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,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。相变：随外界条件的变化(温度)，体系中新相取代旧相的过程。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,一、相变分类1.按热力学分类(1)一级相变对新、旧相和，有：=SSVV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,一、相变分类1.按热力学分类(2)二级相变对新、旧相和，有：=SSVV,2.1金属固态相变概述,等压比热：CC等温压缩系数：KK等压膨胀系数：,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。,2.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,固溶体,纯金属,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。,(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,3.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：相变过程有原子扩散，相变速率受原子扩散速度控制；新、旧相成分不同；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,（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,4.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,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；,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,(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）,(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,界面能：非共格半共格共格弹性畸变能：非共格半共格0,G0,G=G-G0,过热,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：,G0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,SMSE,CUMT,G,状态,状态,g,G,原子间的引力,2.3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,界面能,应变能,2.3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,固态相变中均匀形核几乎不可能，大多为非均匀形核。,1.晶界形核晶界类型：界面、界棱、界隅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,2.位错形核位错促进形核。位错线上形核，位错线消失释放能量，降低形核功。位错线不消失，成为半共格界面中的位错部分，降低形核功。溶质原子在位错上偏聚，满足新相形核的成分起伏。扩散的短路通道，Q，加速形核。,二、非均匀形核,3.空位及空位集团形核空位及空位集团促进形核。释放能量提供成核驱动力凝聚成位错加速扩散过程（空位机制）,二、非均匀形核,2.4金属固态相变的晶核长大,一、长大机制,新相晶核的长大，实质是界面向母相方向的迁移。,成分变化结构变化,扩散,界面过程,界面附近原子调整位置，使晶核得以长大的过程。,1、半共格界面的迁移,(1)均匀切变特点：大量的原子有规律地沿某一方向作小于一个原子间距的迁移，迁移后原子保持原有的相邻关系不变。是无扩散型相变。右下图为马氏体转变的表面倾动。,一、长大机制,（2）台阶机制（相界面上位错的滑动）,特点：通过半共格界面上的界面位错的运动，使界面作法线方向迁移，从而实现晶核的长大。,1、半共格界面的迁移,一、长大机制,2.4金属固态相变的晶核长大,一、长大机制,2、非共格界面的迁移：通过界面扩散进行,紊乱排列,台阶状结构,2.4金属固态相变的晶核长大,二、长大速度（扩散型）,1、无成分变化时：,过冷度很小时，两相自由能差极小。,界面迁移速率与两相的自由能差成正比，随温度降低，两相的自由能差增大，新相长大速率增加；,2.4金属固态相变的晶核长大,二、长大速度（扩散型）,1、无成分变化时：,过冷度很大时,取决于g，随温度降低，界面迁移速率减小，新相长大速率随之下降。,2.4金属固态相变的晶核长大,二、长大速度（扩散型）,1、无成分变化时：,在整个相变范围内，新相长大速度随温度降低，先增后减。,2.4金属固态相变的晶核长大,二、长大速度,2、有成分变化时：,是扩散控制型长大长大速率与原子的扩散系数、新相/母相界面上母相一侧的浓度梯度成正比，与新相与母相间的浓度差成反比。T，扩散系数急剧，新相的长大速率降低。,2.5金属固态相变动力学,在一定过冷度下的等温转变动力学可用阿弗拉密方程描述：,3n4,n4,等温转变曲线：将不同温度下的S曲线整理在时间-温度曲线上，可以得到相变的综合动力学曲线，即等温转变曲线。等温转变曲线表示了转变量、转变温度和转变时间之间的关系，一般是由两条形状呈C形的曲线构成，所以我们也将其称之为C曲线。,2.5金属固态相变动力学,习题一：1、金属固态相变