第一章 固態(tài)相變

1、固態(tài)相變固態(tài)相變教學(xué)課件教學(xué)課件 授課教師：周芳l金屬固態(tài)相變的基礎(chǔ)金屬固態(tài)相變的基礎(chǔ)l鋼中奧氏體的形成鋼中奧氏體的形成l珠光體轉(zhuǎn)變珠光體轉(zhuǎn)變l馬氏體相變馬氏體相變l貝氏體相變貝氏體相變l鋼中的回火轉(zhuǎn)變鋼中的回火轉(zhuǎn)變l合金的脫溶沉淀與時(shí)效合金的脫溶沉淀與時(shí)效固態(tài)相變的主要內(nèi)容固態(tài)相變的主要內(nèi)容一、固態(tài)相變的定義一、固態(tài)相變的定義 金屬和陶瓷等固態(tài)材料在溫度和壓力改變時(shí)，其內(nèi)部組金屬和陶瓷等固態(tài)材料在溫度和壓力改變時(shí)，其內(nèi)部組織或結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，即發(fā)生一種相狀態(tài)到另一種相狀態(tài)的織或結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，即發(fā)生一種相狀態(tài)到另一種相狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變稱為固態(tài)相變。轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變稱為固態(tài)相變。金屬固態(tài)相變

2、基礎(chǔ)金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)二、研究固態(tài)相變的意義二、研究固態(tài)相變的意義 通過研究固態(tài)相變的原理，掌握材料的固態(tài)相變的規(guī)律，就通過研究固態(tài)相變的原理，掌握材料的固態(tài)相變的規(guī)律，就可以采取措施（加熱和冷卻）控制固態(tài)相變過程以獲得所預(yù)期可以采取措施（加熱和冷卻）控制固態(tài)相變過程以獲得所預(yù)期的組織和結(jié)構(gòu)，從而使之具有所預(yù)期的性能，最大限度地發(fā)揮的組織和結(jié)構(gòu)，從而使之具有所預(yù)期的性能，最大限度地發(fā)揮現(xiàn)有金屬材料的潛力，開發(fā)新型材料?，F(xiàn)有金屬材料的潛力，開發(fā)新型材料。金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)三、學(xué)習(xí)固態(tài)相變應(yīng)有的理論基礎(chǔ)三、學(xué)習(xí)固態(tài)相變應(yīng)有的理論基礎(chǔ) 掌握掌握材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ)中晶體結(jié)構(gòu)、鐵碳相圖中晶體結(jié)構(gòu)、鐵碳

3、相圖及及物理化學(xué)物理化學(xué)中的等有關(guān)知識。中的等有關(guān)知識。熱處理的定義熱處理的定義: :金屬固態(tài)相變基礎(chǔ) 將材料加熱到相變溫度將材料加熱到相變溫度以上發(fā)生相變，再冷卻發(fā)以上發(fā)生相變，再冷卻發(fā)生相變的工藝過程。通過生相變的工藝過程。通過這個(gè)相變與再相變，材料這個(gè)相變與再相變，材料的內(nèi)部組織發(fā)生了變化，的內(nèi)部組織發(fā)生了變化，因而性能產(chǎn)生變化。因而性能產(chǎn)生變化。金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)熱處理三大要素?zé)崽幚砣笠豱加熱：加熱：熱處理第一個(gè)階段。不同材料，加熱工藝和加熱溫?zé)崽幚淼谝粋€(gè)階段。不同材料，加熱工藝和加熱溫度不同。加熱分為兩種，一種是在臨界點(diǎn)度不同。加熱分為兩種，一種是在臨界點(diǎn)A1以下的加熱，以下的加熱

4、，此時(shí)不發(fā)生組織變化。另一種是在此時(shí)不發(fā)生組織變化。另一種是在A1以上的加熱，目的是以上的加熱，目的是為了獲得均勻的奧氏體組織，這一過程稱為為了獲得均勻的奧氏體組織，這一過程稱為奧氏體化奧氏體化。n保溫：保溫：目的是要保證工件熱透，防止脫碳、氧化等。保溫目的是要保證工件熱透，防止脫碳、氧化等。保溫時(shí)間和介質(zhì)的選擇與工件的尺寸和材質(zhì)有直接的關(guān)系。一時(shí)間和介質(zhì)的選擇與工件的尺寸和材質(zhì)有直接的關(guān)系。一般工件越大，導(dǎo)熱性越差，保溫時(shí)間就越長。般工件越大，導(dǎo)熱性越差，保溫時(shí)間就越長。n冷卻：冷卻： 熱處理的最終階段，也是熱處理最重要的一個(gè)階熱處理的最終階段，也是熱處理最重要的一個(gè)階段。鋼在不同冷卻速度下

5、可以轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織。段。鋼在不同冷卻速度下可以轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織。金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)金屬固態(tài)相變基礎(chǔ) 鋼的臨界溫度：鋼的臨界溫度：平衡臨界溫度：平衡臨界溫度：加熱臨界溫度：加熱臨界溫度：冷卻臨界溫度：冷卻臨界溫度：A1、 A3、 AcmAc1、Ac3、AccmAr1、Ar3、Arcm金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)熱處理熱處理整整 體體熱處理熱處理表表 面面熱處理熱處理退火退火;正火正火;淬火淬火;回火回火表面淬火表面淬火 化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理感應(yīng)淬火感應(yīng)淬火火焰淬火火焰淬火滲碳滲碳; 滲氮滲氮碳氮共滲碳氮共滲熱處理的主要目的熱處理的主要目的: :改變鋼的性能。改變鋼的性能。熱處理的應(yīng)用范圍熱處理的應(yīng)用范圍:

6、:整個(gè)制造業(yè)。整個(gè)制造業(yè)。熱處理的分類熱處理的分類激光淬火激光淬火金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)四、本門課程學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容和要求四、本門課程學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容和要求五、考核方式五、考核方式平時(shí)成績（出勤、回答問題等）平時(shí)成績（出勤、回答問題等）0.3+期末成績期末成績0.7金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)金屬固態(tài)相變概論一、金屬固態(tài)相變的主要分類一、金屬固態(tài)相變的主要分類l按熱力學(xué)分類（一級相變和二級相變）按熱力學(xué)分類（一級相變和二級相變）（1）一級相變）一級相變 由由1相轉(zhuǎn)變?yōu)橄噢D(zhuǎn)變?yōu)?相時(shí)，相時(shí)，G1=G2，12，但化學(xué)位的一階偏，但化學(xué)位的一階偏導(dǎo)數(shù)不等，即有：導(dǎo)數(shù)不等，即有：PPTT21TTPP21ST

7、PVPT0 S0 V一級相變有熱效應(yīng)（一級相變有熱效應(yīng)（相變潛熱相變潛熱）與體積效應(yīng)，從而可）與體積效應(yīng)，從而可用熱膨用熱膨脹儀測量一級相變的開始點(diǎn)脹儀測量一級相變的開始點(diǎn)，材料的凝固、熔化、升華、同素異，材料的凝固、熔化、升華、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變也均為一級相變。幾乎所有伴隨晶體結(jié)構(gòu)變化的金屬固態(tài)構(gòu)轉(zhuǎn)變也均為一級相變。幾乎所有伴隨晶體結(jié)構(gòu)變化的金屬固態(tài)相變都是一級相變。相變都是一級相變。 （2）二級相變：由）二級相變：由1相轉(zhuǎn)變?yōu)橄噢D(zhuǎn)變?yōu)?相時(shí)，不僅相時(shí)，不僅G1=G2，1=2，且，且化學(xué)位的一階偏導(dǎo)數(shù)相等，但化學(xué)位的二階偏導(dǎo)數(shù)不等化學(xué)位的一階偏導(dǎo)數(shù)相等，但化學(xué)位的二階偏導(dǎo)數(shù)不等:PPTT22221

8、2TCTSTPPP220PCTTPP222212VPVVVPTT220PTPT2212VTVVVPTP20金屬固態(tài)相變概論 Cp 等壓比熱（熱容），等壓比熱（熱容）， 等溫壓縮系數(shù)，等溫壓縮系數(shù)， 等壓膨脹系數(shù)等壓膨脹系數(shù) 二級相變時(shí)沒有熵和體積改變，只二級相變時(shí)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。有熱容、壓縮系數(shù)和膨脹系數(shù)的改變。 有序有序- -無序轉(zhuǎn)變、無序轉(zhuǎn)變、 磁性轉(zhuǎn)變、超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變屬于二級相變。磁性轉(zhuǎn)變、超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變屬于二級相變。金屬固態(tài)相變概論l按平衡狀態(tài)圖分類（平衡轉(zhuǎn)變和非平衡轉(zhuǎn)變）按平衡狀態(tài)圖分類（平衡轉(zhuǎn)變和非平衡轉(zhuǎn)變）平衡轉(zhuǎn)變平衡轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變和多形性轉(zhuǎn)變平衡

9、脫溶沉淀共析轉(zhuǎn)變包析轉(zhuǎn)變調(diào)幅分解有序化轉(zhuǎn)變金屬固態(tài)相變概論非平衡轉(zhuǎn)變非平衡轉(zhuǎn)變偽共析相變馬氏體相變貝氏體相變非平衡脫溶沉淀非平衡轉(zhuǎn)變非平衡轉(zhuǎn)變金屬固態(tài)相變概論l按原子遷移情況分類（擴(kuò)散型相變和無擴(kuò)散型相變）按原子遷移情況分類（擴(kuò)散型相變和無擴(kuò)散型相變）擴(kuò)散型相變：相變依靠原子近程或遠(yuǎn)程擴(kuò)散而進(jìn)行，也稱擴(kuò)散型相變：相變依靠原子近程或遠(yuǎn)程擴(kuò)散而進(jìn)行，也稱“非非 協(xié)同型協(xié)同型”轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變。非擴(kuò)散型相變：相變過程中原子不發(fā)生擴(kuò)散，參與轉(zhuǎn)變的所有非擴(kuò)散型相變：相變過程中原子不發(fā)生擴(kuò)散，參與轉(zhuǎn)變的所有 原子運(yùn)動是協(xié)調(diào)一致的。原子只作有規(guī)則的遷原子運(yùn)動是協(xié)調(diào)一致的。原子只作有規(guī)則的遷 移以使晶體點(diǎn)陣發(fā)生改組

10、，原子遷移范圍有限移以使晶體點(diǎn)陣發(fā)生改組，原子遷移范圍有限 不超過一個(gè)原子間距。如淬火馬氏體相變。不超過一個(gè)原子間距。如淬火馬氏體相變。金屬固態(tài)相變概論l按相變方式分類（有核相變和無核相變）按相變方式分類（有核相變和無核相變）金屬固態(tài)相變概論1）有核相變：形核）有核相變：形核-長大方式。長大方式。2）無核相變：）無核相變：金屬固態(tài)相變概論金屬固態(tài)相變概論二、金屬固態(tài)相變的特點(diǎn)二、金屬固態(tài)相變的特點(diǎn) 1 1、相界面：根據(jù)界面上新舊兩相原子在晶體學(xué)上匹配程度的、相界面：根據(jù)界面上新舊兩相原子在晶體學(xué)上匹配程度的不同，可分為共格界面、半共格界面和非共格界面。不同，可分為共格界面、半共格界面和非共格界

11、面。金屬固態(tài)相變概論金屬固態(tài)相變概論金屬固態(tài)相變概論2 2、新舊相之間存在位向關(guān)系與慣習(xí)面、新舊相之間存在位向關(guān)系與慣習(xí)面 金屬在固態(tài)相變時(shí)新相與母相之間往往存在一定的位向關(guān)金屬在固態(tài)相變時(shí)新相與母相之間往往存在一定的位向關(guān)系，而且新相往往在母相上一定的晶面上開始形成，這個(gè)晶面系，而且新相往往在母相上一定的晶面上開始形成，這個(gè)晶面稱為稱為慣習(xí)面慣習(xí)面。 當(dāng)新相與母相之間為共格或半共格界面時(shí)必然存在一定的位向關(guān)系；若無一定位向關(guān)系，則兩相界面必定為非共格界面。但有時(shí)雖然兩相之間存在位向關(guān)系，但也未必都具有共格或半共格界面。金屬固態(tài)相變概論3、相變阻力大（增加了彈性應(yīng)變能）、相變阻力大（增加了彈性

12、應(yīng)變能） 彈性應(yīng)變能的來源：彈性應(yīng)變能的來源：新相與母相間存在比容差；新相與母相間存在比容差； 兩相界面上的不匹配而引起的。兩相界面上的不匹配而引起的。 另外，彈性應(yīng)變另外，彈性應(yīng)變能的大小與新相的能的大小與新相的形狀有關(guān)：形狀有關(guān)：金屬固態(tài)相變概論 固態(tài)相變的阻力由界面能和彈性應(yīng)變能兩部分組成。固態(tài)相變的阻力由界面能和彈性應(yīng)變能兩部分組成。界面共格時(shí)：會降低界面能，但使彈性應(yīng)變能增大；界面共格時(shí)：會降低界面能，但使彈性應(yīng)變能增大；界面不共格時(shí)：界面不共格時(shí)： 盤（片）狀新相的彈性應(yīng)變能最低，但盤（片）狀新相的彈性應(yīng)變能最低，但 界面能較高；界面能較高； 球狀新相的界面能最低，但彈性應(yīng)變能球狀

13、新相的界面能最低，但彈性應(yīng)變能 最大。最大。過冷度大時(shí)：臨界晶核尺寸很小，單位體積新相的界面面積很大，此時(shí)界面能起主導(dǎo)作用。兩相易取共格方式以降低界面能，從而降低總的形核功，易于形核；過冷度很小時(shí)：臨界晶核尺寸較大，界面能不起主導(dǎo)作用，易形成非共格界面。此時(shí)若兩相比容差別較大，彈性應(yīng)變能起主導(dǎo)作用，則形成盤（片）狀新相以降低彈性應(yīng)變能；若兩相比容差別較小，彈性應(yīng)變能作用不大，則形成球狀新相以降低界面能。金屬固態(tài)相變概論4、晶體缺陷的影響、晶體缺陷的影響 當(dāng)母相中存在晶界、亞晶界、空位及位錯等各種晶體缺陷。當(dāng)母相中存在晶界、亞晶界、空位及位錯等各種晶體缺陷。 缺陷附近缺陷附近點(diǎn)陣畸變點(diǎn)陣畸變儲存

14、畸變能儲存畸變能提供形核的額外能量提供形核的額外能量加速轉(zhuǎn)變加速轉(zhuǎn)變在固態(tài)相變中，從能量觀點(diǎn)來看：在固態(tài)相變中，從能量觀點(diǎn)來看：大大小小形核功形核功均勻形核均勻形核 空位形核空位形核 位錯形核位錯形核 晶界非均勻形核晶界非均勻形核金屬固態(tài)相變概論（5）過渡相形成和原子的擴(kuò)散）過渡相形成和原子的擴(kuò)散過渡相過渡相母相母相新相新相晶體結(jié)構(gòu)或成分與母相較晶體結(jié)構(gòu)或成分與母相較接近的、自由能比母相稍接近的、自由能比母相稍低的、亞穩(wěn)定的低的、亞穩(wěn)定的可能可能如果新相與母相如果新相與母相的成分、結(jié)構(gòu)差的成分、結(jié)構(gòu)差異較大異較大新相與母相之間新相與母相之間只能形成高能量只能形成高能量的非共格界面。的非共格界面

15、。界面能和形核功界面能和形核功較大。較大。形成過渡相成為減少相變阻力的重要途徑之一。形成過渡相成為減少相變阻力的重要途徑之一。金屬固態(tài)相變概論綜上所述，固態(tài)相變具有如下共同特點(diǎn)：綜上所述，固態(tài)相變具有如下共同特點(diǎn)：1、相變阻力大，相變的發(fā)生需要較大的過冷度；、相變阻力大，相變的發(fā)生需要較大的過冷度；2、新相與母相之間存在一定的晶體學(xué)位向關(guān)系，導(dǎo)致、新相與母相之間存在一定的晶體學(xué)位向關(guān)系，導(dǎo)致新相的組織對母相有一定的遺傳性；新相的組織對母相有一定的遺傳性；3、母相的晶體缺陷可增加形核能量，同時(shí)可加快擴(kuò)散、母相的晶體缺陷可增加形核能量，同時(shí)可加快擴(kuò)散過程，有利于新相晶體的生長，對相變起促進(jìn)作用；過

16、程，有利于新相晶體的生長，對相變起促進(jìn)作用；4、擴(kuò)散過程對相變的影響較大，擴(kuò)散不但成為固態(tài)相、擴(kuò)散過程對相變的影響較大，擴(kuò)散不但成為固態(tài)相變的控制因素，在溫度較低時(shí)還可能改變轉(zhuǎn)變的類型，變的控制因素，在溫度較低時(shí)還可能改變轉(zhuǎn)變的類型，如從擴(kuò)散型改變?yōu)榉菙U(kuò)散型；如從擴(kuò)散型改變?yōu)榉菙U(kuò)散型；5、易出現(xiàn)過渡相，有些反應(yīng)不能進(jìn)行到底，過渡相可、易出現(xiàn)過渡相，有些反應(yīng)不能進(jìn)行到底，過渡相可以長期保留。以長期保留。金屬固態(tài)相變熱力學(xué)一、金屬固態(tài)相變的熱力學(xué)條件一、金屬固態(tài)相變的熱力學(xué)條件1. 相變驅(qū)動力相變驅(qū)動力:在固態(tài)相變中新舊兩相的自由能差和新相自由在固態(tài)相變中新舊兩相的自由能差和新相自由 能較低。能較

17、低。相變熱力學(xué)條件相變熱力學(xué)條件自由能自由能 G是系統(tǒng)的一個(gè)特征函數(shù)，設(shè)是系統(tǒng)的一個(gè)特征函數(shù)，設(shè)H為焓，為焓，S為熵，為熵，T為絕為絕對溫度，則有：對溫度，則有：GHTSdGdHTdSSdTTdSdHdW對對T求求G的一階，有：的一階，有：對于可逆過程：對于可逆過程： 固態(tài)相變過程中只引起輕微的體積變化，可忽略。則固態(tài)相變過程中只引起輕微的體積變化，可忽略。則dW=0，TdS=dH，因此，因此dG=-SdT。vGST 由于由于S S總為正值，所以總為正值，所以vGT總為負(fù)值?？倿樨?fù)值。即：即：G總是隨總是隨T的增加而降低。的增加而降低。G對對T求二階導(dǎo)數(shù)：求二階導(dǎo)數(shù)：22VVGSTT 恒為恒為

18、正值正值為負(fù)值，意味著自由能為負(fù)值，意味著自由能G G和溫度和溫度T T的特性曲的特性曲線總是凹面向下。線總是凹面向下。金屬固態(tài)相變熱力學(xué)金屬固態(tài)相變熱力學(xué)GT0T1T2TGG自由能與溫自由能與溫度的關(guān)系圖度的關(guān)系圖2、相變勢壘、相變勢壘 相變時(shí)改組晶格所必須相變時(shí)改組晶格所必須克服的原子間引力?？朔脑娱g引力。G狀態(tài)狀態(tài)GgIII 表征相變能壘也可以表征相變能壘也可以用激活能用激活能Q表示。表示。金屬固態(tài)相變熱力學(xué)晶體中原子通過兩種方式來獲得附加的能量：晶體中原子通過兩種方式來獲得附加的能量：l 原子的熱振動的不均勻性，個(gè)別原子可能具有很高原子的熱振動的不均勻性，個(gè)別原子可能具有很高的熱振

19、動能量；的熱振動能量；l 機(jī)械應(yīng)力。機(jī)械應(yīng)力。二、金屬固態(tài)相變的形核二、金屬固態(tài)相變的形核金屬固態(tài)相變形核金屬固態(tài)相變形核 + + 長大長大1 1、均勻形核、均勻形核 在均勻形核過程中形核的驅(qū)動力亦是新舊兩相的自由能在均勻形核過程中形核的驅(qū)動力亦是新舊兩相的自由能差，而形核的阻力差，而形核的阻力除界面能外還增加了一項(xiàng)彈性應(yīng)變能除界面能外還增加了一項(xiàng)彈性應(yīng)變能。金屬固態(tài)相變熱力學(xué)VGVGSV 新相與母相間的單位體積自由能差新相與母相間的單位體積自由能差界面能界面能彈性應(yīng)變能彈性應(yīng)變能驅(qū)動力驅(qū)動力阻力阻力 若生成的新相晶核為球形（半徑為若生成的新相晶核為球形（半徑為r) 時(shí)，可以推導(dǎo)出新時(shí)，可以推

20、導(dǎo)出新相的臨界晶核半徑和形核功，其分別為：相的臨界晶核半徑和形核功，其分別為：32163()WGvGv 由上式可知，當(dāng)界面能和彈性應(yīng)變能增大時(shí)，臨界晶核由上式可知，當(dāng)界面能和彈性應(yīng)變能增大時(shí)，臨界晶核半徑半徑rc和形核功和形核功W都增高。都增高。vcGr2金屬固態(tài)相變熱力學(xué)同樣，可以用以下公式表征相變時(shí)的形核率：同樣，可以用以下公式表征相變時(shí)的形核率：expQWInvkT過冷度的增大，過冷度的增大，rc和和W都減小，新相形核幾率增大，都減小，新相形核幾率增大，新相晶核數(shù)量增多，相變?nèi)菀装l(fā)生。新相晶核數(shù)量增多，相變?nèi)菀装l(fā)生。 只有在一定的溫度滯后條件下系統(tǒng)才可能發(fā)生相變。只有在一定的溫度滯后條件

21、下系統(tǒng)才可能發(fā)生相變。n為單位體積母相中的原子數(shù)為單位體積母相中的原子數(shù)為原子振動頻率為原子振動頻率Q為擴(kuò)散激活能為擴(kuò)散激活能W為形核功為形核功金屬固態(tài)相變熱力學(xué)2、非均勻形核、非均勻形核當(dāng)新相晶核在母相缺陷處形成時(shí)，系統(tǒng)的自由能變化為：當(dāng)新相晶核在母相缺陷處形成時(shí)，系統(tǒng)的自由能變化為：GVGvSVGd 母相中缺陷所提供的能量母相中缺陷所提供的能量金屬固態(tài)相變熱力學(xué)界隅界隅界棱界棱界面界面a、在晶界處形核、在晶界處形核金屬固態(tài)相變熱力學(xué) 從能量的角度來說，界隅提供的能量最大，界棱次之，界從能量的角度來說，界隅提供的能量最大，界棱次之，界面最小。但從所占的體積百分?jǐn)?shù)來說，界面反而最大，而界面最小

22、。但從所占的體積百分?jǐn)?shù)來說，界面反而最大，而界隅最小。綜合考慮兩種因素，晶界不同位置非均勻形核率隅最小。綜合考慮兩種因素，晶界不同位置非均勻形核率I 可寫為：可寫為： 其中，其中，i=0,1,2,3分別表示界隅形核、界棱形核、界面形核、分別表示界隅形核、界棱形核、界面形核、均勻形核。均勻形核。Ai為在晶界不同位置形核的形核功與均勻形核的形為在晶界不同位置形核的形核功與均勻形核的形核功之比值，核功之比值，A0A1A2A3=1。kTWAkTQLnIiiexpexp3金屬固態(tài)相變熱力學(xué) 設(shè)設(shè)為母相，為母相，為新相，則晶界形核時(shí)系統(tǒng)自由能的為新相，則晶界形核時(shí)系統(tǒng)自由能的總變化可表示為：總變化可表示為

23、：GVGvSVS 1SGVGvVSS 為減小晶核表面積，降低界面能，非共格形核時(shí)各界為減小晶核表面積，降低界面能，非共格形核時(shí)各界面均呈球冠形。界面、界棱和界隅上的非共格晶核分別呈面均呈球冠形。界面、界棱和界隅上的非共格晶核分別呈雙凸透鏡片、兩端尖的曲面三棱柱體和球面四面體等形狀。雙凸透鏡片、兩端尖的曲面三棱柱體和球面四面體等形狀。金屬固態(tài)相變熱力學(xué)l對界面形核，由界面張力平衡可知，界面能存在以下關(guān)系：對界面形核，由界面張力平衡可知，界面能存在以下關(guān)系：其中令其中令/332116max3SSWGGv 2cos2cos金屬固態(tài)相變熱力學(xué)若晶核為雙球冠形，若晶核為雙球冠形，R R為曲率半徑，則有：

24、為曲率半徑，則有：)cos1 (sin2222RRS)cos1 (42RS)211 (41)cos1 (41SS根據(jù)形核功公式，可知：根據(jù)形核功公式，可知：時(shí)，01SSW=0。042122142 所以，當(dāng)在界面形核時(shí)，只要所以，當(dāng)在界面形核時(shí)，只要 ，形核不再需要外，形核不再需要外界的能量補(bǔ)充。界的能量補(bǔ)充。2 金屬固態(tài)相變熱力學(xué)對于界棱形核，對于界棱形核，3無能量障礙。無能量障礙。從結(jié)果來看，界隅形核的能量障礙最小，然從結(jié)果來看，界隅形核的能量障礙最小，然而界隅能否成為優(yōu)先形核位置，還要看過冷度大小。而界隅能否成為優(yōu)先形核位置，還要看過冷度大小。同理：界隅形核時(shí)：同理：界隅形核時(shí)：322晶界

25、促進(jìn)形核是利用晶界自身的能量為形核提供驅(qū)動力晶界促進(jìn)形核是利用晶界自身的能量為形核提供驅(qū)動力金屬固態(tài)相變熱力學(xué)b. 位錯形核位錯形核位錯促進(jìn)形核位錯促進(jìn)形核位錯線消失所位錯線消失所釋放能量成為釋放能量成為形核驅(qū)動力形核驅(qū)動力位錯線不消失，通位錯線不消失，通過降低界面的應(yīng)變過降低界面的應(yīng)變能而促進(jìn)形核能而促進(jìn)形核位錯線本身位錯線本身作為短程擴(kuò)作為短程擴(kuò)散的通道而散的通道而促進(jìn)形核促進(jìn)形核位錯通過分位錯通過分解形成擴(kuò)展解形成擴(kuò)展位錯而促進(jìn)位錯而促進(jìn)形核形核溶質(zhì)原子在位錯溶質(zhì)原子在位錯線上偏聚，達(dá)到線上偏聚，達(dá)到新相形成所需的新相形成所需的成分起伏成分起伏金屬固態(tài)相變熱力學(xué)c. 空位形核空位形核空位

26、促進(jìn)形核空位促進(jìn)形核加速溶質(zhì)加速溶質(zhì)原子擴(kuò)散原子擴(kuò)散聚集成位錯聚集成位錯利用自身的能量為形核利用自身的能量為形核提供驅(qū)動力提供驅(qū)動力金屬固態(tài)相變熱力學(xué)1.依賴于溶質(zhì)在母相中作長程擴(kuò)散依賴于溶質(zhì)在母相中作長程擴(kuò)散2.不需要有傳質(zhì)過程，界面附近的原子不需要有傳質(zhì)過程，界面附近的原子只需作短程擴(kuò)散只需作短程擴(kuò)散三、金屬固態(tài)相變的晶核長大三、金屬固態(tài)相變的晶核長大1、新相的長大機(jī)制、新相的長大機(jī)制新相成分新相成分母相成分母相成分需結(jié)構(gòu)改變需結(jié)構(gòu)改變需原子遷移需原子遷移新相成分新相成分母相成分母相成分需結(jié)構(gòu)改變需結(jié)構(gòu)改變無需原子遷移無需原子遷移金屬固態(tài)相變熱力學(xué) 實(shí)際合金中，新相晶核與母相形成完全共格界

27、面實(shí)際合金中，新相晶核與母相形成完全共格界面的情況極少，通常所見的是形成半共格和非共格界的情況極少，通常所見的是形成半共格和非共格界面。面。l半共格界面的遷移半共格界面的遷移 半共格界面具有較低的界面能，在長大過程中界半共格界面具有較低的界面能，在長大過程中界面往往保持平面。面往往保持平面。 金屬固態(tài)相變熱力學(xué)切變協(xié)同型長大切變協(xié)同型長大馬氏體相變的表面傾動示意圖馬氏體相變的表面傾動示意圖（1）協(xié)同型（切變）長大機(jī)制）協(xié)同型（切變）長大機(jī)制：通過半共格界面上母：通過半共格界面上母相一側(cè)原子的切變來完成。相一側(cè)原子的切變來完成。特點(diǎn)特點(diǎn)：大量原子有規(guī)律地沿某一方向作小于一個(gè)原子間：大量原子有規(guī)律

28、地沿某一方向作小于一個(gè)原子間距的遷移，并保持原來的相鄰關(guān)系不變。距的遷移，并保持原來的相鄰關(guān)系不變。金屬固態(tài)相變熱力學(xué)晶核以臺階方式長大示意圖晶核以臺階方式長大示意圖半共格界面的可能結(jié)構(gòu)半共格界面的可能結(jié)構(gòu)b平截面平截面b階梯截面階梯截面（2）臺階式長大：通過階梯狀晶界面上位錯的滑移運(yùn)動，使）臺階式長大：通過階梯狀晶界面上位錯的滑移運(yùn)動，使晶界的臺階發(fā)生側(cè)向遷移，從而使界面沿晶界的臺階發(fā)生側(cè)向遷移，從而使界面沿其法線方向推進(jìn)。其法線方向推進(jìn)。金屬固態(tài)相變熱力學(xué)l 非共格界面的遷移非共格界面的遷移臺階式非共格界面：母相原子從母相臺階端臺階式非共格界面：母相原子從母相臺階端部向新相臺階上轉(zhuǎn)移，致使

29、部向新相臺階上轉(zhuǎn)移，致使新相臺階發(fā)生側(cè)向移動。新相臺階發(fā)生側(cè)向移動。非協(xié)同型長大：非協(xié)同型長大：界面處原子排列紊亂，原子界面處原子排列紊亂，原子的移動不是協(xié)同的，無一定的移動不是協(xié)同的，無一定先后順序，相對位移不等，先后順序，相對位移不等，其相鄰關(guān)系也可能變化。其相鄰關(guān)系也可能變化。界界面上的原子形成一個(gè)無規(guī)則面上的原子形成一個(gè)無規(guī)則排列的過渡層，母相原子不排列的過渡層，母相原子不斷地以非協(xié)同方式向新相轉(zhuǎn)斷地以非協(xié)同方式向新相轉(zhuǎn)移。移。金屬固態(tài)相變熱力學(xué)2、新相的長大速度、新相的長大速度 新相的長大速度取決于相界面的移動速度。新相的長大速度取決于相界面的移動速度。 對于無擴(kuò)散型相變（協(xié)同型轉(zhuǎn)變

30、），無需傳質(zhì)過程和對于無擴(kuò)散型相變（協(xié)同型轉(zhuǎn)變），無需傳質(zhì)過程和原子調(diào)整位置的過程，通?？梢栽诙虝r(shí)間內(nèi)完成；原子調(diào)整位置的過程，通?？梢栽诙虝r(shí)間內(nèi)完成； 對于擴(kuò)散型相變，界面遷移需借助于原子的擴(kuò)散，長對于擴(kuò)散型相變，界面遷移需借助于原子的擴(kuò)散，長大速度較慢。大速度較慢。擴(kuò)散型相變擴(kuò)散型相變新相形成時(shí)無成分變化新相形成時(shí)無成分變化（短程擴(kuò)散）（短程擴(kuò)散）新相形成時(shí)有成分變化新相形成時(shí)有成分變化（長程擴(kuò)散）（長程擴(kuò)散）受界面擴(kuò)散所控制受界面擴(kuò)散所控制受擴(kuò)散速度所控制受擴(kuò)散速度所控制金屬固態(tài)相變熱力學(xué)（1）無成分變化的新相長大）無成分變化的新相長大（由母相（由母相轉(zhuǎn)變?yōu)樾孪噢D(zhuǎn)變?yōu)樾孪啵?若若g表示表

31、示相中的一個(gè)原子相中的一個(gè)原子越過相界跳到越過相界跳到相上所需的激活相上所需的激活能（能（短程擴(kuò)散短程擴(kuò)散），則振動原子中），則振動原子中能夠具有這一激活能的概率為能夠具有這一激活能的概率為exp(- g/kT)。若原子的振動頻。若原子的振動頻率為率為0，則，則相中的原子能夠越過相中的原子能夠越過相界跳到相界跳到相上的頻率相上的頻率為：為：kTgexp0kTgGexp0同理：同理：金屬固態(tài)相變熱力學(xué)過冷度很大時(shí)：過冷度很大時(shí)：kTguexp0kTGkTguexp1exp0 原子從原子從相跳到相跳到相的凈跳躍頻率為：相的凈跳躍頻率為：=。若原若原子跳躍一次的距離為子跳躍一次的距離為，每當(dāng)相界上有

32、一層原子從，每當(dāng)相界上有一層原子從相跳到相跳到相后，相后， 相便增厚相便增厚 ，則，則單位時(shí)間內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)相的長大速度為：相的長大速度為：此時(shí)，此時(shí)，u 隨溫度降低而增大。隨溫度降低而增大。 kTgTGkuexp0過冷度很小時(shí)，過冷度很小時(shí)，此時(shí)，此時(shí)，u 隨溫度降低呈指數(shù)減小。隨溫度降低呈指數(shù)減小。金屬固態(tài)相變熱力學(xué)（2）有成分變化的新相長大）有成分變化的新相長大%Cx%CxCCuuCCCC)(tx)(tx00 新相長大速度受控于原子新相長大速度受控于原子的擴(kuò)散速度、濃度梯度和相的擴(kuò)散速度、濃度梯度和相界面上的平衡濃度差。界面上的平衡濃度差。0 xxCCCDu金屬固態(tài)相變動力學(xué)一、金屬固態(tài)相

33、變的速率一、金屬固態(tài)相變的速率 研究的主要內(nèi)容是恒溫條件下相研究的主要內(nèi)容是恒溫條件下相變量和時(shí)間的關(guān)系，即恒溫條件下變量和時(shí)間的關(guān)系，即恒溫條件下相變形核率和晶核長大速度的問題。相變形核率和晶核長大速度的問題。約翰梅爾方程：約翰梅爾方程：433exp1tIGX 相變動力學(xué)曲線呈相變動力學(xué)曲線呈“S”形；形； TTT曲線呈曲線呈“C”形；形； 有孕育期，轉(zhuǎn)變溫度較高時(shí)，孕有孕育期，轉(zhuǎn)變溫度較高時(shí)，孕育期很長；育期很長； “鼻點(diǎn)鼻點(diǎn)”溫度時(shí)孕育期最溫度時(shí)孕育期最短；溫度低于短；溫度低于“鼻點(diǎn)鼻點(diǎn)”溫度時(shí)，孕育溫度時(shí)，孕育期又逐漸增大。期又逐漸增大。金屬固態(tài)相變動力學(xué)二、鋼中過冷奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)二

34、、鋼中過冷奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué) 1. 過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)冷卻至臨界點(diǎn)（冷卻至臨界點(diǎn)（A3或或A1）以下仍）以下仍未轉(zhuǎn)變的奧氏體稱為未轉(zhuǎn)變的奧氏體稱為過冷奧氏體過冷奧氏體。金屬固態(tài)相變動力學(xué)2. TTT曲線的基曲線的基本類型本類型金屬固態(tài)相變動力學(xué)3. TTT曲線的影響因素曲線的影響因素（1）奧氏體化學(xué)成分的影響）奧氏體化學(xué)成分的影響 A.碳含量碳含量 奧氏體中碳含量越高，奧氏體中碳含量越高，C曲線右移。曲線右移。 亞共析鋼中，隨碳含量的上升，亞共析鋼中，隨碳含量的上升，C曲線右移；曲線右移； 過共析鋼中，隨碳含量的上升，過共析鋼中，隨碳含量的上升，C曲線左移；曲線左移； 因此，共析鋼的因此，共析鋼的C曲線離縱軸最遠(yuǎn)，共析鋼的過冷曲線離縱軸最遠(yuǎn)，共析鋼的過冷A最穩(wěn)定。最穩(wěn)定。 除除Co、Al以外，合金元素以外，合金元素均使均使C曲線右移，即增加過曲線右移，即增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性。冷奧氏體的穩(wěn)定性。B. 合金元素的影響合金元素的影響金屬固態(tài)相變動力學(xué)（2）奧氏體晶粒尺寸的影響）奧氏體晶粒尺寸的影響 珠光體