【材料课件】第一章固态相变概论1

上海应用技术学院 材料工程系第一章 固态相变概论1.1 固态相变的主要类型1.1 .1 平衡转变(1) 同素异晶转变n 纯金属在一定的温度和压力下，由 一种结构转变为另一种结构 的现象称为同素异晶转变。n 若在固溶体中发生这种结构的转变，则称为 多形性转变 。如 钢在冷却时由奥氏体中析出先共析铁素体的过程 。1上海应用技术学院 材料工程系(2) 平衡脱溶转变n 高温过饱和固溶体 缓慢冷却 过程中析出第二相的过程n 特点：(a) 新相的 成分和结构 始终 与母相的不同；(b)母相不会消失。n 钢在冷却时，由奥氏体析出二次渗碳体的过程 图 1-1 可发生脱溶转变的合金2上海应用技术学院 材料工程系（ 3）共析转变n 合金冷却时，由一个固相同时析出两个不同固相的过程称为共析转变n 钢中的珠光体相变（ 4）增幅分解n 由一种高温固溶体，冷至某一温度范围，分解为两种 与原固溶体结构相同，而成分不同 的微区的转变称为增幅分解 1 + 2 3上海应用技术学院 材料工程系(5) 有序化转变n 固溶体中，各组元的相对位置从无序过渡到有序的过程，称为有序化转变。 n Cu-Zn、 Au-Cu等合金中均可发生这种转变 n 特点 ：(a) 新形成的微区之间 无明显的界面和成分的突变 ；(b) 通过 上坡扩散 ，最终使均匀固溶体变为不均匀固 溶体。 4上海应用技术学院 材料工程系1.1.2 不平衡转变(1) 伪共析转变 n接近共析点成分的合金，过冷到共析点以下发生共析转变的过程 n铁素体和渗碳体的相对量随奥氏体的含碳量而变，故称为伪共析体 图 1-2 Fe-Fe3C相图的伪共析区5上海应用技术学院 材料工程系(2) 马氏体相变n 钢在快冷时，若能避免其发生扩散型转变，则将 无需原子的扩散 ，以一种 切变共格 的方式实现 点阵的改组 ，而转变为马氏体(3) 块状转变 n 在一定的冷速下奥氏体转变为 与母相成分相同而形貌呈块状 的 相的过程n 通过原子的 短程扩散 使 非共格相界面 在母相中推移6上海应用技术学院 材料工程系(4) 贝氏体相变n在珠光体转变与马氏体转变温度范围之间（中温），铁原子不能扩散，碳原子可以扩散n过冷奥氏体转变为由铁素体和渗碳体组成的 非层片状 组织 贝氏体(5) 不平衡脱溶转变 n在等温条件下，由 过饱和固溶体 中析出第二相的过程n析出相为非平衡亚稳相7上海应用技术学院 材料工程系n 金属固态相变的三种基本变化：（ 1） 结构；（ 2）成分；（ 3）有序程度 只有结构的变化：多形性转变，马氏体相变 只有成分的变化：调幅分解 既有结构又有成分上的变化：共析转变，脱溶沉淀8上海应用技术学院 材料工程系1.2 固态相变的一般特征 n 固态相变的驱动力也为新相与母相的自由能差，与结晶过程相比，固态相变有其自身特点1.2.1 相界面n 按结构特点可分为：共格界面、半共格界面、非共格界面9上海应用技术学院 材料工程系（ 1）共格界面n 两相界面上的原子排列完全匹配，即界面上的原子为两相所共有n 特点：界面能很小，弹性应变能大n 错配度 = a/a 越大，弹性应变能越大10上海应用技术学院 材料工程系图 1-3 a) 共格界面 b) 半共格界面 c) 非共格界面11上海应用技术学院 材料工程系(2)半共格界面：相界面上分布若干位错，界面上的两相原子部分地保持匹配，弹性应变能降低。(3)非共格界面：两相界面完全不匹配，即存在大量缺陷的界面，为很薄的一层原子不规则排列的过渡层，界面能较高。12上海应用技术学院 材料工程系1.2.2 惯习面和位向关系n 固态相变时，新相往往在母相的一定晶面上开始形成， 这个晶面称为 惯习面如：亚共析钢中，在 111析出先共析 铁 素体 - 魏氏 组织n 位向关系：新相 与 母相之 间 的 某些 低指数 晶面和晶向往往存在一定的位向关系，以减小两相 间 的界面能110/ 111 ； / 13上海应用技术学院 材料工程系1.2.3 弹性应变能 图 1-4 新相形状与应变能的关系由纳巴罗 ( Nabarro )计算n 非共格相界面的 体积（比容）应变能（由于比容不同） ：球状最大，针状次之，盘状最小。n 两相界面上 不匹配也引起弹性应变能，共格界面最大，半共格界面次之，非共格界面为零。14上海应用技术学院 材料工程系n 固态相变的阻力 ：界面能 + 应变能1.2.4 晶体缺陷的影响n 大多数固态相变的形核功较大，极易在晶体缺陷处优先 不均匀形核 ，提高形核率，对固态相变起明显的促进作用。1.2.5 过渡相（亚稳相）的形成n 为了减少界面能，固态相变中往往先形成具有共格相界面的过渡相（亚稳相）。n 亚稳相有向平衡相转变的倾向，但在室温下转变速度很慢。15上海应用技术学院 材料工程系1.3 固态相变的形核1.3.1 均匀形核与凝固过程相比，增加了一项 应变能G = V Gv + S + V (1-1)其中Gv - 新旧相 间单 位体 积 自由能差 - 单位面积界面能 - 单位体积应变能相变驱动力 ： V Gv ， 新旧相间自由能差相变阻力 ： S + V ， 界面能 + 应变能16上海应用技术学院 材料工程系设形成的新相晶核为 球形对于 r 求导：图 1-5 球形晶核的自由能变化可得临界晶核尺寸：形成临界晶核的形核功形核功 ：晶核长大到 r* 所需克服的能垒，或所做的功17上海应用技术学院 材料工程系n 固态相变的形核率- 单位体积母相中所形成的核心数N - 单位体积母相中的原子数- 原子振 动频 率G* - 形核功Q - 原子 扩 散激活能 固 态 相 变较难 均匀形核18上海应用技术学院 材料工程系1.3.2 非均匀形核晶体缺陷储存的能量可使形核功降低，促进形核G = V Gv + S + V - Gd (1-5) - Gd - 由于 晶体缺陷消失所降低的能量晶体缺陷：空位、位错、晶界（ 1）空位n 空位通过促进溶质原子 扩散 或利用本身 能量 提供形核驱动力而促进形核n 空位团 可凝聚成 位错 而促进形核19上海应用技术学院 材料工程系n 脱溶沉淀时 无析出区 的形成原因 空位对脱溶沉淀有促进作用，是沉淀相非均匀形核的位置。 晶界附近的过饱和空位扩散到晶界而消失。（ 2）位错n 位错从三方面促进形核： 围绕位错形核后，位错消失，释放出畸变能。 对于半共格晶核，原有的位错成为界面位错，补偿了错配，降低了形核功。 溶质原子常在位错线上偏聚，容易满足新相成分上的要求。20上海应用技术学院 材料工程系（ 3）晶界n 大角晶界具有较高的界面能，在晶界上形核可利用晶界能量，使形核功降低。n 有三种位置： a) 晶界面 b) 棱边 c)隅角图 1-6 晶界形核时三种位置21上海应用技术学院 材料工程系图 1-7 晶界面形核时晶核形状图 1-8 三晶粒相交的棱边 图 1-9 四晶粒相交的隅角22上海应用技术学院 材料工程系图 1-10 晶界不同位置形核功比较n - 接触角n 隅角形核的 形核功 比其他位置小n 在晶界上的三种位置中，隅角位置在多晶体中所占的体积分数 最少23上海应用技术学院 材料工程系1.4 固态相变的长大1.4.1 长大机制(1) 半共格界面的迁移n半共格界面上存在位错列n要随界面移动，位错要攀移n台阶侧向移动，位错可滑移图 1-11 台阶长大机制24上海应用技术学院 材料工程系（ 2）协同型长大机制n 无扩散型相变，原子通过 切变 方式协同运动，相邻原子的相对位置不变n 如马氏体相变，会发生外形变化，出现表面浮凸n 新相和母相间有一定的位向关系图 1-12 马氏体相变表面浮凸25上海应用技术学院 材料工程系1.4.2 新相长大速度(1) 界面控制型长大无成分变化 的新相长大图 1-13 激活能示意图26上海应用技术学院 材料工程系原子