0-固态相变-概论(研究生)

1固态相变潘清林Phasetransformationsinmetalsandalloys2§1概论物质三态的相互转变（V→L→S）固态金属和合金在条件（温度、应力等）改变时，组织结构会发生变化，即发生固态相变，从而使金属和合金的力学性能也发生改变。相变是自然界中普遍存在的现象。如：1、现象fcc-γ-Fe→bcc-α-Fe6063铝合金:αsss→α＋β（Mg2Si）32、基本概念：相、相变、固态相变相相是系统中均匀的、与其他部分有界面分开的部分（均匀的：成分、性质、结构相同或者连续变化）4相的状态只有当某相的自由能最低时，该相才是稳定的，且处于平衡态；若某相的自由能并不处于最低，但是与最低自由能态之间有能垒相分隔，则该相处于亚稳态；若不存在这种能垒，则体系处于非稳定态，这种状态是不稳定的，它一定会转变为平衡态或亚稳态。5材料中有各种各样的相，如：纯组元—Cr、Na固溶体—α（Al）、α（Mg）化合物—Cu3Au、Al3Sc绝大多数的材料是多相。相的种类、大小、形状和分布的总和构成组织材料的组织是决定其性能的重要因素之一6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。或在均匀的一相或几个混合相内，出现具有不同成分、或不同结构、或不同组织形态、或不同性质的相，称为相变。一般地，相变过程包括：（1）晶体结构的变化（包括原子、离子或电子位置和位向的变化）（2）化学成分的变化（3）某些物质性质的变化（如有序度、电子结构、原子的配位变化）7固态相变金属或陶瓷等固态材料在温度和/或压力改变时，其内部组织或结构会发生变化，即发生从一种相状态到另一种相状态的改变。8固态相变是金属学和金属物理的研究领域之一。本课程研究金属及合金在经受各种加工（T、P），尤其是热处理时，相变的种类、发生条件、进行速度、转变机制及产物等。3、相变的主要内容“三学”：热力学——相变为什么发生？朝什么方向发生？（方向：朝着能量最低的方向进行）动力学——相变是如何进行的？它的途径和速度如何？（途径：选择阻力最小、速度最快的途径进行）晶体学——相变产物的结构转变有何特征？（结果：可以有不同的形态，获得不同的相，其中只有最适合结构环境的新相才易于生存下来）9本课程的具体内容固态相变概论固态相变的基本原理（形核、长大、动力学）脱溶（调幅分解、钢的回火转变）珠光体相变马氏体相变贝氏体相变其它相变（有序化转变、块型相变）104、实际意义固态相变是金属材料热处理的基础。通过固态相变的热处理可改善材料的性能组织，强韧化材料，充分发挥材料的潜力。如：马氏体相变使钢淬火硬化（马氏体强化）过饱和固溶体的分解（时效强化、析出强化）反过来，固态相变理论的发展又推动了新材料和热处理实践的发展1132h(20h+12h)讲授与自学相结合参考书：研究生教材①陈景榕等编著，金属与合金中的固态相变，冶工版，1997②戚正风编，固态金属中的扩散与相变，机工版，1998③宫秀敏编著，相变理论基础及应用，武汉理工大学出版社，2004④程晓农等编著，材料固态相变与扩散，化工版，20065、学习方法与主要参考书12英文教材①PorterDA,EasterlingKE.Phasetransformationsinmetalsandalloys.AldenPress,Oxford,1981②ChristianJW.Thetheoryoftransformationsinmetalsandalloys.PergamnPress,Oxford,1975③RaoCNR,RaoKJ.Phasetransitionsinsolids.GreatBritain,1978④RWCahn等主编，刘治国译。材料科学与技术丛书：第5卷相变，科学出版社，199813典型专著①徐祖耀著，相变原理，科学出版社，2000②冯端著，金属物理学（第2卷，相变），科学出版社，1998③肖纪美编，合金相与相变，冶金工业出版社，2004④邓永瑞编著，固态相变，冶金工业出版社，1996⑤邓永瑞著，马氏体转变理论，科学出版社，1993⑥徐祖耀著，马氏体相变与马氏体，科学出版社，198014(1)同素异晶转变纯金属在一定的温度和压力下，由一种结构转变为另一种结构的现象称为同素异晶转变。若在固溶体中发生这种结构的转变，则称为多形性转变。如钢在冷却时由奥氏体中析出先共析铁素体的过程。§2固态相变的主要类型1平衡转变15(2)平衡脱溶转变高温过饱和固溶体缓慢冷却过程中析出第二相的过程特点：(a)新相的成分和结构始终与母相的不同；(b)母相不会消失。钢在冷却时，由奥氏体析出二次渗碳体的过程可发生脱溶转变的合金16（3）共析转变合金冷却时，由一个固相同时析出两个不同固相的过程称为共析转变钢中的珠光体相变17由一种高温固溶体冷至某一温度范围，分解为两种与原固溶体结构相同，而成分不同的微区的转变称为增幅分解。α→α1+α2特点：(a)新形成的微区之间无明显的界面和成分的突变；(b)通过上坡扩散，最终使均匀固溶体变为不均匀固溶体。（4）调幅分解（Spinodal分解）18固溶体中，各组元的相对位置从无序过渡到有序的过程，称为有序化转变。Cu-Zn、Au-Cu等合金中均可发生这种转变Cu3Au型：＜390℃，Au、Cu呈有序排列(5)有序化转变192不平衡转变接近共析点成分的合金，过冷到共析点以下发生共析转变的过程铁素体和渗碳体的相对量随奥氏体的含碳量而变，故称为伪共析体Fe-Fe3C相图的伪共析区(1)伪共析转变20钢在快冷时，若能避免其发生扩散型转变，则将无需原子的扩散，以一种切变共格的方式实现点阵的改组，而转变为马氏体(2)马氏体相变(3)贝氏体转变在珠光体转变与马氏体转变温度范围之间（中温），铁原子不能扩散，碳原子可以扩散过冷奥氏体转变为由铁素体和渗碳体组成的非层片状组织—贝氏体21(4)块型相变(5)不平衡脱溶转变在等温条件下，从过饱和固溶体中析出第二相的过程析出相为非平衡亚稳相在一定的冷速下，奥氏体转变为与母相成分相同而形貌呈块状的α相的过程通过原子的短程扩散使非共格相界面在母相中推移223特性转变（1）磁性转变物质由顺磁相转变为铁磁相的相变居里点：铁磁相转变温度，如铁素体为770℃产物：磁性材料（铁氧体、NdFeB等）（2）顺电—铁电转变（电子自旋状态）具有铁滞回线的晶体称为铁电体，如：KH2PO4(KDP)（3）正常态—超导态转变某些物质在某一临界温度（0K或大于0K）电阻突然变为0如：Y-Ba-Cu-O70KNb3Ge23.2K23金属固态相变的三种基本变化：（1）结构；（2）成分；（3）有序程度只有结构的变化：多形性转变，马氏体相变只有成分的变化：调幅分解既有结构又有成分上的变化：共析转变，脱溶沉淀24问题提出：1、分类？2、共同特性？25一级相变有热效应（相变潜热）与体积效应，从而可用热膨胀仪测量一级相变的开始点，金属固态相变一般为一级相变。0S0VPPTT21STPTTPP21VPT一级相变：由1相转变为2相时，G1=G2，μ1＝μ2，但化学位的一阶偏导数不等§3相变的分类1、按热力学分类：一级相变和二级相变26二级相变：由1相转变为2相时，不仅G1=G2，μ1＝μ2，且化学位的一阶偏导数相等，但化学位的二阶偏导数不等Cp--热容，β--压缩系数，α--膨胀系数PPTT222212TCTSTPPP220PCTTPP222212VPVVVPTT220PTPT2212VTVVVPTP2027TCTUPP22VPUT22TPVV1VPTU2PTVV128二级相变时没有熵和体积改变，只有热容、压缩系数和膨胀系数的改变。有序-无序转变、磁性转变、超导态转变属于二级相变29相图上一级相变与二级相变的区别302、按相变方式分类－Gibbs分类法形核-长大型：始于程度大而范围小的相起伏，已相变区与未相变区以相界面相分隔。钢中的相变，大多为形核-长大型相变。连续型（无核相变）：始于固溶体中的成分起伏，依靠上坡扩散使浓度差越来越大，如增幅分解(SpinodalDecomposition)313、按原子的迁移程度分类扩散型相变－相变依靠原子或离子的扩散来进行，如温度足够高，可以改变相的成分。如钢中的加热相变、珠光体相变等。无扩散型相变－相变过程中原子不发生扩散，低温下发生。原子或离子仅作有规则的迁移以使点阵发生改组，相对移动距离不超过原子间距。如马氏体相变。