固态相变

材料科学基础材料科学与工程学院1固态相变：固态相变类型：第八章固态相变第八章固态相变固态物质在温度、压力、电场、磁场改变时，从一种组织结构转变成另一种组织结构。扩散型无扩散型材料科学基础材料科学与工程学院2纯金属在一定的温度和压力下，由一种结构转变为另一种结构的现象称为同素异晶转变。若在固溶体中发生这种结构的转变，则称为多形性转变。如钢在冷却时由奥氏体中析出先共析铁素体的过程。第八章固态相变固态相变的主要类型1平衡转变(1)同素异晶转变材料科学基础材料科学与工程学院3(2)平衡脱溶转变高温过饱和固溶体缓慢冷却过程中析出第二相的过程特点：(a)新相的成分和结构始终与母相的不同；(b)母相不会消失。例如：钢在冷却时，由奥氏体析出二次渗碳体的过程图1-1可发生脱溶转变的合金材料科学基础材料科学与工程学院4（3）共析转变合金冷却时，由一个固相同时析出两个不同固相的过程称为共析转变。例如：钢中的珠光体相变材料科学基础材料科学与工程学院5（4）调幅分解由一种高温固溶体，冷至某一温度范围，分解为两种与原固溶体结构相同，而成分不同的微区的转变称为调幅分解。α→α1+α2特点：(a)新形成的微区之间无明显的界面和成分的突变；(b)通过上坡扩散，最终使均匀固溶体变为不均匀固溶体。材料科学基础材料科学与工程学院6(5)有序化转变固溶体中，各组元的相对位置从无序过渡到有序的过程，称为有序化转变。Cu-Zn、Au-Cu等合金中均可发生这种转变材料科学基础材料科学与工程学院72不平衡转变(1)伪共析转变接近共析点成分的合金，过冷到共析点以下发生共析转变的过程铁素体和渗碳体的相对量随奥氏体的含碳量而变，故称为伪共析体图1-2Fe-Fe3C相图的伪共析区材料科学基础材料科学与工程学院8(2)马氏体相变钢在快冷时，若能避免其发生扩散型转变，则将无需原子的扩散，以一种切变共格的方式实现点阵的改组，而转变为马氏体。(3)块状转变在一定的冷速下奥氏体转变为与母相成分相同而形貌呈块状的α相的过程通过原子的短程扩散使非共格相界面在母相中推移材料科学基础材料科学与工程学院9(4)贝氏体相变在珠光体转变与马氏体转变温度范围之间（中温），铁原子不能扩散，碳原子可以扩散。过冷奥氏体转变为由铁素体和渗碳体组成的非层片状组织—贝氏体(5)不平衡脱溶转变在等温条件下，由过饱和固溶体中析出第二相的过程析出相为非平衡亚稳相材料科学基础材料科学与工程学院10金属固态相变的三种基本变化：只有结构的变化：多形性转变，马氏体相变只有成分的变化：调幅分解既有结构又有成分上的变化：共析转变，脱溶沉淀有序程度晶体结构化学成分材料科学基础材料科学与工程学院113.固态相变的一般特征固态相变的驱动力也为新相与母相的自由能差，与结晶过程相比，固态相变有其自身特点.材料科学基础材料科学与工程学院12一、相界面：第一节固态相变的特点共格界面半共格界面非共格界面材料科学基础材料科学与工程学院13界面能=界面区单位面积的能量—无界面的母相完整晶体单位面积的能量。化学能（表面能）应变能（畸变能）界面能原子作弹性位移所需要的能量。主要与化学键的数量和强度有关，与化学成分有关。材料科学基础材料科学与工程学院14两相界面上的原子排列完全匹配，即界面上的原子为两相所共有特点：界面能很小，弹性应变能大错配度δ=∆a/a越大，弹性应变能越大完全共格弹性应变共格（1）共格界面材料科学基础材料科学与工程学院15界面能：完全共格界面时，应变能和界面能都接近于零。如有失配，导致应变能增大。δ=（aβ-aα）/aβδ越大，造成界面上弹性应变能越大。δ0.05,σ=0.1J/cm2第一节固态相变的特点错配度材料科学基础材料科学与工程学院16第八章第一节固态相变的特点第一节固态相变的特点半共格界面当δ大到不能借助于弹性应变保持界面上的共格关系时，某些区域的失配可借助于形成位错来调整，而形成半共格界面或部分共格界面。（2）半共格界面特点：相界面上分布若干位错，界面上的两相原子部分地保持匹配，弹性应变能降低。0.05δ0.25,σ=0.5J/cm2材料科学基础材料科学与工程学院17当δ很大时，界面上的失配不能由弹性应变调整，也不能形成位错调整时，界面就是非共格的。（3）非共格界面界面能很大，应变能很小。δ0.25,σ=1.0J/cm2特点：两相界面完全不匹配，即存在大量缺陷的界面，为很薄的一层原子不规则排列的过渡层。材料科学基础材料科学与工程学院18共格和半共格界面时，两相间有一定的位向关系。二、位向关系例钢中奥氏体转变为马氏体时，有以下位向关系（K-S关系）：{111}γ//{110}α，110γ//111α注意：*新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成。原因：沿应变能最小的方向和界面能最低的界面发展。材料科学基础材料科学与工程学院19三、惯习面固态相变时，新相往往在母相的一定晶面族上形成，这组晶面称为惯习面。*新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成。第八章第一节固态相变的特点第一节固态相变的特点钢中奥氏体转变为马氏体时K-S关系：{111}γ//{110}α，110γ//111α这里，{111}γ就是惯习面惯习方向惯习面材料科学基础材料科学与工程学院20四、应变能第八章第一节固态相变的特点第一节固态相变的特点表面能：★共格界面最小，★半共格界面次之，★非共格界面最大。共格界面最大，半共格界面次之，非共格界面为零。两相界面上不匹配也引起弹性应变能：材料科学基础材料科学与工程学院21球状最大，针状次之，盘状最小。非共格相界面新旧相比体积差引起应变能大小与新相的几何关系：★新相形成时，体积变化会受到周围母相的约束，引起弹性应变能。★应变能大小还与新相几何形状有关。材料科学基础材料科学与工程学院22固态相变的阻力：界面能+应变能共格和半共格新相形成时，相变阻力主要是应变能。非共格新相形成时，相变阻力主要是表面能。材料科学基础材料科学与工程学院23易出现过渡相固态相变阻力大，直接转变困难协调性中间产物（过渡相)＋Fe3C+(3Fe+C)+Fe3CM材料科学基础材料科学与工程学院24第八章第二节固态相变的形核第二节固态相变的形核一、均匀形核自由能变化：svnEnGnG3/2233*274svEGG体积自由能变化表面能应变能临界形核功：材料科学基础材料科学与工程学院25具有低表面能和高应变能的共格晶核，倾向于盘状或片状。具有高表面能和低应变能的非共格晶核，可能呈球形或等轴状形核时因体积胀大而引起应变能显著增加，晶核趋于呈片状或针状233*274svEGG材料科学基础材料科学与工程学院26固态相变的形核率----单位体积母相中所形成的核心数N----单位体积母相中的原子数ν----原子振动频率∆G*----形核功Q----原子扩散激活能固态相变较难均匀形核)41(expkTQGNN材料科学基础材料科学与工程学院27第八章第二节固态相变的形核第二节固态相变的形核二非均匀形核概念：母相中晶界、位错、空位等晶体缺陷处形核。固态相变均匀形核的可能性很小，非均匀形核（依靠晶体缺陷）是主要的形核方式。表面能量高，降低形核功结构混乱，形核阻力小易扩散、偏析，利于扩散相变新相/母相形成共格、半共格界面降低界面能1晶界形核：大角度晶界优先形核0.066μm晶界形核材料科学基础材料科学与工程学院28晶界形核的形状界面上形核双球冠一侧共格一侧球冠界棱处形核界角处形核材料科学基础材料科学与工程学院29第八章第二节固态相变的形核第二节固态相变的形核2位错形核新相在位错上的三种形核形式：(1)位错线上形核，位错消失，降低形核功。(2)位错不消失，依附于新相晶界，补偿失配。(3)溶质原子在位错线上偏聚，促进形核。0.144μm图4.10位错线上的沉淀相材料科学基础材料科学与工程学院30第八章第二节固态相变的形核第二节固态相变的形核3空位及空位集团促进扩散新相生成处空位消失，提供能量空位群可凝结成位错（在过饱和固溶体的脱溶析出过程中，空位作用更明显。）0.3μm图7.14合金工艺处理12h后的沉淀相和晶界空位形核材料科学基础材料科学与工程学院31第八章第三节固态相变的晶核长大第三节固态相变的晶核长大一、生长机制（1）扩散型：半共格、非共格1非共格界面的迁移两种方式：(1)界面各点连续生长(2)界面成台阶状结构生长长大方式：扩散、切变扩散型相变新相的长大过程：界面控制，扩散控制2半共格界面的迁移通过位错的滑移使界面迁移材料科学基础材料科学与工程学院32（2）协同型长大机制无扩散型相变，原子通过切变方式协同运动，相邻原子的相对位置不变如马氏体相变，会发生外形变化，出现表面浮凸新相和母相间有一定的位向关系图1-12马氏体相变表面浮凸材料科学基础材料科学与工程学院33第八章第三节固态相变的晶核长大第三节固态相变的晶核长大二、生长速率1受相界面控制的生长速率新相生成时无成分变化（有结构、有序度变化）kTGkTQveeu//012扩散控制的长大速率新相生成时有成分变化xcccDdtdxu材料科学基础材料科学与工程学院34三、固态相变动力学研究新相形成量(体积分数)与时间、温度关系的学科称为相变动力学。与再结晶过程类似，形核—长大过程。材料科学基础材料科学与工程学院35（1）约翰逊-梅尔方程（Johnson-Mehl方程)当形核率和长大速度恒定时，恒温转变动力学时间形核率长大速度新相形成的体积分数NVfNVf)121(3exp143材料科学基础材料科学与工程学院36(2)阿弗拉密方程(Avrami方程)当形核率和长大速度随时间而变时常数bnbfn43)131(exp1材料科学基础材料科学与工程学院37（3）C曲线相变动力学曲线S曲线（Sigmoidal）相变综合动力学曲线等温转变动力学曲线，C曲线TTT曲线（Time-Temperature-Transformation）IT曲线（Isothermal–Transformation）表示转变时间-转变温度-转变量三者之间的关系。材料科学基础材料科学与工程学院38图1-16（a）S曲线（b）C曲线材料科学基础材料科学与工程学院39第八章第三节固态相变的晶核长大第三节固态相变的晶核长大材料科学基础材料科学与工程学院40本节内容1.脱溶（1）概念（2）脱溶过程（3）类型（连续脱溶、不连续脱溶）（4）动力学2.调幅分解（1）概念（2）条件（3）特点重点与难点1.重点：脱溶的概念和过程、脱溶的类型2.难点：调幅分解的条件第四节扩散型相变示例第八章第四节扩散型相变示例材料科学基础材料科学与工程学院41第八章第四节扩散型相变示例一、脱溶（时效）转变脱溶（沉淀）：从过饱和固溶体中析出一个成分不同的新相或形成溶质原子富集的亚稳区过渡相的过程。1概念：第四节扩散型相变示例材料科学基础材料科学与工程学院422脱溶转变过程（以Al-Cu合金为例）析出过程（析出序列）：α→G·P·Ⅰ→θ”(G·P·Ⅱ)→θ’→θ第八章第四节扩散型相变示例第四节扩散型相变示例1α140002002345600θ〞GPzonesθ′θα+LwCu(%)温度/℃材料科学基础材料科学与工程学院43（1）过饱和固溶体第八章第四节扩散型相变示例第四节扩散型相变示例AtomsofcopperSupersaturatedsolid材料科学基础材料科学与工程学院44GP区直径约8nm,厚约0.3-0.6nm（2）GP（Guinier-Preston）区第八章第四节扩散型相变示例第四节扩散型相变示例{111}Guinier-prestonzones材料科学基础材料科学与工程学院45θ〞直径约30-100nm，厚约2-10nm第八章第四节扩散型相变示例（3）θ〞（即GP(II)区）第四节扩