2材料科学与工程专业《金属热处理原理及工艺》课件-第二章 金属固态

第二章金属固态相变基础2.1金属固态相变概述2.2金属固态相变热力学2.3金属固态相变的形核2.4金属固态相变的长大2.5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,CUMT相：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。相变：随外界条件的变化(温度)，体系中新相取代旧相的过程。固态相变：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2.1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1.按热力学分类(1)一级相变对新、旧相α和β，有：μα=μβSα≠SβVα≠Vβ说明一级相变有相变潜热和体积变化。材料凝固、熔化、升华、同素异构转变均为一级相变。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1.按热力学分类(2)二级相变对新、旧相α和β，有：μα=μβSα＝SβVα＝Vβ2.1金属固态相变概述化学势一级偏微商相等等压比热：Cα≠Cβ等温压缩系数：Kα≠Kβ等压膨胀系数：λα≠λβ化学势二级偏微商不等因此：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。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT2.按平衡状态图分类(1)平衡相变同素异构转变和多形性转变平衡脱溶沉淀一、相变分类AB+LⅠT固溶体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共析相变如珠光体转变。由一个固相分解为两个固相的转变。调幅分解αα1+α2高温合金单相固溶体在冷却到某一温度分解为两个结构相同成分不同两相有序化转变无序有序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。如：Cu-Zn,Cu-Au,Mn-Ni,Fe-Ni,Ti-Ni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)非平衡相变加热或冷却速度快，使无限缓慢的平衡相变被抑制，产生不平衡相变。伪共析相变马氏体相变贝氏体相变非平衡脱溶转变2.按平衡状态图分类(1)平衡相变一、相变分类AB+LⅠT返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT3.按原子迁移情况分类（1）扩散型相变温度足够高、原子活动能力足够强、时间足够长情况下发生的相变。特点：相变过程有原子扩散，相变速率受原子扩散速度控制；新、旧相成分不同；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、有序化转变、珠光体转变等一、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）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。如：淬火马氏体相变特点：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；新、旧相之间存在一定晶体学取向关系；相变速度快。3.按原子迁移情况分类（1）扩散型相变一、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.按相变方式分类(1)有核相变形核----长大方式进行相变。(2)无核相变条件：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。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；马氏体相变以能量起伏为开始，靠共格切变直接长大形成新相过程。一、相变分类调幅分解.mpa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：相变的实质，是相结构、成分或有序化程度发生变化，相变可以兼有上述相变类型的一种或几种。如：马氏体相变是非扩散相变、（新旧相成分相同、结构不相同）珠光体相变是扩散相变、（新旧相成分不相同、结构不相同）一、相变分类思考：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，奥氏体转变，调幅分解等各属于什么相变类型？非平衡相变、无核相变；平衡相变、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1.相界面特殊（新相和母相间存在不同的界面）(1)共格界面新、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。旧相新相特点：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(2)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δ=|αβ-αα|/αα小，共格关系大，半共格关系很大，非共格关系1.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)非共格界面新、旧相界面处原子排列差别很大,两原子之间匹配关系不再维持,为非共格界面。1.相界面特殊（新相和母相间存在不同的界面）特点：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：非共格半共格共格弹性畸变能：非共格半共格共格返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT2.新旧相之间存在一定位向关系与惯习面新、旧相之间存在一定位向关系,并且新相往往在旧相的一定晶面上开始形成,这个晶面称为惯习面.惯习面和位向关系的区别：惯习面指母相的某一主平面；位向关系指新相的某些晶面、晶向∥旧相的某些晶面、晶向若两相间为（半）共格界面→但反过来不成立若无取向关系→二、金属固态相变主要特点1.相界面特殊（不同类型，具有不同界面能和应变能）有取向关系必为非共格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,CUMT2.新旧相之间存在一定位向关系与惯习面二、金属固态相变主要特点1.相界面特殊3.相变阻力大相界面上原子强制匹配引起的弹性应变能共格＞半共格＞非共格新、旧相比容差弹性应变能弹性应变能和界面能共同构成金属发生固态相变的阻力（不同类型，具有不同界面能和应变能）（弹性应变能作用）返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT新相形状与弹性应变能之间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,CUMT4.易出现过渡相（降低形核功）在有些情况下，固态相变不能直接形成自由能最低的稳定相，而是经过一系列的中间阶段，先形成一系列自由能较低的过渡相（又称中间亚稳相），然后在条件允许时才形成自由能最低的稳定相．相变过程可以写成：母相―→较不稳定过渡相―→较稳定过渡相―→稳定相应特别指出：温度越低时，固态相变的上述特点越显著。过渡相的出现有利于减小固态相变的阻力。如：铁碳合金中γ分解时γ→M→α＋Fe3CFe3C→Fe＋CM，Fe3C为过渡相二、金属固态相变主要特点返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT5.母相晶体缺陷的促进作用晶态固体中的空位、位错、晶界等缺陷周围因点阵畸变而储存一定的畸变能。新相极易在这些位置非均匀形核。它们对晶核的长大过程也有一定的影响。通常，固态相变时，母相中晶体缺陷起促进作用。新相优先在晶体缺陷处形核。二、金属固态相变主要特点（提供驱动力）返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT6.原子的扩散（原子迁移率低）固态相变中，成分的改变必须通过组元的扩散才能完成，此时扩散成为相变的控制因素，而固态金属中原子的扩散系数，即使在熔点附近也仅为液态的十万分之一，所以固态相变的转变速率很慢，可以有很大的过冷度。随着温度降低，过冷度增大，形核率增高，相变驱动力增大，但同时原子扩散系数降低。这一对矛盾运动的结果，就有可能使相变后得到的组织变细。二、金属固态相变主要特点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1.相界面特殊2.新旧相之间存在一定位向关系与惯习面3.相变阻力大（弹性应变能作用）4.易于形成过渡相5.母相晶体缺陷对相变起促进作用6.原子的扩散（扩散控制相变过程）（提供驱动力）（降低形核功）（不同类型，具有不同界面能和应变能）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金属固态相变热力学一、相变驱动力γ→α转变，只有在T＜T0时才能够进行，即过冷。（问题，α→γ相变在何条件下方可进行？）GT℃T0GαGγGγ→α0Gγ→α0αγ∵Gγ→α=Gα-Gγ＜0过热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、相变势垒要使γ向α转变能够进行还必须越过△g的势垒因此相变条件：△G＜0克服△g的势垒（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Ⅰ状态ⅡΔgγαGγ→α——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,CUMTVSGVGv2.3金属固态相变的形核一、均匀形核23*)(316vGG32334434rrGrv23*316vGG2*VGr2*VGr金属结晶均匀形核＞＞)exp(*RTQGCN形核自由能变化临界晶核半径：临界形核功形核率假设晶核为球形自由能差界面能应变能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二、非均匀形核dvGVSGVG①界面形核②位错形核③空位形核缺陷提供的相变驱动力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.晶界形核晶界类型：界面、界棱、界隅晶界形核时的能量变化提供的能量：需要的形核功：界隅形核的最容易，但界隅占的体积分数最小，数量最多的界面形核的贡献最大。二、非均匀形核Ⅳ界面界棱界隅界隅界棱界面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,CUMT返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT2.位错形核位错促进形核。位错线上形核，位错线消失释放能量，降低形核功。位错线不消失，成为半共格界面中的位错部分，降低形核功。溶质原子在位错上偏聚，满足新相形核的成分起伏。扩散的短路通道，↘Q，加速形核。二、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,CUMT3.空位及空位集团形核空位及空位集团促进形核。释放能量提供成核驱动力凝聚成位错加速扩散过程（空位机制）二、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,CUMT2.4金属固态相变的晶核长大一、长大机制新相晶核的长大，实质是界面向母相方向的迁移。成分变化结构变化——扩散——界面过程γαα/γ——界面附近原子调整位置，使晶核得以长大的过程。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT1、半共格界面的迁移(1)均匀切变特点：大量的原子有规律地沿某一方向作小于一个原子间距的迁移，迁移后原子保持原有的相邻关系不变。是无扩散型相变。右下图为马氏体转变的表面倾动。一、长大机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（2）台阶机制（相界面上位错的滑动）特点：通过半共格界面上的界面位错的运动，使界面作法线方向迁移，从而实现晶核的长大。1、半共格界面的迁移一、长大机制返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT2.4金属固态相变的晶核长大一、长大机制2、非共格界面的迁移：通过界面扩散进行紊乱排列台阶状结构返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT2.4金属固态相变的晶核长大二、长大速度（扩散型）1、无成分变化时：)e