金属热处理固态相变总论.ppt

* 固 态 相 变 * 第一章 固态相变 第一节 固态相变总论 一. 引言： 相变（广义）：是指外界条件（如温度、压力等）发生变化时，物质从一种相转变为另一种相的过程 。 ① ② 关于相变的理解： ⑴ 相变是物质系统不同相之间的转变； ⑵ 相变是有序和无序两种倾向相互竞争的结果。 相变是自然界普遍存在的一种突变现象. 初秋早晨湖面上的袅袅轻烟 高山上的缕缕薄雾， 万里晴空中的朵朵彩云 冬日雪后琳琅满目的雪花和冰晶 相变现象丰富多彩: 是水的各种相变形态 1. 固态相变：指固体材料的组织、结构在外界条件（如温度、压力等）发生变化时所发生的转变。 固态相变表现为： 从一种结构转变为另一种结构。 化学成分的不连续变化。 物质物理性能的突变。 二. 固态相变： TIPS: (1) 大多数固态相变与结晶过程一样，是通过形核和长大完成的 (2) 固态相变的驱动力：新相与母相之间自由焓之差。 γ－Fe α－Fe 2. 固态相变的特点： 与气态相变、金属液态结晶发生的相变相比，固态相变具有自身的一些特点： 相变阻力大 ① 界面能增加 ② 弹性应变能增加 ③ 扩散困难 固态相变困难！！！ 新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系！ 惯习现象 新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成 惯习方向 （母相） 惯习面 原因：沿应变能最小的方向和界面能最低的界面发展。 母相晶体缺陷促进相变 缺陷类型 点… 线… 面… 晶格畸变、自由能升高、促进形核及相变 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） 例如，在Al-Cu合金时效时 母相α0 α1＋GP区 α2＋ θ″ α3＋ θ′ α3 ＋ θ（CuAl2） 稳定相 过渡相 过渡相 TIP:这种情况通常发生在稳定相的成分与母相相差较远，转变温度较低，原子扩散慢，稳定相的形核困难。 TIPS：过渡相从热力学来说不利，但从动力学来说有力，也是减小相变阻力的重要途径之一！！！ 说明：有些反应不能进行到底，过渡相可以长期保留。 ①晶体结构的变化 纯铁的同素异构转变 1538℃, bcc的δ－Fe 1394℃,fcc的γ－Fe 912℃, bcc的α－Fe ②化学成分的变化 ③有序程度的变化 3. 固态相变的三种基本变化： 某些合金在高温下时，溶质，溶剂原子在点阵中无则分布——无序状态，而在低温时，溶质和溶剂原子分布在各自特定的点阵位置上——有序状态。 无序 有序 4. 几个重要的概念： （1）相界面 不同相晶体晶粒之间的界面。 ① 共格界面 两相晶格在界面上彼此完全衔接，错配度δ =（ɑβ- ɑα）/ɑ α〈0.05； ② 半共格界面 δ大到一定程度时，相界面不能继续维持完全共格学要一系列调配位错来调节，0.05 ≤δ≤0.25； 完全共格 伸缩型半共格 切变型半共格 ③ 非共格界面 由于δ（ δ﹥0.25）界面处两相原子无法配合。性质与大角度晶界相似！ （2）界面能 ：由于新相与母相的点阵常数总会存在差异，在共格界面两侧必 然存在一定的弹性应力场。 固－固相界面能比液－固相界面高 ①一部分同类键、异类键的结合强度和数量变化引起的化学能； ②另一部分是由界面原子不匹配产生的点阵畸变能。 界面能：共格界面半共格界面非共格界面！！！ （3）应变能 应变能包括共格应变能和体积应变能。 TIP：单位体积应变能的大小与新相的几何形状有关！！ 新相与母相点阵常数差异导致 新相与母相比容有所差异 思考题：是否新相与母相的比容差异越大，体积应变能越大呢？ 当新相体积一定时，体积应变能的大小：球状针状片状或盘状 TIP：单位体积界面能分布：球状针状片状 （4）取向关系 固态相变时，为了降低母相与新相之间的界面能，新相的某些低指数晶面与母相的某些低指数晶面平行。 如γ-Fe→ α-Fe 说明： ① 在形核时，新相的取向被旧相所制约，这样的晶面或晶向相互平行，所形成的界面能最低，形核阻力最小，形核易于进行。 ② 形核时两相保持一定的取向关系，是固态相变按阻力最小进行的有效途径之一。 （5）惯习面 固态相变时，为了降低界面能和维持共格关系，新相往往在母相的一定晶面上开始形核．这个与所生成新相的主平面或主轴平行的母相品面称为惯习面，而晶向则称为惯习方向，这种现象叫做惯习现象。 说明： 在许多情况下，惯习面和惯习方向就是取向关