第1章 金屬固態(tài)相變基礎

1、1熱熱 處處 理理 工工 程程 基基 礎礎梁順星梁順星2課程特點課程特點 內(nèi)容復雜、理論性強、名詞概念多。該課程涉及金內(nèi)容復雜、理論性強、名詞概念多。該課程涉及金屬學、材料學、力學、物理學、化學及工藝學等多屬學、材料學、力學、物理學、化學及工藝學等多方面的基礎知識，是一門綜合性很強的課程。方面的基礎知識，是一門綜合性很強的課程。 課程實踐性強，應用面廣。課程實踐性強，應用面廣。3課程學習意義課程學習意義為從事金屬材料工程相關的工藝設計、產(chǎn)品研發(fā)、為從事金屬材料工程相關的工藝設計、產(chǎn)品研發(fā)、質(zhì)量檢測與管理工作做好理論準備。質(zhì)量檢測與管理工作做好理論準備。為以后繼續(xù)在金屬材料領域深造打下堅實的基為

2、以后繼續(xù)在金屬材料領域深造打下堅實的基礎。礎。4參考教材參考教材熱處理工程基礎熱處理工程基礎 陸陸 興興 主編主編金屬材料熱處理金屬材料熱處理 鄧至謙鄧至謙 主編主編金屬熱處理金屬熱處理 李松瑞李松瑞 主編主編金屬與合金中的固態(tài)相變金屬與合金中的固態(tài)相變 陳景榕陳景榕 主編主編5緒緒 論論 引言引言 熱處理的發(fā)展歷史熱處理的發(fā)展歷史 熱處理的作用熱處理的作用 金屬熱處理的方法與工藝金屬熱處理的方法與工藝6u引言引言 人類的發(fā)展史與金屬材料的應用及其發(fā)展緊密相人類的發(fā)展史與金屬材料的應用及其發(fā)展緊密相連。在工程領域，金屬材料一直是工程結(jié)構材料連。在工程領域，金屬材料一直是工程結(jié)構材料的主體的主體

3、 金屬材料在工程結(jié)構材料中的主體地位受到挑戰(zhàn)金屬材料在工程結(jié)構材料中的主體地位受到挑戰(zhàn) 致力于發(fā)展高性能金屬材料，克服不足是金屬材致力于發(fā)展高性能金屬材料，克服不足是金屬材料未來發(fā)展的一個重要方向料未來發(fā)展的一個重要方向 如何通過新的原理和技術強化金屬材料并且盡量如何通過新的原理和技術強化金屬材料并且盡量少損失其塑性和韌性是金屬材料熱處理研究的重少損失其塑性和韌性是金屬材料熱處理研究的重要課題要課題7u 熱處理的發(fā)展歷史熱處理的發(fā)展歷史民間技藝階段民間技藝階段 開始于退火工藝開始于退火工藝：銅及其合計通過退火后才能進一步加工：銅及其合計通過退火后才能進一步加工成兵器及生活用具。最早的鋼鐵鍛造是

4、成兵器及生活用具。最早的鋼鐵鍛造是3000多年前兩河流多年前兩河流域?qū)﹄E石的退火和鍛造域?qū)﹄E石的退火和鍛造 鑄鐵柔化術鑄鐵柔化術：公元前：公元前5世紀我國就發(fā)明了鑄鐵柔化術，其世紀我國就發(fā)明了鑄鐵柔化術，其實就是通過不同的退火技術使白口鑄鐵具有韌性實就是通過不同的退火技術使白口鑄鐵具有韌性 淬火和滲碳工藝淬火和滲碳工藝：公元前：公元前6世紀為了提高兵器的強度，淬世紀為了提高兵器的強度，淬火工藝得到迅速發(fā)展。西漢中山晉王墓中的寶劍表面和心火工藝得到迅速發(fā)展。西漢中山晉王墓中的寶劍表面和心部的含碳量差別非常大。部的含碳量差別非常大。 這些技術都是當時的這些技術都是當時的“獨門秘術獨門秘術”不肯外傳

5、，發(fā)展緩慢不肯外傳，發(fā)展緩慢8實驗科學階段實驗科學階段 從從1665年到年到1895年，隨著顯微技術的發(fā)展，熱處年，隨著顯微技術的發(fā)展，熱處理向?qū)嶒灱夹g發(fā)展理向?qū)嶒灱夹g發(fā)展 法國人奧斯蒙德確立的法國人奧斯蒙德確立的鐵的同素異構理論鐵的同素異構理論以及英以及英國人奧斯汀最早制定的國人奧斯汀最早制定的鐵碳相圖鐵碳相圖奠定了現(xiàn)代熱處奠定了現(xiàn)代熱處理的初步理論基礎。理的初步理論基礎。 金相學金相學應用于材料熱處理促進熱處理的研究應用于材料熱處理促進熱處理的研究 金屬熱處理工藝的研究金屬熱處理工藝的研究9熱處理理論科學研究階段熱處理理論科學研究階段美國的美國的J.WillardGibbs提出提出相平衡的

6、相平衡的熱力學理熱力學理論論法國的法國的Osmond發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)相變潛相變潛熱現(xiàn)象熱現(xiàn)象，Gurie進一進一步研究該步研究該現(xiàn)象現(xiàn)象Arrhenius提出了提出了熱熱激活過程激活過程的基本公的基本公式式Austen繪繪制了第一制了第一幅幅Fe-C相相圖圖，之后，之后建立了完建立了完整的熱處整的熱處理理論體理理論體系系熱處理技熱處理技術及熱力術及熱力學的發(fā)展學的發(fā)展快速的促快速的促進了熱處進了熱處理的發(fā)展理的發(fā)展10u熱處理在金屬材料生產(chǎn)中的作用熱處理在金屬材料生產(chǎn)中的作用 所謂熱處理，是指借助一定的熱作用（有所謂熱處理，是指借助一定的熱作用（有時兼之以機械作用、化學作用或其他作用）來時兼之以機械作

7、用、化學作用或其他作用）來人為的改變金屬材料內(nèi)部的組織和結(jié)構，從而人為的改變金屬材料內(nèi)部的組織和結(jié)構，從而獲得所需要性能的工藝操作。獲得所需要性能的工藝操作。1.熱處理的定義熱處理的定義11 在各種金屬材料和制品的生產(chǎn)過程中，熱處在各種金屬材料和制品的生產(chǎn)過程中，熱處理是不可缺少的重要環(huán)節(jié)之一。理是不可缺少的重要環(huán)節(jié)之一。 圖圖1一種可熱處理強化有色金屬板帶的生產(chǎn)一種可熱處理強化有色金屬板帶的生產(chǎn)流程示意圖。流程示意圖。12鑄錠鑄錠均勻化均勻化熱軋熱軋中間退火中間退火冷軋冷軋完工退火完工退火剪切剪切淬火淬火矯直矯直時效時效熱處理的過熱處理的過程程132.熱處理的主要作用和目的熱處理的主要作用和

8、目的 用高碳鋼制造的刀具，正火和球化退火是用高碳鋼制造的刀具，正火和球化退火是保證機械加工性能要求的必不可少的工序。保證機械加工性能要求的必不可少的工序。o改善工藝性能，保證后道工序順利進行。改善工藝性能，保證后道工序順利進行。均勻化退火均勻化退火可以改善熱加工性能；可以改善熱加工性能；中間退火中間退火可以改善冷加工性能；可以改善冷加工性能；14提高材料的使用性能，充分發(fā)揮材料潛力。提高材料的使用性能，充分發(fā)揮材料潛力。 航空工業(yè)中應用廣泛的航空工業(yè)中應用廣泛的2A12鋁合金，經(jīng)淬火鋁合金，經(jīng)淬火和時效處理后，抗拉強度可從和時效處理后，抗拉強度可從196 MPa提高到提高到392490 MPa

9、。 共析碳鋼經(jīng)熱軋空冷，硬度僅為共析碳鋼經(jīng)熱軋空冷，硬度僅為HRC 25左左右，加工成刀具后再進行淬火和低溫回火，硬右，加工成刀具后再進行淬火和低溫回火，硬度可達度可達HRC62 以上，抗拉強度可達以上，抗拉強度可達1372 MPa。15u 金屬熱處理的方法與工藝金屬熱處理的方法與工藝熱處理過程：加熱、保溫、冷卻熱處理過程：加熱、保溫、冷卻1.基本熱處理基本熱處理2.化學熱處理化學熱處理3.形變熱處理形變熱處理161. 基本熱處理基本熱處理定義：定義： 基本熱處理，也稱常規(guī)熱處理，是指以熱作基本熱處理，也稱常規(guī)熱處理，是指以熱作用為主要過程的熱處理，即只有熱作用對金屬用為主要過程的熱處理，即只

10、有熱作用對金屬材料的內(nèi)部組織、結(jié)構、狀態(tài)和性能起決定性材料的內(nèi)部組織、結(jié)構、狀態(tài)和性能起決定性的影響。的影響。 特點：在熱處理前后，材料的化學成分、形狀特點：在熱處理前后，材料的化學成分、形狀和尺寸并不發(fā)生大的變化。和尺寸并不發(fā)生大的變化。17基本熱處理的主要類型基本熱處理的主要類型均勻化退火（擴散退火）均勻化退火（擴散退火）淬火淬火基于回復、再結(jié)晶的退火基于回復、再結(jié)晶的退火基于固態(tài)相變退火基于固態(tài)相變退火時效或回火時效或回火退火退火18淬火淬火退火退火時效時效/ /回火回火時間時間溫度溫度19 是用于消除或減少鑄態(tài)合金非平衡狀態(tài)的熱處是用于消除或減少鑄態(tài)合金非平衡狀態(tài)的熱處理。其基本過程和

11、主要目的是借助高溫時合金內(nèi)理。其基本過程和主要目的是借助高溫時合金內(nèi)部（固溶體）部（固溶體）原子的擴散，使鑄錠（或鑄件）晶，使鑄錠（或鑄件）晶內(nèi)化學成分均勻，組織達到或接近平衡狀態(tài)內(nèi)化學成分均勻，組織達到或接近平衡狀態(tài)，改，改善復相合金中第二相的形狀和分布，提高合金塑善復相合金中第二相的形狀和分布，提高合金塑性，改善加工性能和最終使用性能。性，改善加工性能和最終使用性能。均勻化退火（擴散退火）：均勻化退火（擴散退火）：退火退火20 金屬冷變形后組織處于亞穩(wěn)狀態(tài)，內(nèi)能高、金屬冷變形后組織處于亞穩(wěn)狀態(tài)，內(nèi)能高、強度硬度增加、組織發(fā)生變化，有時還出現(xiàn)織強度硬度增加、組織發(fā)生變化，有時還出現(xiàn)織構。若加

12、熱到一定溫度，會發(fā)生回復、再結(jié)晶，構。若加熱到一定溫度，會發(fā)生回復、再結(jié)晶，變形織構也會發(fā)生變化，從而在變形織構也會發(fā)生變化，從而在一定程度上消一定程度上消除了由冷變形造成的亞穩(wěn)定狀態(tài)除了由冷變形造成的亞穩(wěn)定狀態(tài)，使金屬材料，使金屬材料獲得所需組織、結(jié)構和性能。這種熱處理還包獲得所需組織、結(jié)構和性能。這種熱處理還包括消除應力退火。括消除應力退火。基于回復、再結(jié)晶的退火基于回復、再結(jié)晶的退火21 與均勻化退火及基于回復和再結(jié)晶退火的主要與均勻化退火及基于回復和再結(jié)晶退火的主要區(qū)別是后者并不以固態(tài)相變?yōu)橄葲Q條件，或者不區(qū)別是后者并不以固態(tài)相變?yōu)橄葲Q條件，或者不發(fā)生任何固態(tài)相變，而前者的先決條件和基

13、本過發(fā)生任何固態(tài)相變，而前者的先決條件和基本過程則是擴散型固態(tài)相變。如多型性轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)程則是擴散型固態(tài)相變。如多型性轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變、加熱時第二相溶解和冷卻時第二相析出等。變、加熱時第二相溶解和冷卻時第二相析出等?；诠虘B(tài)相變退火基于固態(tài)相變退火是一種以固態(tài)金屬經(jīng)高溫保溫和冷卻所發(fā)生擴散是一種以固態(tài)金屬經(jīng)高溫保溫和冷卻所發(fā)生擴散型相變?yōu)榛A的熱處理。型相變?yōu)榛A的熱處理。22 將金屬合金從固態(tài)下的高溫狀態(tài)以冷卻或過將金屬合金從固態(tài)下的高溫狀態(tài)以冷卻或過飽和的形式固定到室溫，或使高溫相在冷卻時飽和的形式固定到室溫，或使高溫相在冷卻時轉(zhuǎn)變成另一種晶體結(jié)構的亞穩(wěn)狀態(tài)，稱為淬火。轉(zhuǎn)變成另一種晶體結(jié)構的

14、亞穩(wěn)狀態(tài)，稱為淬火。淬火淬火23無多型性轉(zhuǎn)變的淬火無多型性轉(zhuǎn)變的淬火：淬火僅僅是使高溫相以過：淬火僅僅是使高溫相以過冷或過飽和狀態(tài)固定到室溫。在淬火過程中晶冷或過飽和狀態(tài)固定到室溫。在淬火過程中晶體結(jié)構不發(fā)生變化，一般稱為固溶處理。體結(jié)構不發(fā)生變化，一般稱為固溶處理。 根據(jù)淬火金屬合金內(nèi)部所發(fā)生的過程，又可以根據(jù)淬火金屬合金內(nèi)部所發(fā)生的過程，又可以分為兩種：分為兩種：有多型性轉(zhuǎn)變的淬火有多型性轉(zhuǎn)變的淬火：淬火時金屬合金的晶體結(jié)：淬火時金屬合金的晶體結(jié)構類型發(fā)生改變，如馬氏體相變。構類型發(fā)生改變，如馬氏體相變。24 與基于固態(tài)相變的退火相似，淬火的先決與基于固態(tài)相變的退火相似，淬火的先決條件是必

15、須在固態(tài)下有相變，如多型性轉(zhuǎn)變或條件是必須在固態(tài)下有相變，如多型性轉(zhuǎn)變或第二相的溶解和析出（即固溶度隨溫度降低而第二相的溶解和析出（即固溶度隨溫度降低而減?。?。但與退火不同，在大多數(shù)情況下要減?。?。但與退火不同，在大多數(shù)情況下要快冷，使淬火時，使淬火時無擴散過程發(fā)生無擴散過程發(fā)生?；驍U散不是過?；驍U散不是過程的控制因素。程的控制因素。 相圖上有多型性轉(zhuǎn)變或隨溫度升高固溶度增相圖上有多型性轉(zhuǎn)變或隨溫度升高固溶度增加的合金，原則上都可以進行淬火處理。加的合金，原則上都可以進行淬火處理。25 淬火的主要目的是為了獲得過飽和固溶體，淬火的主要目的是為了獲得過飽和固溶體，為隨后的時效或回火做好準備。有些

16、合金在淬為隨后的時效或回火做好準備。有些合金在淬火狀態(tài)具有良好的塑性，因而這些合金的淬火火狀態(tài)具有良好的塑性，因而這些合金的淬火可作為冷成型前的軟化操作，如矯直、成型等?？勺鳛槔涑尚颓暗能浕僮?，如矯直、成型等。此外，少數(shù)合金在淬火后具有最佳的性能，淬此外，少數(shù)合金在淬火后具有最佳的性能，淬火就是這種合金最終熱處理形式。火就是這種合金最終熱處理形式。26 注意：時效和回火是合金淬火的后續(xù)工序，注意：時效和回火是合金淬火的后續(xù)工序，沒有淬火，就沒有所謂的時效或回火。利用淬火沒有淬火，就沒有所謂的時效或回火。利用淬火和時效，或淬火和回火，可賦予合金優(yōu)良的綜合和時效，或淬火和回火，可賦予合金優(yōu)良的綜

17、合性能。性能。時效或回火時效或回火 室溫保持或加熱使過飽和固溶體分解的熱處理，室溫保持或加熱使過飽和固溶體分解的熱處理，稱為時效或回火。稱為時效或回火。 無論合金有無多型性轉(zhuǎn)變，淬火得到的過飽和無論合金有無多型性轉(zhuǎn)變，淬火得到的過飽和固溶體，都是具有較高能量狀態(tài)的亞穩(wěn)相，經(jīng)過固溶體，都是具有較高能量狀態(tài)的亞穩(wěn)相，經(jīng)過時效或回火處理，它就會通過過飽和固溶體的分時效或回火處理，它就會通過過飽和固溶體的分解來實現(xiàn)向較低能量的穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化。解來實現(xiàn)向較低能量的穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化。27 由于熱作用和化學作用同時發(fā)生，使某些元由于熱作用和化學作用同時發(fā)生，使某些元素（金屬或非金屬）滲入到金屬合金中，所以素（金屬

18、或非金屬）滲入到金屬合金中，所以化學熱處理不僅可以改變合金的金屬材料的組化學熱處理不僅可以改變合金的金屬材料的組織，而且還可以改變其化學成分（一般是表面織，而且還可以改變其化學成分（一般是表面成分）。如：滲碳、滲氮和碳氮共滲等。成分）。如：滲碳、滲氮和碳氮共滲等。2. 化學熱處理化學熱處理 化學熱處理是將熱作用和化學作用結(jié)合起來化學熱處理是將熱作用和化學作用結(jié)合起來的一種熱處理。的一種熱處理。 在化學熱處理時，金屬材料的形式和尺寸通在化學熱處理時，金屬材料的形式和尺寸通常不發(fā)生大的變化。常不發(fā)生大的變化。28 化學熱處理的化學熱處理的主要目的主要目的是改善材料的表面性能是改善材料的表面性能（如

19、提高材料表面硬度、耐磨性和耐蝕性等）。（如提高材料表面硬度、耐磨性和耐蝕性等）。在少數(shù)情況下，特殊形式的化學熱處理可以去在少數(shù)情況下，特殊形式的化學熱處理可以去除金屬內(nèi)部的有害元素。除金屬內(nèi)部的有害元素。29 注意：并非任何將塑性變形與加熱、冷卻隨意結(jié)合起并非任何將塑性變形與加熱、冷卻隨意結(jié)合起來的工藝都是形變熱處理。只有將那些能提高金屬材料來的工藝都是形變熱處理。只有將那些能提高金屬材料內(nèi)部晶體缺陷密度的塑性加工與能發(fā)生固態(tài)相變的熱作內(nèi)部晶體缺陷密度的塑性加工與能發(fā)生固態(tài)相變的熱作用結(jié)合起來，能顯著的改變材料的組織和結(jié)構，并明顯用結(jié)合起來，能顯著的改變材料的組織和結(jié)構，并明顯的提高材料性能的

20、工藝才算形變熱處理。的提高材料性能的工藝才算形變熱處理。3. 形變熱處理形變熱處理 形變熱處理是一種將塑性變形和熱作用結(jié)合起來的形變熱處理是一種將塑性變形和熱作用結(jié)合起來的熱處理。熱處理。 換而言之，形變熱處理是塑性變形的變形強化與熱處換而言之，形變熱處理是塑性變形的變形強化與熱處理的相變強化的結(jié)合。其結(jié)果，合金性能將優(yōu)于僅用基理的相變強化的結(jié)合。其結(jié)果，合金性能將優(yōu)于僅用基本熱處理或僅用形變所能達到的性能。本熱處理或僅用形變所能達到的性能。30舉例：過飽和固溶體的形變時效處理舉例：過飽和固溶體的形變時效處理 工藝：工藝：淬火（固溶）淬火（固溶）冷變形冷變形時效時效2A23鋁合金室溫拉伸性能與

21、預變形量的關系鋁合金室溫拉伸性能與預變形量的關系31熱處理熱處理基本熱處理基本熱處理化學熱處理化學熱處理形變熱處理形變熱處理均勻化退火均勻化退火基于回復、再結(jié)晶的退火基于回復、再結(jié)晶的退火基于固態(tài)相變的退火基于固態(tài)相變的退火淬火淬火時效時效/回火回火有多型性轉(zhuǎn)變的淬火和回火有多型性轉(zhuǎn)變的淬火和回火（或時效）（或時效）無多型性轉(zhuǎn)變的淬火和時效無多型性轉(zhuǎn)變的淬火和時效退火退火32 在實際應用中，無論哪一種具體的熱處理工藝過程都在實際應用中，無論哪一種具體的熱處理工藝過程都可歸諸于上述某種熱處理類型，或上述幾種熱處理類型可歸諸于上述某種熱處理類型，或上述幾種熱處理類型的結(jié)合。但必須指出，實際應用的熱

22、處理工藝多種多樣，的結(jié)合。但必須指出，實際應用的熱處理工藝多種多樣，而且迄今為止，我國尚無統(tǒng)一的熱處理分類標準，在生而且迄今為止，我國尚無統(tǒng)一的熱處理分類標準，在生產(chǎn)中有些熱處理也不一定按上述類別的名稱命名。產(chǎn)中有些熱處理也不一定按上述類別的名稱命名。 各種形式的熱處理在生產(chǎn)中不總是單獨分開的，往往各種形式的熱處理在生產(chǎn)中不總是單獨分開的，往往在一次熱處理過程中，同一種金屬材料內(nèi)部就發(fā)生了多在一次熱處理過程中，同一種金屬材料內(nèi)部就發(fā)生了多種形式熱處理的復雜過程，即在金屬材料內(nèi)部進行著多種形式熱處理的復雜過程，即在金屬材料內(nèi)部進行著多種固態(tài)轉(zhuǎn)變，因此，在遇到實際問題時，必須從具體情種固態(tài)轉(zhuǎn)變，因

23、此，在遇到實際問題時，必須從具體情況出發(fā)，進行全面、綜合分析。況出發(fā)，進行全面、綜合分析。33第一部分第一部分 熱處理原理熱處理原理34第一章金屬固態(tài)相變基礎第一章金屬固態(tài)相變基礎 固態(tài)相變固態(tài)相變：金屬或陶瓷等固態(tài)材料在溫度和壓力改變：金屬或陶瓷等固態(tài)材料在溫度和壓力改變時，其內(nèi)部組織或結(jié)構會發(fā)生變化，即發(fā)生從一種相時，其內(nèi)部組織或結(jié)構會發(fā)生變化，即發(fā)生從一種相狀態(tài)到另一種相狀態(tài)的改變。狀態(tài)到另一種相狀態(tài)的改變。 舊相（母相）舊相（母相）：相變前的相狀態(tài)：相變前的相狀態(tài) 新相新相：相變后的相狀態(tài)：相變后的相狀態(tài)35第一節(jié)第一節(jié) 金屬固態(tài)相變的主要類型金屬固態(tài)相變的主要類型36擴散型相變：擴散

24、型相變： 相變時，相界面的移動是通過原子近程或遠程擴散相變時，相界面的移動是通過原子近程或遠程擴散而進行的相變。而進行的相變。如：脫溶分解、共析轉(zhuǎn)變、有序化轉(zhuǎn)變、塊狀轉(zhuǎn)變、如：脫溶分解、共析轉(zhuǎn)變、有序化轉(zhuǎn)變、塊狀轉(zhuǎn)變、多型性轉(zhuǎn)變、調(diào)幅分解多型性轉(zhuǎn)變、調(diào)幅分解一、按相變過程中原子運動特點分類一、按相變過程中原子運動特點分類37非擴散型相變非擴散型相變相變不需原子擴散，原子的運動不超過一個原子相變不需原子擴散，原子的運動不超過一個原子間距。間距。 非擴散型相變是在足夠快的冷卻速度下非擴散型相變是在足夠快的冷卻速度下( (即淬火即淬火) )由于原子沒有時間進行擴散型相變引起的。由于原子沒有時間進行擴

25、散型相變引起的。 例如，馬氏體相變。例如，馬氏體相變。38半擴散型相變半擴散型相變 如：鋼中的貝氏體相變，這種相變介于馬氏如：鋼中的貝氏體相變，這種相變介于馬氏體轉(zhuǎn)變和珠光體轉(zhuǎn)變之間。此時鐵原子擴散已體轉(zhuǎn)變和珠光體轉(zhuǎn)變之間。此時鐵原子擴散已經(jīng)極其困難，但碳原子還能擴散，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物經(jīng)極其困難，但碳原子還能擴散，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也是也是 相和碳化物的混合物。相和碳化物的混合物。半擴散型形變介于擴散型相變和非擴散型相變半擴散型形變介于擴散型相變和非擴散型相變之間。之間。39二、按平衡狀態(tài)分類二、按平衡狀態(tài)分類 平衡相變：平衡相變：在緩慢加熱或冷卻時所發(fā)生的符合平在緩慢加熱或冷卻時所發(fā)生的符合平衡相圖的相變

26、。衡相圖的相變。 同素異晶轉(zhuǎn)變同素異晶轉(zhuǎn)變：純金屬在一定的溫度和壓力下，：純金屬在一定的溫度和壓力下，由一種結(jié)構轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構的現(xiàn)象稱為同素異由一種結(jié)構轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構的現(xiàn)象稱為同素異晶轉(zhuǎn)變。晶轉(zhuǎn)變。（）若在固溶體中發(fā)生這種結(jié)構的轉(zhuǎn)變，則稱為多形若在固溶體中發(fā)生這種結(jié)構的轉(zhuǎn)變，則稱為多形性轉(zhuǎn)變。如鋼在冷卻時由奧氏體中析出先共析鐵性轉(zhuǎn)變。如鋼在冷卻時由奧氏體中析出先共析鐵素體的過程素體的過程 。（亞共析鋼）。（亞共析鋼）40平衡脫溶轉(zhuǎn)變平衡脫溶轉(zhuǎn)變：高溫過飽：高溫過飽和固溶體緩慢冷卻過程中和固溶體緩慢冷卻過程中析出第二相的過程。析出第二相的過程。特點：特點：(a) 新相的成分和結(jié)構始新相的成分

27、和結(jié)構始終終 與母相的不同；與母相的不同；(b)母相不會消失。母相不會消失。如：鋼在冷卻時，由奧如：鋼在冷卻時，由奧氏體析出二次滲碳體的過氏體析出二次滲碳體的過程程41共析轉(zhuǎn)變：共析轉(zhuǎn)變：合金冷卻時，合金冷卻時，由一個固相同時析出兩由一個固相同時析出兩個不同固相的過程稱為個不同固相的過程稱為共析轉(zhuǎn)變。共析轉(zhuǎn)變。如：鋼中的珠光體相如：鋼中的珠光體相變變42調(diào)幅分解調(diào)幅分解：由一種高溫固：由一種高溫固溶體，冷至某一溫度范圍，溶體，冷至某一溫度范圍，分解為兩種與原固溶體結(jié)分解為兩種與原固溶體結(jié)構相同，而成分不同的微構相同，而成分不同的微區(qū)的轉(zhuǎn)變稱為調(diào)幅分解區(qū)的轉(zhuǎn)變稱為調(diào)幅分解 1 + 2 特點特點

28、：(a) 新形成的微區(qū)之間無明新形成的微區(qū)之間無明顯的界面和成分的突變；顯的界面和成分的突變；(b) 通過上坡擴散，最終使通過上坡擴散，最終使均勻固溶體變?yōu)椴痪鶆蚬叹鶆蚬倘荏w變?yōu)椴痪鶆蚬?溶體。溶體。 43 有序化轉(zhuǎn)變有序化轉(zhuǎn)變： 固溶體中，各組元的相對位置固溶體中，各組元的相對位置從無序過渡到有序的過程，稱為有序化轉(zhuǎn)變。從無序過渡到有序的過程，稱為有序化轉(zhuǎn)變。 Ti-Al、Cu-Zn、Au-Cu等合金中均可發(fā)生這等合金中均可發(fā)生這種轉(zhuǎn)變種轉(zhuǎn)變 44非平衡相變非平衡相變 偽共析轉(zhuǎn)變偽共析轉(zhuǎn)變：接近：接近共析點成分的合金，共析點成分的合金，過冷到共析點以下過冷到共析點以下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變的過發(fā)生共析

29、轉(zhuǎn)變的過程程鐵素體和滲碳體的鐵素體和滲碳體的相對量隨奧氏體的相對量隨奧氏體的含碳量而變，故稱含碳量而變，故稱為偽共析體為偽共析體圖圖1-2 Fe-Fe3C相圖的偽共析區(qū)相圖的偽共析區(qū)45 馬氏體相變馬氏體相變：合金在快冷時，若能避免其發(fā)：合金在快冷時，若能避免其發(fā)生擴散型轉(zhuǎn)變，則將無需原子的擴散，以一生擴散型轉(zhuǎn)變，則將無需原子的擴散，以一種切變共格的方式實現(xiàn)點陣的改組，而轉(zhuǎn)變種切變共格的方式實現(xiàn)點陣的改組，而轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體為馬氏體 塊狀轉(zhuǎn)變塊狀轉(zhuǎn)變：在一定的冷速下奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榕c：在一定的冷速下奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榕c母相成分相同而形貌呈塊狀的母相成分相同而形貌呈塊狀的相的過程相的過程通過原子的短程擴散使非

30、共格相界面在母相通過原子的短程擴散使非共格相界面在母相中推移中推移46 貝氏體相變貝氏體相變：在珠光體轉(zhuǎn)變與馬氏體轉(zhuǎn)變溫度：在珠光體轉(zhuǎn)變與馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍之間（中溫），鐵原子不能擴散，碳原子范圍之間（中溫），鐵原子不能擴散，碳原子可以擴散可以擴散過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橛设F素體和滲碳體組成的非過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橛设F素體和滲碳體組成的非層片狀組織層片狀組織 貝氏體貝氏體 非平衡脫溶轉(zhuǎn)變非平衡脫溶轉(zhuǎn)變：在等溫條件下，由過飽和固：在等溫條件下，由過飽和固溶體中析出第二相的過程，析出相為非平衡亞溶體中析出第二相的過程，析出相為非平衡亞穩(wěn)相穩(wěn)相47三、按熱力學分類三、按熱力學分類一級相變一級相變：相變時新舊兩相

31、的化學勢相等，但一：相變時新舊兩相的化學勢相等，但一級偏微商不等的相變。級偏微商不等的相變。0S0V12PPTTSTPTTPP21VPT一級相變有熱效應（一級相變有熱效應（相變潛熱）與體積效相變潛熱）與體積效應，從而可用熱膨脹儀測量一級相變的開始應，從而可用熱膨脹儀測量一級相變的開始點，金屬固態(tài)相變一般為一級相變。點，金屬固態(tài)相變一般為一級相變。48二級相變二級相變：相變時新舊兩相的化學勢相等，其一：相變時新舊兩相的化學勢相等，其一級偏微商也相等，即級偏微商也相等，即S新新S母母，V新新V母母，但二級，但二級偏微商不等，偏微商不等，PPTT222212TCTSTPPP220PCTTPP2222

32、12VPVVVPTT220PTPT2212VTVVVPTP20C Cp p -熱容，熱容，- - 壓縮系數(shù)，壓縮系數(shù)，- - 膨脹系數(shù)膨脹系數(shù)49二級相變時沒有熵和體積改變，只有熱容、壓縮系數(shù)和膨二級相變時沒有熵和體積改變，只有熱容、壓縮系數(shù)和膨脹系數(shù)的改變。脹系數(shù)的改變。有序有序- -無序轉(zhuǎn)變、磁性轉(zhuǎn)變、超導態(tài)轉(zhuǎn)變屬于二級相變無序轉(zhuǎn)變、磁性轉(zhuǎn)變、超導態(tài)轉(zhuǎn)變屬于二級相變金屬固態(tài)相變的三種基本變化：金屬固態(tài)相變的三種基本變化：（1 1）結(jié)構；（）結(jié)構；（2 2）成分；（）成分；（3 3）有序程度）有序程度l 只有結(jié)構的變化：多形性轉(zhuǎn)變，馬氏只有結(jié)構的變化：多形性轉(zhuǎn)變，馬氏 體相變體相變l 只有成

33、分的變化：調(diào)幅分解只有成分的變化：調(diào)幅分解l 既有結(jié)構又有成分上的變化：共析轉(zhuǎn)變，脫溶沉淀既有結(jié)構又有成分上的變化：共析轉(zhuǎn)變，脫溶沉淀50第二節(jié)第二節(jié) 金屬固態(tài)相變的基本特征金屬固態(tài)相變的基本特征 金屬固態(tài)相變與液態(tài)金屬結(jié)晶一樣，其金屬固態(tài)相變與液態(tài)金屬結(jié)晶一樣，其相變驅(qū)相變驅(qū)動力動力也來自新相與母相的自由能差，大部分相變也來自新相與母相的自由能差，大部分相變（調(diào)幅分解除外）都是通過（調(diào)幅分解除外）都是通過形核與長大過程形核與長大過程來完來完成。但因相變前后均為固態(tài)，故有以下幾個特點。成。但因相變前后均為固態(tài)，故有以下幾個特點。51相變驅(qū)動力相變驅(qū)動力：新相與母相間的自由能差：新相與母相間的自

34、由能差相變過程相變過程：形核：形核+ +長大長大其它特點（與液固相變比較）其它特點（與液固相變比較）：（1 1）相界面）相界面（2 2）兩相間的晶體學關系（慣習面和取向）兩相間的晶體學關系（慣習面和取向關系）關系）（3 3）彈性應變能）彈性應變能（4 4）晶體缺陷）晶體缺陷52一、界面和界面能一、界面和界面能固態(tài)相變時，母相和新相均為固體，所以其界固態(tài)相變時，母相和新相均為固體，所以其界面與固面與固/液界面不同。按固液界面不同。按固/固相界面的結(jié)構特固相界面的結(jié)構特點可分為共格界面、半共格界面和非共格界面。點可分為共格界面、半共格界面和非共格界面。53兩相在界面上的原子可以一對一的兩相在界面上

35、的原子可以一對一的相互匹配。相互匹配。在理想的共格界面條件下，其彈性在理想的共格界面條件下，其彈性應變能和界面能都接近于零。應變能和界面能都接近于零。實際上，兩相點陣總有一定的差別，實際上，兩相點陣總有一定的差別，或者點陣類型不同，或者點陣或者點陣類型不同，或者點陣參數(shù)不同，因此兩相界面完全參數(shù)不同，因此兩相界面完全共格時，相界面附近必將產(chǎn)生共格時，相界面附近必將產(chǎn)生彈性應變。彈性應變。(1) 共格界面共格界面54兩相之間的共格關系依靠正應變來維持時，稱為第一類共兩相之間的共格關系依靠正應變來維持時，稱為第一類共格（圖格（圖a）。）。兩相之間的共格關系以切應變來維持時，稱為第二類共格兩相之間的

36、共格關系以切應變來維持時，稱為第二類共格（圖（圖b）。）。兩者晶界兩側(cè)都有一定的晶格畸變。兩者晶界兩側(cè)都有一定的晶格畸變。 55共格界面的特點共格界面的特點 一般來說，共格界面的特點是一般來說，共格界面的特點是界面能較小界面能較小，但因，但因界面附近有畸變，所以界面附近有畸變，所以彈性應變能較大彈性應變能較大。共格界面必。共格界面必須依靠彈性畸變來維持，當新相不斷長大而使共格界須依靠彈性畸變來維持，當新相不斷長大而使共格界面的彈性應變能增大到一定程度時，可能超過母相的面的彈性應變能增大到一定程度時，可能超過母相的屈服極限而產(chǎn)生塑性變形，使共格關系遭到破壞。屈服極限而產(chǎn)生塑性變形，使共格關系遭到

37、破壞。 56錯配度錯配度 若以若以a a 和和a a 分別表示兩相沿平行于界面的晶向分別表示兩相沿平行于界面的晶向上的原子間距，在此方向上的兩相原子間距之差以上的原子間距，在此方向上的兩相原子間距之差以a=|aa=|a-a-a| |表示，則表示，則錯配度錯配度為為: :錯配度小于錯配度小于0.050.05時兩相可以構成共格界面時兩相可以構成共格界面57（2）半共格界面）半共格界面 當錯配度當錯配度 增大到一定程度增大到一定程度時，便難以繼續(xù)維持完全的共格時，便難以繼續(xù)維持完全的共格關系，于是在界面上將產(chǎn)生一些關系，于是在界面上將產(chǎn)生一些刃型位錯，以補償原子間距差別刃型位錯，以補償原子間距差別過

38、大的影響，使界面彈性應變能過大的影響，使界面彈性應變能降低。此時，界面上的兩相原子降低。此時，界面上的兩相原子變成部分保持匹配，故稱為半共變成部分保持匹配，故稱為半共格（或部分共格）界面。格（或部分共格）界面。 特點特點：兩相原子在界面上部分地：兩相原子在界面上部分地 保持匹配；存在刃型位保持匹配；存在刃型位錯。錯。58（3）非共格界面）非共格界面當兩相界面處的原子排列差異當兩相界面處的原子排列差異很大，即錯配度很大，即錯配度很大時，兩相很大時，兩相原子之間的匹配關系便不再維原子之間的匹配關系便不再維持，這種界面稱為非共格界面。持，這種界面稱為非共格界面。特點特點：界面上的原子完全不匹：界面上

39、的原子完全不匹配。配。590.250.050.25錯配度與界面的關系錯配度與界面的關系60界面能：界面能：界面上原子排列的不規(guī)則性將導致界面界面上原子排列的不規(guī)則性將導致界面能的升高。因此非共格界面能最高，半共格界面能的升高。因此非共格界面能最高，半共格界面次之，共格界面能最低。次之，共格界面能最低。界面能的意義：界面能的意義：界面能的大小對新相的形核、長界面能的大小對新相的形核、長大以及轉(zhuǎn)變后的組織形態(tài)有很大影響。大以及轉(zhuǎn)變后的組織形態(tài)有很大影響。61n若新相具有和母相相同的點陣結(jié)構和相近的點陣常數(shù)，則若新相具有和母相相同的點陣結(jié)構和相近的點陣常數(shù)，則新相可以與母相形成低能量的新相可以與母相

40、形成低能量的共格界面共格界面。此時，新相將成。此時，新相將成針狀針狀，以保持共格界面，使界面能保持最低。，以保持共格界面，使界面能保持最低。n如新相與母相的晶體結(jié)構不同，這時新相與母相之間可能如新相與母相的晶體結(jié)構不同，這時新相與母相之間可能存在一個存在一個共格或半共格界面共格或半共格界面，其它面則是高能的非共格界其它面則是高能的非共格界面面。為了降低能量，新相的形態(tài)將是一個。為了降低能量，新相的形態(tài)將是一個圓盤圓盤。圓盤面為。圓盤面為共格界面，而圓盤的邊為非共格界面。共格界面，而圓盤的邊為非共格界面。n非共格新相，所有的界面都是高能界面，非共格新相，所有的界面都是高能界面，大致為球形大致為球

41、形，但，但也有由于不同方向界面能差異而形成也有由于不同方向界面能差異而形成多面體多面體。界面關系與析出相形貌界面關系與析出相形貌62二、兩相間的晶體學關系二、兩相間的晶體學關系新相與母相之間往往存在一定的取向關系新相與母相之間往往存在一定的取向關系慣習面慣習面（habit plane）-新相往往是在母相新相往往是在母相一定的晶面族上形成的，這些晶面或晶面族稱一定的晶面族上形成的，這些晶面或晶面族稱之為慣習面。之為慣習面。例如，鋼中發(fā)生由奧氏體（例如，鋼中發(fā)生由奧氏體（ ）到）到 馬氏體（馬氏體（a）的轉(zhuǎn)變時，馬氏體的主平面與奧氏體的的轉(zhuǎn)變時，馬氏體的主平面與奧氏體的225或者或者259平行。平

42、行。63 由于一個晶面族包括若干在空間互成一定角由于一個晶面族包括若干在空間互成一定角度的晶面，故沿慣習面形成的針狀及片狀新相度的晶面，故沿慣習面形成的針狀及片狀新相將成一定角度或相互平行。將成一定角度或相互平行。慣習面的存在對材料組織影響慣習面的存在對材料組織影響慣習面的存在是為了減小兩相的界面能慣習面的存在是為了減小兩相的界面能64位相關系：位相關系：慣習面的存在表明新相與母相存在一定慣習面的存在表明新相與母相存在一定晶體學位向關系。因為兩相的晶體各自相對于慣習晶體學位向關系。因為兩相的晶體各自相對于慣習面的位向關系是確定的，它們彼此間位向關系也就面的位向關系是確定的，它們彼此間位向關系也

43、就確定了。確定了。 兩相的某些低指數(shù)晶向和某些低指數(shù)晶面相互兩相的某些低指數(shù)晶向和某些低指數(shù)晶面相互平行。例如，低碳鋼發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時，馬氏體總平行。例如，低碳鋼發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時，馬氏體總是在奧氏體的是在奧氏體的111111 上形成，上形成， 110 110 / 111 / 111 ； / / 65新相與母相間為共格或半共格界面時，兩相間必新相與母相間為共格或半共格界面時，兩相間必然存在一定的晶體學位向關系。然存在一定的晶體學位向關系。兩相間無一定的位向關系，則其界面必定為非兩相間無一定的位向關系，則其界面必定為非共格的。共格的。存在晶體學位向關系，未必具有共格或半共格存在晶體學位向關系，未必

44、具有共格或半共格界面，因為新相在長大過程中，其界面的共格界面，因為新相在長大過程中，其界面的共格性已被破壞。性已被破壞。位向關系對界面類型的影響位向關系對界面類型的影響66三、彈性應變能三、彈性應變能 彈性應變能彈性應變能：是指新相與母相間存在：是指新相與母相間存在點陣錯點陣錯配配和和體積錯配體積錯配時所引起的應變能。時所引起的應變能。67新相與母相共格，但點陣常數(shù)不同，從而產(chǎn)生新相與母相共格，但點陣常數(shù)不同，從而產(chǎn)生點陣錯配點陣錯配，形成共格應變能。，形成共格應變能。l 點陣錯配點陣錯配：是指新相和母相的晶格結(jié)構和位相相同，：是指新相和母相的晶格結(jié)構和位相相同，但點陣常數(shù)不同。由此在共格界面

45、附近產(chǎn)生應變能，但點陣常數(shù)不同。由此在共格界面附近產(chǎn)生應變能，稱為稱為共格應變能共格應變能。這種共格應變能以共格界面最大，。這種共格應變能以共格界面最大，半共格界面次之，非共格界面為零。半共格界面次之，非共格界面為零。68新相與母相非共格，而比體積不同，產(chǎn)生新相與母相非共格，而比體積不同，產(chǎn)生體積體積錯配錯配，形成比體積差應變能。，形成比體積差應變能。l 體積錯配體積錯配：新相和母相的比體積不同，新相受到：新相和母相的比體積不同，新相受到周圍母相的約束以致不能自由脹縮，產(chǎn)生周圍母相的約束以致不能自由脹縮，產(chǎn)生比體積比體積差應變能差應變能。69界面原子強制匹配界面原子強制匹配共格應變能：共格應變

46、能：共格共格 半共格半共格 非共格非共格比體積差應變能：新、舊相比容不同比體積差應變能：新、舊相比容不同體積發(fā)生變化體積發(fā)生變化新相與新相與舊相之間必將產(chǎn)生彈性應變和應力舊相之間必將產(chǎn)生彈性應變和應力與新相幾何形狀有關：與新相幾何形狀有關：球狀球狀圓盤圓盤(片片)針針(棒棒)應變能應變能 = = 比容應變能比容應變能 + + 共格應變能共格應變能彈性應變能與界面能一樣，對相變起彈性應變能與界面能一樣，對相變起阻礙作用阻礙作用。固態(tài)相變的阻力固態(tài)相變的阻力：界面能界面能+彈性應變能彈性應變能 70 過冷度大：過冷度大：新相臨界晶核半徑很小，單位體積新相新相臨界晶核半徑很小，單位體積新相的界面積很

47、大，則界面能起主導作用。兩相界面易取共的界面積很大，則界面能起主導作用。兩相界面易取共格方式以降低界面能，因界面能的降低可以超過共格應格方式以降低界面能，因界面能的降低可以超過共格應變能的增加，總形核阻力降低。變能的增加，總形核阻力降低。 過冷度小過冷度小：新相臨界形核半徑較大，界面能不起：新相臨界形核半徑較大，界面能不起主要作用，易形成非共格界面。主要作用，易形成非共格界面。 兩者比體積差大兩者比體積差大：則彈性應變能：則彈性應變能(比體積差應變能比體積差應變能)起主導作用，新相為圓盤起主導作用，新相為圓盤(片片)狀以降低彈性應變能。狀以降低彈性應變能。 兩相比體積差小兩相比體積差?。簭椥詰?/p>

48、變能作用不大，則形成：彈性應變能作用不大，則形成球狀以降低界面能。球狀以降低界面能。固態(tài)相變中究竟是界面能為主？還是彈性應變能固態(tài)相變中究竟是界面能為主？還是彈性應變能為主？取決于具體情況。為主？取決于具體情況。71四、晶體缺陷四、晶體缺陷固態(tài)金屬中存在各種晶體缺陷：如位錯、空位、固態(tài)金屬中存在各種晶體缺陷：如位錯、空位、晶界或亞晶界。晶界或亞晶界。位錯線位錯線空位空位亞晶界亞晶界晶界晶界72缺陷缺陷-點陣有畸變點陣有畸變-畸變能釋放畸變能釋放-易于形核易于形核晶體缺陷的存在對固態(tài)相變起促進作用晶體缺陷的存在對固態(tài)相變起促進作用73 除調(diào)幅分解外，絕大多數(shù)相變通過形核和長大過程完成除調(diào)幅分解外

49、，絕大多數(shù)相變通過形核和長大過程完成的。的。 形核過程往往是先在母相中某些微小區(qū)域內(nèi)形成新相的形核過程往往是先在母相中某些微小區(qū)域內(nèi)形成新相的結(jié)構和成分，成為結(jié)構和成分，成為核胚核胚；若核坯尺寸超過一定值，便能；若核坯尺寸超過一定值，便能穩(wěn)定存在并自發(fā)長大，成為新相的穩(wěn)定存在并自發(fā)長大，成為新相的晶核晶核。 根據(jù)晶核在母相中的分布情況，可以分為：根據(jù)晶核在母相中的分布情況，可以分為：l 均勻形核：均勻形核：晶核在母相中無擇優(yōu)地任意均勻分布。晶核在母相中無擇優(yōu)地任意均勻分布。l 非均勻形核：非均勻形核：晶核在母相的某些區(qū)域不均勻分布晶核在母相的某些區(qū)域不均勻分布第三節(jié)第三節(jié) 固態(tài)相變的形核固態(tài)相

50、變的形核74一、一、 均勻形核均勻形核u相變驅(qū)動力相變驅(qū)動力： 新舊相間自由能差新舊相間自由能差l相變阻力相變阻力： 界面能界面能 + 應變能應變能均勻形核時系統(tǒng)自由能的總變化為：均勻形核時系統(tǒng)自由能的總變化為： G =- G新舊兩相新舊兩相+E界面界面+E彈性應變彈性應變G = -V Gv+S+V Gs (1-4) (1-4)式中：式中： Gv 新舊相間單位體積自由能差新舊相間單位體積自由能差 單位面積界面能單位面積界面能 Gs 單位體積應變能單位體積應變能75設界面能各向同性，且晶核是球形，半徑為設界面能各向同性，且晶核是球形，半徑為r r，則：，則：324 ()43VsVsGV GSV

51、GrGGr -r3r276324()43VsGrGGr 24 rG77對對 r 求導：求導：圖圖1-5 1-5 球形晶核的自由能變化球形晶核的自由能變化0)(drGd可得臨界晶核尺寸：可得臨界晶核尺寸：*2(16)Gs VrG形成臨界晶核的形核功形成臨界晶核的形核功3*216(17)3(Gs )GGv 形核功形核功：晶核長大到：晶核長大到 r* 所需克服的能壘，或所做的功所需克服的能壘，或所做的功78 臨界晶核半徑和臨界形核功都是自由能差臨界晶核半徑和臨界形核功都是自由能差 GV的的函數(shù)，而自由能與函數(shù)，而自由能與 T成正比，所以臨界晶核半成正比，所以臨界晶核半徑和臨界形核功與過冷度（過熱度）

52、密切相關，徑和臨界形核功與過冷度（過熱度）密切相關， 隨過冷度（過熱度）增大，臨界晶核半徑和隨過冷度（過熱度）增大，臨界晶核半徑和臨界形核功都減小，即相變?nèi)菀装l(fā)生。臨界形核功都減小，即相變?nèi)菀装l(fā)生。 2*vsrGG3216*3()VsGGG79 由于固態(tài)相變中存在彈性應變能由于固態(tài)相變中存在彈性應變能 Gs，因此只有，因此只有當當 GV Gs時相變才能發(fā)生，亦即過冷度（過熱時相變才能發(fā)生，亦即過冷度（過熱度）度） T必須大于一定值，固態(tài)相變才能發(fā)生。必須大于一定值，固態(tài)相變才能發(fā)生。 2*vsrGG3216*3()VsGGG80 當界面能當界面能 和彈性應變能和彈性應變能 Gs增大時，臨界晶增

53、大時，臨界晶核半徑核半徑r*增大，臨界形核功增大，臨界形核功 G*增高，形核困增高，形核困難。難。 2*vsrGG3216*3()VsGGG81 固態(tài)相變的形核率：單位體積母相中所形成的固態(tài)相變的形核率：單位體積母相中所形成的核心數(shù)量核心數(shù)量0expexp (1-10)mGGNckTkT均勻N均勻均勻=f c*expmGfkT0expGcckTf：成核頻率：成核頻率c*：臨界尺寸晶核的濃度：臨界尺寸晶核的濃度820expexp (1-10)mGGNckTkT均勻形核率形核率N均勻均勻隨溫隨溫度下降先增加后度下降先增加后降低，在某一溫降低，在某一溫度度T0呈現(xiàn)極大值呈現(xiàn)極大值 83二、非均勻形核

54、二、非均勻形核晶體缺陷儲存的能量可使形核功降低，促進形核晶體缺陷儲存的能量可使形核功降低，促進形核 (1-11)VsdGV GSV GG -Gd 由于晶體缺陷的存在而降低的能量由于晶體缺陷的存在而降低的能量晶體缺陷晶體缺陷：空位、位錯、晶界：空位、位錯、晶界84（1）晶界）晶界n 大角晶界具有較高的界面能，在晶界上形核可利大角晶界具有較高的界面能，在晶界上形核可利用晶界能量，使形核功降低。用晶界能量，使形核功降低。n 有三種位置：有三種位置：a) 晶界面晶界面 b) 棱邊棱邊 c)隅角隅角晶界形核時三種位置晶界形核時三種位置85晶界面形核時晶核形狀晶界面形核時晶核形狀三晶粒相交的棱邊三晶粒相交

55、的棱邊四晶粒相交的隅角四晶粒相交的隅角 接觸角接觸角86圖圖1-8 晶界不同位置形核功比較晶界不同位置形核功比較n 隅角形核的形隅角形核的形核功比其他位置小核功比其他位置小n 在晶界上的三在晶界上的三種位置中，隅角位種位置中，隅角位置在多晶體中所占置在多晶體中所占的體積分數(shù)最少的體積分數(shù)最少87（2）位錯）位錯 位錯從三方面促進形核：位錯從三方面促進形核： 位錯周圍的點陣畸變有利于形核位錯周圍的點陣畸變有利于形核 溶質(zhì)原子常在位錯線上偏聚，容易滿足溶質(zhì)原子常在位錯線上偏聚，容易滿足新相成分上的要求。新相成分上的要求。 位錯分解形成堆垛層錯，是新相的潛在形位錯分解形成堆垛層錯，是新相的潛在形核位

56、置核位置88u 脫溶沉淀時無析出區(qū)脫溶沉淀時無析出區(qū)(PFZ)的形成原因：的形成原因：（3）空位）空位空位通過促進溶質(zhì)原子擴散或利用本身能量空位通過促進溶質(zhì)原子擴散或利用本身能量提供形核驅(qū)動力而促進形核提供形核驅(qū)動力而促進形核空位團可凝聚成位錯而促進形核空位團可凝聚成位錯而促進形核 空位對脫溶沉淀有促進作用，是沉淀相非空位對脫溶沉淀有促進作用，是沉淀相非均勻形核的位置。均勻形核的位置。 晶界附近的過飽和空位擴散到晶界而消失。晶界附近的過飽和空位擴散到晶界而消失。89第四節(jié)第四節(jié) 固態(tài)相變的長大固態(tài)相變的長大一、新相長大機理一、新相長大機理長大實質(zhì)：界面向母相的遷移過程。長大實質(zhì)：界面向母相的遷

57、移過程。 新相晶核長大的過程分為兩種情況：傳質(zhì)過程和界面過程。新相晶核長大的過程分為兩種情況：傳質(zhì)過程和界面過程。1 1、新相形成時沒有成分的改變，只有結(jié)構或有序度的變化，、新相形成時沒有成分的改變，只有結(jié)構或有序度的變化，如純金屬的同素異構轉(zhuǎn)變等，只要緊鄰相界的母相原子作如純金屬的同素異構轉(zhuǎn)變等，只要緊鄰相界的母相原子作近程擴散越過相界，新相即長大。界面附近原子調(diào)整位置近程擴散越過相界，新相即長大。界面附近原子調(diào)整位置使晶核長大的過程為使晶核長大的過程為“界面控制長大界面控制長大”，又稱界面過程；，又稱界面過程； 2 2、新舊兩相的成分不同，如過飽和固溶體的分解等，需要溶、新舊兩相的成分不同

58、，如過飽和固溶體的分解等，需要溶質(zhì)原子進行長程擴散遷移到新相，才能使新相長大。這時質(zhì)原子進行長程擴散遷移到新相，才能使新相長大。這時的長大為的長大為“擴散控制長大擴散控制長大”，又稱傳質(zhì)過程，又稱傳質(zhì)過程. .90 滑動型界面的遷移滑動型界面的遷移 半共格界面上存在位錯列半共格界面上存在位錯列n 要隨界面移動，位錯要攀移要隨界面移動，位錯要攀移(1)臺階側(cè)向移動，位錯可滑移臺階側(cè)向移動，位錯可滑移協(xié)同型長大機制：協(xié)同型長大機制：n 無擴散型相變，原子通過切無擴散型相變，原子通過切變方式協(xié)同運動，變方式協(xié)同運動，大量的原子大量的原子有規(guī)律地沿某一方向作小于一有規(guī)律地沿某一方向作小于一個原子間距的

59、遷移，遷移后原個原子間距的遷移，遷移后原子保持原有的相鄰關系不變。子保持原有的相鄰關系不變。n 如馬氏體相變，會發(fā)生外形如馬氏體相變，會發(fā)生外形變化，出現(xiàn)表面浮凸變化，出現(xiàn)表面浮凸n 新相和母相間有一定的位向新相和母相間有一定的位向關系關系圖圖1-12 馬氏體相變表面浮凸馬氏體相變表面浮凸91(2) 非滑動型界面非滑動型界面 非協(xié)同型長大方式非協(xié)同型長大方式母母相原子不斷地以非協(xié)同方相原子不斷地以非協(xié)同方式向新相中轉(zhuǎn)移，界面沿式向新相中轉(zhuǎn)移，界面沿其法線方向向母相推進，其法線方向向母相推進，使新相逐漸長大。（熱激使新相逐漸長大。（熱激活擴散過程）活擴散過程） 非協(xié)同型長大特點非協(xié)同型長大特點原

60、原子無規(guī)律地遷移，遷移的子無規(guī)律地遷移，遷移的距離不等，相鄰關系改變。距離不等，相鄰關系改變。圖圖1-11 非協(xié)同臺階長大機制非協(xié)同臺階長大機制92二、新相長大速度二、新相長大速度1 成分不變的擴散型轉(zhuǎn)變長大成分不變的擴散型轉(zhuǎn)變長大 激活能示意圖激活能示意圖93原子在原子在母相母相和和新相新相間往返的頻率分別為間往返的頻率分別為:激活能激活能新舊相自由能差波爾茲曼常數(shù)原子振動頻率，VVVmGGmGmGkkTGGkTGm)181 (exp)171 (exp94設單原子層厚度為設單原子層厚度為，則界面遷移速率為：，則界面遷移速率為：)191 (exp1exp)(kTGkTGmVV95n 過冷度過冷