2材料科学与工程专业《金属热处理原理及工艺》课件-第二章__金属固态相变基础

第二章 金属固态相变基础2.1 金属固态相变概述2.2 金属固态相变热力学2.3 金属固态相变的形核2.4 金属固态相变的长大2.5 金属固态相变动力学返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMTn 相：体系中具有相同成分、结构和性质的均匀部分称为相，不同相之间有明显的界面分开。n 相变：随外界条件的变化 (温度 )， 体系中新相取代旧相的过程。n 固态相变：固态金属及合金在温度及压力改变时，组织及结构发生的变化2.1 金属固态相变概述返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT一、相变分类1.按热力学分类(1)一级相变对新、旧相 和 ， 有：=S SVV说明一级相变有相变潜热和体积变化。材料凝固、熔化、升华、同素异构转变均为一级相变。固态相变大部分为一级相变。2.1 金属固态相变概述返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT一、相变分类1.按热力学分类(2)二级相变对新、旧相 和 ， 有：=S SV V2.1 金属固态相变概述化学势一级偏微商相等等压比热： C C 等温压缩系数： K K 等压膨胀系数： 化学势二级偏微商不等因此： 无相变潜热和体积变化，而比热、压缩系数、膨胀系数是变化的。如材料有序化转变、磁性转变、超导转变等。返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT2.按平衡状态图分类(1)平衡相变 同素异构转变和多形性转变 平衡脱溶沉淀一、相变分类A B + LT固溶体纯金属返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT 共析相变如珠光体转变。由一个固相分解为两个固相的转变。 调幅分解 1+ 2高温合金单相固溶体在冷却到某一温度分解为两个 结构相同成分不同 两相 有序化转变 无序 有序 原子在晶体中相对位置由无序到有序转变，使其电、磁、物理、机械性能变化。 如： Cu-Zn,Cu-Au ,Mn-Ni ,Fe-Ni ,Ti-Ni合金等。返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT(2)非平衡相变加热或冷却速度快，使无限缓慢的平衡相变被抑制，产生不平衡相变。 伪共析相变 马氏体相变 贝氏体相变 非平衡脱溶转变2.按平衡状态图分类(1)平衡相变一、相变分类A B + LT返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT3. 按原子迁移情况分类（ 1）扩散型相变温度足够高、原子活动能力足够强、时间足够长情况下发生的相变。特点：n 相变过程有原子扩散，相变速率受原子扩散速度控制；n 新、旧相成分不同；n 新、旧相比容不同引起体积变化，但宏观形状不变。如：同素异构转变、脱溶转变、共析转变、调幅分解、有序化转变、珠光体转变等一、相变分类返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT（ 2）非扩散型相变相变过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子运动是协调一致的。原子只作有规则的迁移以使晶体点阵重组，原子迁移范围有限不超过一个原子间距。如：淬火马氏体相变特点： 存在均匀切变引起宏观变形； 相变无扩散，新、旧相化学成分相同； 新、旧相之间存在一定晶体学取向关系； 相变速度快。3. 按原子迁移情况分类（ 1）扩散型相变一、相变分类返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT4.按相变方式分类(1)有核相变形核 -长大 方式进行相变。(2)无核相变条件： 可以以成分起伏或能量起伏为开始，直接长大形成新相过程。如：调幅分解以成分起伏为开始，进行上坡扩散，形成两个成分不同的新相； 马氏体相变以能量起伏为开始，靠共格切变直接长大形成新相过程。一、相变分类返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT小结： 相变的实质，是相结构、成分或有序化程度发生变化，相变可以兼有上述相变类型的一种或几种。如： 马氏体相变是非扩散相变、（新旧相成分相同、结构不相同）珠光体相变是扩散相变、（新旧相成分不相同、结构不相同）一、相变分类思考：同素异构转变，脱溶转变（平衡、非平衡），伪共析相变，贝氏体相变 ， 奥氏体转变，调幅分解等各属于什么相变类型？非平衡相变、 无核相变；平衡相变、 有核相变；返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT二、金属固态相变主要特点1.相界面特殊（新相和母相间存在不同的界面）(1)共格界面新、旧相的晶体结构、点阵常数相同；或有差异但存在一组特定晶体学平面可使两相原子之间产生完全匹配。旧相新相特点： 界面能小，弹性畸变能大返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT(2)半共格界面新、旧相之间存在少量位错，除此之外的晶体结构和点阵常数均能使两相原子之间产生完全匹配。新、旧相间错配度=| - |/ 小，共格关系大，半共格关系很大，非共格关系1. 相界面特殊（新相和母相间存在不同的界面）返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT(3)非共格界面新、旧相界面处原子排列差别很大 ,两原子之间匹配关系不再维持 ,为非共格界面。1. 相界面特殊（新相和母相间存在不同的界面）特点： 界面能大，弹性畸变能小返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT界面能：非共格 半共格 共格弹性畸变能：非共格 0G 0 G = G - G 0 过热返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT二、相变势垒要使 向 转变能够进行还必须越过 g的势垒因此相变条件： G 0 克服 g的势垒（能量起伏 )返 回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺G状态 状态 gG 原子间的引力返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT2.3 金属固态相变的形核一、均匀形核金属结晶均匀形核形核自由能变化临界晶核半径：临界形核功形核率假设晶核为球形自由能差自由能差 界面能界面能 应变能应变能返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT2.3 金属固态相变的形核二、非均匀形核 界面形核 位错形核 空位形核缺陷提供的相变驱动力固态相变中均匀形核几乎不可能，大多为非均匀形核。返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT1.晶界形核n 晶界类型：界面、界棱、界隅n 晶界形核时的能量变化提供的能量：需要的形核功：界隅形核的最容易，但界隅占的体积分数最小， 数量最多的界面形核的贡献最大。二、非均匀形核界面 界棱 界隅界隅 界棱 界面 均匀形核返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT2.位错形核位错促进形核。n 位错线上形核，位错线消失释放能量，降低形核功。n 位错线不消失，成为半共格界面中的位错部分，降