金屬學基本概念及固態(tài)相變概論-課件

第一章金屬學基本概念

及固態(tài)相變概論一

金屬學基本概念二

二元合金相圖三

金屬固態(tài)相變概論第一章金屬學基本概念

及固態(tài)相變概論一金屬

具有不透明、金屬光澤、導熱和導電性并且其導電能力隨溫度的增高而減小，富有延展性等特性的物質。金屬內部原子具有規(guī)律性排列的固體。原子尺度的結構

主價鍵：離子鍵，共價鍵，金屬鍵次價鍵：范德瓦爾斯鍵（分子鍵）一、基本概念金屬一、基本概念晶體：晶體是內部質點在三維空間成周期性重復排列的固體，即晶體是具有格子構造的固體。晶格：為了描述晶體的結構，把構成晶體的原子當成一個點，再用假想的線段將這些代表原子的各點連接起來，就繪成了所表示的格架式空間結構。這種用來描述原子在晶體中排列的幾何空間格架，稱為晶格；排有結構粒子的這些點叫做晶格的結點。晶胞：由于晶體中原子的排列是有規(guī)律的，可以從晶格中拿出一個完全能夠表達晶格結構的最小單元，這個最小單元就叫作晶胞。晶體：晶體是內部質點在三維空間成周期性重復排列的固體，即晶體晶體按其內部結構可分為七大晶系和14種晶格類型。其中常見的有體心立方、面心立方、密排六方等晶體結構。實際上理想的晶體結構是不存在的，事實上，晶體都總是或多或少存在某些缺陷，可能存在空位、間隙離子、取代離子、位錯等缺陷。晶體按其內部結構可分為七大晶系和14種晶格類型。其中常見的有表1-1布拉菲點陣的結構特征

（table1-1thestructuralfeatureofBravaislattice）表1-1布拉菲點陣的結構特征

（table1-1thFCC

γ-Fe,Al,Cu,Ag,Au,NiBCCCr,α-Fe,W,Mo,V,β-TiFCC

γ-Fe,Al,Cu,Ag,Au,NiBCHCPMg,Zn,Cd,α

-Ti,α-CoHCP晶向指數的確定：將坐標原點選在OP的任一結點O點，把OP的另一結點P的坐標經等比例化簡后按X、Y、Z坐標軸的順序寫在方括號[]內，則[uvw]即為OP的晶向指數。晶向：

點陣可在任何方向上分解為相互平行的直線組，位于一條直線上的結點構成一個晶向。晶向指數的確定：將坐標原點選在OP的任一結點O點，把OP的另晶面：晶體點陣在任何方向上分解為相互平行的結點平面稱為晶面，即結晶多面體上的平面。晶面指數：結晶學中經常用（hkl）來表示一組平行晶面，稱為晶面指數。數字hkl是晶面在三個坐標軸（晶軸）上截距的倒數的互質整數比。晶面：晶體點陣在任何方向上分解為相互平行的結點平面稱為晶面，晶體缺陷分四類：點缺陷：只在某些位置發(fā)生，只影響鄰近幾個原子。例如空位、間隙原子、雜質原子等。線缺陷：集中表現形式是位錯，刃型位錯和螺型位錯，可被電鏡觀察到。面缺陷：晶界和亞晶界，可被光學顯微鏡觀察到。體缺陷：如鑲嵌塊，沉淀相，空洞，氣泡等。晶體缺陷分四類：金屬學基本概念及固態(tài)相變概論-課件金屬學基本概念及固態(tài)相變概論-課件金屬學基本概念及固態(tài)相變概論-課件金屬學基本概念及固態(tài)相變概論-課件合金：由兩種或兩種以上金屬或金屬與非金屬組成，具有金屬特性的物質。相：指金屬或合金中化學成分相同、晶格結構相同，或原子聚集狀態(tài)相同，并與其他部分之間有明確界面的獨立均勻組成部分。組織：組織是指用肉眼可直接觀察的，或用放大鏡、顯微鏡能觀察分辨的材料內部微觀形貌圖像。合金：由兩種或兩種以上金屬或金屬與非金屬組成，具有金屬特性的固溶體：固溶體是一個（或幾個）組元的原子（化合物）溶入另一個組元的晶格中，而仍保持另一組元的晶格類型的固態(tài)金屬晶體，固溶體分間隙固溶體和置換固溶體兩種。

固溶強化：由于溶質原子進入溶劑晶格的間隙或結點，使晶格發(fā)生畸變，使固溶體硬度和強度升高，這種現象叫固溶強化現象。

固溶體：固溶體是一個（或幾個）組元的原子（化合物）溶入另一個金屬化合物：合金組元件發(fā)生相互作用而形成一種具有金屬特性的物質稱為金屬化合物。機械混合物機械混合物由純金屬、固溶體、金屬化合物這些合金的基本相按照固定比例構成的組織稱為機械混合物。

金屬化合物：鐵素體碳在α-Fe（體心立方結構的鐵）中的間隙固溶體。鐵素體

奧氏體晶體結構奧氏體碳在γ-Fe（面心立方結構的鐵）中的間隙固溶體。

奧氏體晶體結構奧氏體滲碳體：

碳和鐵形成的穩(wěn)定化合物Fe3C滲碳體：珠光體顯微組織珠光體鐵素體和滲碳體組成的機械混合物（Fe+Fe3C含碳0.77%）

珠光體顯微組織珠光體萊氏體滲碳體和奧氏體組成的機械混合物（含碳4.3%）。萊氏體二、二元合金相圖

二、二元合金相圖相圖:相圖就是表明合金系中各種合金相的平衡條件和相與相之間關系的一種簡明示圖，也稱為平衡圖或狀態(tài)圖。合金在極其緩慢冷卻條件下的結晶過程，一般可認為是平衡結晶過程。在常壓下，二元合金的相狀態(tài)決定于溫度和成分，二元合金相圖可用溫度-成分坐標系的平面圖來表示。。相圖:相圖就是表明合金系中各種合金相的平衡條件和相與相之間關銅鎳二元合金相圖，銅鎳二元合金相圖，銅鎳二元合金相圖，是一種最簡單的基本相圖：。橫坐標表示合金成分（溶質的質量百分數），左右端點分別表示純組元（純金屬）和，其余的為合金系的每一種合金成分，如C點的合金成分為含20％,含80％。坐標平面上的任一點稱為表象點表示一定成分的合金在一定溫度時的穩(wěn)定相狀態(tài)。銅鎳二元合金相圖，是一種最簡單的基本相圖：。橫坐標表示合金成

二元合金的杠桿定律因該式與力學的杠桿定律相同，所以稱為二元合金的杠桿定律。杠桿定律只適用于相圖中的兩相區(qū)，即只能在兩相平衡狀態(tài)下使用。二元合金的杠桿定律因該式與力學的杠桿定律相同，所以稱為二元2、勻晶相圖兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)也無限互溶，冷卻時發(fā)生勻晶反應，稱為勻晶系并構成勻晶相圖。例如Cu-Ni、Fe-Cr合金相圖等。2、勻晶相圖金屬學基本概念及固態(tài)相變概論-課件

枝晶偏析示意圖枝晶偏析示意圖固溶體結晶時成分是變化的，冷卻時由于原子的擴散充分進行，形成的是成分均勻的固溶體。如果冷卻較快，原子擴散不能充分進行，則形成成分不均勻的固溶體。先結晶的樹枝晶軸含高熔點組元（Ni）較多，后結晶的樹枝晶枝干含低熔點組元（Cu）較多。結果造成在一個晶粒之內化學成分的分布不均,這種現象稱為枝晶偏析.生產上為了消除其影響，常把合金加熱到高溫（低于固相線100℃左右），并進行長時間保溫，使原子充分擴散，獲得成分均勻的固溶體。這種處理稱為擴散退火。固溶體結晶時成分是變化的，冷卻時由于原子的擴散充分進行，形成3、共晶相圖兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)有限互溶，冷卻時發(fā)生共晶反應的合金系，稱為共晶系并構成共晶相圖,如Pb-Sn相圖。3、共晶相圖d點為共晶點，表示此點成分（共晶成分）的合金冷卻到此點所對應的溫度（共晶溫度）時，共同結晶出c點成分的α相和e點成分的β相。由一種液相在恒溫下同時結晶出兩種固相的反應叫做共晶反應。所生成的兩相混合物（層片相間）叫共晶體。d點為共晶點，表示此點成分（共晶成分）的合金冷卻到此點所對應4、共析相圖如圖所示，下半部分為共析相圖，形狀與共晶相圖相似。d點成分（共析成分）的合金（共析合金）從液相經勻晶反應生成γ相后，繼續(xù)冷卻到d點溫度（共析溫度）時，發(fā)生共析反應，共析反應的形式類似于共晶反應，而區(qū)別在于它是由一個固相γ（相）在恒溫下同時析出兩個固相（c點成分的α相和e點成分的β相），兩相的混合物稱為共析體(層片相間)。4、共析相圖共析反應是在固態(tài)下進行的，所以共析產物比共晶產物要細密的多。

共析反應是在固態(tài)下進行的，所以共析產物比共晶產物要細密的多。5、鐵碳相圖5、鐵碳相圖鐵碳合金相圖實際上是Fe-Fe3C相圖。鐵存在著同素異晶轉變，即在固態(tài)下有不同的結構。不同結構的鐵與碳可以形成不同的固溶體，Fe—Fe3C相圖上的固溶體都是間隙固溶體。由于α-Fe和γ-Fe晶格中的孔隙特點不同，因而兩者的溶碳能力也不同。從某種意義上講，鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的工具，是研究碳鋼和鑄鐵成分、溫度、組織和性能之間關系的理論基礎，也是制定各種熱加工工藝的依據。鐵碳合金相圖實際上是Fe-Fe3C相圖。在鐵碳合金中一共有三個相,即鐵素體,奧氏體和滲碳體.但奧氏體一般僅存在于高溫下,所以室溫下所有的鐵碳合金中只有兩個相,就是鐵素體和滲碳體.由于鐵素體中的含碳量非常少,所以可以認為鐵碳合金中的碳絕大部分存在于滲碳體中，這一點是十分重要的。在鐵碳合金中一共有三個相,即鐵素體,奧氏體和滲碳體.但奧氏體鐵碳相圖鐵碳相圖1.上半部分-------共晶轉變

在1148℃,4.3%C的液相發(fā)生共晶轉變；轉變的產物稱為萊氏體,用符號Ld表示。2.下半部分-----共析轉變在727℃,0.77%的奧氏體發(fā)生共析轉變:轉變的產物稱為珠光體。

水平線ECF為共晶反應線.水平線PSK為共析反應線，亦稱A1線.GS線是合金冷卻時自A中開始析出F的臨界溫度線,通常稱A3線.ES線是碳在A中的固溶線,通常叫做Acm線.1.上半部分-------共晶轉變水平線ECF為共晶反應線.金屬學基本概念及固態(tài)相變概論-課件金屬學基本概念及固態(tài)相變概論-課件金屬學基本概念及固態(tài)相變概論-課件金屬學基本概念及固態(tài)相變概論-課件固態(tài)相變理論是是熱處理的理論依據和實踐基礎。例如，馬氏體相變可使鋼淬火強化；過飽和固溶體分解使合金時效強化等。因此，研究固態(tài)相變有重要的實際意義。本章節(jié)將扼要介紹金屬固態(tài)相變的主要類型、特點以及形核與長大方面的基本知識。三

金屬固態(tài)相變概論固態(tài)相變理論是是熱處理的理論依據和實踐基礎。例如，馬氏體相變相：體系中具有相同成分、結構和性質的均勻部分稱為相，不同相之間有明顯的界面分開。相變：

隨外界條件的變化(溫度)，體系中新相取代舊相的過程。固態(tài)相變：固態(tài)金屬及合金在溫度及壓力改變時，組織及結構發(fā)生的變化3.1

金屬固態(tài)相變的主要類型3.1金屬固態(tài)相變的主要類型1.按平衡狀態(tài)圖分類

(1)平衡轉變：固態(tài)金屬在緩慢加熱或冷卻時發(fā)生的能獲得符合相圖所示平衡組織的相變。同素異構轉變和多形性轉變

平衡脫溶沉淀

AB+LⅠT固溶體純金屬1.按平衡狀態(tài)圖分類AB+LⅠT固溶體純金屬共析相變如珠光體轉變。由一個固相分解為兩個固相的轉變。調幅分解

α

α1+α2高溫合金單相固溶體在冷卻到某一溫度分解為兩個結構相同成分不同兩相有序化轉變無序有序原子在晶體中相對位置由無序到有序轉變，使其電、磁、物理、機械性能變化。如：Cu-Zn,Cu-Au,Mn-Ni,Fe-Ni,Ti-Ni合金等。共析相變(2)不平衡轉變

不平衡轉變：固態(tài)金屬在快速加熱和冷卻時，由于平衡相變受到抑制，可能發(fā)生某些不平衡轉變而得到在相圖上不能反應的不平衡組織。(2)不平衡轉變不平衡轉變：固態(tài)金屬在快速加熱和冷不平衡轉變

偽共析相變馬氏體相變貝氏體相變不平衡脫溶轉變(時效)AB+LⅠT>>’>>+不平衡轉變AB+LⅠT>>’2.按原子遷移情況分類（1）擴散型相變溫度足夠高、原子活動能力足夠強、時間足夠長情況下發(fā)生的相變。特點：相變過程有原子擴散，相變速率受原子擴散速度控制；新、舊相成分不同；新、舊相比容不同引起體積變化，但宏觀形狀不變。如：同素異構轉變、脫溶轉變、共析轉變、調幅分解、有序化轉變、珠光體轉變等2.按原子遷移情況分類（2）非擴散型相變相變過程中原子不發(fā)生擴散，參與轉變的所有原子運動是協調一致的。原子只作有規(guī)則的遷移以使晶體點陣重組，原子遷移范圍有限不超過一個原子間距。如：淬火馬氏體相變

特點：存在均勻切變引起宏觀變形；相變無擴散，新、舊相化學成分相同；新、舊相之間存在一定晶體學取向關系；相變速度快。（2）非擴散型相變3.按相變方式分類

(1)有核相變

形核----長大方式進行相變。

(2)無核相變

條件：可以以成分起伏或能量起伏為開始，直接長大形成新相過程。如：調幅分解以成分起伏為開始，進行上坡擴散，形成兩個成分不同的新相；

馬氏體相變以能量起伏為開始，靠共格切變直接長大形成新相過程。3.按相變方式分類

相變的實質：是相結構、成分或有序化程度發(fā)生變化，相變可以兼有上述相變類型的一種或幾種。

如：馬氏體相變是非擴散相變、（新舊相成分相同、結構不相同）

珠光體相變是擴散相變、（新舊相成分不相同、結構不相同）

非平衡相變、無核相變；小結：相變的實質：是相結構、成分或有序化程度發(fā)生變化，非平衡3.2金屬固態(tài)相變主要特點

1.相界面特殊（新相和母相間存在不同的界面）

(1)共格界面

新、舊相的晶體結構、點陣常數相同；或有差異但存在一組特定晶體學平面可使兩相原子之間產生完全匹配。

舊相新相特點：界面能小，彈性畸變能大3.2金屬固態(tài)相變主要特點舊相新相特點：界面能小，彈性畸(2)半共格界面新、舊相之間存在少量位錯，除此之外的晶體結構和點陣常數均能使兩相原子之間產生完全匹配。新、舊相間錯配度δ=|αβ-αα|/αα小δ＜0.05共格關系大0.05＜δ＜0.25半共格關系很大δ＞0.25非共格關系(2)半共格界面新、舊相間錯配度小δ＜0.05(3)非共格界面新、舊相界面處原子排列差別很大,兩原子之間匹配關系不再維持,為非共格界面。特點：界面能大，彈性畸變能小(3)非共格界面特點：界面能大，彈性畸變能小界面能：非共格>半共格>共格彈性畸變能：非共格<半共格<共格界面能：非共格>半共格>共格2.新舊相之間存在一定取向關系與慣習面新、舊相之間存在一定取向關系,并且新相往往在舊相的一定晶面上開始形成,這個晶面稱為慣習面.慣習面和取向關系的區(qū)別：慣習面指母相的某一主平面；取向關系指新相的某些晶面、晶向∥舊相的某些晶面、晶向若兩相間為（半）共格界面→

但反過來不成立若無取向關系→

有取向關系必為非共格界面2.新舊相之間存在一定取向關系與慣習面有取向關系必為非共格3.相變阻力大（彈性應變能作用）相界面上原子強制匹配引起的共格應變能共格＞半共格＞非共格新、舊相比容差應變能彈性應變能和界面能共同構成金屬發(fā)生固態(tài)相變的阻力3.相變阻力大（彈性應變能作用）新相形狀與彈性應變能之間關系新相形狀與彈性應變能之間關系4.晶體缺陷的作用晶態(tài)固體中的空位、位錯、晶界等缺陷周圍因點陣畸變而儲存一定的畸變能。新相極易在這些位置非均勻形核。它們對晶核的長大過程也有一定的影響。通常，固態(tài)相變時，母相中晶體缺陷起促進作用。新相優(yōu)先在晶體缺陷處形核。

（提供驅動力）4.晶體缺陷的作用（提供驅動力）5.形成過渡相（降低形核功）在有些情況下，固態(tài)相變不能直接形成自由能最低的穩(wěn)定相，而是經過一系列的中間階段，先形成一系列自由能較低的過渡相（又稱中間亞穩(wěn)相），然后在條件允許時才形成自由能最低的穩(wěn)定相．相變過程可以寫成：母相―→較不穩(wěn)定過渡相―→較穩(wěn)定過渡相―→穩(wěn)定相

5.形成過渡相（降低形核功）

6.原子的擴散（原子遷移率低）固態(tài)相變中，成分的改變必須通過組元的擴散才能完成，此時擴散成為相變的控制因素，而固態(tài)金屬中原子的擴散系數，即使在熔點附近也僅為液態(tài)的十萬分之一，所以固態(tài)相變的轉變速率很慢，可以有很大的過冷度。隨著溫度降低，過冷度增大，形核率增高，相變驅動力增大，但同時原子擴散系數降低。這一對矛盾運動的結果，就有可能使相變后得到的組織變細。6.原子的擴散（原子遷移率低）金屬固態(tài)相變主要特點

1.相界面特殊

2.新舊相之間存在一定位向關系與慣習面

3.相變阻力大（彈性應變能作用）

4.易于形成過渡相

5.母相晶體缺陷對相變起促進作用

6.原子的擴散（擴散控制相變過程）（提供驅動力）（降低形核功）（不同類型，具有不同界面能和應變能）金屬固態(tài)相變主要特點（提供驅動力）（降低形核功）（不同類型，3.3金屬固態(tài)相變熱力學一、相變驅動力γ→α轉變，只有在T＜T0時才能夠進行，即過冷。（問題，α→γ相變在何條件下方可進行？）GT℃T0GαGγGγ→α>0Gγ→α<0αγ

∵Gγ→α

=Gα-Gγ

＜0過熱3.3金屬固態(tài)相變熱力學一、相變驅動力γ→α轉變，只有在T二、相變勢壘要使γ向α轉變能夠進行還必須越過△g的勢壘

因此相變條件：

△G＜0克服△g的勢壘（能量起伏)G狀態(tài)Ⅰ狀態(tài)ⅡΔgγαGγ→α——原子間的引力二、相變勢壘△G＜03.4金屬固態(tài)相變的形核一、均勻形核金屬結晶均勻形核＞＞形核自由能變化臨界晶核半徑：臨界形核功形核率假設晶核為球形自由能差界面能應變能3.4金屬固態(tài)相變的形核一、均勻形核金屬結晶均勻形核＞＞形二、非均勻形核①界面形核②位錯形核③空位形核缺陷提供的相變驅動力固態(tài)相變中均勻形核幾乎不可能，大多為非均勻形核。二、非均勻形核①界面形核缺陷提供的相變驅動力固態(tài)相變中均勻形1.空位及空位集團形核空位及空位集團促進形核。釋放能量提供成核驅動力凝聚成位錯加速擴散過程（空位機制）二、非均勻形核1.空位及空位集團形核二、非均勻形核

2.位錯形核位錯促進形核。位錯線上形核，位錯線消失釋放能量，降低形核功。位錯線不消失，成為半共格界面中的位錯部分，降低形核功。溶質原子在位錯上偏聚，滿足新相形核的成分起伏。擴散的短路通道，↘Q，加速形核。二、非均勻形核2.位錯形核二、非均勻形核3.晶界形核大角晶界具有高的界面能，在晶界形核時可使界面能釋放出來作為相變驅動力，以降低形核功。固態(tài)相變時晶界往往是形核的重要基地。二、非均勻形核3.晶界形核二、非均勻形核3.5金屬固態(tài)相變的晶核長大一、長大機制

新相晶核的長大，實質是界面向母相方向的遷移。成分變化結構變化——擴散——界面過程γαα/γ——界面附近原子調整位置，使晶核得以長大的過程。3.5金屬固態(tài)相變的晶核長大一、長大機制新相晶核的長大，1、半共格界面的遷移(1)均勻切變特點：大量的原子有規(guī)律地沿某一方向作小于一個原子間距的遷移，遷移后原子保持原有的相鄰關系不變。是無擴散型相變。右下圖為馬氏體轉變的表面傾動。1、半共格界面的遷移(1)均勻切變（2）臺階機制

（相界面上位錯的滑動）特點：通過半共格界面上的界面位錯的運動，使界面作法線方向遷移，從而實現晶核的長大。（2）臺階機制

（相界面上位錯的滑動）特點：通過半共2、非共格界面的遷移：

通過界面擴散進行紊亂排列臺階狀結構2、非共格界面的遷移：紊亂排列臺階狀結構二、長大速度（擴散型）1、無成分變化時：GΔgγαGγ→αλ過冷度很小時，兩相自由能差極小。界面遷移速率與兩相的自由能差成正比，隨溫度降低，兩相的自由能差增大，新相長大速率增加；二、長大速度（擴散型）1、無成分變化時：GΔgγαGγ→αGΔgγαGγ→α過冷度很大時λ取決于△g，隨溫度降低，界面遷移速率減小，新相長大速率隨之下降。GΔgγαGγ→α過冷度很大時λ取決于△g，隨溫度降低，界面GΔgγαGγ→αλ在整個相變范圍內，新相長大速度隨溫度降低，先增后減。GΔgγαGγ→αλ在整個相變范圍內，新相長大速度隨溫度降低2、有成分變化時：是擴散控制型長大長大速率與原子的擴散系數、新相/母相界面上母相一側的濃度梯度成正比，與新相與母相間的濃度差成反比。T↘，擴散系數急劇↘，新相的長大速率降低。

2、有成分變化時：是擴散控制型長大3.6金屬固態(tài)相變動力學T1等溫動力學曲線轉變體積分數xt0T1>T2>T3T2T3100%

在一定過冷度下的等溫轉變動力學可用阿弗拉密方程描述：3≤n≤4n＞43.6金屬固態(tài)相變動力學T1等溫動力學曲線轉變體積分數xt等溫轉變曲線：將不同溫度下的S曲線整理在時間-溫度曲線上，可以得到相變的綜合動力學曲線，即等溫轉變曲線。等溫轉變曲線表示了轉變量、轉變溫度和轉變時間之間的關系，一般是由兩條形狀呈C形的曲線構成，所以我們也將其稱之為C曲線。等溫轉變曲線：習題一：1、金屬固態(tài)相變有哪些主要特征？2、哪些因素構成固態(tài)相變阻力？哪些構成相變驅動力？3、金屬固態(tài)相變主要有哪些變化？4、固態(tài)相變的過程中形核和長大的方式是什么？5、固態(tài)相變的長大速度受什么控制？習題一：本章重點：1、各種固態(tài)相變的歸類。2、固態(tài)相變的特點。3、固態(tài)相變驅動力和阻力。4、固態(tài)相變的形核與長大（理解其基本過程和方式，公式不做要求）本章重點：1、各種固態(tài)相變的歸類。第一章金屬學基本概念

及固態(tài)相變概論一

金屬學基本概念二

二元合金相圖三

金屬固態(tài)相變概論第一章金屬學基本概念

及固態(tài)相變概論一金屬

具有不透明、金屬光澤、導熱和導電性并且其導電能力隨溫度的增高而減小，富有延展性等特性的物質。金屬內部原子具有規(guī)律性排列的固體。原子尺度的結構

主價鍵：離子鍵，共價鍵，金屬鍵次價鍵：范德瓦爾斯鍵（分子鍵）一、基本概念金屬一、基本概念晶體：晶體是內部質點在三維空間成周期性重復排列的固體，即晶體是具有格子構造的固體。晶格：為了描述晶體的結構，把構成晶體的原子當成一個點，再用假想的線段將這些代表原子的各點連接起來，就繪成了所表示的格架式空間結構。這種用來描述原子在晶體中排列的幾何空間格架，稱為晶格；排有結構粒子的這些點叫做晶格的結點。晶胞：由于晶體中原子的排列是有規(guī)律的，可以從晶格中拿出一個完全能夠表達晶格結構的最小單元，這個最小單元就叫作晶胞。晶體：晶體是內部質點在三維空間成周期性重復排列的固體，即晶體晶體按其內部結構可分為七大晶系和14種晶格類型。其中常見的有體心立方、面心立方、密排六方等晶體結構。實際上理想的晶體結構是不存在的，事實上，晶體都總是或多或少存在某些缺陷，可能存在空位、間隙離子、取代離子、位錯等缺陷。晶體按其內部結構可分為七大晶系和14種晶格類型。其中常見的有表1-1布拉菲點陣的結構特征

（table1-1thestructuralfeatureofBravaislattice）表1-1布拉菲點陣的結構特征

（table1-1thFCC

γ-Fe,Al,Cu,Ag,Au,NiBCCCr,α-Fe,W,Mo,V,β-TiFCC

γ-Fe,Al,Cu,Ag,Au,NiBCHCPMg,Zn,Cd,α

-Ti,α-CoHCP晶向指數的確定：將坐標原點選在OP的任一結點O點，把OP的另一結點P的坐標經等比例化簡后按X、Y、Z坐標軸的順序寫在方括號[]內，則[uvw]即為OP的晶向指數。晶向：

點陣可在任何方向上分解為相互平行的直線組，位于一條直線上的結點構成一個晶向。晶向指數的確定：將坐標原點選在OP的任一結點O點，把OP的另晶面：晶體點陣在任何方向上分解為相互平行的結點平面稱為晶面，即結晶多面體上的平面。晶面指數：結晶學中經常用（hkl）來表示一組平行晶面，稱為晶面指數。數字hkl是晶面在三個坐標軸（晶軸）上截距的倒數的互質整數比。晶面：晶體點陣在任何方向上分解為相互平行的結點平面稱為晶面，晶體缺陷分四類：點缺陷：只在某些位置發(fā)生，只影響鄰近幾個原子。例如空位、間隙原子、雜質原子等。線缺陷：集中表現形式是位錯，刃型位錯和螺型位錯，可被電鏡觀察到。面缺陷：晶界和亞晶界，可被光學顯微鏡觀察到。體缺陷：如鑲嵌塊，沉淀相，空洞，氣泡等。晶體缺陷分四類：金屬學基本概念及固態(tài)相變概論-課件金屬學基本概念及固態(tài)相變概論-課件金屬學基本概念及固態(tài)相變概論-課件金屬學基本概念及固態(tài)相變概論-課件合金：由兩種或兩種以上金屬或金屬與非金屬組成，具有金屬特性的物質。相：指金屬或合金中化學成分相同、晶格結構相同，或原子聚集狀態(tài)相同，并與其他部分之間有明確界面的獨立均勻組成部分。組織：組織是指用肉眼可直接觀察的，或用放大鏡、顯微鏡能觀察分辨的材料內部微觀形貌圖像。合金：由兩種或兩種以上金屬或金屬與非金屬組成，具有金屬特性的固溶體：固溶體是一個（或幾個）組元的原子（化合物）溶入另一個組元的晶格中，而仍保持另一組元的晶格類型的固態(tài)金屬晶體，固溶體分間隙固溶體和置換固溶體兩種。

固溶強化：由于溶質原子進入溶劑晶格的間隙或結點，使晶格發(fā)生畸變，使固溶體硬度和強度升高，這種現象叫固溶強化現象。

固溶體：固溶體是一個（或幾個）組元的原子（化合物）溶入另一個金屬化合物：合金組元件發(fā)生相互作用而形成一種具有金屬特性的物質稱為金屬化合物。機械混合物機械混合物由純金屬、固溶體、金屬化合物這些合金的基本相按照固定比例構成的組織稱為機械混合物。

金屬化合物：鐵素體碳在α-Fe（體心立方結構的鐵）中的間隙固溶體。鐵素體

奧氏體晶體結構奧氏體碳在γ-Fe（面心立方結構的鐵）中的間隙固溶體。

奧氏體晶體結構奧氏體滲碳體：

碳和鐵形成的穩(wěn)定化合物Fe3C滲碳體：珠光體顯微組織珠光體鐵素體和滲碳體組成的機械混合物（Fe+Fe3C含碳0.77%）

珠光體顯微組織珠光體萊氏體滲碳體和奧氏體組成的機械混合物（含碳4.3%）。萊氏體二、二元合金相圖

二、二元合金相圖相圖:相圖就是表明合金系中各種合金相的平衡條件和相與相之間關系的一種簡明示圖，也稱為平衡圖或狀態(tài)圖。合金在極其緩慢冷卻條件下的結晶過程，一般可認為是平衡結晶過程。在常壓下，二元合金的相狀態(tài)決定于溫度和成分，二元合金相圖可用溫度-成分坐標系的平面圖來表示。。相圖:相圖就是表明合金系中各種合金相的平衡條件和相與相之間關銅鎳二元合金相圖，銅鎳二元合金相圖，銅鎳二元合金相圖，是一種最簡單的基本相圖：。橫坐標表示合金成分（溶質的質量百分數），左右端點分別表示純組元（純金屬）和，其余的為合金系的每一種合金成分，如C點的合金成分為含20％,含80％。坐標平面上的任一點稱為表象點表示一定成分的合金在一定溫度時的穩(wěn)定相狀態(tài)。銅鎳二元合金相圖，是一種最簡單的基本相圖：。橫坐標表示合金成

二元合金的杠桿定律因該式與力學的杠桿定律相同，所以稱為二元合金的杠桿定律。杠桿定律只適用于相圖中的兩相區(qū)，即只能在兩相平衡狀態(tài)下使用。二元合金的杠桿定律因該式與力學的杠桿定律相同，所以稱為二元2、勻晶相圖兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)也無限互溶，冷卻時發(fā)生勻晶反應，稱為勻晶系并構成勻晶相圖。例如Cu-Ni、Fe-Cr合金相圖等。2、勻晶相圖金屬學基本概念及固態(tài)相變概論-課件

枝晶偏析示意圖枝晶偏析示意圖固溶體結晶時成分是變化的，冷卻時由于原子的擴散充分進行，形成的是成分均勻的固溶體。如果冷卻較快，原子擴散不能充分進行，則形成成分不均勻的固溶體。先結晶的樹枝晶軸含高熔點組元（Ni）較多，后結晶的樹枝晶枝干含低熔點組元（Cu）較多。結果造成在一個晶粒之內化學成分的分布不均,這種現象稱為枝晶偏析.生產上為了消除其影響，常把合金加熱到高溫（低于固相線100℃左右），并進行長時間保溫，使原子充分擴散，獲得成分均勻的固溶體。這種處理稱為擴散退火。固溶體結晶時成分是變化的，冷卻時由于原子的擴散充分進行，形成3、共晶相圖兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)有限互溶，冷卻時發(fā)生共晶反應的合金系，稱為共晶系并構成共晶相圖,如Pb-Sn相圖。3、共晶相圖d點為共晶點，表示此點成分（共晶成分）的合金冷卻到此點所對應的溫度（共晶溫度）時，共同結晶出c點成分的α相和e點成分的β相。由一種液相在恒溫下同時結晶出兩種固相的反應叫做共晶反應。所生成的兩相混合物（層片相間）叫共晶體。d點為共晶點，表示此點成分（共晶成分）的合金冷卻到此點所對應4、共析相圖如圖所示，下半部分為共析相圖，形狀與共晶相圖相似。d點成分（共析成分）的合金（共析合金）從液相經勻晶反應生成γ相后，繼續(xù)冷卻到d點溫度（共析溫度）時，發(fā)生共析反應，共析反應的形式類似于共晶反應，而區(qū)別在于它是由一個固相γ（相）在恒溫下同時析出兩個固相（c點成分的α相和e點成分的β相），兩相的混合物稱為共析體(層片相間)。4、共析相圖共析反應是在固態(tài)下進行的，所以共析產物比共晶產物要細密的多。

共析反應是在固態(tài)下進行的，所以共析產物比共晶產物要細密的多。5、鐵碳相圖5、鐵碳相圖鐵碳合金相圖實際上是Fe-Fe3C相圖。鐵存在著同素異晶轉變，即在固態(tài)下有不同的結構。不同結構的鐵與碳可以形成不同的固溶體，Fe—Fe3C相圖上的固溶體都是間隙固溶體。由于α-Fe和γ-Fe晶格中的孔隙特點不同，因而兩者的溶碳能力也不同。從某種意義上講，鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的工具，是研究碳鋼和鑄鐵成分、溫度、組織和性能之間關系的理論基礎，也是制定各種熱加工工藝的依據。鐵碳合金相圖實際上是Fe-Fe3C相圖。在鐵碳合金中一共有三個相,即鐵素體,奧氏體和滲碳體.但奧氏體一般僅存在于高溫下,所以室溫下所有的鐵碳合金中只有兩個相,就是鐵素體和滲碳體.由于鐵素體中的含碳量非常少,所以可以認為鐵碳合金中的碳絕大部分存在于滲碳體中，這一點是十分重要的。在鐵碳合金中一共有三個相,即鐵素體,奧氏體和滲碳體.但奧氏體鐵碳相圖鐵碳相圖1.上半部分-------共晶轉變

在1148℃,4.3%C的液相發(fā)生共晶轉變；轉變的產物稱為萊氏體,用符號Ld表示。2.下半部分-----共析轉變在727℃,0.77%的奧氏體發(fā)生共析轉變:轉變的產物稱為珠光體。

水平線ECF為共晶反應線.水平線PSK為共析反應線，亦稱A1線.GS線是合金冷卻時自A中開始析出F的臨界溫度線,通常稱A3線.ES線是碳在A中的固溶線,通常叫做Acm線.1.上半部分-------共晶轉變水平線ECF為共晶反應線.金屬學基本概念及固態(tài)相變概論-課件金屬學基本概念及固態(tài)相變概論-課件金屬學基本概念及固態(tài)相變概論-課件金屬學基本概念及固態(tài)相變概論-課件固態(tài)相變理論是是熱處理的理論依據和實踐基礎。例如，馬氏體相變可使鋼淬火強化；過飽和固溶體分解使合金時效強化等。因此，研究固態(tài)相變有重要的實際意義。本章節(jié)將扼要介紹金屬固態(tài)相變的主要類型、特點以及形核與長大方面的基本知識。三

金屬固態(tài)相變概論固態(tài)相變理論是是熱處理的理論依據和實踐基礎。例如，馬氏體相變相：體系中具有相同成分、結構和性質的均勻部分稱為相，不同相之間有明顯的界面分開。相變：

隨外界條件的變化(溫度)，體系中新相取代舊相的過程。固態(tài)相變：固態(tài)金屬及合金在溫度及壓力改變時，組織及結構發(fā)生的變化3.1

金屬固態(tài)相變的主要類型3.1金屬固態(tài)相變的主要類型1.按平衡狀態(tài)圖分類

(1)平衡轉變：固態(tài)金屬在緩慢加熱或冷卻時發(fā)生的能獲得符合相圖所示平衡組織的相變。同素異構轉變和多形性轉變

平衡脫溶沉淀

AB+LⅠT固溶體純金屬1.按平衡狀態(tài)圖分類AB+LⅠT固溶體純金屬共析相變如珠光體轉變。由一個固相分解為兩個固相的轉變。調幅分解

α

α1+α2高溫合金單相固溶體在冷卻到某一溫度分解為兩個結構相同成分不同兩相有序化轉變無序有序原子在晶體中相對位置由無序到有序轉變，使其電、磁、物理、機械性能變化。如：Cu-Zn,Cu-Au,Mn-Ni,Fe-Ni,Ti-Ni合金等。共析相變(2)不平衡轉變

不平衡轉變：固態(tài)金屬在快速加熱和冷卻時，由于平衡相變受到抑制，可能發(fā)生某些不平衡轉變而得到在相圖上不能反應的不平衡組織。(2)不平衡轉變不平衡轉變：固態(tài)金屬在快速加熱和冷不平衡轉變

偽共析相變馬氏體相變貝氏體相變不平衡脫溶轉變(時效)AB+LⅠT>>’>>+不平衡轉變AB+LⅠT>>’2.按原子遷移情況分類（1）擴散型相變溫度足夠高、原子活動能力足夠強、時間足夠長情況下發(fā)生的相變。特點：相變過程有原子擴散，相變速率受原子擴散速度控制；新、舊相成分不同；新、舊相比容不同引起體積變化，但宏觀形狀不變。如：同素異構轉變、脫溶轉變、共析轉變、調幅分解、有序化轉變、珠光體轉變等2.按原子遷移情況分類（2）非擴散型相變相變過程中原子不發(fā)生擴散，參與轉變的所有原子運動是協調一致的。原子只作有規(guī)則的遷移以使晶體點陣重組，原子遷移范圍有限不超過一個原子間距。如：淬火馬氏體相變

特點：存在均勻切變引起宏觀變形；相變無擴散，新、舊相化學成分相同；新、舊相之間存在一定晶體學取向關系；相變速度快。（2）非擴散型相變3.按相變方式分類

(1)有核相變

形核----長大方式進行相變。

(2)無核相變

條件：可以以成分起伏或能量起伏為開始，直接長大形成新相過程。如：調幅分解以成分起伏為開始，進行上坡擴散，形成兩個成分不同的新相；

馬氏體相變以能量起伏為開始，靠共格切變直接長大形成新相過程。3.按相變方式分類

相變的實質：是相結構、成分或有序化程度發(fā)生變化，相變可以兼有上述相變類型的一種或幾種。

如：馬氏體相變是非擴散相變、（新舊相成分相同、結構不相同）

珠光體相變是擴散相變、（新舊相成分不相同、結構不相同）

非平衡相變、無核相變；小結：相變的實質：是相結構、成分或有序化程度發(fā)生變化，非平衡3.2金屬固態(tài)相變主要特點

1.相界面特殊（新相和母相間存在不同的界面）

(1)共格界面

新、舊相的晶體結構、點陣常數相同；或有差異但存在一組特定晶體學平面可使兩相原子之間產生完全匹配。

舊相新相特點：界面能小，彈性畸變能大3.2金屬固態(tài)相變主要特點舊相新相特點：界面能小，彈性畸(2)半共格界面新、舊相之間存在少量位錯，除此之外的晶體結構和點陣常數均能使兩相原子之間產生完全匹配。新、舊相間錯配度δ=|αβ-αα|/αα小δ＜0.05共格關系大0.05＜δ＜0.25半共格關系很大δ＞0.25非共格關系(2)半共格界面新、舊相間錯配度小δ＜0.05(3)非共格界面新、舊相界面處原子排列差別很大,兩原子之間匹配關系不再維持,為非共格界面。特點：界面能大，彈性畸變能小(3)非共格界面特點：界面能大，彈性畸變能小界面能：非共格>半共格>共格彈性畸變能：非共格<半共格<共格界面能：非共格>半共格>共格2.新舊相之間存在一定取向關系與慣習面新、舊相之間存在一定取向關系,并且新相往往在舊相的一定晶面上開始形成,這個晶面稱為慣習面.慣習面和取向關系的區(qū)別：慣習面指母相的某一主平面；取向關系指新相的某些晶面、晶向∥舊相的某些晶面、晶向若兩相間為（半）共格界面→

但反過來不成立若無取向關系→

有取向關系必為非共格界面2.新舊相之間存在一定取向關系與慣習面有取向關系必為非共格3.相變阻力大（彈性應變能作用）相界面上原子強制匹配引起的共格應變能共格＞半共格＞非共格新、舊相比容差應變能彈性應變能和界面能共同構成金屬發(fā)生固態(tài)相變的阻力3.相變阻力大（彈性應變能作用）新相形狀與彈性應變能之間關系新相形狀與彈性應變能之間關系4.晶體缺陷的作用晶態(tài)固體中的空位、位錯、晶界等缺陷周圍因點陣畸變而儲存一定的畸變能。新相極易在這些位置非均勻形核。它們對晶核的長大過程也有一定的影響。通常，固態(tài)相變時，母相中晶體缺陷起促進作用。新相優(yōu)先在晶體缺陷處形核。

（提供驅動力）4.晶體缺陷的作用（提供驅動力）5.形成過渡相（降低形核功）在有些情況下，固態(tài)相變不能直接形成自由能最低的穩(wěn)定相，而是經過一系列的中間階段，先形成一系列自由能較低的過渡相（又稱中間亞穩(wěn)相），然后在條件允許時才形成自由能最低的穩(wěn)定相．相變過程可以寫成：母相―→較不穩(wěn)定過渡相―→較穩(wěn)定過渡相―→穩(wěn)定相

5.形成過渡相（降低形核功）

6.原子的擴散（原子遷移率低）固態(tài)相變中，成分的改變必須通過組元的擴散才能完成，此時擴散成為相變的控制因素，而固態(tài)金屬中原子的擴散系數，即使在熔點附近也僅為液態(tài)的十萬分之一，所以固態(tài)相變的轉變速率很慢，可以有很大的過冷度。隨著溫度降低，過冷度增大，形核率增高，相變驅動力增大，但同時原子擴散系數降低。這一對矛盾運動的結果，就有可能使相變后得到的組織變細。6.原子的擴散（原子遷移率低）金屬固態(tài)相變主要特點

1.相界面特殊

2.新舊相之間存在一定位向關系與慣習面

3.相變阻力大（彈性應變能作用）

4.易于形成過渡相

5.母相晶體缺陷對相變起促進作用

6.原子的擴散（擴散控制相變過程）（提供驅動力）（降低形核功）（不同類型，具有不同界面能和應變能）金屬固態(tài)相變主要特點（提供驅動力）（降低形核功）（不同類型，3.3金屬固態(tài)相變熱力學一、相變驅動力γ→α轉變，只有在T＜T0時才能夠進行，即過冷。（問題，α→γ相變在何條件下方可進行？）GT℃T0GαGγGγ→α>0Gγ→α<0αγ

∵Gγ→α

=Gα-Gγ

＜0過熱3.3金屬固態(tài)相變熱力學一、相變驅動力γ→α轉變，只有在T二、相變勢壘要使γ向α轉變能夠進行還必須越過△g的勢壘

因此相變條件：

△G＜0