一金屬固態(tài)相變熱力學(xué)和動力學(xué)

第一章金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)1.1金屬固態(tài)相變概論1.1.1金屬固態(tài)相變分類

是指在緩慢加熱或冷卻時所發(fā)生的能獲得符合平衡狀態(tài)圖的平衡組織的相變。一、轉(zhuǎn)變條件分類：平衡相變和非平衡相變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變平衡脫溶沉淀共析轉(zhuǎn)變調(diào)幅分解有序化轉(zhuǎn)變代表性平衡相變1、平衡轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：純金屬在溫度和壓力改變時，由一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)的過程稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。多形性轉(zhuǎn)變:

若在固溶體中發(fā)生這種結(jié)構(gòu)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素體的過程。平衡脫溶沉淀：在緩慢冷卻條件下，由過飽和固溶體中析出過剩相（或第二相）的過程稱為平衡脫溶沉淀。特點：1、新相的成分和結(jié)構(gòu)始終與母相的不同；2、母相不會消失。3、鋼在冷卻時，由奧氏體析出二次滲碳體的過程。

共析轉(zhuǎn)變：合金在冷卻時，由一個固相分解為兩個不同固相的轉(zhuǎn)變稱為共析相變（或珠光體型轉(zhuǎn)變），如：γ→α+β；反之，如果合金加熱時所發(fā)生的相反轉(zhuǎn)變稱為逆共析相變，如：α+β→γ。調(diào)幅分解：某些合金在高溫下具有均勻單相固溶體，但冷卻到某一溫度范圍時可分解成為與原固溶體結(jié)構(gòu)相同但成分不同的兩個微區(qū)，這種轉(zhuǎn)變稱為調(diào)幅分解。特點：1、在轉(zhuǎn)變初期形成的兩個微區(qū)之間并無明顯界面和成分突變；2、通過上坡擴(kuò)散，最終使原來的均勻固溶體變成不均勻固溶體。有序化轉(zhuǎn)變：固溶體中，各組元原子在晶體點陣中的相對位置由無序到有序（指長程有序）的轉(zhuǎn)變稱為有序化轉(zhuǎn)變。

在Cu-Zn、Cu-Au、Mn-Ni、Fe-Ni、Ti-Ni等許多合金系中都可發(fā)生這種有序化轉(zhuǎn)變。

若加熱或冷卻速度很快，平衡相變將被抑制，固態(tài)材料可能發(fā)生某些平衡狀態(tài)圖上不能反映的轉(zhuǎn)變并獲得被稱為不平衡或亞穩(wěn)態(tài)的組織，這種轉(zhuǎn)變稱為非平衡相變。偽共析相變馬氏體相變貝氏體相變非平衡脫溶沉淀代表性的非平衡相變2、非平衡轉(zhuǎn)變Fe-C相圖的偽共析區(qū)偽共析相變：接近共析點成分的Fe-C合金，過冷到共析點以下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變的過程。鐵素體和滲碳體的相對量隨奧氏體的含碳量而變，故稱為偽共析體。馬氏體轉(zhuǎn)變：

若進(jìn)一步提高冷卻速度，鋼中奧氏體只能以不發(fā)生原子擴(kuò)散、不引起成分改變的方式，通過切變方式由γ點陣改組為α點陣來實現(xiàn)點陣的改組，這種轉(zhuǎn)變稱為馬氏體相變，其成分與母相奧氏體相同。貝氏體相變：珠光體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍之間，鐵原子不能擴(kuò)散，碳原子尚具有一定的擴(kuò)散能力，這種非平衡相變稱為貝氏體相變（或稱為中溫轉(zhuǎn)變）。轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是α相與碳化物的混合組成的非層片狀組織，稱其為貝氏體。不平衡脫溶沉淀：

在不平衡狀態(tài)下，過飽和固溶體中析出新相的轉(zhuǎn)變。二、熱力學(xué)分類：一級相變和二級相變新舊兩相的化學(xué)勢相等，化學(xué)勢的一階偏微分不相等。

1、一級相變特點：1、在一級相變時，熵S和體積V將發(fā)生不連續(xù)變化，即一級相變有相變潛熱和體積改變。2、材料的凝固、熔化、升華以及同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變等均屬于一級相變。3、幾乎所有伴隨晶體結(jié)構(gòu)變化的固態(tài)相變都是一級相變。一級相變：新舊兩相的化學(xué)勢相等，但化學(xué)勢的一階偏微分不相等。

相變時新舊兩相的化學(xué)勢相等，且化學(xué)勢的一級偏微商也相等，但化學(xué)勢的二級偏微商不等的相變稱為二級相變。比熱壓縮系數(shù)膨脹系數(shù)2、二級相變特點：1、無相變潛熱和體積改變，只有比熱CP、壓縮系數(shù)K和膨脹系數(shù)λ的不連續(xù)變化。2、相變時無熱效應(yīng)和體積效應(yīng)。3、材料的部分有序化轉(zhuǎn)變、磁性轉(zhuǎn)變以及超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變均屬于二級相變。二級相變：相變時新舊兩相的化學(xué)勢相等，且化學(xué)勢的一級偏微商也相等，但化學(xué)勢的二級偏微商不等的相變稱為二級相變。三、按原子遷移情況：擴(kuò)散型和非擴(kuò)散型

相變時，相界面的移動是通過原子近程或遠(yuǎn)程擴(kuò)散而進(jìn)行的相變。如同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、多晶型轉(zhuǎn)變，脫溶型相變、共析型相變、調(diào)幅分解和有序化轉(zhuǎn)變等等。特點：（1）相變過程中有原子擴(kuò)散運(yùn)動，相變速率受原子擴(kuò)散速度所控制；（2）新相和母相的成分往往不同；（3）只有因新相和母相比容不同而引起的體積變化，沒有宏觀形狀改變。1、擴(kuò)散型相變

相變過程中原子不發(fā)生擴(kuò)散，參與轉(zhuǎn)變的所有原子的運(yùn)動是協(xié)調(diào)一致的相變稱為非擴(kuò)散型相變，也稱為“協(xié)同型”轉(zhuǎn)變。非擴(kuò)散型相變時原子僅作有規(guī)則的遷移以使點陣發(fā)生改組。遷移時，相鄰原子相對移動距離不超過一個原子間距，相鄰原子的相對位置保持不變。2、非擴(kuò)散型相變特點：（1）存在由于均勻切變引起的宏觀形狀改變，可在預(yù)先制備的拋光試樣表面上出現(xiàn)浮突現(xiàn)象。γγα’（2）相變不需要通過擴(kuò)散，新相和母相的化學(xué)成分相同。（3）新相和母相之間存在一定的晶體學(xué)位向關(guān)系。（4）某些材料發(fā)生非擴(kuò)散相變時，相界面移動速度極快，可接近聲速。四、按相變方式：有核相變和無核相變

通過形核-長大方式進(jìn)行的。新相晶核可以在母相中均勻形成，也可以在母相中某些有利部位優(yōu)先形成。大部分的固態(tài)相變均屬于有核相變。1、有核轉(zhuǎn)變

相變時沒有形核階段,以固溶體中的成分起伏為開端，通過成分起伏形成高濃度區(qū)和低濃度區(qū)，但兩者之間沒有明顯的界限，成分由高濃度區(qū)連續(xù)過渡到低濃度區(qū)。以后依靠上坡擴(kuò)散使?jié)舛炔钪饾u增大，最后導(dǎo)致由一個單相固溶體分解成為成分不同而點陣