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1、第二章 固态相变基础理论,2.1 概述2.2 新相形核2.3 界面结构与对新相形状2.4 相变动力学,2.1 概述,（1)固态转变是金属材料热处理的依据,热处理实质上通过改变和控制外部环境促使金属材料内部原子运动，发生原子聚集状态变化，从而获得所需组织，达到所需性能的工艺。热处理过程中材料性能变化的根源是固态转变。,固态转变广义上指物质中原子或分子的聚集状态的变化过程,晶体结构：e.g.-Fe-Fe化学成分：原子扩散有序化程度：有序无序转变，“AuCu”点缺陷、线缺陷、面缺陷：转化与相互反应能量：表面能、界面能、应变能之间的转化等。通常，兼而有之。,狭义上指晶体结构发生了变化的相变过程，即固态
2、相变,T,A,B,T1,T2,（2）固态相变的特点,满足最小自由能原理；相变驱动力使体系变化前后的自由能差，靠过冷（热）度获得；三个起伏：能量、结构、成分大多都是一个形核长大过程。也有自发分解！,在固体中，晶体中原子排列紧密，原子结合强，而且晶体中还存在晶体缺陷，固态相变也表现出独有的特征。,与液态金属结晶(凝固)相比，有相同之处，也有相异之处,共同点：,固态转变特殊点：,固态相变过程中可能出现亚稳定相,T，相变驱动力，但T，原子活动能力相变中止或缓慢，无法达到平衡。相变阻力使之无法进行完全。,Examples:(a)过饱和固溶体；(b)过渡相：GP区、”、；(c)马氏体,固态相变的特点(一般
3、规律),新相/母相相界，类似于晶界，可分共格、部分共格、非共格等三类,初生新相的相界面多为共格，而后逐渐向非共格界面发展。,比容不同体积应变能,形成共格相界共格应变能,相变是驱动力与阻力共同作用的结果-阶次规则(Step rule),固态相变过程中常先出现形核功小的亚稳相，并且可能出现一系列亚稳相，逐渐演变成稳定相。,固态相变过程中，会以如下顺序逐渐向能量最低方向转化，以减小阻力母相较不稳定的亚稳相较稳定的亚稳相稳定相 阶次规则,“脱溶序列”，如，Al(Cu)GP区(Al2Cu),并非固态相变都必须经历一个完整的序列，有时可以直接形成较稳定的相，有时可以永久地停留在较不稳定的相。改变外界条件，
4、控制相变过程,除了界面能外，应变能、梯度能成为相变的主要阻力,非均匀形核，晶核优先于晶体缺陷处形成,形核由难到易：均匀空位位错、层错晶界、相界自由表面 此外，局部应变区，夹杂物表面等都为固态相变易形核位置。,缺陷处高能结构，原子排列混乱，易产生原子偏聚，原子扩散阻力小。,在无缺陷处均匀形核的情形几乎没有,可以通过改变晶体缺陷的分布来改变新相的分布,晶体生长有两种方式：改组式和移位式,改组式扩散型相变,移位式无扩散型相变,新相与母相之间存在一定的位向关系，且常在母相一定晶面上形成,通常，表面能大而应变能小新相多呈球状 应变能大而表面能小新相多呈碟片状 表面能和应变能相当新相多呈针棒状,初生新相形
5、状多呈碟片状或针棒状，但也有例外。Al-Cu,Al-Sc,相界能量最低，相变阻力最小。初生新相/母相共格新相在母相一定晶面上形核，并沿一定的取向生长位向关系:最(次)密排面;最(次)密排方向(Generally)惯习（析）面:最(次)密排面,新相/母相界面共格程度、界面能和应变能三者与新相几何形状有关,魏氏组织:Fe-P、Fe-Ni、Cu-Si、Cu-Zn、Cu-Sn、Cu-Al、Al-Cu、Al-Ag、Ti-Cr以及其它许多合金系。形貌：组织呈有规则的纹理状。新相在某些方向上特别发达，呈片或针，大体平行或呈一定的夹角原因：新相沿惯习（析）面以共格或半共格界面初生，并沿阻力最小的低能方向茁壮生
6、长，而后虽共格破坏，但组织形貌依然保留下来。利弊：钢中通常有害，需防止。,An example,深冲弹簧钢中的魏氏组织,LY12均匀化的魏氏组织,Widmansttten ferrite in Fe-0.5C at 600OC for 1s.5000X.,Surface relief for Widmansttten ferrite in Fe-0.4C cooled at 100OC/min.5000X.,P,W,扩散型相变（改组、重构）,非扩散型相变（移位、切变）,本课程中涉及的相变，除了马氏体相变，大多为扩散型相变，如沉淀（脱溶、析出）、珠光体转变、贝氏体转变（介于马氏体相变和珠光体转变
7、之间的中间型相变）,新相生长时，母相中原子需长程扩散，跃过相界，达到一定浓度，实现晶体重构，并通过扩散调整成分。,原子无扩散。新相生长时，母相中原子不需扩散，只以小于原子间距的距离相对位移，实现晶体集体切变，新相成分与母相成分相同。,（3）固态相变的分类（原子迁移）,2.2 新相形核,均匀形核（任意随机地形核）、不均匀形核（实际情况）,均匀形核,（1）思路,起伏：能量、成分、结构起伏（涨落），过冷度，起伏-胚芽-临界尺寸（晶核）-稳定长大。晶核临界尺寸,临界形核功,（2）能量分析,相变驱动力：体系自由能差GV 相变阻力：界面能GS（化学，结构）弹性应变能GE（比容，共格）G-GV+GE+GS,
8、（3）晶核临界尺寸与临界形核功（设球形晶核）,G-GV+GE+GS-VGv+VGe+S-4r3/3Gv+4r3/3 Ge+4r2,令 G/r 0，则晶核临界尺寸,rC 2/（Gv-Ge）,临界尺寸代入后可得临界形核功,若Ge和一定，过冷度越大，rC越小，易形核,在晶体缺陷处不均匀形核，缺陷提供能量Gd，则，rC 2/（Gv+Gd-Ge）在晶体缺陷处形核，rC越小，易形核,Gc S/3 16 3/(3(Gv-Ge)2,若Ge和一定，Gc 1/Gv 2 1/T 2 Gc越小，易形核,在晶体缺陷处不均匀形核，缺陷提供能量Gd，GC越小，易形核 GC 16 3/（3(Gv+Gd-Ge)2）,2.3 界
9、面结构与对新相形状,（1）相界面结构,相界面类型与能量分析,完全共格相界：界面两侧成分有差异（化学项a），晶格耦合好，结构差别小（结构项0），有晶格畸变（比容项c、共格项d）,部分共格相界：介于完全共格相界和非 共 格 相 界之间,非 共 格 相 界：界面两侧成分有差异（化学项a），晶格耦合不好，结构差别大（结构项b），有晶格畸变（比容项c、但共格项0）,界面能完全共格 部分共格 非 共 格，以完全共格相界的最小；,应变能Ge完全共格 Ge部分共格 Ge非 共 格，非共格相界的最小；,新相以共格相界存在，需重点降低应变能，且重点降低共格项；而以非共格相界存在，需重点降低界面能，且重点降低结构项
10、。,（2）新相相界面类型选择能量最小原理,体系能量分析（对比完全共格相界和非共格相界两种情形）,新相形成时，GS S，而GE VGe,根据Rusell公式，可知，共格弹性应变能 Ge 3/2（E2）,|a-a|/a,假设新相为盘状，如图所示,r/t A（形状因子）,若以共格界面形式，只考虑共格应变能GE VGe3/2(At)2t（E2）C1t3,若以非共格界面形式，只需比较界面能，GS S（2(At)2+2(At)t）C2t2,故，以共格界面形核长大，则能量呈t3变化。,故，以非共格界面形核长大，则能量呈t2变化。,化学项 a，比容项c，结构项0，只需考察共格项d,界面类型选择：,右上图，有例
11、外，如Al-Sc，tc。,（）新相形状,新相的基本形状可分为:球、针、盘。,0,1.0,2.0,0,0.5,1.0,横纵比,相对量,相对量=GE/（GE+GS）,GE,GS,球,针,盘,新相形状与应变能/界面能的关系球形界面能最低；针形应变能最低；盘形介中,界面能起主要作用时，球化，以降界面能新相较大，非共格界面，需降界面能，球化；应变能起主要作用时，呈盘形，以降应变能新相小，共格界面，需降应变能，呈盘，同时也易保持共格关系；界面能核应变能的作用相当时，呈针形，以降整体能量脱溶时过渡亚稳相生长，部分共格界面，呈针棒形，尤其是在各向异性材料中。,理论上，新相初生时，多呈盘碟，随后逐渐向球形过渡，
12、但实际上，影响因素复杂；多有例外，Al-Ag（球），Al-Sc（球）；另外，不同合金系的GP区可能为盘、针、球,2.4 相变动力学,热力学解决可能性，动力学解决可行性和现实性（速率）,通常，影响相转变量的外因很多，这里只考察温度和时间。,（1）恒温条件下相转变量随时间的变化关系,J-M方程相变动力学的基本方程,假设：均匀形核；恒温下形核率 恒温下生长速率 相变过程中母相浓度不变,在t时刻，新相晶粒尺寸,若新相为球形，则其体积为，,设母相总体积V0，在t时刻，有Vt转变，还剩有V0 Vt，而在t时刻到t+dt时刻，新相增加dVt，,两侧同除V0，令Xt=Vt/V0，则有，,J-M方程,rever
13、sion,孕育期,t,X t,50%,四个假设不合实际，Avrami总结实验，修正，得，,等温相变动力学曲线（S曲线）,J-M-A(-K)方程相变动力学的基本方程（关系）式,令，则 的 最大值，即 时。,（2）相转变速率随相变温度的变化关系,对于冷却转变，,Gc形核功；Q 相变激活能,形核率,随着温度升高，形核率先升后降，在某个温度下存在一个极大值。低温，驱动力大，形核功小，但原子活动能力小；高温，驱动力小，形核功大，但原子活动能力大。,Gc1/T2,生长速率,当T很小，T较高,（两相成分相同，界面控制生长）,当T很大，T较小,随着温度升高，生长速率先升后降，在某个温度下存在一个极大值。,（成
14、分不同，一般为扩散控制生长）,随着温度升高，生长速率升高。,相变速率,温度,温度,界面控制,扩散控制,对于加热转变,G形核功；Q 相变激活能,随着温度升高，形核速率、生长速率升高，相变速率提高。低温，过热度小，驱动力小，形核功大，而且原子活动能力小；高温，过热度大，驱动力大，形核功小，但原子活动能力大。,（3）相变综合动力学曲线图(TTT图)Diagram of Transformation-temperature-time,冷却转变,TTT图的绘制,TTT图的意义,t,温度、时间对相变量的影响孕育期冷却速率热处理的依据,TTT图的图形与使用,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,
