否則組元會(huì)從一個(gè)相中向另一相轉(zhuǎn)移，即有相變發(fā)生。

臨界點(diǎn)：在一定的溫度和壓力下，兩相處于平衡，這個(gè)平衡時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度和壓力稱為他們的臨界點(diǎn)，固態(tài)轉(zhuǎn)變中，壓力影響較小，一般臨界點(diǎn)大多指在一個(gè)大氣壓下平衡是對(duì)應(yīng)的溫度。兩相處于臨界點(diǎn)時(shí):按熱力學(xué)分類由熱力學(xué)知，系統(tǒng)總是相著吉布斯自由能降107按熱力學(xué)分類一級(jí)相變：在臨界點(diǎn)處，如果：

當(dāng)T或P發(fā)生變化(偏離臨界點(diǎn)),平衡就被破壞，體系的熵S和體積V會(huì)改變，向吉布斯自由能低的方向發(fā)展，就有一相減少而另一相增加，這時(shí)發(fā)生的相變稱為一級(jí)相變。所以一級(jí)相變過程會(huì)伴隨潛熱的釋放(或吸收)和體積改變的發(fā)生。過去相圖中介紹的合金凝固過程是一級(jí)相變，熱處理中發(fā)生的固態(tài)相變也主要是一級(jí)相變。

按熱力學(xué)分類一級(jí)相變：在臨界點(diǎn)處，如果：當(dāng)T或P108按熱力學(xué)分類二級(jí)相變：在臨界點(diǎn)處，

按熱力學(xué)分類二級(jí)相變：109按熱力學(xué)分類二級(jí)相變：在臨界點(diǎn)處，這時(shí)兩相的化學(xué)位、熵S和體積V相同，但等壓熱容量CP、等溫壓縮系數(shù)k、等壓熱膨脹系數(shù)α可能不相同。

當(dāng)T或P發(fā)生變化(偏離臨界點(diǎn))，平衡也被破壞，向吉布斯自由能低的方向發(fā)展，這時(shí)發(fā)生的相變稱為二級(jí)相變。所以二級(jí)相變過程中無潛熱和體積的改變，一般兩相的成分也相同(成分的變化一般會(huì)改變其熵)。常見的二級(jí)相變有磁性轉(zhuǎn)變、有序－無序轉(zhuǎn)變、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變等，大多伴隨材料某種物理性能的變化。

按熱力學(xué)分類二級(jí)相變：在臨界點(diǎn)處，這時(shí)兩相的化學(xué)位、熵S和110按原子運(yùn)動(dòng)的方式分類擴(kuò)散型（非協(xié)同型）：原子從母相以擴(kuò)散方式向新相遷移。原子可以改變相鄰關(guān)系；轉(zhuǎn)變的速度由原子擴(kuò)散遷移速度控制，在固態(tài)中進(jìn)行較慢；轉(zhuǎn)變過程大多伴隨成分的改變(新舊相成分不相同)；轉(zhuǎn)變產(chǎn)物無固定的形狀，決定于界面能，為減少界面面積，有可能是為球面。脫溶、共析、增幅分解屬于這種類型。

協(xié)同型（非擴(kuò)散型）：在相變過程中沒有原子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，相變前后沒有成分的變化，原子以切變的方式，即相對(duì)周圍原子發(fā)生有規(guī)律的少量的偏移，基本維持原來的相鄰關(guān)系，而發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)的改變，這就是協(xié)同型相變。轉(zhuǎn)變的結(jié)果是新舊相成分相同，為減少原子偏移的距離，新相的取向與母相原來的取相有一定的延續(xù)關(guān)系；轉(zhuǎn)變中新舊相的界面有共格關(guān)系，轉(zhuǎn)變要求較大的驅(qū)動(dòng)力來補(bǔ)償共格應(yīng)變能；轉(zhuǎn)變速度快，但大多不能進(jìn)行到底。以下要介紹的馬氏體相變就是屬于協(xié)同型相變。

混合型：介于二者之間的，具有擴(kuò)散型和協(xié)同型的綜合特征的中間過渡型轉(zhuǎn)變稱為混合型，如熱處理中的貝氏體轉(zhuǎn)變。按原子運(yùn)動(dòng)的方式分類擴(kuò)散型（非協(xié)同型）：原子從母相以擴(kuò)散方111新相形成時(shí)的能量變化1、體積自由能下降：當(dāng)溫度偏離臨界點(diǎn)后，新舊兩相的體積吉布斯自由能不相等。當(dāng)新相的自由能低于母相的自由能時(shí)，新相形成是吉布斯自由能下降的自發(fā)過程，臨界點(diǎn)溫度和實(shí)際溫度的差為過冷度(加熱轉(zhuǎn)變時(shí)為過熱度)，這時(shí)的體積自由能差ΔGV為轉(zhuǎn)變提供的動(dòng)力，轉(zhuǎn)變方向?yàn)棣V＜0。

2、新舊相之間的界面能：兩個(gè)相的成分或結(jié)構(gòu)不相同，二者之間存在相界面分隔，界面處的原子在很小的區(qū)間內(nèi)的平衡位置為從一個(gè)相到另一相的過渡狀態(tài)，這樣能量較低，但還是高于在各自相區(qū)內(nèi)部平衡態(tài)，高出部分組成了它們的界面能。

新相形成時(shí)的能量變化1、體積自由能下降：當(dāng)溫度偏離臨界點(diǎn)后112新相形成時(shí)的能量變化依相界面結(jié)構(gòu)方式不同，①兩相的取向之間沒有相依的關(guān)系的界面稱為非共格界面，各處的界面能大致差不多，類似大角度晶界，原子排列過渡較困難，界面能較高。②如果一相的某一晶面上的原子排列和另一相的某晶面的原子排列完全相同，兩相以這個(gè)晶面來過渡分界，界面能將非常低，這是兩相之間存在固定的取向關(guān)系，這就是完全共格界面。③如果一相的某一晶面上的原子排列和另一相的某晶面的原子排列不能達(dá)到完全相同，但相近，這樣形成的界面在小區(qū)域內(nèi)可以利用少量得到彈性變形來維持共格關(guān)系，適當(dāng)利用位錯(cuò)的半原子面來進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到能量較低，這就是半共格界面，在半共格界面中的界面能主要是為維持共格的彈性應(yīng)變能。當(dāng)二者相差較小，位錯(cuò)的半原子面較少，共格的程度較高，界面的能量較低；隨著二者相差加大，位錯(cuò)的半原子面需要較多(距離密集)，共格的程度下降，界面的能量隨之提高。共格程度可以用共格度(反之也用錯(cuò)配度)來表示，共格度太小(或錯(cuò)配度過大)，就失去了共格的意義，就是非共格界面。

新相形成時(shí)的能量變化依相界面結(jié)構(gòu)方式不同，①兩相的取向之間113新相形成時(shí)的能量變化3、新相形成時(shí)的體積應(yīng)變能：由于成分或結(jié)構(gòu)的差別，新舊兩相的比容不同，即比體積也不同，因此在新相形成和長大時(shí)必然要發(fā)生體積的變化。又因?yàn)槟赶嗍枪腆w，不象液體那樣可以因流動(dòng)來容納這個(gè)變化，受母相的約束，新相和母相都將產(chǎn)生彈性應(yīng)變，例如相變時(shí)體積要是膨脹，則新相就承受壓應(yīng)力而壓縮變形，母相承受拉應(yīng)力而發(fā)生拉伸變形，彈性應(yīng)變將帶來彈性應(yīng)變能的增加。

決定彈性應(yīng)變能的大小一方面是新舊兩相的比容差越大，材料的彈性模量越大，體積應(yīng)變能越大；另一方面與新相的幾何形狀有關(guān)，設(shè)新相為橢球形，半徑比為c/a，在同樣的體積下，體積應(yīng)變能和c/a的關(guān)系如圖所示。

新相形成時(shí)的能量變化3、新相形成時(shí)的體積應(yīng)變能：由于成分或結(jié)114新相形成時(shí)的能量變化4、晶體缺陷的作用：如果新相在母相的晶體結(jié)構(gòu)缺陷處形成，原來的晶體缺陷消失，那部分能量的釋放可以補(bǔ)充其消耗。隨便指出，新舊相成分有變化時(shí)，母相的缺陷集中處對(duì)異類原子偏聚對(duì)形核還有另一方面的作用。

在一定過冷度(過熱度)下，第一項(xiàng)為負(fù)數(shù)，是轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力；第二項(xiàng)是增加的界面能，第二項(xiàng)是增加的體積應(yīng)變能，都是轉(zhuǎn)變的阻力；第四相為晶體缺陷消失釋放的能量，在數(shù)值上為負(fù)數(shù)。在有些資料為區(qū)分動(dòng)力和阻力，將式中第一、四相前加上負(fù)號(hào)，這樣，計(jì)算時(shí)其變化量不是用物理化學(xué)中定義的后一狀態(tài)減前一狀態(tài)，在應(yīng)用時(shí)要注意理解物理意義。

總能量變化新相形成時(shí)的能量變化4、晶體缺陷的作用：如果新相在母相的晶115新相形成過程－－形核位置：在形核過程中，為了增加形核的動(dòng)力，往往首先在母相的晶體缺陷較集中的位置，如母相中原晶界、相界、位錯(cuò)集中的地方，這些位置的能量較高，這時(shí)可利用的能量(動(dòng)力)除體積自由能外，還可以利用缺陷的能量。

形狀：為最大限度的降低阻力，當(dāng)單位面積的相界面能較大，而體積應(yīng)變能較小時(shí)，最大限度的減小表面積，核心往往為球形；當(dāng)單位面積的相界面能不大，而體積應(yīng)變能較大時(shí)，核心以盤狀(薄片狀)來減小體積應(yīng)變能，而大片的面積部分與母相形成共格或半共格以降低表面能；二者相當(dāng)時(shí)為針狀或其它形狀。當(dāng)新相核心在晶界處形成時(shí)，母相原兩晶粒的取向不同，可能一邊為共格，另一邊為非共格的部分球面。

新相形成過程－－形核位置：在形核過程中，為了增加形核的動(dòng)力116新相形成過程－－長大新相的生長：非共格界面的生長主要是以擴(kuò)散方式，原子從母相遷移到新相，按新相的結(jié)構(gòu)排列，界面向母相中發(fā)展。共格界面的前進(jìn)是以原子切變方式進(jìn)行，切變量的增加將提高共格應(yīng)變能，同時(shí)大范圍內(nèi)難保證晶體取向的一致性，對(duì)維持大面積的共格帶來困難，共格界面的生長會(huì)受到一定的限制，生長到一定大小時(shí)，共格會(huì)被破壞，發(fā)展成為非共格界面。

新相形成過程－－長大新相的生長：117固態(tài)相變的特點(diǎn)綜合上述，固態(tài)相變中由于母相為固體，原晶體有固定的排列和取向，并不能隨意改變其形狀，轉(zhuǎn)變過程和產(chǎn)物有如下共同特點(diǎn)：

相變阻力大。新相形成除增加界面能外，由于存在體積變化造成應(yīng)變能，相變阻力比液體凝固大，轉(zhuǎn)變要求較大驅(qū)動(dòng)力，相變發(fā)生在較大的過冷度下。新相與母相之間存在一定的晶體學(xué)位向關(guān)系。一方面新舊之間以原子排列相互接近的晶面為界面，單位面積的能量可降低；另一方面當(dāng)以切變方式轉(zhuǎn)變時(shí)，按這種特定關(guān)系原子的切變量較小，易于實(shí)現(xiàn)。為保持這種關(guān)系，轉(zhuǎn)變往往在母相的一定晶面上開始形成，這個(gè)晶面稱為慣習(xí)面。所以新相的組織對(duì)母相有一定的遺傳性。固態(tài)相變的特點(diǎn)綜合上述，固態(tài)相變中由于母相為118固態(tài)相變的特點(diǎn)母相的晶體缺陷對(duì)相變起促進(jìn)作用。缺陷處形核可得到附加能量補(bǔ)充，同時(shí)缺陷的存在可加快擴(kuò)散過程，有利于新相晶體的生長。擴(kuò)散過程對(duì)相變的影響較大。固體中原子擴(kuò)散速度有限，反應(yīng)速度，特別是伴隨成分改變的相變過程，擴(kuò)散成為控制因素；在溫度較低時(shí)，大的相變驅(qū)動(dòng)力可能改變轉(zhuǎn)變類型，如從擴(kuò)散型改變?yōu)閰f(xié)同型。鋼的冷卻轉(zhuǎn)變就是一例。易出現(xiàn)過渡相，有些反應(yīng)不能進(jìn)行到底，過渡相可以長期保留。這種情況通常發(fā)生在穩(wěn)定相的成分與母相相差較遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)變溫度較低，原子擴(kuò)散慢，穩(wěn)定相的形核困難。鋼中的滲碳體其實(shí)也是鐵碳平衡中的一過渡相。固態(tài)相變的特點(diǎn)母相的晶體缺陷對(duì)相變起促進(jìn)作用。缺陷處形核可119總結(jié)與回顧材料的成分、加工工藝對(duì)組織、性能的影響材料成分與組織、力學(xué)性能的關(guān)系

材料的成分與加工性能的關(guān)系

加工工藝對(duì)組織的影響

材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系

總結(jié)與回顧材料的成分、加工工藝對(duì)組織、性能的影響材料成120材料成分與組織、力學(xué)性能的關(guān)系相圖表示了材料的成分、溫度與最終平衡相之間的關(guān)系。成分的變化決定了材料中組成相及其相對(duì)數(shù)量。組織取決于材料的組成相，不同的相對(duì)應(yīng)的組織自然不相同，決定材料組織的還有這些組織相的數(shù)量、形狀、大小和分布。

構(gòu)成材料中的組成相的類型有：以純?cè)貫榛墓倘荏w，大多出現(xiàn)在金屬材料中。金屬基的固溶體有好的塑性。化合物，包括正常價(jià)化合物、電子化合物、尺寸因素化合物和拓?fù)涿芏严?，它們的性能有較大的差異，但大多為熔點(diǎn)高、硬度高、塑性低的脆性相。以化合物為基的固溶體，溶質(zhì)為構(gòu)成化合物的元素之一的表現(xiàn)為化合物在一定范圍內(nèi)成分可以變化范圍，也有在化合物中溶入第三組元的其它元素。對(duì)力學(xué)性能可以引起少量變化，但對(duì)物理或其它性能可以帶來較大的影響，特別是后者。

材料成分與組織、力學(xué)性能的關(guān)系相圖表示了材料的成分121材料的成分與加工性能的關(guān)系單相固溶體合金，有利于塑性成形有好的塑性，適應(yīng)冷熱壓力加工，可以進(jìn)行塑性變形來成形，即具有良好的鍛壓性能。

共晶成分合金有利于鑄造①相對(duì)而言，共晶點(diǎn)附近合金的熔點(diǎn)較低，便于熔化；②共晶合金的凝固溫度范圍小，表現(xiàn)為流動(dòng)性好，充型性也好，成分的偏析小，可以鑄造復(fù)雜、精細(xì)的零件。固溶體在一溫度范圍內(nèi)凝固，液固混合物會(huì)阻礙流通，且有成分的偏析。③共晶合金流動(dòng)性好，凝固的縮孔集中，可以置于冒口處而除去，并且熱裂的傾向性小。固溶體凝固在一溫度范圍內(nèi)，特別是樹枝晶凝固，在材料內(nèi)部會(huì)造成大量細(xì)小的疏松孔。④共晶體由兩個(gè)以上組成相，互相強(qiáng)化。特別在冷卻速度較大，共晶體細(xì)化，界面多，若其中一相為較硬，強(qiáng)化效果更明顯。

材料的成分與加工性能的關(guān)系單相固溶體合金，有利于塑性成形122加工工藝對(duì)組織的影響鑄造將材料熔化為液體，注入型腔凝固，得到零件毛坯的工藝過程。晶粒尺寸大小凝固理論中對(duì)晶粒尺寸的影響專門討論過。偏析成分的不均勻性，①枝晶偏析(晶內(nèi))偏析，由固溶體凝固時(shí)溶質(zhì)的重新分布引起，可以用均勻化退火來消除。②區(qū)域偏析，大范圍內(nèi)緩慢冷卻時(shí)固溶體的溶質(zhì)分配可引起，此外大鑄件中先凝固的固體因比容不同造成沉浮而形成比重偏析，區(qū)域偏析不能用均勻化退火來消除。③晶界偏析，晶界是后凝固，排放到液體中的雜質(zhì)最后凝固在晶界而造成，此外，雜質(zhì)原子與晶體缺陷的相互作用也是造成晶界上雜質(zhì)集中的原因之一。共晶體形態(tài)鑄造多用共晶合金，組織為共晶體，不同工藝除改變共晶體的尺寸外，可以改變相界面的結(jié)合力，來改變共晶體的形狀，如灰鑄鐵和球墨鑄鐵。加工工藝對(duì)組織的影響鑄造將材料熔化為液體，注入型腔凝123加工工藝對(duì)組織的影響鍛壓壓力加工除剪切斷外，有冷塑性變形加工和熱加工成形。冷塑性變形晶粒外形被拉長(或壓扁)，晶界模糊，內(nèi)部缺陷增加。多相合金會(huì)出現(xiàn)帶狀組織或纖維組織。此外回出現(xiàn)加工硬化，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，甚至?xí)霈F(xiàn)織構(gòu)。

熱加工