材料科學(xué)與工程專業(yè)《金屬熱處理原理及工藝》課件-第二章-金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)

第三節(jié)金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)3.1金屬固態(tài)相變概述3.2金屬固態(tài)相變熱力學(xué)3.3金屬固態(tài)相變的形核3.4金屬固態(tài)相變的長(zhǎng)大3.5金屬固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)返回下一頁(yè)上一頁(yè)

本章首頁(yè)相：體系中具有相同成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的均勻部分稱為相，不同相之間有明顯的界面分開。相變：隨外界條件的變化(溫度)，體系中新相取代舊相的過程。固態(tài)相變：固態(tài)金屬及合金在溫度及壓力改變時(shí)，組織及結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化3.1金屬固態(tài)相變概述金屬固態(tài)相變主要特點(diǎn)

1.相界面特殊（新相和母相間存在不同的界面）

(1)共格界面

新、舊相的晶體結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣常數(shù)相同；或有差異但存在一組特定晶體學(xué)平面可使兩相原子之間產(chǎn)生完全匹配。

舊相新相特點(diǎn)：界面能小，彈性畸變能大(2)半共格界面新、舊相之間存在少量位錯(cuò)，除此之外的晶體結(jié)構(gòu)和點(diǎn)陣常數(shù)均能使兩相原子之間產(chǎn)生完全匹配。新、舊相間錯(cuò)配度δ=|αβ-αα|/αα小(<0.05)，共格關(guān)系大(0.05-025).，半共格關(guān)系很大(>0.25)，非共格關(guān)系

1.相界面特殊（新相和母相間存在不同的界面）(3)非共格界面新、舊相界面處原子排列差別很大,兩原子之間匹配關(guān)系不再維持,為非共格界面。

1.相界面特殊（新相和母相間存在不同的界面）特點(diǎn)：界面能大，彈性畸變能小界面能：非共格>半共格>共格彈性畸變能：非共格<半共格<共格7共格相界Daa半共格相界非共格相界半共格相界上位錯(cuò)間距取決于相界處兩相匹配晶面的錯(cuò)配度。2.新舊相之間存在一定位向關(guān)系與慣習(xí)面新、舊相之間存在一定位向關(guān)系,并且新相往往在舊相的一定晶面上開始形成,這個(gè)晶面稱為慣習(xí)面.慣習(xí)面和位向關(guān)系的區(qū)別：慣習(xí)面指母相的某一主平面；位向關(guān)系指新相的某些晶面、晶向∥舊相的某些晶面、晶向若兩相間為（半）共格界面→

若無(wú)取向關(guān)系→

金屬固態(tài)相變主要特點(diǎn)

有取向關(guān)系必為非共格界面降低界面能和應(yīng)變能以減小相變阻力是慣習(xí)現(xiàn)象出現(xiàn)的原因。金屬固態(tài)相變主要特點(diǎn)

3.相變阻力大相界面上原子強(qiáng)制匹配引起的彈性應(yīng)變能共格＞半共格＞非共格新、舊相比容差彈性應(yīng)變能彈性應(yīng)變能和界面能共同構(gòu)成金屬發(fā)生固態(tài)相變的阻力（彈性應(yīng)變能作用）新相形狀與彈性應(yīng)變能之間關(guān)系4.易出現(xiàn)過渡相（降低形核功）在有些情況下，固態(tài)相變不能直接形成自由能最低的穩(wěn)定相，而是經(jīng)過一系列的中間階段，先形成一系列自由能較低的過渡相（又稱中間亞穩(wěn)相），然后在條件允許時(shí)才形成自由能最低的穩(wěn)定相．相變過程可以寫成：母相―→較不穩(wěn)定過渡相―→較穩(wěn)定過渡相―→穩(wěn)定相應(yīng)特別指出：溫度越低時(shí)，固態(tài)相變的上述特點(diǎn)越顯著。

過渡相的出現(xiàn)有利于減小固態(tài)相變的阻力。如：鐵碳合金中γ分解時(shí)

γ→M→α＋Fe3CFe3C→Fe＋C

M，F(xiàn)e3C為過渡相金屬固態(tài)相變主要特點(diǎn)

5.母相晶體缺陷的促進(jìn)作用晶態(tài)固體中的空位、位錯(cuò)、晶界等缺陷周圍因點(diǎn)陣畸變而儲(chǔ)存一定的畸變能。新相極易在這些位置非均勻形核。它們對(duì)晶核的長(zhǎng)大過程也有一定的影響。通常，固態(tài)相變時(shí)，母相中晶體缺陷起促進(jìn)作用。新相優(yōu)先在晶體缺陷處形核。

金屬固態(tài)相變主要特點(diǎn)

（提供驅(qū)動(dòng)力）

6.原子的擴(kuò)散（原子遷移率低）固態(tài)相變中，成分的改變必須通過組元的擴(kuò)散才能完成，此時(shí)擴(kuò)散成為相變的控制因素，而固態(tài)金屬中原子的擴(kuò)散系數(shù)，即使在熔點(diǎn)附近也僅為液態(tài)的十萬(wàn)分之一，所以固態(tài)相變的轉(zhuǎn)變速率很慢，可以有很大的過冷度。隨著溫度降低，過冷度增大，形核率增高，相變驅(qū)動(dòng)力增大，但同時(shí)原子擴(kuò)散系數(shù)降低。這一對(duì)矛盾運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，就有可能使相變后得到的組織變細(xì)。金屬固態(tài)相變主要特點(diǎn)

金屬固態(tài)相變主要特點(diǎn)

1.相界面特殊

2.新舊相之間存在一定位向關(guān)系與慣習(xí)面

3.相變阻力大（彈性應(yīng)變能作用）

4.易于形成過渡相

5.母相晶體缺陷對(duì)相變起促進(jìn)作用

6.原子的擴(kuò)散（擴(kuò)散控制相變過程）（提供驅(qū)動(dòng)力）（降低形核功）（不同類型，具有不同界面能和應(yīng)變能）3.2金屬固態(tài)相變熱力學(xué)一、相變驅(qū)動(dòng)力γ→α轉(zhuǎn)變，只有在T＜T0時(shí)才能夠進(jìn)行，即過冷。（問題，α→γ相變?cè)诤螚l件下方可進(jìn)行？）GT℃T0GαGγGγ→α>0Gγ→α<0αγ

∵Gγ→α

=Gα-Gγ

＜0過熱二、相變勢(shì)壘要使γ向α轉(zhuǎn)變能夠進(jìn)行還必須越過△g的勢(shì)壘

因此相變條件：

△G＜0克服△g的勢(shì)壘（能量起伏)返回下一頁(yè)上一頁(yè)

本章首頁(yè)金屬熱處理原理及工藝,SMSE,CUMTG狀態(tài)Ⅰ狀態(tài)ⅡΔgγαGγ→α——原子間的引力3.3金屬固態(tài)相變的形核一、均勻形核金屬結(jié)晶均勻形核＞＞形核自由能變化臨界晶核半徑：臨界形核功形核率假設(shè)晶核為球形自由能差界面能應(yīng)變能3.3金屬固態(tài)相變的形核二、非均勻形核①界面形核②位錯(cuò)形核③空位形核缺陷提供的相變驅(qū)動(dòng)力固態(tài)相變中均勻形核幾乎不可能，大多為非均勻形核。1.晶界形核晶界類型：界面、界棱、界隅晶界形核時(shí)的能量變化提供的能量：需要的形核功：界隅形核的最容易，但界隅占的體積分?jǐn)?shù)最小，數(shù)量最多的界面形核的貢獻(xiàn)最大。二、非均勻形核Ⅳ界面<界棱<界隅界隅<界棱<界面<均勻形核圖晶界形核時(shí)晶核的形狀

2.位錯(cuò)形核位錯(cuò)促進(jìn)形核。位錯(cuò)線上形核，位錯(cuò)線消失釋放能量，降低形核功。位錯(cuò)線不消失，成為半共格界面中的位錯(cuò)部分，降低形核功。溶質(zhì)原子在位錯(cuò)上偏聚，滿足新相形核的成分起伏。擴(kuò)散的短路通道，↘Q，加速形核。二、非均勻形核3.空位及空位集團(tuán)形核空位及空位集團(tuán)促進(jìn)形核。釋放能量提供成核驅(qū)動(dòng)力凝聚成位錯(cuò)加速擴(kuò)散過程（空位機(jī)制）二、非均勻形核3.4金屬固態(tài)相變的晶核長(zhǎng)大一、長(zhǎng)大機(jī)制

新相晶核的長(zhǎng)大，實(shí)質(zhì)是界面向母相方向的遷移。成分變化結(jié)構(gòu)變化——擴(kuò)散——界面過程γαα/γ——界面附近原子調(diào)整位置，使晶核得以長(zhǎng)大的過程。1、半共格界面的遷移(1)均勻切變特點(diǎn)：大量的原子有規(guī)律地沿某一方向作小于一個(gè)原子間距的遷移，遷移后原子保持原有的相鄰關(guān)系不變。是無(wú)擴(kuò)散型相變。右下圖為馬氏體轉(zhuǎn)變的表面傾動(dòng)。一、長(zhǎng)大機(jī)制（2）臺(tái)階機(jī)制

（相界面上位錯(cuò)的滑動(dòng)）特點(diǎn)：通過半共格界面上的界面位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使界面作法線方向遷移，從而實(shí)現(xiàn)晶核的長(zhǎng)大。1、半共格界面的遷移一、長(zhǎng)大機(jī)制3.4金屬固態(tài)相變的晶核長(zhǎng)大一、長(zhǎng)大機(jī)制2、非共格界面的遷移：

通過界面擴(kuò)散進(jìn)行紊亂排列臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)3.4金屬固態(tài)相變的晶核長(zhǎng)大二、長(zhǎng)大速度（擴(kuò)散型）1、無(wú)成分變化時(shí)：GΔgγαGγ→αλ過冷度很小時(shí)，兩相自由能差極小。界面遷移速率與兩相的自由能差成正比，隨溫度降低，兩相的自由能差增大，新相長(zhǎng)大速率增加；3.4金屬固態(tài)相變的晶核長(zhǎng)大二、長(zhǎng)大速度（擴(kuò)散型）1、無(wú)成分變化時(shí)：GΔgγαGγ→α過冷度很大時(shí)λ取決于△g，隨溫度降低，界面遷移速率減小，新相長(zhǎng)大速率隨之下降。3.4金屬固態(tài)相變的晶核長(zhǎng)大二、長(zhǎng)大速度（擴(kuò)散型）1、無(wú)成分變化時(shí)：GΔgγαGγ→αλ在整個(gè)相變范圍內(nèi)，新相長(zhǎng)大速度隨溫度降低，先增后減。3.4金屬固態(tài)相變的晶核長(zhǎng)大二、長(zhǎng)大速度2、有成分變化時(shí)：是擴(kuò)散控制型長(zhǎng)大長(zhǎng)大速率與原子的擴(kuò)散系數(shù)、新相/母相界面上母相一側(cè)的濃度梯度成正比，與新相與母相間的濃度差成反比。T↘，擴(kuò)散系數(shù)急劇↘，新相的長(zhǎng)大速率降低。

3.5金屬固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)T1等溫動(dòng)力學(xué)曲線轉(zhuǎn)變體積分?jǐn)?shù)xt0T1>T2>T3T2T3100%

在一定過冷度下的等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)可用阿弗拉密方程描述：3≤n≤4n＞4等溫轉(zhuǎn)變曲線：將不同