北京科技大学固态转变复习题最终版.pdf

坤哥出品，必属精品！ 1、相变分类：、相变分类： 按按相变时热力学参数变化特征分类相变时热力学参数变化特征分类： 一级相变： 指发生相变时，两相的 Gibbs 自由能和化学势都相等，但化学势的一阶偏微分不相等的相变。 （特点：体积变化、有能量的吸收或释放） 即 G1=G2，1=2，pp TT )()( 21 ，TT PP )()( 21 。 二级相变： 指发生相变时，两相的 Gibbs 自由能和化学势以及化学势的一阶偏微分都相等，但二阶偏微 分不相等的相变。（特点：体积和能量无变化） 即 G1=G2，1=2，pp TT )()( 21 ，TT PP )()( 21 pp TT )()( 2 2 2 2 1 2 ，TT PP )()( 2 2 2 2 1 2 ，pp PTPT )()( 2 2 1 2 按按相变相变方式方式分类分类： 形核长大型相变： 指由程度大、范围小的起伏开始发生的相变。即相变过程中在母相中形核，然后长大。 连续型相变： 指由程度小、范围广的起伏连续地长大形成新相的相变。即相变不需要形核过程，由起伏直 接长大为新相。 按按原子迁移特征分：原子迁移特征分： 扩散型相变： 相变过程主要依赖于原子（或离子）的扩散迁移过程，相变前后通常有成分变化。 连续型相变： 相变过程中无原子（或离子）的扩散，或者虽存在扩散，但不是相变所必须的或者主要的过 程，并且相变前后没有成分变化。 2、经典形核理论：、经典形核理论： 均匀形核（自发形核）：均匀形核（自发形核）： 指新相晶核是在母相中均匀的生成，即晶核由液相中的一些原子团直接形成，不受杂质粒子 或外表面的影响。 非均匀形核（非自发形核）：非均匀形核（非自发形核）： 坤哥出品，必属精品！ 指新相优先在母相中存在的异质处形核，即依附于液相中的杂质或外来表面形核。 相变驱动力：相变驱动力： 相变热力学指出，一切系统都有降低自由能以达到稳定状态的自发趋势，因此相变驱动力指 新相和母相自由能之差。 形核驱动力和核心成分：形核驱动力和核心成分： 形核驱动力是指刚形成晶核时，成分为 X的少量物质从相移至相时自由能的变化。 核心成分是指生成的新相的成分 X，核心成分不同，形核驱动力则不同，因此要先求核心 成分，再求形核驱动力。 形核率：形核率： 单位时间内，在单位体积的未经转变或成分未发生变化的母相基体中，所形成的核心的数目。 界面能作用、应变能作用：界面能作用、应变能作用： 界面能是形核的阻力，形核时总希望有最低的总界面能。 应变能也是形核的阻力，即在形核过程中产生的应变能会抵消一部分形核驱动力。 所以，相变阻力的产生是新相和母相之间界面能和应变能共同作用的结果。 界面过程控制长大、长程扩散控制长大：界面过程控制长大、长程扩散控制长大： 新相和母相具有相同的化学组成时，新相晶胚的生长过程受控于界面区原子的短程扩散， 则属于界面控制型生长。 界面过程分为非热激活和热激活两种。对于非热激活长大，原子从母相迁移到新相并不需要 跳离原来位置，也不改变相邻的排列次序，而是靠切变方式使整层母相原子转变为新相，这 个过程不需要热激活。而对于热激活长大，界面推移需要靠单个原子随机地独立地跳越界面 进行，需要克服一个位垒。 新相和母相具有不同的化学组成时，新相晶胚的生长大多情况下受控于有关组分在母相中 的长程扩散，属于扩散控制型长大。 3、JMAK 方程：方程： )exp(1 n BtX 式中：B速度常数，与温度密切相关。 n与相变类型有关的常数。 t时间 该方程用于表述不同相变情况下，相变进行的程度（X）和经历的时间（t）之间的关 系。 坤哥出品，必属精品！ 4、相变晶体学：、相变晶体学： 母相与新相的位相关系：母相与新相的位相关系： 两相之间的位相关系是指两项以各自晶体坐标表示时位相之间的关系。 位相关系表达方法：位相关系表达方法： 基失表示法： 是指将新相的基失在母相晶体坐标系中表示，使新相相对于母相的位相关系唯一确定。 面向结合表示法： 如果系统中两相的某些低指数面平行，而且面上存在一对低指数方向平行，则位相关系往往 直接采用这些平行矢量的指数描述，即为面向结合表示法。 位相关系矩阵表示法： 位相关系矩阵联系两相中互相平行的单位矢量，该矩阵中的行向量和列向量分别反映了一相 晶体的基失在另一相晶体坐标系中的表示，即为位相关系矩阵表示法。它与基失表示法之间 可以直接对应。 O 点阵理论：点阵理论： 任取两个点阵互相贯穿构成复合贯穿点阵， 在考察复合贯穿点阵每个阵点位置的周围环境时， 发现有些阵点位置有规律且周期性地分布在整个贯穿点阵中，这些环境相同的等效点就称为 O 点，由这些 O 点周期性的分布组成的点阵，称为 O 点阵，O 点阵理论是分析晶间位错的有 效工具。 相变晶体学模型：相变晶体学模型： 结构台阶模型 近重合位置模型 5、多形性转变：、多形性转变： 元素元素同素异构转变：同素异构转变：化合物化合物多形性转变：多形性转变： 很多材料在温度和压力发生变化时，其晶体结构会发生转变。元素发生这种行为称为“同素 异构转变”，化合物发生这种行为则称为“多形性转变”。 发生同素异构和多形性转变时，由于不同晶体结构的致密度和配位数等不同，将伴随有体积 变化和电阻、热膨胀系数等物理参量突变。 这是金属材料热处理的依据之一，也是制备新材 料必须要考虑的因素之一。 6、脱溶转变：、脱溶转变： 脱溶转变定义：脱溶转变定义： 坤哥出品，必属精品！ 合金中的固溶体会因温度降低而固溶度减小，变为亚稳定的过饱和固溶体。因此一个亚稳定 的过饱和固溶体，它析出第二相而自身变为更稳定的固溶体，这种+的反应便称为 脱溶转变。 脱溶贯序：脱溶贯序： 脱溶贯序可以理解为脱溶反应中各相的析出顺序。以 Al-Cu 合金为例，发生脱溶分解后会形 成富 Cu 区，即 GP 区。然后会在 GP 区上析出过渡相，接下来过渡相会在基体的位错上 形核，随着相的长大，周围的相会溶解。在更长时间的保温后，平衡相会在晶界或是 与基体的界面上形核，并且随着相的长大，溶解。 即母相1+GP 区2+相3+相4+相 过渡相结构：过渡相结构： 过渡相具有正方结构，可以看做一个畸变了的面心立方，与基体形成整体共格界面。 过渡相也具有正方结构，与基体形成共格或半共格界面。 （平衡相具有复杂体心正方结构，与基体形成非共格或复杂的半共格界面） 无脱溶物区域无脱溶物区域 PEZ： 在获得过饱和固溶体的同时，会获得过饱和浓度的空位，由于空位的扩散比较快，在淬火形 成过饱和固溶体时，晶界附近的部分空位会不可避免的逸散到晶界上，使晶界附近出现一个 低空位浓度区，当其浓度低于临界空位过饱和浓度时，该区域不会出现脱溶，称为无脱溶物 区域。 时效硬化：时效硬化： 一切有关性能随时间变化的过程都统称时效过程，而脱溶合金随脱溶过程硬度升高的现象称 为时效硬化。（助记了解：脱溶析出 GP 区后，位错运动通过 GP 区时需要额外的应力，使合 金的硬度提高。相的生成使硬度进一步提高，随后相的生成以及在相的共同作用下， 硬度达到峰值；当相逐渐溶解，相长大，它们的间距变大，位错有可能在脱溶物之间拱 弯绕过，硬度开始降低。析出相以及相聚集长大之后，硬度大幅度降低；对于峰值以后的 时效过程，称为“过时效”） 不连续脱溶（胞状脱溶）：不连续脱溶（胞状脱溶）： 脱溶温度比较低时，如果脱溶产物在晶界形核，并且此温度下界面扩散速率远大于体积扩散 速率时，会出现两相式脱溶+，此时的仍是含有一定过饱和度的相，它与相晶体结 构相同，但成分不同并有界面分开，这种脱溶反应称为不连续脱溶。（因为不连续脱溶的产 物相和相构成胞状组织，并向晶内长大，所以又称之为胞状脱溶。） 坤哥出品，必属精品！ 7、珠光体转变：、珠光体转变： 定义：定义： 单相奥氏体过冷到 A1至 C 曲线“鼻尖”之间的温度区域等温停留时，将发生共析转变，即单 相奥氏体分解为铁素体和渗碳体两个新相的机械混合物的相变过程。 珠光体的分类：珠光体的分类： 珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，根据在铁素体基体上分布的渗碳体的形状可分为片 状珠光体和粒状珠光体。 对于片状珠光体，随转变温度的降低，即过冷度的增大，其片层间距会减小。根据片层间距 的大小，可将珠光体分为以下三类：珠光体、索氏体、屈氏体。 珠光体的形成机理：珠光体的形成机理： 分片形成机理分枝形成机理 8、块型相变：、块型相变： 定义：定义： 对于冷却时发生反应的单相系统相变过程，在合适的冷却速度下，形成的新相合金的成 分可以和母相的成分相同， 非共格的新相界面依靠短程扩散以非协同方式快速的向母相推进， 这种相变称为块型相变。 （或成分不改变，通过相界扩散的形核长大型相变即为块型相变） 热力学条件：热力学条件： 块型相变产物的摩尔吉布斯自由能要比母相的低。 9、调幅分解：、调幅分解： 定义：定义： 是指过饱和固溶体在一定温度下分解成结构相同、成分不同的共格的两个相的过程。即一部 分为溶质原子富集区，一部分为溶质原子贫化区。 热力学条件：热力学条件： 母相具有溶解度间隙。 固溶体母相的成分位于特定温度下自由能成分曲线两拐点之间，即 0 2 2 x G 。 阻力：阻力： 梯度能： 富 A 和富 B 区之间成分是连续变化的，引起能量增加，这能量的大小与成分的梯度有关，故 称为梯度能。 坤哥出品，必属精品！ 应变能： 成分起伏会引起固溶体点阵常数 a 的变化，但为了保持点阵共格，会产生应变使化学位发生 变化，这部分能量称为应变能。 10、有序、有序无序转变：无序转变： 长程有序参数：长程有序参数： 定义长程有序参数 S=（P-xA）/（1-xA），其中 P 为在位置找到 A 原子的概率，xA为合金中 A 原子的摩尔分数。（合金中两类原子 A、B 的排列完全有序时，P=1，S=1；排列完全无序 时，P=xA，S=0） 短程有序参数：短程有序参数： 定义短程有序参数=（q-qr）/（qm-qr），其中 q 是在给定温度下最近邻异类原子的摩尔分数， qr和 qm是最大无序和最大有序时最近邻的异类原子的摩尔分数。（合金中两类原子 A、B 的 排列完全有序时，=1；排列完全无序时，=0） （了解：S 是针对整个点阵排列的，是针对近邻原子排列的。） 超结构：超结构： 超结构是有序固溶体结构的通称，是指适当成分的合金在较高温度时，为无序固溶体，当温 度降至临界温度 Tc后，变成原子分布规则化的结构，即为超结构。 有序畴：有序畴： 发生有序化时，固溶体内部一些原子率先克服形核热垒，与邻近亚点阵上的原子交换位置， 形成有序排列的微小区域，称为有序畴。 一级、二级有序一级、二级有序无序转变：无序转变： 无序化结构转变为有序化结构有两种可能的机制： 一种是形核长大机制，即在晶体内先形成小的有序区域，即有序畴，然后这些有序畴逐渐 长大形成有序结构，这便是“一级有序无序转变”。（此机制与脱溶等价） 另一种是连续型转变机制，即在整个晶体内均匀地出现局部性重新排列，使短程有序程度 逐渐提高，最终形成长程有序结构，这便是“二级有序无序转变”。（此机制与调幅分解 等价） 11、马氏体相变：、马氏体相变： 马氏体相变的定义（了解）：马氏体相变的定义（了解）： 替换原子经无扩散位移、由此产生形状改变和表面浮突、呈不变平面应变特征的一级、形核 长大型相变。 坤哥出品，必属精品！ 马氏体相变的特点：马氏体相变的特点： 无扩散： 是指合金中的替换原子无扩散。 表面浮突和形状改变： 当一片马氏体与基体的自由表面相遇时，会出现一边凹陷，一边突起，并牵动相邻奥氏体， 出现倾斜隆起，即为表面浮突。该浮突是由相变的切变性质产生的，在发生相变的地方会突 然发生形状改变。 惯习面和位相关系： 马氏体新相在母相的一定晶面上形成，此平面称为惯习面，惯习面也是马氏体和母相的界面。 而且惯习面在相变中不应变、不转动，因此马氏体相变具有不变平面应变的特性。 马氏体与母相晶体方向之间都保持一定的位相关系，而且不同的材料位相关系不同。 马氏体内存在亚结构： 如低碳马氏体内呈现密度较高的位错，高碳马氏体内有细的孪晶亚结构。 马氏体相变具有可逆性： 冷却时，温度达到 Ms点开始生成马氏体，温度降至 Mf点马氏体相变结束。而加热时，当温 度升至 As时，开始发生逆转变 MP，一直到温度达到 Af，逆转变结束。 马氏体相变的分类：马氏体相变的分类： 按相变驱动力分类： 一类是驱动力较大，如铁基合金中 fcc 母相转变为 bcc 马氏体的相变；另一类是驱动力较小， 如 fcc 母相转变为 hcp 马氏体的相变和一些热弹性马氏体相变。 按形成方式分类： 可分为变温马氏体、等温马氏体、爆发性马氏体、热弹性马氏体、半热弹性马氏体、非热弹 性马氏体。 ：马氏体形核理论：马氏体形核理论： 经典形核理论：包括均匀形核理论和缺陷形核理论。 层错形核理论：可分为极轴机制和层错自发形核机制。 软模形核理论。 局域软模形核理论。 ：软模形核、长大和形貌：软模形核、长大和形貌： 软模形核：软模是晶体点阵的一种晶格振动模式，这种模式的振动频率的平方20。它的 含义是指在相变过程中，当临近相变点时，由于某一种晶格振动模式的软化而导致点阵结构 坤哥出品，必属精品！ 不稳定而发生结构相变。在这种条件下发生马氏体相变即为软模形核。 马氏体的长大：一旦克服了形核势垒，体积自由焓就会大到足以使马氏体片急速长大，直 至与其他马氏体片等障碍相遇为止。 马氏体的形貌：钢中的马氏体主要形貌有两种，一个是低碳的板条马氏体，一个是高碳的 片状马氏体。 ：马氏体相变动力学：马氏体相变动力学： 非热激活马氏体： 对于大多数的马氏体转变，要冷却至一定温度 Ms点以下才开始生成马氏体， 随着温度下降马 氏体不断增加，在此期间保温停留不会再产生马氏体，即转变几乎与降温同布进行，直至 Mf 点才转变终止。这类马氏体转变在瞬间形成，不需要热激活过程，称为非热激活马氏体。 恒温马氏体： 对于有些合金中，马氏体能在恒温下继续转变，即在等温时形成，称为等温马氏体。等温马 氏体量的增加是藉新马氏体片不断形成的，而新片的形成需要热激活。 马氏体相变晶体学：马氏体相变晶体学： 马氏体相变晶体学的经典模型有： Bain 应变、K-S 关系、西山关系、Burgers 关系、G-T 模型。 （Bain 模型是原子迁动最小的机制，可以显示相变的位相关系，但是不能描述马氏体相变的 不变平面应变，不能反映马氏体相变的切变特征。） 马氏体晶体学的唯象理论有： W-L-R 理论、B-M 理论。 12、贝氏体相变：、贝氏体相变： 贝氏体相变的定义：贝氏体相变的定义： 将奥氏体化的钢过冷到 Bs（约 550）至 Ms 温度范围内某处等温，将产生贝氏体转变，也 称中温转变。它是介于扩散型与非扩散型中间的一种中间转变（没有铁原子的扩散，只有碳 原子的扩散） 贝氏体的组织形态：贝氏体的组织形态： 上贝氏体： 在 Bs350之间等温形成，组织为贝氏铁素体+渗碳体，整体成羽毛状。 下贝氏体： 在 350Ms 之间等温形成，组织为过饱和铁素体+碳化物，整体呈片状。 粒状贝氏体： 坤哥出品，必属精品！ 在中低碳钢中，接近 Bs 温度等温时形成，组织为块状铁素体+岛状的富碳奥氏体。 贝氏体的表面浮突：贝氏体的表面浮突： 贝氏体转变也会是样品表面产生浮突，在上贝氏体上为条状浮突，下贝氏体上为针状浮突， 这与贝氏体的组织形貌特征相一致。 贝氏体的整体动力学：贝氏体的整体动力学： 贝氏体转变发生在 C 曲线鼻尖温度以下，Ms 点以上，转变前有一段孕育期，孕育期的长短 与钢种及转变温度有关，贝氏体转变往往不能进行完全，转变温度越低越不完全，未转变的 奥氏体在随后冷却时形成马氏体或残余奥氏体。 贝氏体的相变机制：贝氏体的相变机制： 目前，贝氏体的相变机制仍存在争议，有以下两种机制： 切变机制： 支持者认为贝氏体相变的一些特征与马氏体相似，比如相变形成了表面浮突，上、下贝氏体 的惯习面与低、高碳马氏体的惯习面相同等等。 扩散型转变机制： 支持者认为贝氏体的表面浮突为向两侧倾斜的“帐篷型”，而与马氏体的单侧倾斜浮突不同， 而且有些贝氏体的惯习面是不与马氏体相同的，并且贝氏体和奥氏体之间的界面结构也与马 氏体和奥氏体之间的界面结构不同。故否定切变机制，认为贝氏体中铁素体是在奥氏体内通 过扩散形核而生长。 13、Landau（朗道）理论：（朗道）理论： 序参量：序参量： 一个系统从髙对称相转变到低对称性相时，系统的某一个物理量，将从髙对称相中的零值转 变为低对称相中的非零值，此物理量即为该系统的序参量。（即临界温度以上的相对称性 高、有序度低、序参量为 0；临界温度以下的相对称性低、有序度高、序参量为非 0） 多项式表达：多项式表达： 即将系统的自由能作为温度 T、压力 P 和相变的序参数的函数展开： 432 0),(DCBAPT 式中：0 为髙对称相的自由能，A、B、C、D 为展开系数，与温度有关。 “几何几何”相变相变渗流：渗流： 除温度变化引起相变以外， 压力的变化以及其他各参数的缓慢变化往往也会引起相变或突变， 称之为渗流。 坤哥出品，必属精品！ 无公度相变：无公度相变： 我们可以定义无公度结构是与母体点阵结构间有无公度周期的超结构。由于某种扰动，如温 度的变化，固体结构由正常态转变为无公度结构的相变叫做无公度结构相变，简称无公度相 变。 14、孤立子理论：、孤立子理论： 孤立子的性质：孤立子的性质： 孤立子为非线性方程，其特解为一个行波，孤立波的能量集中于一个狭小的区域，传播与时 间有关，运动中波形和波速保持不变；孤立波能发生强烈的相互作用，但相互作用后仍能保 持其各自特点、形状、速度不变或只有一些位相改变。 KDV 方程：方程： 06xxxxtuuuu 相界面的性质与孤立子的性质：相界面的性质与孤立子的性质： 相界面性质与孤立子性质一致，界面推移过程使母相转变为新相，或者发生结构变化，或者 发生成分变化，切变型的马氏体相变是应变波的推移、扩散型的相变是浓度波的推移。因此， 相界面的应变波和浓度波，可以认为是拓扑型的孤立子。 15、分型理论：、分型理论： 分型定义（了解）：分型定义（了解）： 所谓分型，简单地说就是指系统具有“自相似性”和“分数维度”。 自相似性：自相似性： 指物体的形似，即不论采用什么样大小的测量“尺度”，物体的形状不变。 分数维度：分数维度： 分数维度是相对欧式几何中的一二三维而言的，但分数维度空间不同于整数维度空间，其固 有的逻辑关系不同于整数维空间中的逻辑关系。 16、相场理论：、相场理论： 场变量：场变量： 在相场方法中，人们用一系列特征物理量表示某个特定的场，将这些特征物理量统一称之为 场变量。 可以分为保守型和非保守(或称耗散型） 两类。 满足局部守恒定律的就是保守型变量， 反之就是非保守型变量。 非均质微结构：非均质微结构： 在相场方法中，一个非均质微结构的总自由能表达为能够表征相变本质的场变量的泛函，一 坤哥出品，必属精品！ 般包括下面 4 种能量贡献： 局部化学自由能密度；梯度能密度； 外应力、电场或磁场等外场的关联势能对总能量的贡献； 内在的长程交互作用，如弹性、静电和静磁交互作用。 17、回复和再结晶：、回复和再结晶： 再结晶与相变的异同：再结晶与相变的异同： 本质区别： 驱动力不同：相变驱动力是新相与母相之间的化学自由能差，而再结晶的驱动力是变形金 属的机械储存能。 相变必有一个临界温度，该临界温度是热力学意义的温度，而再结晶的临界温度是动力学 意义的温度。 相同点： 相变与再结晶都存在形核、长大过程、孕育期和相似的动力学方程。 回复与再结晶的本质区别：回复与再结晶的本质区别： 回复阶段不涉及大角度晶界的移动，只是某些亚结构和性能的变化，过程是均匀的。 再结晶阶段则是再结晶核心的形成及随后的成长，直到变形基体全部被新晶粒消耗完毕， 新晶粒互相接触为止。 驱动力：驱动力： 回复和再结晶的驱动力均为冷变形后的畸变储存能。 回复的主要特征：回复的主要特征： 回复阶段不涉及大角度晶界的移动。 通过点缺陷消除、位错的对消和重新排列来实现。 过程是均匀的。 回复机制：回复机制： 低温时，回复机制主要是点缺陷的迁移。 中温时，回复机制主要是位错滑移。 高温时，还有刃位错的攀移，形成多边形化。 回复动力学：回复动力学： 无孕育期，开始阶段变化率最快，然后逐渐变慢，最后趋于零，性质回复到某一稳定的特征 值。 坤哥出品，必属精品！ 再结晶温度：再结晶温度： 指在一定时间内(1 小时)刚好完成(95%或 98%)再结晶的温度。 估算：当变形量足够大时，一般纯金属的再结晶温度为：（0.350.4）Tm 再结晶的基本规律：再结晶的基本规律： 需超过一最小变形量c，称临界变形程度。 随变形程度的增加，再结晶温度减小；但当变形程度大到一定值后，T再趋于一稳定值。 再结晶刚完成时的尺寸 d 取决于变形程度，而和 T 关系不大。 原始晶粒尺寸 d0越大，要获得相同的 T再所需的越大。 新晶粒不会长入取向相近的变形晶粒中。 再结晶后继续保温，晶粒尺寸会继续增大(此为长大问题)。 再结晶动力学：再结晶动力学： 再结晶的等温动力学曲线具有 S 型特征，且仍适用 JMAK 方程。 影响再结晶动力学的因素： 变形量： 需要一个最低的变形量才能有足够的储存能提供驱动力和提供可形核位置。且变形量增大可 以加速再结晶。 变形方式： 在同样的变形量下，拉伸变形比压缩变形材料的再结晶温度低。 晶粒取向： 变形晶粒的储存能大小取决于晶粒的原始取向，再结晶速度取决于变形织构。 原始晶粒尺寸： 相同的变形量下，细晶的内的变形储存能高，再结晶速度快。（两方面影响晶界是有利的 再结晶形核位置，原始晶粒小，再结晶形核位置多，有利于再结晶；但原始晶粒小，变形较 均匀，减