金属固态相变全套教学课件.pptx

固态相变理论基础;相变从广义上讲，构成物质的原子（或分子）的聚合状态（相状态）发生变化的过程均称为相变。;新相与母相

相变发生，新相与母相之间必然存在某些差别。这些差别或者表现在:

晶体结构上（如同素异构转变）

化学成分上（如调幅分解）

有序化程度的变化

表面能上（如粉末烧结）

应变能上（如形变再结晶）

界面能上（如晶粒长大）

兼而有之（如过饱和固溶体脱溶沉淀）;内因与外因

外因:满足热力学条件是发生相变的必要条件。根据热力学第二定律，可得到以下相变进行的能量判据：

;固态

相变

分类;相变时新旧两相的化学势相等，但化学势的一级偏微商不等的相变称为一级相变。

设α代表旧相，β代表新相，μ为化学势、T为温度、P为压力，则有

;相变时新旧两相的化学势相等，且化学势的一级偏微商也相等，但化学势的二级偏微商不等的相变称为二级相变。

即：;即在二级相变时，无相变潜热和体积改变，只有比热CP、压缩系数K和膨胀系数λ的不连续变化。材料的部分有序化转变、磁性转变以及超导体转变均属于二级相变。;平衡相变是指在缓慢加热或冷却时所发生的能获得符合平衡状态图的平衡组织的相变。;在缓慢冷却条件下，由过饱和固溶体中析出过剩相的过程称为平衡脱溶沉淀。;加热时也可发生α+β→γ转变，称为逆共析相变。

例如：钢中奥氏体（γ）与珠光体（α+Fe3C）的转变

冷却时：γ→α+Fe3C共析相变

加热时：α+Fe3C→γ逆共析型相变;若加热或冷却速度很快，平衡相变将被抑制，固态材料可能发生某些平衡状态图上不能反映的转变并获得被称为不平衡或亚稳态的组织，这种转变称为非平衡相变。;若进一步提高冷却速度，使伪共析相变也来不及进行而将奥氏体过冷到更低温度，则由于在低温下铁原子和碳原子都已不能或不易扩散，故奥氏体只能以不发生原子扩散、不引起成分改变的方式，通过切变由γ点阵改组为α点阵，这种转变称为马氏体相变，转变产物称为马氏体（为区别于平衡相变所形成的α相，称其为α′相），其成分与母相奥氏体相同。;相变时，相界面的移动是通过原子近程或远程扩散而进行的相变称为扩散型相变，也称为“非协同型”转变。

只有当温度足够高，原子活动能力足够强时，才能发生扩散型相变。温度愈高，原子活动能力愈强，扩散距离也就愈远。

如：同素异构转变、多形性转变、脱溶型相变、共析型相变、调幅分解和有序化转变等等。;相变过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子的运动是协调一致的相变称为非扩散型相变，也称为“协同型”转变。

非扩散型相变时原子仅作有规则的迁移以使点阵发生改组。迁移时，相邻原子相对移动距离不超过一个原子间距，相邻原子的相对位置保持不变。;有核相变是通过形核-长大方式进行的。

新相晶核可以在母相中均匀形成，也可以在母相中某些有利部位优先形成。

新相晶核形成后不断长大而使相变过程得以完成。

新相与母相之间有相界面隔开。

大部分的固态相变均属于有核相变。;1．相界面

2．位向关系与惯习面

3．弹性应变能

4．过渡相的形成

5．晶体缺陷的影响

6．原子的扩散

;相界面;第一类共格和第二类共格;当错配度δ增大到一定程度时，便难以继续维持完全的共格关系，于是在界面上将产生一些刃型位错，以补偿原子间距差别过大的影响，使界面弹性应变能降低。此时，界面上的两相原子变成部分保持匹配，故称为半共格界面。;当两相界面处的原子排列差异很大，即错配度δ很大时，两相原子之间的匹配关系便不再维持，这种界面称为非共格界面。非共格界面结构与大角晶界相似，由原子不规则排列的很薄的过渡层所构成。;固态相变时，因新相和母相的比容不同可能发生体积变化。但由于受到周围母相的约束，新相不能自由胀缩，新相与周围母相之间必将产生弹性应变和应力，使系统额外增加了一项弹性应变能。另外，两相界面上的不匹配也产生弹性应变能。;新相形状与相对应变能的关系;新相的形态，由“适者生存”的基本规律决定！;固态相变时究竟是界面能还是弹性应变能起主导作用取决于具体条件。

过冷度大，临界晶核尺寸小，单位体积新相界面积大，界面能增加，此时界面能起主导作用，两相界面易取共格方式以降低界面能。;从能量的角度来看;;晶体缺陷;自由能G;注：

必须产生一定的过冷度或过热度，即：

过冷度△T＝T0－T1

过热度△T＝T2－T0

以获得相变所需的自由能差

（△Gγ→α或△Gα→γ），即满足

相变热力学的能量条件时才能发

生γ→α或α→γ的相变。;所谓相变势垒（或能垒）是指相变时改组晶格所必须克服的原子间引力。势垒的高低可以近似地用激活能Q来表示。;激活能;核胚和晶核;均匀形核时△G;临界晶核半径;均匀形