固态相变基础.pptx

1第九章固态相变基础2第一节 概 述一一固态相变的特点固态相变的特点界面能增加界面能增加1相变阻力大相变阻力大额外弹性应变能：比体积差额外弹性应变能：比体积差固态相变固态相变扩散困难（新、旧相化学成分不同时）扩散困难（新、旧相化学成分不同时）困难困难第九章固态相变第一节概述3第一节 概 述一一固态相变的特点固态相变的特点2新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系*新相的某一晶面和晶向分别与母相的某一晶面、晶向平行。新相的某一晶面和晶向分别与母相的某一晶面、晶向平行。共格共格界面类型界面类型半共格半共格降低界面能降低界面能,形成共格、半共格界面形成共格、半共格界面位向关系位向关系非共格非共格第九章固态相变第一节概述4第一节 概 述一一固态相变的特点固态相变的特点3惯习现象惯习现象*新相沿新相沿特定的晶向特定的晶向在母相在母相特定晶面特定晶面上形成。上形成。惯习方向惯习方向（母相）（母相）惯习面惯习面原因：沿应变能最小的方向和界面能最低的界面发展。原因：沿应变能最小的方向和界面能最低的界面发展。第九章固态相变第一节概述5第一节 概 述一一固态相变的特点固态相变的特点4母相晶体缺陷促进相变母相晶体缺陷促进相变点点缺陷类型缺陷类型线线晶格畸变、自由能高，促进形核及相变。晶格畸变、自由能高，促进形核及相变。面面（思考：晶粒细化对相变的影响）（思考：晶粒细化对相变的影响）第九章固态相变第一节概述6第一节 概 述一一固态相变的特点固态相变的特点5易出现过渡相易出现过渡相*固态相变阻力大，直接转变困难固态相变阻力大，直接转变困难协调性中间产物（过渡相）协调性中间产物（过渡相）Fe3C+(3Fe+C)例例 M+Fe3C第九章固态相变第一节概述7第一节 概 述二二固态相变的分类固态相变的分类1按相变过程中原子迁移情况按相变过程中原子迁移情况（1）扩）扩散散型：依靠原子的长距离扩散；相界面非共格。型：依靠原子的长距离扩散；相界面非共格。（如珠光体、奥氏体转变，（如珠光体、奥氏体转变，Fe,C都可扩散。）都可扩散。）（2）非扩散型：旧相原子有规则地、协调一致地通过）非扩散型：旧相原子有规则地、协调一致地通过切变转移到新相中；相界面共格、原子间的相邻切变转移到新相中；相界面共格、原子间的相邻关系不变；化学成分不变。关系不变；化学成分不变。（如马氏体转变，（如马氏体转变，Fe,C都不扩散。）都不扩散。）（3）半扩散型：既有切变，又有扩散。）半扩散型：既有切变，又有扩散。（如贝氏体转变，（如贝氏体转变，Fe切变，切变，C扩散。）扩散。）第九章固态相变第一节概述8第一节 概 述二二固态相变的分类固态相变的分类2按相变方式分类按相变方式分类（1）有核相变：有形核阶段，新相核心可均匀形成，）有核相变：有形核阶段，新相核心可均匀形成，也可择优形成。大多数固态相变属于此类。也可择优形成。大多数固态相变属于此类。（2）无核相变：无形核阶段，以成分起伏作为开端，）无核相变：无形核阶段，以成分起伏作为开端，新旧相间无明显界面，如调幅分解。新旧相间无明显界面，如调幅分解。第九章固态相变第一节概述9第一节 概 述二二固态相变的分类固态相变的分类3按热力学函数变化分类按热力学函数变化分类（1）一一级级相相变变：相相变变时时两两相相的的化化学学位位相相等等，而而化化学学位位对对温温度度及及压压力力的的一一阶阶偏偏微微分分（S,V）不不等等的的相相变变。伴伴随随潜潜热热的的释释放放和和体体积积的的改变。如蒸发、升华、熔化以及大多数固态晶型转变属于此类。改变。如蒸发、升华、熔化以及大多数固态晶型转变属于此类。（2）二二级级相相变变：相相变变时时两两相相的的化化学学位位相相等等，化化学学位位的的一一阶阶偏偏微微分分也也相相等等，但但二二阶阶偏偏微微分分不不相相等等的的相相变变。没没有有相相变变潜潜热热和和体体积积改改变变，有有比比容容、压压缩缩系系数数、膨膨胀胀系系数数变变化化，如如磁磁性性转转变变、有有序序无无序序转转变变、超导转变等属于此类。超导转变等属于此类。第九章固态相变第一节概述10第一节 概 述三三常见固态相变类型常见固态相变类型相变名称相变名称相变特征相变特征同素异构转变同素异构转变同一种元素通过形核与长大发生晶体结构的变化同一种元素通过形核与长大发生晶体结构的变化多型性转变多型性转变合金中晶体结构的变化合金中晶体结构的变化脱溶转变脱溶转变过饱和固溶体脱溶分解出亚稳定或稳定的第二相过饱和固溶体脱溶分解出亚稳定或稳定的第二相共析转变共析转变一个固相转变为两个结构不同的固相一个固相转变为两个结构不同的固相包析转变包析转变两个不同结构的固相转变为一个新的固相，组织中一般两个不同结构的固相转变为一个新的固相，组织中一般有某相残余有某相残余马氏体转变马氏体转变新旧相之间成分不变、切变进行、有严格位向关系、有新旧相之间成分不变、切变进行、有严格位向关系、有浮凸效应浮凸效应贝氏体转变贝氏体转变兼具马氏体和扩散转变的特点，借助铁的切变和碳的扩兼具马氏体和扩散转变的特点，借助铁的切变和碳的扩散进行散进行调幅分解调幅分解非形核转变，固溶体分解成结构相同但成分不同的两相非形核转变，固溶体分解成结构相同但成分不同的两相有序化转变有序化转变合金元素原子从无规则排列到有规则排列，担结构不变。合金元素原子从无规则排列到有规则排列，担结构不变。第九章固态相变第一节概述11第二节固态相变的形核与长大 一一均匀形核（能量条件）均匀形核（能量条件）1形核时的能量变化形核时的能量变化相变驱动力相变驱动力（1）化学自由能（体积自由能，）化学自由能（体积自由能，Gv）GvT曲线曲线随成分变化随成分变化第九章固态相变第二节形核长大12第二节固态相变的形核与长大 一一均匀形核（能量条件）均匀形核（能量条件）1形核时的能量变化形核时的能量变化相变阻力相变阻力（2）界面能（）界面能（，S）取决于界面结构取决于界面结构T越大，晶核越小，越大，晶核越小，S 大大共格共格/半共格半共格（与过冷度有关）（与过冷度有关）T越小，晶核越大，越小，晶核越大，S 小小非共格非共格第九章固态相变第二节形核长大13第二节固态相变的形核与长大 一一均匀形核（能量条件）均匀形核（能量条件）1形核时的能量变化形核时的能量变化（3）应变能）应变能(,V)相变阻力相变阻力共格应变能：共格大，半共格小，非共格共格应变能：共格大，半共格小，非共格0分类分类比体积差比体积差球状最大球状最大体积应变能体积应变能新相几何形状新相几何形状片状最小片状最小针状居中针状居中第九章固态相变第二节形核长大14第二节固态相变的形核与长大 一一均匀形核（能量条件）均匀形核（能量条件）2形核的能量条件形核的能量条件GVGv+S+V 0rK=2/(Gv-)GK=16/3(Gv-)2第九章固态相变第二节形核长大15第二节固态相变的形核与长大 二二非均匀形核（能量条件）非均匀形核（能量条件）固固态态相相变变均均匀匀形形核核的的可可能能性性很很小小，非非均均匀匀形形核核（依依靠晶体缺陷）是主要的形核方式。靠晶体缺陷）是主要的形核方式。第九章固态相变第二节形核长大16第二节固态相变的形核与长大 二二非均匀形核（能量条件）非均匀形核（能量条件）1不同晶体缺陷对形核的作用不同晶体缺陷对形核的作用能量高，降低能量高，降低GK（1）晶界形核）晶界形核结构混乱，降低结构混乱，降低 易扩散、偏析，利于扩散相变易扩散、偏析，利于扩散相变新相新相/母相形成共格、半共格界面降低界面能母相形成共格、半共格界面降低界面能第九章固态相变第二节形核长大17第二节固态相变的形核与长大 二二非均匀形核（能量条件）非均匀形核（能量条件）1不同晶体缺陷对形核的作用不同晶体缺陷对形核的作用新相生成处位错消失，能量释放，提高驱动力新相生成处位错消失，能量释放，提高驱动力（2）位错形核）位错形核位错不消失，可作为半共格界面的形成部分位错不消失，可作为半共格界面的形成部分易于发生偏聚（气团），有利于成分起伏易于发生偏聚（气团），有利于成分起伏易于扩散，有利于发生扩散型相变易于扩散，有利于发生扩散型相变第九章固态相变第二节形核长大18第二节固态相变的形核与长大 二二非均匀形核（能量条件）非均匀形核（能量条件）1不同晶体缺陷对形核的作用不同晶体缺陷对形核的作用促进扩散促进扩散（3）空位形核）空位形核新相生成处空位消失，提供能量新相生成处空位消失，提供能量空位群可凝结成位错空位群可凝结成位错（在过饱和固溶体的脱溶析出过程中，（在过饱和固溶体的脱溶析出过程中，空位作用更明显。）空位作用更明显。）第九章固态相变第二节形核长大19第二节固态相变的形核与长大 二二非均匀形核（能量条件）非均匀形核（能量条件）2非均匀形核的能力变化非均匀形核的能力变化GVGv+S+V GDGD晶体缺陷导致系统降低的能量。晶体缺陷导致系统降低的能量。第九章固态相变第二节形核长大2h20第二节固态相变的形核与长大 三三晶核的长大晶核的长大1长大机制长大机制切变长大切变长大（1）半共格界面）半共格界面台阶式长大（位错滑移）台阶式长大（位错滑移）原子直接迁移原子直接迁移（2）非共格界面）非共格界面原子迁移至新相台阶端部原子迁移至新相台阶端部第九章固态相变第二节形核长大21第二节固态相变的形核与长大 三三晶核的长大晶核的长大2新相长大速度新相长大速度新相生成时无成分变化新相生成时无成分变化(有结构、有序度变化）有结构、有序度变化）（1）界面控制长大界面控制长大 u=exp(-Q/kT)1-exp(-Gv/kT)新相生成时有成分变化新相生成时有成分变化（2）扩散控制长大）扩散控制长大u=dx/dt=(C/x)D/(C-C)第九章固态相变第二节形核长大22第二节固态相变的形核与长大 三三晶核的长大晶核的长大（3）相变动力学）相变动力学 f=1-exp(-btn)b-取决于相变温度、母相成分取决于相变温度、母相成分和晶粒大小等；和晶粒大小等；n-取决于相变类型和形核位置。取决于相变类型和形核位置。第九章固态相变第二节形核长大23第三节 钢中固态相变要点 一一奥氏体的形成奥氏体的形成1转变机制转变机制+Fe3C 第九章固态相变第四节钢中相变24第三节 钢中固态相变要点 一一奥氏体的形成奥氏体的形成2转变温度转变温度完全奥氏体化完全奥氏体化不完全奥氏体化不完全奥氏体化第九章固态相变第四节钢中相变Smith W F.Foundations of Materials Science and Engineering.McGRAW.HILL.3/E25第三节 钢中固态相变要点 一一奥氏体的形成奥氏体的形成3晶粒度晶粒度（1）起始晶粒度：刚刚完成奥氏体）起始晶粒度：刚刚完成奥氏体化时的晶粒大小。化时的晶粒大小。（2）实际晶粒度：在具体的奥氏体）实际晶粒度：在具体的奥氏体化工艺条件下获化工艺条件下获得的晶粒大小。得的晶粒大小。（3）本质晶粒度：钢在）本质晶粒度：钢在93010 加热，保温加热，保温3-8h3-8h 冷却后的奥氏体晶粒大小。冷却后的奥氏体晶粒大小。第九章固态相变第四节钢中相变26第三节 钢中固态相变要点 二二钢的冷却转变钢的冷却转变第九章固态相变第四节钢中相变Smith W F.Foundations of Materials Science and Engineering.McGRAW.HILL.3/E27第三节 钢中固态相变要点 二二钢的冷却转变钢的冷却转变1马氏体转变马氏体转变（1）转变特点）转变特点无扩散性。无扩散性。切变共格与表面浮凸。切变共格与表面浮凸。惯习面及位向关系。惯习面及位向关系。转变是在一个温度范围内进行的。转变是在一个温度范围内进行的。转变不完全。转变不完全。第九章固态相变第四节钢中相变28第三节 钢中固态相变要点 二二钢的冷却转变钢的冷却转变1马氏体转变马氏体转变（2）结构与形态）结构与形态第九章固态相变第四节钢中相变2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearningisatrademarkusedhereinunderlicense.Smith W F.Foundations of Materials Science and Engineering.McGRAW.HILL.3/E29第三节 钢中固态相变要点 二二钢的冷却转变钢的冷却转变1马氏体转变马氏体转变（2）结构与形态）结构与形态第九章固态相变第四节钢中相变板板条条马马氏氏体体片片状状马马氏氏体体位位错错马马氏氏体体孪孪晶晶马马氏氏体体低碳马氏体低碳马氏体高碳马氏体高碳马氏体Smith W F.Foundations of Materials Science and Engineering.McGRAW.HILL.3/E30第三节 钢中固态相变要点 二二钢的冷却转变钢的冷却转变1马氏体转变马氏体转变（3）性能）性能-高强度、高硬度高强度、高硬度相变强化相变强化固溶强化固溶强化细晶强化细晶强化第九章固态相变第四节钢中相变Smith W F.Foundations of Materials Science and Engineering.McGRAW.HILL.3/E31第三节 钢中固态相变要点 二二钢的冷却转变钢的冷却转变1马氏体转变马氏体转变（4）奥氏体的稳定化）奥氏体的稳定化马氏体转变中止、停顿后再继续冷却时出现转变滞后和残余奥氏体马氏体转变中止、停顿后再继续冷却时出现转变滞后和残余奥氏体增多的现象。增多的现象。热稳定化：由于缓慢冷却或等温停留引起的稳定化。热稳定化：由于缓慢冷却或等温停留引起的稳定化。机械稳定化：由于塑性变形或压应力造成的稳定化。机械稳定化：由于塑性变形或压应力造成的稳定化。第九章固态相变第四节钢中相变32第三节 钢中固态相变要点 二二钢的冷却转变钢的冷却转变1马氏体转变马氏体转变（5）回火脆性）回火脆性由回火导致的冲击韧度下降的现象。由回火导致的冲击韧度下降的现象。第一类回火脆性低温回火脆性：碳化物薄壳结构。第一类回火脆性低温回火脆性：碳化物薄壳结构。第二类回火脆性高温回火脆性：杂质元素向晶界偏聚。第二类回火脆性高温回火脆性：杂质元素向晶界偏聚。第九章固态相变第四节钢中相变33第三节 钢中固态相变要点 二二钢的冷却转变钢的冷却转变2冷却转变产物特征冷却转变产物特征第九章固态相变第四节钢中相变34第四节过饱和固溶体的分解自学提纲 一一脱溶（时效）转变脱溶（时效）转变1概念：脱溶转变概念：脱溶转变2脱溶转变过程脱溶转变过程相相的的名名称称形形貌貌尺尺寸寸结结构构点点阵阵常常数数共共格格关关系系强化作用强化作用3脱溶动力学脱溶动力学第九章固态相变第三节脱溶与调幅分解35第四节过饱和固溶体的分解自学提纲 二二调幅分解调幅分解1概念：调幅分解概念：调幅分解2调幅分解的热力学条件和决定因素调幅分解的热力学条件和决定因素3调幅分解的特点调幅分解的特点第九章固态相变第三节脱溶与调幅分解4h