材料科学基础考点精讲第12讲固态相变

1、材料科学基础考点精讲系列固态相变主讲人：高山网学天地主要内容一、固态转变的基本类型二、固态相变的一般特点三、固溶体脱溶一、固态转变基本类型由于金属（合金）的结构和组织在固态下可以进行多种多样的形势转变，因此具有性能方面的多变性。固态转变举例：同素异形转变；脱溶；有序化转变；调幅分解*等等，甚至回复、再结晶也属于固态转变。*调幅分解：均匀的过饱和固溶体在一定条件下分解成结构相同、成分不同的两个相的过程。固态转变的主要表现：组织变化、结构变化、化学成分变化、有序度变化、体积形状变化。*一级转变：新旧两相化学势相等，但化学势的一阶偏微熵不相等的转变，具体表现为能够引起化学成分、结构类型变化的固态转变

2、。*二级转变：在相变时两相化学势相等，化学势的一阶偏微熵也相等，但二阶偏微熵不同的转变，比如磁性转变、有序转变等。1.扩散型相变核长大主要依靠原子长距离扩散；相变依靠相界面的扩散扩散移动；相界面是非共格结构。2. 非扩散型相变（切变型）新相长大依靠类似塑形变形中滑移或者孪生那样产生切变和转动进行；旧相中原子有组织的、协调一致的移到新相中；相界面是共格界面，转变后个原子间的紧邻关系不变，化学成分也不变。3. 过渡型相变介于前两者之间，可以通过两个例子进行阐述。块状转变：类似于扩散型转变，只是原子只进行短距离扩散；贝氏体转变：若产生两相则一相扩散、一相切变；若只有一相，则一组元扩散、一组元切变。块

3、型转变最初在Cu-Zn合金中发现，当Zn含量为38%wt的Cu-Zn合金由相区快速冷过(+)相区时，相可以转变成其成分与之完全相同的块形相，这种块形相在相晶界处形核，并很快进入周围相中，通常这种相呈不规则外形，因而称为“块型”转变。块型转变的基本特征无成分变化，与马氏体型无扩散相变相同界面迁移速率比一般扩散型相变的界面迁移速率高得多具有不规则晶界的非等轴的块型形貌二、固态相变一般特点由于固态相变是在固相中进行，固态介质的特点决定了固态相变有自己的特点。固态介质：具有确定的形状、较高的切变强度、内部原子按照点阵规律排列、具有明显的各向异性、不同程度的存在不均匀的结构缺陷，这些都决定了固态相变要走

4、转变阻力小、做功少的道路。1. 固态相变的驱动力与阻力（1）驱动力：新旧两相能之差；（2）阻力：新旧两相产生相界面引起界面旧两相间因为比容不同导致的畸变能。能升高；新 Gp S总 VGV系统总的能变化等于体积能变化、界面能变化以及相变引起的应变能变化的和。2. 形核特点（1） 非均匀形核若均匀形核要求形核功大、所需过冷度大，温度低了扩散又变得。首先在面缺陷处，内外表面、晶界、相界面、亚晶界、孪晶界形核，其次是位错处，再次是点缺陷。（按照缺陷能大小）（2）的取向关系K-S关系：110bcc111fccbccfcc此时，相界能最低，密排面对外表面时，界面能最低。（3）共格界面与半共格界面共格应变能

5、与界面能的共格应变能：实际条件下，共格界面大多数属于压缩膨胀式共格、界面处必然存在应变，产生应变能。对那个共格引起的应变能大于共格条件所降低的界面能时，产生半共格、非共格现象。当新相非常小或者薄时，应变能小，阻容易出现共格现象。要是界面能，3. 成长特点（1）惯习现象固态相变过程中，新相成长时，易于沿着母相某些特定的晶面和晶向，以针状或片状的形势优先发展，这个特定的晶面叫做惯习面，特定的晶向叫做惯习方向。K-S关系：形核时界面能最低的界面优先发展；惯习现象：新相成长时沿应变能最小的方向生长。这两者一个形核一个长大，共同点是都减少相变阻力。组织与惯习现象新相以针状或者片状形势沿一定的方向躺卧在母

6、相的特定晶面上形成的组织叫做组织。组织严重破坏了组织性能。有取向关系不一定出现组织，组织出现后可以随着固态转变、再结晶过程消除。形核的取向关系和成长的惯习现象是固态相变过程中的两个既密切联系又相互区别的特征。前者完全针对晶体学关系，需要用X射线进对新旧相，金相显微镜即可观察。定。后者针（2）共格成长与非共格成长共格界面界面能低，界面扩散移动长不利；，对扩散型转变成马氏体、贝氏体转变却要求必须保持共格。4. 新生组织形态（1）新生相形态是为了适应固态介质结构、组织特点，克服相变阻力而来的结果。形状对于应变能：饼状、圆片状应变能最小；其次是针状；球状应变能最大。形状对于界面能：球状最小、针状居中、

7、片状最大。5. 过渡相所谓过渡相是指成分或结构或两者都处于新旧相之间的一种亚稳态相。过渡相是为了克服相变阻力而形成的，一种协调折中产物，不稳定，会向稳态转变。6.非扩散转变马氏体（1）一些固态转变由于温度低，原子扩散而无法进行，旧相又难于保留时，可以通过切变形式，无扩散的转变为另一种新相。这类相变可以统称为马氏体转变。（2）马氏体转变隶属于固态相变，出了具有固态相变的一般特点外，还有自身的特点。马氏体转变不引起化学成分变化，只产生结构类型变化，有时伴有有序化。马氏体转变也是形核、长大两个过程，但是长大速度非常快，转变速度完全取决于形核速度。新旧两相保持切变共格关系，共格关系一旦破坏，马氏体将不

8、再成长。（因为切变过程中原子随着界面切变而跨过界面转移到马氏体，一旦共格关系破坏，原子将无法随界面切变而移动位置。）马氏体转变可以是连续冷却，也可以是恒温转变，但都存在马氏体转变开始温度和马氏体转变结束温度，这两者随着成分变化而变化。一定条件下会出现应力诱发马氏体转变，但也要在Md（应力诱发马氏体转变开始温度）温度以下，Md随成分变化。存在某些合金可以发生可逆马氏体转变，钢铁不能发生。对应温度称为As、Af。少数可以进行可逆马氏体转变的合金中，马氏体转变及其逆转变很像是弹性形变，所以称为弹性马氏体。热弹性马氏体：当温度达到Ms以下时，随着温度的下降或上升，马氏体可以同步长大或缩小。若连续冷却则

9、马氏体连续长大，冷却停止，马氏体转变也停止，若连续加热这马氏体连续缩小，直至回到高温相。应力弹性马氏体：应力增加，马氏体转变量增加，应力减小，马氏体转变量减少，若应力取消，则马氏体回到高温相。形状合金：具有惯习现象的马氏体经过变形形成了孪晶和堆垛层错，若加热则发生马氏体的可逆转变，孪晶、堆垛层错。三、固溶体脱溶一个成分不同的新相在过饱和的固溶体中生成和长大的过程叫做脱溶。脱溶过程包括溶质偏聚过程，一直进行到母相由过饱和状态转变为饱和状态。任何固溶体由n相区转入n+1相区时都会发生脱溶。1.脱溶分类连续/不连续（成分变化）；普遍/局部（溶质分布）（1）连续/不连续连续：母相成分连续变化，除了新旧

10、相之间的界面，母相无新界面；不连续：脱溶相一旦形成，其周围一定距离内母相均变成饱和状态，出现与原始成分截然不同的分界面。（2）普遍/局部普遍：脱溶在整个固溶体上基本同时发生，新相分布均匀。局部：脱溶相只在局部区域产生。2. 脱溶过程（Al-Cu脱溶为例） 相代表铝基固溶体，相代表CuAl2为基的固溶体。 4%Cu、500左右达到饱和；平衡状态下，相优先沿着 相晶界生核长大，形成相沿晶界分布的网状组织。快冷时，相将出现过饱 和，甚至在室温条件下保持过饱和状态很长时间。脱溶序列：相GP区GP区：原子偏聚区；、是过渡相。（1） GP区（溶质原子偏聚区）：形成条件：在过饱和度较大或者过冷度较大的条件下

11、形成。例如铜铝合金淬火。结构变化：Al点阵中的铜原子富集，与相未分开，面，但由于Al、Cu半径不同，会出现应变区。组织形态：电镜下无法分辨，但存在应变区，引起衍射变化。影响：时效温度上升，扩散加强，过饱和度、过冷度降低会导致GP区尺寸变大，密度变小。相的形成（共格关系）当时效温度较高时，脱溶过程就从GP区进一步发展（这里是将已经淬火的过饱和铜铝合金进行时效，升温过程）既可由基体中生核并借助GP区溶解而长大，也可以由GP区转化而成。要借助电镜观察。的形成非均匀形核，易在螺型位错线或是亚晶形核；半共格关系，一般的光学显微镜可以观察到。相形成相分布不均匀，易沿原晶界生核长大；既可以在中长大，也可以在

12、中长大；相与旧相非共格、光学显微镜可观察。（5）总结凡是既无GP区也没过渡相的合金，其时效效果差；时效：金属或合金在大气温度下经过一段时间后，由于过饱和固溶体脱溶和晶格沉淀而使强度逐渐升高的现象。GP区大多共格，过渡相一般为共格、半共格，可均匀分布，也可非均匀分布；从相变驱动力来看，平衡相最有利，但从相变阻力（应变能、界面能）来说，GP区、过渡相都是力求沿阻力最小的途径而进行相变。3. 脱溶过程中的固溶度线的偏移（1）相图中的相界线是在平衡稳定状态下标定的；各相之间的综合能最低；相界面为平面。（2）若某一溶质组元可以形成几种化合物则其中稳定性大的，固溶度小（GP区最不稳定，固溶度最大，过渡相次

13、之，平衡相最稳定）；相界面不平，p=2/r （压应力）脱溶相原子半径最小，压力越大、越不稳定固溶大。4.脱溶后的组织连续脱溶后组织基本上完全取决于脱溶物的大小、形状、分布。（1）分布：取决于过饱和度、过冷度（两者均是越大越均匀）。不均匀的脱溶相的分布主要是沿晶界分布成网状；在母相特定晶面晶向形成氏组织之间。组织；介于网状和魏（2）形状：主要取决于应变能、界面能以及扩散条件。（3）大小：过饱和度或者过冷大所得颗粒小。5. 脱溶相的和形貌转化（1）若脱溶基本完成，新相、母相基本达到平衡浓度、再延长时间或者提高温度会发生新相化。长大和形貌转（2）界面能主导：小粒子溶解、大粒子生长，半径越来越大，p=

14、2/r （压应力）变小，脱溶相变稳定，向球形转变，脱溶相弯处向平处扩散；应变能主导：球状立方状棒状片状编织组织。6. 脱溶强化（1）失效强化现象：各合金硬度都随时间变化，先增大到峰值后有随时间逐渐降低（过时效）；合金过饱和到的峰值也大；大，硬化越早（孕育期短），达硬度峰值位于充分发展阶段，出现后硬度开始降低。某些饱和度很低的合金峰值位于相的位置。时效温度下降（过冷度变大），峰值越高，但到达峰值时间长。保证时效强化最大效果的办法：充分析出共格过渡相（过时效是平衡相析出或共格界面破坏的过程）。析出相越细小，越有利于强化。对于无GP区、过渡相的合金，若析出平衡相有一定的弥散度可强化，否则会软化。（2）时效强化机理金属的硬度、强度是由影响位错增殖、运动、交互作用的诸多控制的。环绕机制：第二相质点粒子阻碍位错运动，位错绕质点弯曲需要额外应力，直到产生一个绕质点一圈的位错环和一条扫过质点的位错线；位错环越累计越多，阻力越大。质点间距离越小，要通过所需的应力更大。切割机制虽然位错线运动遇到第二相粒子的阻碍，但仍然能克服阻力并直接通过质点进行滑移。*质点粒子半径越小，分散大，环绕阻力，大易发生切割。*随时效进行，第二相粒子总体积分数、质点大小均变大，切割越来越难，环绕开