固态相变课件

1、材料科学基础,材料科学与工程学院,1,固态相变： 固态相变类型：,第八章固态相变,第八章 固态相变,固态物质在温度、压力、电场、磁场改变时，从一种组织结构转变成另一种组织结构。,扩散型,无扩散型,材料科学基础,材料科学与工程学院,2,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。 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 。,第八章 固态相变,固态相变的主要类型,1 平衡转变,(1)同素异晶转变,材料科学基础,材料科学与工程学院,3,(2) 平衡脱溶转变,高温过饱和固溶体缓慢冷却过程中析出第二相的过程 特点：

2、 (a) 新相的成分和结构始终 与母相的不同； (b)母相不会消失。 例如：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,材料科学基础,材料科学与工程学院,4,（3）共析转变 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。 例如：钢中的珠光体相变,材料科学基础,材料科学与工程学院,5,（4）调幅分解 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调幅分解。 1 + 2,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。,材料科学基础,材

3、料科学与工程学院,6,(5) 有序化转变 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。 Cu-Zn、Au-Cu等合金中均可发生这种转变,材料科学基础,材料科学与工程学院,7,2 不平衡转变,伪共析转变 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 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,材料科学基础,材料科学与工程学院,8,(2) 马氏体相变 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 在一定的冷速下奥氏体转变为与母

4、相成分相同而形貌呈块状的相的过程 通过原子的短程扩散使非共格相界面在母相中推移,材料科学基础,材料科学与工程学院,9,(4) 贝氏体相变 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。 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 在等温条件下，由过饱和固溶体中析出第二相的过程 析出相为非平衡亚稳相,材料科学基础,材料科学与工程学院,10,金属固态相变的三种基本变化： 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,有序程度,晶体结构,化学成分,材料科学基础,材

5、料科学与工程学院,11,3.固态相变的一般特征,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.,材料科学基础,材料科学与工程学院,12,一、相界面：,第一节 固态相变的特点,共格界面,半共格界面,非共格界面,材料科学基础,材料科学与工程学院,13,界面能=界面区单位面积的能量 无界面的母相完整晶体单位面积的能量。,化学能（表面能）,应变能（畸变能）,界面能,原子作弹性位移所需要的能量。,主要与化学键的数量和强度有关，与化学成分有关。,材料科学基础,材料科学与工程学院,14,两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 特点：界面能很小，弹性应变能大

6、 错配度= a/a 越大，弹性应变能越大,完全共格 弹性应变共格,（1）共格界面,材料科学基础,材料科学与工程学院,15,界面能：完全共格界面时， 应变能和界面能 都接近于零。 如有失配，导致 应变能增大。,=（a-a）/a 越大，造成界面上弹性应变能越大。 0.05,=0.1J/cm2,第一节 固态相变的特点,错配度,材料科学基础,材料科学与工程学院,16,第八章,第一节 固态相变的特点,第一节 固态相变的特点,半共格界面,当大到不能借助于弹性应变保持界面上的共格关系时，某些区域的失配可借助于形成位错来调整，而形成半共格界面或部分共格界面。,（2） 半共格界面,特点：相界面上分布若干位错，界

7、面上的两相原子部分地保持匹配，弹性应变能降低。,0.050.25, =0.5J/cm2,材料科学基础,材料科学与工程学院,17,当很大时，界面上的失配不能由弹性应变调整，也不能形成位错调整时，界面就是非共格的。,（3）非共格界面,界面能很大，应变能很小。,0.25, =1.0J/cm2,特点：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。,材料科学基础,材料科学与工程学院,18,共格和半共格界面时，两相间有一定的位向关系。,二、位向关系,例钢中奥氏体转变为马氏体时，有以下位向关系（K-S关系）： 111/110，/,注意： * 新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形

8、成。,原因：沿应变能最小的方向和界面能最低的界面发展。,材料科学基础,材料科学与工程学院,19,三、惯习面 固态相变时，新相往往在母相的一定晶面族上形成，这组晶面称为惯习面。,* 新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成。,第八章,第一节 固态相变的特点,第一节 固态相变的特点,钢中奥氏体转变为马氏体时K-S关系： 111/110，/ 这里，111就是惯习面,惯习方向,惯习面,材料科学基础,材料科学与工程学院,20,四 、应变能,第八章,第一节 固态相变的特点,第一节 固态相变的特点,表面能： 共格界面最小， 半共格界面次之， 非共格界面最大。,共格界面最大， 半共格界面次之， 非共格界面为零。,

9、两相界面上不匹配也引起弹性应变能：,材料科学基础,材料科学与工程学院,21,球状最大， 针状次之， 盘状最小。,非共格相界面新旧相比体积差引起应变能大小与新相的几何关系：,新相形成时，体积变化会受到周围母相的约束， 引起弹性应变能。 应变能大小还与新相几何形状有关。,材料科学基础,材料科学与工程学院,22,固态相变的阻力：界面能 + 应变能,共格和半共格新相形成时，相变阻力主要是应变能。,非共格新相形成时，相变阻力主要是表面能。,材料科学基础,材料科学与工程学院,23,易出现过渡相,固态相变阻力大，直接转变困难 协调性中间产物（过渡相),Fe3C,+(3Fe+C), +Fe3C,M,材料科学基

10、础,材料科学与工程学院,24,第八章,第二节 固态相变的形核,第二节 固态相变的形核,一、 均匀形核 自由能变化：,体积自由能变化,表面能,应变能,临界形核功：,材料科学基础,材料科学与工程学院,25,具有低表面能和高应变能的共格晶核，倾向于盘状或片状。 具有高表面能和低应变能的非共格晶核，可能呈球形或等轴状 形核时因体积胀大而引起应变能显著增加，晶核趋于呈片状或针状,材料科学基础,材料科学与工程学院,26,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,材料科学基础,材料科学

11、与工程学院,27,第八章,第二节 固态相变的形核,第二节 固态相变的形核,二 非均匀形核 概念：母相中晶界、位错、空位等晶体缺陷处形核。 固态相变均匀形核的可能性很小，非均匀 形核（依靠晶体缺陷）是主要的形核方式。,表面能量高，降低形核功 结构混乱，形核阻力小 易扩散、偏析，利于扩散相变 新相/母相形成共格、半共格界面降低界面能,1 晶界形核： 大角度晶界优先形核,晶界形核,材料科学基础,材料科学与工程学院,28,晶界形核的形状,界面上形核 双球冠 一侧共格 一侧球冠,界棱处形核,界角处形核,材料科学基础,材料科学与工程学院,29,第八章,第二节 固态相变的形核,第二节 固态相变的形核,2 位

12、错形核 新相在位错上的三种形核形式： (1)位错线上形核，位错消失，降低形核功。 (2)位错不消失，依附于新相晶界，补偿失配。 (3)溶质原子在位错线上偏聚，促进形核。,图4.10 位错线上的沉淀相,材料科学基础,材料科学与工程学院,30,第八章,第二节 固态相变的形核,第二节 固态相变的形核,3空位及空位集团,促进扩散 新相生成处空位消失，提供能量 空位群可凝结成位错 （在过饱和固溶体的脱溶析出过程中，空位作用更明显。）,图7.14 合金工艺处理12h后的沉淀相和晶界,空位形核,材料科学基础,材料科学与工程学院,31,第八章,第三节 固态相变的晶核长大,第三节 固态相变的晶核长大,一、生长机

13、制 （1）扩散型：半共格、非共格 1 非共格界面的迁移 两种方式： (1)界面各点连续生长 (2)界面成台阶状结构生长,长大方式：扩散、切变 扩散型相变新相的长大过程：界面控制，扩散控制,2 半共格界面的迁移 通过位错的滑移使界面迁移,材料科学基础,材料科学与工程学院,32,（2）协同型长大机制 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 如马氏体相变，会发生外形变化，出现表面浮凸 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,材料科学基础,材料科学与工程学院,33,第八章,第三节 固态相变的晶核长大,第三节 固态相变的晶核长大,二、 生长速率 1 受相界面

14、控制的生长速率 新相生成时无成分变化 （有结构、有序度变化）,2 扩散控制的长大速率 新相生成时有成分变化,材料科学基础,材料科学与工程学院,34,三、 固态相变动力学,研究新相形成量(体积分数)与时间、温度关系的学科称为相变动力学。 与再结晶过程类似，形核长大过程。,材料科学基础,材料科学与工程学院,35,（1）约翰逊-梅尔方程（Johnson-Mehl方程),当形核率和长大速度恒定时，恒温转变动力学,材料科学基础,材料科学与工程学院,36,(2) 阿弗拉密方程 ( Avrami方程),当形核率和长大速度随时间而变时,材料科学基础,材料科学与工程学院,37,（3）C曲线,材料科学基础,材料科

15、学与工程学院,38,图 1-16 （a） S曲线 （b）C曲线,材料科学基础,材料科学与工程学院,39,第八章,第三节 固态相变的晶核长大,第三节 固态相变的晶核长大,材料科学基础,材料科学与工程学院,40,本节内容 1.脱溶 （1）概念 （2）脱溶过程 （3）类型（连续脱溶、不连续脱溶） （4）动力学 2.调幅分解 （1）概念 （2）条件 （3）特点 重点与难点 1.重点：脱溶的概念和过程、脱溶的类型 2.难点：调幅分解的条件,第四节 扩散型相变示例,第八章,第四节 扩散型相变示例,材料科学基础,材料科学与工程学院,41,第八章,第四节 扩散型相变示例,一、脱溶（时效）转变,脱溶（沉淀）：从

16、过饱和固溶体中析出一个成分不同的新相或形成溶质原子富集的亚稳区过渡相的过程。,1 概念：,第四节 扩散型相变示例,材料科学基础,材料科学与工程学院,42,2 脱溶转变过程 （以Al-Cu合金为例）,析出过程（析出序列）： GP ”(G P ) ,第八章,第四节 扩散型相变示例,第四节 扩散型相变示例,1,材料科学基础,材料科学与工程学院,43,（1）过饱和固溶体,第八章,第四节 扩散型相变示例,第四节 扩散型相变示例,材料科学基础,材料科学与工程学院,44,GP区直径约8nm, 厚约0.3-0.6nm,（2）GP（Guinier-Preston）区,第八章,第四节 扩散型相变示例,第四节 扩散

17、型相变示例,材料科学基础,材料科学与工程学院,45,直径约30-100nm，厚约2-10nm,第八章,第四节 扩散型相变示例,（3）,（即GP(II)区）,第四节 扩散型相变示例,材料科学基础,材料科学与工程学院,46,.,第四节 扩散型相变示例,第八章,第五节 无扩散型相变,材料科学基础,材料科学与工程学院,47,3脱溶类型,不连续脱溶,连续脱溶,均匀脱溶,局部脱溶,脱溶,(过冷度和过饱和度较小时),第八章,第四节 扩散型相变示例,脱溶类型是以析出后的显微组织确定的。,(过冷度和过饱和度较大时),第四节 扩散型相变示例,材料科学基础,材料科学与工程学院,48,第八章,第四节 扩散型相变示例,

18、（1）连续脱溶,脱溶在母相中各处同时发生，且随新相形成母相成分发生连续变化，但晶粒外形及位相均不变。,脱溶相与母相之间存在特殊的晶体学取向关系。,当二者结构相差很大时，不存在共格关系，脱溶相为等轴状，取向是任意的。,当脱溶相与母相之间结构和点阵常数接近时，两相保持共格关系，析出相为圆盘形、球状或立方状。,第四节 扩散型相变示例,材料科学基础,材料科学与工程学院,49,第八章,第四节 扩散型相变示例,1）均匀脱溶,析出物附近基体的浓度变化是连续的。在均匀脱溶的析出物分布是较为均匀的，或者说是较为全面的。,均匀脱溶的形核属于均匀形核，析出物的分布与基体中的晶界、位错等缺陷无关。,析出物长大时，溶质

19、原子进行长程扩散。,第四节 扩散型相变示例,材料科学基础,材料科学与工程学院,50,较为常见的局部脱溶有两种:,第八章,第四节 扩散型相变示例,2）局部脱溶,过冷度和过饱和度较小时，脱溶物优先在晶界、滑移带、非共格孪晶界和位错等处，即发生局部脱溶。,滑移面脱溶,晶界脱溶,第四节 扩散型相变示例,材料科学基础,材料科学与工程学院,51,第八章,第四节 扩散型相变示例,第四节 扩散型相变示例,材料科学基础,材料科学与工程学院,52,第八章,第四节 扩散型相变示例,（2）不连续脱溶,不连续脱溶的主要特征是沿晶界不均匀形核，然后逐步向晶内扩展，组织形态与P相似。,不连续脱溶过程中，析出区与未析出区，在

20、界面两侧溶质浓度的变化是突变的，不连续的。,脱溶一旦形成，其周围一定范围内的固溶体立即由过饱和变为饱和，并与母相原始成分形成明显分界面。,快速短程扩散，一旦形核生长速率高。,第四节 扩散型相变示例,材料科学基础,材料科学与工程学院,53,颗粒大小不均匀导致母相中的浓度差，通过原子扩散使小颗粒不断溶解、大颗粒不断长大。,第四节 扩散型相变示例,第八章,第五节 无扩散型相变,材料科学基础,材料科学与工程学院,54,又称增幅分解，指过饱和固溶体在一定温度下分解成结构相同、成分不同的两个相的过程。,第八章,第四节 扩散型相变示例,二、 调幅分解,1 概念：,第四节 扩散型相变示例,图1-1 Al-Li

21、合金平衡相图；图中的点划线表示相(Al3Li)的固溶线,材料科学基础,材料科学与工程学院,55,2 调幅分解的热力学条件和决定因素,(2)每个原子有足够的相变驱动力Gv。,(1)起始成分在两个化学拐点之间;,第八章,第四节 扩散型相变示例,第四节 扩散型相变示例,材料科学基础,材料科学与工程学院,56,Figure 32-8: Composition profiles drawn at different times during decomposition.,1)通过上坡扩散实现成分变化,（2）调幅分解的特点,第八章,第四节 扩散型相变示例,第四节 扩散型相变示例,(2)不经历形核阶段，不存

22、在明显的相界面，分解速度快。,材料科学基础,材料科学与工程学院,57,小结,脱溶：从过饱和固溶体中析出一个成分不同的新相或形成溶质原子富集的亚稳区过渡相的过程。 脱溶过程首先形成亚稳定的过渡相，然后逐渐变为稳定性，进行长大。 脱溶包括连续脱溶和不连续脱溶。 调幅分解： 过饱和固溶体在一定温度下分解成结构相同、成分不同的两个相的过程。 调幅分解的条件和特征,第四节 扩散型相变示例,第八章,第五节 无扩散型相变,材料科学基础,材料科学与工程学院,58,第八章,第五节 无扩散型相变,第五节 无扩散型相变,本节内容： 1.无扩散相变的特点 2.马氏体相变 （1）马氏体相变的特征 （2）马氏体相变的晶体

23、学表象理论 （3）马氏体的形核和动力学 3.多晶型转变 位移型转变、重构型转变 重点和难点： 1.重点：马氏体相变的特征 2.难点：马氏体相变的晶体学表象理论,材料科学基础,材料科学与工程学院,59,第八章,第五节 无扩散型相变,无扩散型相变：以切变方式进行，又称协同型相变。 相变过程中，参与转变的所有原子运动是协调一致的。 表面会出现凸浮。 特征： (1)存在均匀应变而产生的形状改变。 (2)母相与新相之间有一定的晶体学位向关系。 (3)母相与新相的成分相同。 (4)界面移动极快，可接近声速。,第五节 无扩散型相变,材料科学基础,材料科学与工程学院,60,第八章,第五节 无扩散型相变,马氏体

24、与基体的自由表面交截时，表面出现浮凸。,一、 马氏体相变,1.马氏体相变的晶体学,重要特征一：,第五节 无扩散型相变,材料科学基础,材料科学与工程学院,61,存在不变平面，即惯习面。相变产生的变形是均匀的。,重要特征二：,第八章,第五节 无扩散型相变,第五节 无扩散型相变,P,Q,R,S,A1,A2,B1,B2,C1,C2,D1,D2,P,Q,R,S,A1 ,A2,B1 ,B2,C1 ,C2,D1 ,D2,材料科学基础,材料科学与工程学院,62,图中的C)既有膨胀又有切变，钢中马氏体转变即属于这一种。,第八章,第五节 无扩散型相变,第五节 无扩散型相变,材料科学基础,材料科学与工程学院,63,

25、马氏体相变中，新旧相之间有一定的位相关系。,K-S关系：,111/110M；/M,-111,(110),(111),-101,重要特征三：,第八章,第五节 无扩散型相变,第五节 无扩散型相变,材料科学基础,材料科学与工程学院,64,KS关系,材料科学基础,材料科学与工程学院,65,111/110M；/M,西山关系：,第八章,第五节 无扩散型相变,110M,(110)M,(111),211,第五节 无扩散型相变,材料科学基础,材料科学与工程学院,66,第八章,第五节 无扩散型相变,重要特征四：,马氏体具有亚结构：,第五节 无扩散型相变,材料科学基础,材料科学与工程学院,67,2. 片状马氏体,片

26、状马氏体，无“中脊”，形成温度稍高，多为K-S关系,板条状马氏体，三维为凸透镜状，有“中脊”，形成温度较低，为K-S或N-W关系,材料科学基础,材料科学与工程学院,68,透镜状马氏体的亚结构主要为孪晶，中脊为高密度微细孪晶,孪晶亚结构,材料科学基础,材料科学与工程学院,69,2.马氏体相变的晶体学表象理论,第八章,第五节 无扩散型相变,(1)Bain理论,第五节 无扩散型相变,材料科学基础,材料科学与工程学院,70,(2)Read和Bowles理论,马氏体相变分三步： 1）通过Bain变形 产生新的晶体结构 2）进行点阵不变 的切变，使惯习 的应变为0 3）马氏体作刚性 移动，使惯习面 回到原来的位置， 成为不变平面。,第八章,第五节 无扩散型相变,第五节 无扩散型相变,材料科学基础,材料科学与工程学院,71,第八章,第五节 无扩散型相变,等温马氏体,3 马氏体相变的形核及动力学,马氏体相变开始温度Ms 马氏体相变终了温度Mf,根据马氏体转变动力学，马氏体相变材料分类：,变温马氏体（非热马氏体）,第五节 无扩散型相变,马氏体转变是形核和长大的过程。,材料科学基础,材料科学与工程学院,7