海南大学：《材料科学基础》课程教学资源（PPT课件）Chapter 7 固态相变

第七章固态相变 0 wc0796 112380 奥氏体化温度：7800 04 10 10 10 时间 图10-38共析钢过冷奥氏体等温转变动力学曲线

第七章 固态相变

固态相变 概念：当外界环境（温度、压力以及磁 场、应立场等)发生变化时，固体材料 中的原子（离子或分子)的聚集状态发 生相应的变化过程称为固态转变

固态相变 ◼ 概念：当外界环境（温度、压力以及磁 场、应立场等）发生变化时，固体材料 中的原子（离子或分子）的聚集状态发 生相应的变化过程称为固态转变

■固态转变包括下列三种基本变化： 1.晶体结构变化 2.化学成分的变化 3.有序程度的变化 有些则同时包括两种甚至三种变化 如，纯金属、固溶体或化合物发生同素异 构转变时只有晶体结构变化；固溶体调 幅分解过程只有化学成分变化；固溶体 的有序-无序转变只有有序程度的变化； 过饱和固溶体的脱溶沉淀及共析转变既 有化学成分的变化又有结构的变化

◼ 固态转变包括下列三种基本变化： 1.晶体结构变化 2.化学成分的变化 3.有序程度的变化 有些则同时包括两种甚至三种变化 如，纯金属、固溶体或化合物发生同素异 构转变时只有晶体结构变化；固溶体调 幅分解过程只有化学成分变化；固溶体 的有序-无序转变只有有序程度的变化； 过饱和固溶体的脱溶沉淀及共析转变既 有化学成分的变化又有结构的变化

7.1固态相变的特点 界面能增加 1相变阻力大 额外弹性应变能：比体积差 固态相变 扩散困难（新、旧相化学成分不同时)」困难 对于母相为固相时， 由于受到周围母相的 约束，新相不能自由 膨胀收缩，其应变能 较大，因此，固态相 变的阻力大得多 图10-1三种相界示意图 a)共格界面b)半共格界面c)非共格界面

7.1固态相变的特点 界面能增加 1 相变阻力大 额外弹性应变能：比体积差 固态相变 扩散困难（新、旧相化学成分不同时） 困难 对于母相为固相时， 由于受到周围母相的 约束，新相不能自由 膨胀收缩，其应变能 较大，因此，固态相 变的阻力大得多

7.1固态相变的特点 ■2.原子迁移率低 由于固态中的原子键合远比液态中牢固， 所以其扩散速度远比液态的低。 即使在熔点附近固态原子的扩散系数也仅为液态原子扩 散系数的十万分之一。 固体原子的扩散系数小，其原子迁移率就低。同时在固 态更易于过冷，亦即当冷却速度增加时，可获得更大 的实际过冷度，相变也就在很大的过冷度下发生。随 着过冷度增大，相变驱动力增大，同时由于转变温度 降低，引起扩散系数降低。当驱动力增大的效果超过 了扩散系数降低对相变的影响时，讲导致相变速度增 加。此时，由于过冷度增大，形核率高，相变后得到 的组织变细；而当过冷度大到一定程度后，扩散系数 降低的影响将会超过相变驱动力增大的效果，便会造 成扩散控制的相变速度（扩散型相变)减小

7.1固态相变的特点 ◼ 2.原子迁移率低 由于固态中的原子键合远比液态中牢固， 所以其扩散速度远比液态的低。 即使在熔点附近固态原子的扩散系数也仅为液态原子扩 散系数的十万分之一。 固体原子的扩散系数小，其原子迁移率就低。同时在固 态更易于过冷，亦即当冷却速度增加时，可获得更大 的实际过冷度，相变也就在很大的过冷度下发生。随 着过冷度增大，相变驱动力增大，同时由于转变温度 降低，引起扩散系数降低。当驱动力增大的效果超过 了扩散系数降低对相变的影响时，讲导致相变速度增 加。此时，由于过冷度增大，形核率高，相变后得到 的组织变细；而当过冷度大到一定程度后，扩散系数 降低的影响将会超过相变驱动力增大的效果，便会造 成扩散控制的相变速度（扩散型相变）减小

7.1固态相变的特点 3.相界面 新旧两相形成的界面 共格。 界面类型<半共格. 降低界面能形成共格、半共格界面位向关系 非共格 图101三种相界示意图 a)共格界而b)半共格界面c}非共格界面 界面结构对固态相变的形核和生长以及相变后的组织形态都有很 大的影响

3.相界面 新旧两相形成的界面 共格. 界面类型 半共格. 降低界面能,形成共格、半共格界面 位向关系 非共格. 7.1固态相变的特点 界面结构对固态相变的形核和生长以及相变后的组织形态都有很 大的影响

4.位向关系 固态相变时，为减少新旧两相之间的界面能， 两种晶体之间往往存在一定的位向关系，.他们 常以低指数、原子密度大而艾彼此远配较好的 晶面互相平行。 例如，钴发生面心立方结构向密排六方结构的 同素异构转变时，母相的密排面111}与新相 的(0001)面平行，母相的晶向与新 相的晶向平行。 当相界面为共格或半共格界面时，新旧两相之 间必须有一定的位向关系；如果两相之间没有 确定的位向关系，则界面一定是非共格关系

4.位向关系 ◼ 固态相变时，为减少新旧两相之间的界面能， 两种晶体之间往往存在一定的位向关系，他们 常以低指数、原子密度大而又彼此匹配较好的 晶面互相平行。 ◼ 例如，钴发生面心立方结构向密排六方结构的 同素异构转变时，母相的密排面{111}与新相 的（0001）面平行，母相的晶向与新 相的晶向平行。 ◼ 当相界面为共格或半共格界面时，新旧两相之 间必须有一定的位向关系；如果两相之间没有 确定的 位向关系，则界面一定是非共格关系

5.惯习面 *新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成，这个晶面称为惯习面。 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

* 新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成，这个晶面称为惯习面。 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。 5.惯习面

例如，在亚共析钢中，先共析铁素体从 粗大的奥氏体晶粒析出时，除沿奥氏体 晶界呈网状分布外，还沿奥氏体的{111} 晶面析出，这种组织称为魏氏组织。这 个{111)y面就是析出先共析铁素体的惯 习面

◼ 例如，在亚共析钢中，先共析铁素体从 粗大的奥氏体晶粒析出时，除沿奥氏体 晶界呈网状分布外，还沿奥氏体的{111} 晶面析出，这种组织称为魏氏组织。这 个{111} γ面就是析出先共析铁素体的惯 习面

6.非均匀形核 固相中的形核都是非均匀形核。如，非 平衡空位、位错、晶粒边界、堆垛层错， 夹杂物和自由表面等非平衡缺陷都提高 了材料的自由能，都是合适的形核位置。 如果晶核的产生使缺陷消失，就会释放 出一定的自由能，因此减少了激活能势 垒。母相的晶粒愈细，缺陷的密度愈高， 则晶核愈多，想变速度愈大

6.非均匀形核 ◼ 固相中的形核都是非均匀形核。如，非 平衡空位、位错、晶粒边界、堆垛层错， 夹杂物和自由表面等非平衡缺陷都提高 了材料的自由能，都是合适的形核位置。 如果晶核的产生使缺陷消失，就会释放 出一定的自由能，因此减少了激活能势 垒。母相的晶粒愈细，缺陷的密度愈高， 则晶核愈多，想变速度愈大