第二章J金属固态相变基础选编课件.ppt

1、第二章第二章 金属固态相变基础金属固态相变基础2.1 2.1 金属固态相变概述金属固态相变概述2.2 2.2 金属固态相变热力学金属固态相变热力学2.3 2.3 金属固态相变的形核金属固态相变的形核2.4 2.4 金属固态相变的长大金属固态相变的长大2.5 2.5 金属固态相变动力学金属固态相变动力学返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMTn相：相：体系中具有相同成分、结构和性质的均匀部分体系中具有相同成分、结构和性质的均匀部分 称为相，不同相之间有明显的界面分开。称为相，不同相之间有明显的界面分开

2、。n相变：相变：随外界条件的变化随外界条件的变化(温度温度)，体系中新相取代，体系中新相取代 旧相的过程。旧相的过程。n固态相变：固态相变：固态金属及合金在温度及压力改变时，固态金属及合金在温度及压力改变时，组织及结构发生的变化组织及结构发生的变化2.1 金属固态相变概述金属固态相变概述返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT一、相变分类一、相变分类 1.1.按热力学分类按热力学分类 (1)(1)一级相变一级相变 对新、旧相对新、旧相和和，有：，有：=S S VV 说明一级相变有相变潜热和体积变化。说明一级相变有相变潜热和体积变化。材料凝固、熔化、升华、同素异构转变

3、均为一级相变。材料凝固、熔化、升华、同素异构转变均为一级相变。固态相变大部分为一级相变。固态相变大部分为一级相变。2.1 金属固态相变概述金属固态相变概述返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT一、相变分类一、相变分类 1.按热力学分类按热力学分类 (2)二级相变二级相变 对新、旧相对新、旧相和和，有：，有：=S S VV 2.1 金属固态相变概述金属固态相变概述化学势一级偏微商相等化学势一级偏微商相等等压比热：等压比热：C C 等温压缩系数：等温压缩系数：K K 等压膨胀系数：等压膨胀系数：化学势二级偏微商不等化学势二级偏微商不等因此：因此：无相变潜热和体积变化，

4、而比热、压缩系数、膨胀系无相变潜热和体积变化，而比热、压缩系数、膨胀系数是变化的。如材料有序化转变、磁性转变、超导转变等。数是变化的。如材料有序化转变、磁性转变、超导转变等。返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT2.2.按平衡状态图分类按平衡状态图分类 (1)(1)平衡相变平衡相变 同素异构转变和多形性转变同素异构转变和多形性转变 平衡脱溶沉淀平衡脱溶沉淀 一、相变分类一、相变分类A AB B +L L T T固溶体固溶体纯金属纯金属返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT共析相变共析相变如珠光体转变。由一个固相分解为两个固相的转变。如

5、珠光体转变。由一个固相分解为两个固相的转变。调幅分解调幅分解 1+2高温合金单相固溶体在冷却到某一温度分解为两个高温合金单相固溶体在冷却到某一温度分解为两个结构结构相同成分不同相同成分不同两相两相有序化转变有序化转变 无序无序 有序有序 原子在晶体中相对位置由无序到有序转变，使其电、原子在晶体中相对位置由无序到有序转变，使其电、磁、物理、机械性能变化。磁、物理、机械性能变化。如：如：Cu-Zn,Cu-Au,Mn-Ni,Fe-Ni,Ti-Ni合金等。合金等。返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT(2)(2)非平衡相变非平衡相变 加热或冷却速度快，使无限缓慢的平衡相变

6、被抑制，加热或冷却速度快，使无限缓慢的平衡相变被抑制，产生不平衡相变。产生不平衡相变。伪共析相变伪共析相变马氏体相变马氏体相变贝氏体相变贝氏体相变非平衡脱溶转变非平衡脱溶转变2.2.按平衡状态图分类按平衡状态图分类 (1)(1)平衡相变平衡相变 一、相变分类一、相变分类A AB B +L L T T返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT3.3.按原子迁移情况分类按原子迁移情况分类（1 1）扩散型相变）扩散型相变 温度足够高、原子活动能力足够强、时间足够长温度足够高、原子活动能力足够强、时间足够长情况下发生的相变。情况下发生的相变。特点：特点：n相变过程有原子扩散，

7、相变速率受原子扩散速度控制；相变过程有原子扩散，相变速率受原子扩散速度控制；n新、旧相成分往往不同；新、旧相成分往往不同；n新、旧相比容不同引起体积变化，但宏观形状不变。新、旧相比容不同引起体积变化，但宏观形状不变。如：同素异构转变、脱溶转变、共析转变、调幅分解、如：同素异构转变、脱溶转变、共析转变、调幅分解、有序化转变、珠光体转变等有序化转变、珠光体转变等一、相变分类一、相变分类返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT（2 2）非扩散型相变）非扩散型相变 相变过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子相变过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子运动是协调一致的。原子

8、只作有规则的迁移以使晶体点运动是协调一致的。原子只作有规则的迁移以使晶体点阵重组，原子迁移范围有限不超过一个原子间距。阵重组，原子迁移范围有限不超过一个原子间距。如：淬火马氏体相变如：淬火马氏体相变 特点：特点：存在均匀切变引起宏观变形；存在均匀切变引起宏观变形；相变无扩散，新、旧相化学成分相同；相变无扩散，新、旧相化学成分相同；新、旧相之间存在一定晶体学取向关系；新、旧相之间存在一定晶体学取向关系；相变速度快。相变速度快。3.3.按原子迁移情况分类按原子迁移情况分类（1 1）扩散型相变）扩散型相变 一、相变分类一、相变分类返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT4

9、.4.按相变方式分类按相变方式分类 (1)(1)有核相变有核相变 形核形核-长大长大方式进行相变。方式进行相变。(2)(2)无核相变无核相变 条件：条件：可以以成分起伏或能量起伏为开始，直可以以成分起伏或能量起伏为开始，直接长大形成新相过程。接长大形成新相过程。如：调幅分解以成分起伏为开始，进行上坡扩如：调幅分解以成分起伏为开始，进行上坡扩散，形成两个成分不同的新相；散，形成两个成分不同的新相；一、相变分类一、相变分类返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT小结：小结：相变的实质，是相结构、成分或有序化程度发生变化，相变的实质，是相结构、成分或有序化程度发生变化，相

10、变可以兼有上述相变类型的一种或几种。相变可以兼有上述相变类型的一种或几种。如：如：马氏体相变马氏体相变 是非扩散相变、是非扩散相变、（新旧相成分相同、结构不相同）（新旧相成分相同、结构不相同）珠光体相变珠光体相变 是扩散相变、是扩散相变、（新旧相成分不相同、结构不相同）（新旧相成分不相同、结构不相同）一、相变分类一、相变分类思考：同素异构转变，脱溶转变（平衡、非平衡），思考：同素异构转变，脱溶转变（平衡、非平衡），伪共析相变，贝氏体相变伪共析相变，贝氏体相变，奥氏体转变，调幅分解等奥氏体转变，调幅分解等各属于什么相变类型？各属于什么相变类型？非平衡相变、非平衡相变、有核相变；有核相变；平衡相变

11、、平衡相变、有核相变；有核相变；返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT二、金属固态相变主要特点二、金属固态相变主要特点 1.1.相界面特殊（新相和母相间存在不同的界面）相界面特殊（新相和母相间存在不同的界面）(1)(1)共格界面共格界面 新、旧相的晶体结构、点阵常数相同；或有差异但存新、旧相的晶体结构、点阵常数相同；或有差异但存在一组特定晶体学平面可使两相原子之间产生完全匹配。在一组特定晶体学平面可使两相原子之间产生完全匹配。旧相旧相新相新相特点：特点：界面能小，弹性畸变能大界面能小，弹性畸变能大返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT

12、(2)(2)半共格界面半共格界面 新、旧相之间存在少量位错，除此之外的晶体结构新、旧相之间存在少量位错，除此之外的晶体结构和点阵常数均能使两相原子之间产生完全匹配。和点阵常数均能使两相原子之间产生完全匹配。新、旧相间错配度新、旧相间错配度=|=|-|/|/小，共格关系小，共格关系大，半共格关系大，半共格关系很大，非共格关系很大，非共格关系 1.1.相界面特殊（新相和母相间存在不同的界面）相界面特殊（新相和母相间存在不同的界面）返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT(3)(3)非共格界面非共格界面 新、旧相界面处原子排列差别很大新、旧相界面处原子排列差别很大,两原子

13、之间匹两原子之间匹配关系不再维持配关系不再维持,为非共格界面。为非共格界面。1.1.相界面特殊（新相和母相间存在不同的界面）相界面特殊（新相和母相间存在不同的界面）特点：特点：界面能大，弹性畸变能小界面能大，弹性畸变能小返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT界面能：非共格界面能：非共格 半共格半共格 共格共格弹性畸变能：非共格弹性畸变能：非共格 半共格半共格 0G 0 G=G-G 0 过热过热T0理论转变温度理论转变温度返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT二、相变势垒二、相变势垒 要使要使向向 转变能够进行转变能够进行 还必须越过还

14、必须越过g的势垒的势垒 因此相变条件：因此相变条件：G 0 克服克服g的势垒的势垒 （能量起伏（能量起伏)返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMTG状态状态状态状态gG原子间的引力原子间的引力返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMTVSGVGv2.3 金属固态相变的形核金属固态相变的形核一、均匀形核一、均匀形核32334434rrGrv形核自由能变化形核自由能变化假设晶核为球形假设晶核为球形r r*对G与r之间的函数关系作图得到新相晶胚形成时自由能的改变量与晶核半径的关系曲线图只有晶胚尺寸大于r*时，晶胚的长大才会使系统自由能降低，这种晶

15、胚才可作为稳定的晶核而长大rG)(=0 令返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMTVSGVGv2.3 金属固态相变的形核金属固态相变的形核一、均匀形核一、均匀形核23*)(316vGG32334434rrGrv23*316vGG 2*VGr 2*VGr金属结晶均匀形核金属结晶均匀形核形核自由能变化形核自由能变化临界晶核半径：临界晶核半径：临界形核功临界形核功假设晶核为球形假设晶核为球形当当Gv一定时，一定时，固态相变比液固态相变比液-固相变要困难固相变要困难，需要大过冷度，需要大过冷度rG)(=0 令返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUM

16、T)exp(*RTGCN)exp(RTQ固态相变均匀形核率：固态相变均匀形核率：固态转变时的形核功比结晶时的大，固态扩散的激活能要比固态转变时的形核功比结晶时的大，固态扩散的激活能要比液态的大几个数量级液态的大几个数量级固态相变的形核率远比相似条件下金属结晶的形核率小得多固态相变的形核率远比相似条件下金属结晶的形核率小得多返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT2.3 金属固态相变的形核金属固态相变的形核二、非均匀形核二、非均匀形核dvGVSGVG 晶界形核晶界形核位错形核位错形核空位形核空位形核缺陷提供的相变驱动力缺陷提供的相变驱动力固态相变中均匀形核几乎不可能，

17、大多为非均匀形核。固态相变中均匀形核几乎不可能，大多为非均匀形核。返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT1.1.晶界形核晶界形核n晶界类型：界面、界棱、界隅晶界类型：界面、界棱、界隅n晶界形核时的能量变化晶界形核时的能量变化 提供的能量：提供的能量：需要的形核功：需要的形核功：结论：界隅形核的最容易结论：界隅形核的最容易 但界隅占的体积分数太小，而数量最多的界面对但界隅占的体积分数太小，而数量最多的界面对形核的贡献最大。形核的贡献最大。二、非均匀形核二、非均匀形核界面界面界棱界棱界隅界隅界隅界隅界棱界棱界面界面 T2 T3T2T3100%在一定过冷度下的等温转变动

18、力在一定过冷度下的等温转变动力学可用阿弗拉密方程描述：学可用阿弗拉密方程描述：)exp(1nbtXn讨论相变的速率问题，即在恒温下相变量与时间的关系讨论相变的速率问题，即在恒温下相变量与时间的关系。返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT用于用于Avrami方程式中的方程式中的n值值0.5片状物增厚1针状物增厚2.5 1.5质点由小尺寸长大 1)以恒定速率形核 2)仅在开始转变时形核过饱和固溶体脱溶1在晶界上形核2在晶粒的棱上形核3仅在开始转变时形核4以恒定速率形核胞状转变(包括共析转变和不连续脱溶等)n 值 相 变 类 型返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理

19、及工艺,SMSE,CUMT等温转变曲线：等温转变曲线：将不同温度下的将不同温度下的S S曲线整理在时间曲线整理在时间-温度曲线上，可以得到温度曲线上，可以得到相变的综合动力学曲线，即等温转变曲线。等温转变曲相变的综合动力学曲线，即等温转变曲线。等温转变曲线表示了转变量、转变温度和转变时间之间的关系，一线表示了转变量、转变温度和转变时间之间的关系，一般是由两条形状呈般是由两条形状呈C C形的曲线构成，所以我们也将其称之形的曲线构成，所以我们也将其称之为为。2.5 金属固态相变动力学金属固态相变动力学T1等温动力学曲线等温动力学曲线转转变变体体积积分分数数x xt0T1 T2 T3T2T3100%

20、等温动力学图（等温转变曲线）等温动力学图（等温转变曲线）返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT习题一：习题一：1、金属固态相变有哪些主要特征？、金属固态相变有哪些主要特征？2、哪些因素构成固态相变阻力？哪些构成相变驱动力？、哪些因素构成固态相变阻力？哪些构成相变驱动力？3、金属固态相变主要有哪些变化？、金属固态相变主要有哪些变化？4、固态相变的过程中形核和长大的方式是什么？固态相变的过程中形核和长大的方式是什么？5、固态相变的长大速度受什么控制？、固态相变的长大速度受什么控制？返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT本章重点：n1、各种

21、固态相变的归类。n2、固态相变的特点。n3、固态相变驱动力和阻力。n4、固态相变的形核与长大返 回下一页上一页 本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT人有了知识，就会具备各种分析能力，人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说古人说“书中自有黄金屋。书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进鼓舞我们前进。