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1、第二节:金属固态相变的基本特征,金属固态相变与液态金属结晶一样，其相变驱动力也来自新相与母相的自由能差，也通过形核与长大两个过程来完成。但因相变前后均为固态，故有以下几个特点。2.1相界面新旧相界面分为三类：共格界面，半共格界面，非共格界面。a 共格界面；两相界面上的原子排列完全吻合，即界面上的原子为两相所共有。如下图所示,只有孪晶面才是理想的完全共格界面，因为界面两侧是相同的一相，因此不产生弹性应变。实际上两相点阵总是有些差别的，或点阵类别不同，或点阵参数不同，因此两相界面完全共格时必将产生弹性应变。,（a)原子列；,(b)界面上的原子接合,当两相之间的共格联系依靠正应变来持维持时，称为第一
2、类共格；而以切应变来维持时称 为第二类共格，晶界两侧都有一定的畸变。(a)图为正应变，靠近晶界处一侧受压缩，另一侧受拉伸。(b)图为切应变，晶界附近有晶面弯曲,(a)第一类共格界面,(b)第二类共格界面,b 半共格界面：界面两侧的原子间距不同，只有部分原子能够依靠弹性畸变保持对应，不能匹配的位置上形成若干刃型位错。如图,原子列，新相膨胀,界面上的原子接合，新相收缩,c非共格界面,两相原子间距差别太大，界面完全不吻合，界面上存在大量缺陷，原子排列很不规则，如图,2.2界面能,界面能 由结构界面能st和化学界面能ch组成。即：=st+ch 结构界面能是由于界面处的原子键合被切断或削弱引起了势能的升
3、高，形成的界面能。，化学界面能是由于界面原子的结合键与两相内部原子键合的差别，导致界面能量升高。,两相界面上原子排列的不规则性将导致界面能的升高，所以非共格界面能最大，约为1J/m2左右；半共格界面能次之，不超过为0.5J/m2；共格界面能最小。约为0.1J/m2,2.3惯习面,固态相变时，新相往往在母相的一定晶面上开始形成，该晶面即称为惯习面。通常以母相的晶面指数表示。例如亚共析钢中，先共析铁索体从粗大的奥氏体晶粒析出时，除沿奥氏体晶界析出外，还沿奥氏体的(111)晶面析出，呈魏氏组织。故(111)即为析出先共析铁索体的惯习面。惯习面可能是原子移动最小距离就能形成新相的面,2.4新旧两相之间
4、的位向关系,固态相变时，为了减少新相与母相间的界面能，新相和母相之间的晶面和晶向往往存在一定的位向关系，它们常以低指数的、原子密度大而又彼此匹配较好的晶面相互平行。例如，钢中面心立方奥氏体转变为体心正方马氏体时，母相奥氏体的密排面(111）与新相马氏体的密排面(110)平行，母相奥氏体的密排向 与新相马氏体的密排方向 相平行。它称为K一S位向关系。一般地说，当两相界面为共格或半共格界面时，新相和母相之间必然有一定的位向关系；如果两相之间没有确定的位向关系，则界面肯定为非共格界面。,2.5弹性应变能,固态相变时，当新相与母相间存在点阵错配和体积错配时所引起的应变能，称为弹性应变能。（1）点阵错配
5、：新相和母相的晶体结构和位向相同，但点阵常数不同，由此在所形成的共格界面附近产生弹性应变的现象。而产生的应变能称为共格应变能。,点阵错配度：相邻两相界面处原子间距的相对差值。=a/a。a表示其中一相沿平行于界面的晶向上的原子间距，a表示两相在此方向上的原子间距之差。显然，越大，则弹性应变能越大，当增大到一定程度时，便难于继续维持完全共格，于是将在界面上产生一些位错，以降低界面的弹性应变能，这时界面上的两相原子变成部分地保持匹配。,0.05两相可以构成完全共格界面；大于o25时易形成非共格界面；介于0.05到0.25之间，则形成半共格界面。显然，共格应变能以共格界面最大，半共格界面次之，非共格界
6、面为零。,共格晶界的界面能很小，但因晶界附近有畸变，所以弹性畸变能大。这是共格界面的特点。共格晶界必须依靠弹性畸变来维持，当新相不断长大而使共格界面的弹性畸变能增大到足够量时，也可能超过母相的屈服极限而产生塑性变形，结果使共格联系遭到破坏。,（2）体积错配,新相和母相的比体积不同,固态相变时将发生体积变化,新相受到周围母相的约束不能自由涨缩而产生弹性应变能.,由比容差引起的应变能与新相粒子的几何形状有关，下图给出非共格新相粒子几何形状对应变能(相对值)的影响。设将不同形状的新相看成旋转椭球体，由图可见，圆盘形粒子所导致的应变能最小，其次是针状，球形粒子引起的应变能最大。a为椭圆体赤道面直径,c
7、旋转轴两极间的距离,新相形状与应变能的关系,旋转椭球体形成示意图,（3）相变阻力,(G界面+G弹性应变)两项之和为相变阻力。相变时哪一项阻力起主导作用取决于具体条件。过冷度大，临界晶核尺寸小，单位体积新相的界面面积很大，则G界面起主导作用，因而易取共格界面以降低G界面，且G界面的降低超过G弹性应变的增加，从而降低总的形核功。反之，过冷度小时，G弹性应变起主导作用，易形成非共格界界面，此时两相比容差别大时为降低G弹性应变新相易形成片状，反之形成球状。,2.6过渡相的形成,稳定态和亚稳定态对于一定的热力学条件，只有当某相的自由能位最低时，该相才是稳定的且处于平衡态；若某相的自由能虽然并不处于最低，
8、然而与最低自由能态具有能垒相分隔，则该相处于亚稳平衡态；若不存在这种能垒，则体系处于非稳定态，这种状态是不稳定的，它一定会转变为平衡态或亚稳态。,由相变热力学知道，相变是由于新旧相自由能差引起的。当稳定态的新相与母相晶体结构差异较大时，形成高能量的非共格界面，此时新相晶核尺寸很小，界面能对形核的阻碍作用很大，母相不能直接转变为自由能最低的稳定态，而是先形成晶体结构或成分与母相比较接近，自由能比母相稍低的亚稳定过渡相，随温度的升高或室温下放置的时间足够长，亚稳定相有继续转变为稳定相的趋势。,例如，钢在过冷度很大时，生成新相的临界尺寸很小，单位体积新相有较大的表面积，因此，界面能对成核的阻碍作用很
9、大。为降低成核功，多形成界面能较低的共格界面的过渡相，使成核容易进行。钢中下贝氏体的碳化物与基体共格即属于这种情况。过渡相虽然在一定条件可以稳定存在，但其自由能仍高于平衡相，有继续转变直至达到平衡相为止的倾向。如果经过适当的热处理后获得的过渡相组织在室温下使用，则这种趋向于平衡状态的转变慢得可以忽略不计。但是，若合金处在高温服役的条件下，这种情况便是不可忽视的。,2.6晶体缺陷的作用,大多固态相变的形核功较大，晶内存在的缺陷（晶界、位错、空位等）对固态相变具有明显的促进作用。从能量的角度出发，晶界处形核最容易，其次分别是位错和空位。,2.7原子的扩散,固态相变中原子的扩散速度是控制相变的主要因素，它受温度的影响很大，当T增大，相变驱动力增大，相变速度也增大，但当T很大时，相变温度低，原子扩散速度降低，相变速度反而降低。T增大到一定值时，原子扩散受抑制，发生无扩散型相变，形成亚稳定的过渡相。如奥氏体快冷转变为马氏体。,
