【正文】 理 和 工 藝） 形成條件 ：緩慢加熱或冷卻 獲得組織 ：符合平衡狀態(tài)圖的平衡組織 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 平衡脫溶沉淀 共析轉(zhuǎn)變 調(diào)幅分解 有序化轉(zhuǎn)變 有代表性的幾種平衡相變 平衡相變 第一章 金屬固態(tài)相變概論 一、按平衡狀態(tài)圖分類 鋼 的 熱 處 理（ 原 理 和 工 藝） （ 1）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 ? 純金屬在溫度和壓力改變時(shí)，由一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)的過程稱為 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 。 也就是指 結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均對(duì)于一定的熱力學(xué)條件，只有當(dāng)某相的 自由能最低 時(shí)，該相才是 的，且處于 平衡態(tài) 。 穩(wěn)定相 對(duì)于一定的熱力學(xué)條件，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 平衡態(tài) 。如馬氏體相變可以使鋼淬火強(qiáng)化；過飽和固溶體分解使合金時(shí)效強(qiáng)化等。鋼 的 熱 處 理（ 原 理 和 工 藝） 第一章 金屬固態(tài)相變概論 材料科學(xué)與工程學(xué)院 鋼 的 熱 處 理（ 原 理 和 工 藝） ?固態(tài)相變概論 固態(tài)相變的主要 分類 固態(tài)相變的主要 特點(diǎn) ?固態(tài)相變熱力學(xué) 固態(tài)相變的 熱力學(xué)條件 固態(tài)相變的 形核 固態(tài)相變的 晶核長(zhǎng)大 ?固態(tài)相變動(dòng)力學(xué) 固態(tài)相變的 速率 鋼中過冷奧氏體轉(zhuǎn)變 動(dòng)力學(xué) 第一章 金屬固態(tài)相變概論 主要內(nèi)容 鋼 的 熱 處 理（ 原 理 和 工 藝） 重點(diǎn) 理解相和相變的 物理意義 以及固態(tài)相變的 基本特征 。研究固態(tài)相變有重要的實(shí)際意義。 亞穩(wěn)相 若某相的自由能雖 不處于最低 ，但與最低自由能態(tài) 具有能壘相分隔 ，則該相為 亞穩(wěn)相 。第一章 金屬固態(tài)相變概論 鋼 的 熱 處 理（ 原 理 和 工 藝） 幾個(gè)概念 構(gòu)成物質(zhì)的原子（或分子）的聚合狀態(tài)（相狀態(tài)）發(fā)生變化的過程均稱為相變。 ? 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 。 鋼在冷卻時(shí)，由奧氏體析出二次滲碳體的過程 第一章 金屬固態(tài)相變概論 鋼 的 熱 處 理（ 原 理 和 工 藝） 合金在冷卻時(shí)，由一個(gè)固相分解為兩個(gè)不同固相的轉(zhuǎn)變稱為 共析相變 （或 珠光體型轉(zhuǎn)變 ），如： A→F ＋ Fe3C ； 反之，如果合金加熱時(shí)所發(fā)生的相反轉(zhuǎn)變稱為 逆共析相變 ，如： F＋ Fe3C → A 。 特點(diǎn)： ? 在轉(zhuǎn)變初期形成的兩個(gè)微區(qū)之間并無明顯界面和成分突變； ? 通過 上坡擴(kuò)散 ，最終使原來的 均勻 固溶體變成 不均勻 固溶體。 鋼中的馬氏體： 碳溶于 αFe中形成的過飽和固溶體。 第一章 金屬固態(tài)相變概論 鋼 的 熱 處 理（ 原 理 和 工 藝） （ 5）非平衡脫溶沉淀 ? 快速冷卻時(shí)，固溶體中的 過剩相 來不及析出，但在室溫或低于固溶度曲線的某一溫度等溫時(shí)，將從過飽和固溶體中 析出 一種 成分和結(jié)構(gòu) 與平衡沉淀相不同的 新相 （也稱為 第二相 ）。 ? 一級(jí)相變：由 1相 轉(zhuǎn)變?yōu)?2相 時(shí)， G1=G2， μ1＝ μ2，但化學(xué)位的 一階偏導(dǎo)數(shù)不等 。 條件： 溫度足夠高，原子活動(dòng)能力足夠強(qiáng)。 ? 只有因新相和母相比容不同而引起的體積變化，沒有宏觀形狀改變。 條件： 低溫，原子已不能擴(kuò)散。 ? 相變不需要通過擴(kuò)散，新相和母相的 化學(xué)成分 相同。大多數(shù)固態(tài)相變屬于此類。 四、按相變方式分類 有核相變 無核相變 第一章 金屬固態(tài)相變概論 鋼 的 熱 處 理（ 原 理 和 工 藝） 相變分類總結(jié)： ?金屬固態(tài)相變的三種基本變化： （ 1） 結(jié)構(gòu) ； （ 2） 成分 ； （ 3） 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 ， 脫溶沉淀 第一章 金屬固態(tài)相變概論 鋼 的 熱 處 理（ 原 理 和 工 藝） ? 界面能： 界面處的原子結(jié)合鍵與兩相內(nèi)部原子鍵合的差別所導(dǎo)致的能量升高。 ? 彈性應(yīng)變能： 新舊相 比容不同 、 相界面原子排列差異 而產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變所引起的能量。 共格界面 ? 兩相之間的共格關(guān)系依靠正應(yīng)變來維持時(shí)，稱為 第一類共格 。 ? 共格界面必須依靠彈性畸變來維持。 ?錯(cuò)配度小于 的共格界面 ?錯(cuò)配度大于 ?錯(cuò)配度介于 ～ ，則易形成半共格界面 錯(cuò)配度與界面的關(guān)系 : 非共格界面 第一章 金屬固態(tài)相變概論 鋼 的 熱 處 理（ 原 理 和 工 藝） 由于界面上原子排列的不規(guī)則性會(huì)導(dǎo)致界面能升高，因此，非共格界面能最高，半共格界面能次之，而共格界面能最低。如馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)馬氏體的密排面 {011}與奧氏體的密排面 {111}平行。 110γ∥ 111M 差 20 ② GT關(guān)系： 晶面內(nèi)的方向差 5016’ 第一章 金屬固態(tài)相變概論 鋼 的 熱 處 理（ 原 理 和 工 藝） 3）慣習(xí)面 ? 在固態(tài)相變時(shí)，新相往往在母相一定的晶面上開始形成，這個(gè)晶面稱為 慣習(xí)面 ，通常以母相的晶面指數(shù)來表示。 慣習(xí)方向 （ 母相 ） 慣習(xí)面 原因： 沿應(yīng)變能最小的方向和界面能最低的界面發(fā)展 。 共格應(yīng)變能以共格界面最大，半共格界面次之，非共格界面為零。 第一章 金屬固態(tài)相變概論 鋼 的 熱 處 理（ 原 理 和 工 藝） 4）彈性應(yīng)變能 （ b） 體積錯(cuò)配： 新相和母相的比體積不同，固態(tài)相變時(shí)將發(fā)生體積變化，新相受到周圍母相的約束不能自由漲縮而產(chǎn)生彈性應(yīng)變能。 （ c）相變阻力： 應(yīng)變能與界面能的總和為固態(tài)相變的阻力。 均勻形核 空位形核 位錯(cuò)形核 晶界非均勻形核 缺陷處形核功的大?。? 第一章 金屬固態(tài)相變概論 鋼 的 熱 處 理（ 原 理 和 工 藝） 6）過渡相的形成 母相 新相 過渡相 共格界面 半共格界面 晶體結(jié)構(gòu)或成分相近 界面能小、形核功小 自由能低 自由能最低 自由能高 非共格界面 晶體結(jié)構(gòu)差異大 界面能大、形核功大 ? 過渡相也稱中間亞穩(wěn)相，指成分或結(jié)構(gòu)，或者成分和結(jié)構(gòu)二者都處于新相與母相之間的一種亞穩(wěn)狀態(tài)的相； ? 形成過渡相是減少相變阻力的有效途徑之一； ? 過渡相在一定條件下仍然能轉(zhuǎn)變成平衡相。 o ldn e wn e wo ld GGG ??? ? 0?? ? n e wo ldG 這也是所謂的 相變熱力學(xué)條件 。 若兩相比容差較大，彈性應(yīng)變能起主導(dǎo)作用，則形成盤（片）狀新相； 若兩相比容差較小，彈性應(yīng)變能作用不大，則形成球狀新相。 二是 機(jī)械應(yīng)力 ，例如彈性變形或塑性變形破壞了晶體原子排列的規(guī)律性，在晶體中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，可強(qiáng)制某些原子離開平衡位置，從而獲得附加能量。 自擴(kuò)散系數(shù) D愈大，克服勢(shì)壘的能力愈強(qiáng)，相變愈容易進(jìn)行。 形核種類 形 核 固態(tài)相變的方式 核長(zhǎng)大 (1) 晶界形核 (2) 位錯(cuò)形核 (3) 空位形核 形核位置 鋼 的 熱 處 理（ 原 理 和 工 藝） 1. 均勻形核 系統(tǒng)自由能變化 自由能差 界面能 應(yīng)變能 ?Gv 新舊相間單位體積自由能差 σ 單位面積界面能 ε 單位體積應(yīng)變能 相變驅(qū)動(dòng)力： V ?Gv ，新舊相間自由能差 相變阻力： S ζ+ εV ， 界面能 + 應(yīng)變能 第一章 金屬固態(tài)相變概論 鋼 的 熱 處 理（ 原 理 和 工 藝） 設(shè)形成的新相晶核為 球形 0)( ??drGd可得臨界晶核尺寸： ????