固態(tài)相變基礎(chǔ)-1

1、 金屬熱處理原理與工藝金屬熱處理原理與工藝材料性能：材料性能：使用性能、工藝性能使用性能、工藝性能決定性能：決定性能：成分、組織、結(jié)構(gòu)成分、組織、結(jié)構(gòu)熱處理：熱處理：固相下加熱固相下加熱(包括保溫包括保溫)、冷卻，不改變、冷卻，不改變(改改 變變)成分，改變組織、結(jié)構(gòu)，從而改變性能成分，改變組織、結(jié)構(gòu)，從而改變性能熱處理原理：熱處理原理：熱處理工藝：熱處理工藝：熱處理的重要意義：熱處理的重要意義：課程內(nèi)容：課程內(nèi)容：學(xué)習(xí)：學(xué)習(xí)：理解概念，理論、實(shí)際結(jié)合理解概念，理論、實(shí)際結(jié)合溫度時(shí)間保溫冷卻加熱第一編第一編 熱處理原理熱處理原理第一章第一章 金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)固態(tài)相變固態(tài)相變：固

2、態(tài)金屬加熱、冷卻中發(fā)生的各種相轉(zhuǎn)變：固態(tài)金屬加熱、冷卻中發(fā)生的各種相轉(zhuǎn)變金屬熱處理金屬熱處理：固態(tài)金屬通過(guò)特定的加熱和冷卻，使之發(fā)生相、：固態(tài)金屬通過(guò)特定的加熱和冷卻，使之發(fā)生相、 組織轉(zhuǎn)變，獲得所需組織性能的一種工藝過(guò)程組織轉(zhuǎn)變，獲得所需組織性能的一種工藝過(guò)程兩者關(guān)系兩者關(guān)系：金屬固態(tài)相變是金屬熱處理的理論基礎(chǔ)。：金屬固態(tài)相變是金屬熱處理的理論基礎(chǔ)。第一節(jié)第一節(jié) 金屬固態(tài)相變的主要類(lèi)型金屬固態(tài)相變的主要類(lèi)型原子運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：擴(kuò)散型相變和非擴(kuò)散型相變?cè)舆\(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：擴(kuò)散型相變和非擴(kuò)散型相變平平 衡衡 狀狀 態(tài)：平衡相變和非平衡相變態(tài)：平衡相變和非平衡相變熱熱 力力 學(xué)：一級(jí)相變和二級(jí)相變學(xué)：一級(jí)相變

3、和二級(jí)相變 一、按相變過(guò)程中原子的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)分類(lèi)一、按相變過(guò)程中原子的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)分類(lèi)1. 擴(kuò)散型相變擴(kuò)散型相變：相變借助原子熱激活運(yùn)動(dòng)進(jìn)行，原子運(yùn)動(dòng)大于原子間距。 長(zhǎng)程擴(kuò)散： 短程擴(kuò)散：脫溶分解脫溶分解：由過(guò)飽和固溶體中析出新相的過(guò)程，( + ) 共析轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變：冷卻時(shí)一個(gè)固相()分解為結(jié)構(gòu)不同的兩個(gè)新相和混合物的相 變， ( + ) 鋼在冷卻時(shí)由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w(鐵素體與滲碳體的混合物) 即屬于共析轉(zhuǎn)變。+ LBA+ BA有序化轉(zhuǎn)變有序化轉(zhuǎn)變：是指固溶體組元原子從無(wú)序排列到有序排列的轉(zhuǎn)變過(guò)程， (無(wú)序)(有序) 塊狀轉(zhuǎn)變：塊狀轉(zhuǎn)變：新相的成分與母相一樣，但晶體結(jié)構(gòu)不同。例如，純鐵或低碳鋼在一

4、定的冷卻速度下相可以轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之具有相同成分而形貌 呈塊狀的相。新相的長(zhǎng)大是通過(guò)原子的短程擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)的。 純鐵、銅鋅等合金中發(fā)生塊狀轉(zhuǎn)變。 多形性轉(zhuǎn)變：純金屬中晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn) 變，如純鐵中轉(zhuǎn)變。這種 轉(zhuǎn)變本身在生產(chǎn)上沒(méi)有多少實(shí)際意 義，但以此轉(zhuǎn)變?yōu)榛A(chǔ)的Fe的固 溶體發(fā)生的固態(tài)相變是鋼的熱處理 的基礎(chǔ)。調(diào)幅分解：某些合金在高溫下具有均 勻單相固溶體，但冷卻到某一溫度 范圍時(shí)可分解成為與原固溶體結(jié)構(gòu) 相同但成分不同的兩個(gè)微區(qū) 如1+2 特點(diǎn)：在轉(zhuǎn)變初期形成的兩個(gè)微區(qū) 之間并無(wú)明顯界面和成分突 變，但通過(guò)擴(kuò)散，最終使原 來(lái)的單相固溶體分解成兩個(gè) 共格相。 非擴(kuò)散型相變非擴(kuò)散型相變：相變不需原子擴(kuò)散，原

5、子的運(yùn)動(dòng)不超過(guò)一個(gè)原子間距。：相變不需原子擴(kuò)散，原子的運(yùn)動(dòng)不超過(guò)一個(gè)原子間距。 非擴(kuò)散型相變是在足夠快的冷卻速度下非擴(kuò)散型相變是在足夠快的冷卻速度下(即淬火即淬火)由于原子沒(méi)有時(shí)間進(jìn)由于原子沒(méi)有時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散型相變引起的。鋼淬火，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物稱(chēng)為行擴(kuò)散型相變引起的。鋼淬火，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物稱(chēng)為馬氏體馬氏體，這種非擴(kuò)散型相變，這種非擴(kuò)散型相變則稱(chēng)為則稱(chēng)為馬氏體轉(zhuǎn)變馬氏體轉(zhuǎn)變。 許多有色金屬，如許多有色金屬，如Ti-Ni、Cu-Zn-Si、Cu-Zn、Cu-Mn、Ni-Mn-Ga等等合金系，也發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變合金系，也發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變半擴(kuò)散型相變半擴(kuò)散型相變:貝氏體轉(zhuǎn)變：貝氏體轉(zhuǎn)變：鋼中還有一種介于馬氏體轉(zhuǎn)變和珠光

6、體轉(zhuǎn)變之間的轉(zhuǎn)變。此鋼中還有一種介于馬氏體轉(zhuǎn)變和珠光體轉(zhuǎn)變之間的轉(zhuǎn)變。此 時(shí)鐵原子擴(kuò)散已經(jīng)極其困難，但碳原子還能擴(kuò)散，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也是時(shí)鐵原子擴(kuò)散已經(jīng)極其困難，但碳原子還能擴(kuò)散，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也是 相和碳化物的混合物，稱(chēng)為貝氏體，但形態(tài)和分布與珠光體不同。有相和碳化物的混合物，稱(chēng)為貝氏體，但形態(tài)和分布與珠光體不同。有 優(yōu)異的強(qiáng)度和突出的韌性。優(yōu)異的強(qiáng)度和突出的韌性。二、按平衡狀態(tài)分類(lèi)二、按平衡狀態(tài)分類(lèi)平衡相變平衡相變：緩慢加熱、冷卻，獲得符合平衡狀態(tài)圖的平衡組織，多形性轉(zhuǎn)變、 平衡脫溶轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變、有序化轉(zhuǎn)變等。非平衡相變非平衡相變：加熱或冷卻很快，平衡相變被抑制，發(fā)生某些平衡狀態(tài)圖上 不能反映的

7、轉(zhuǎn)變并獲得不平衡或亞穩(wěn)態(tài)的組織，馬氏體轉(zhuǎn)變、 貝氏體轉(zhuǎn)變、非平衡脫溶沉淀，偽共析轉(zhuǎn)變屬于非平衡相變。 就熱處理工藝而言，非平衡相變具有更為重要的意義。 ，三、按熱力學(xué)分類(lèi)三、按熱力學(xué)分類(lèi) 根據(jù)相變前后熱力學(xué)函數(shù)的變化，可將固態(tài)相變分為一級(jí)相變和二級(jí)相變一級(jí)相變一級(jí)相變 相變時(shí)新舊兩相的化學(xué)勢(shì)相等，但一級(jí)偏微商不等的相變稱(chēng)設(shè)代表舊相，代表新相，為化學(xué)勢(shì)、T為溫度、P為壓力，則有 已知 所以SS，VV。 因此，在一級(jí)相變時(shí)，熵S和體積V將發(fā)生不連續(xù)變化，即一一級(jí)相變有相變潛熱和體積改變級(jí)相變有相變潛熱和體積改變。材料的凝固、熔化、升華以及同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變等均屬于一級(jí)相變。幾乎所有伴隨晶體結(jié)構(gòu)變化的金屬

8、固態(tài)相變都是一級(jí)相變。VPTPPTTTTPPSTP-VPT2，二級(jí)相變，二級(jí)相變 相變時(shí)新舊兩相的化學(xué)勢(shì)相等，其一級(jí)偏微商也相等，即SS，VV，但二級(jí)偏微商不等， 說(shuō)明在二級(jí)相變時(shí)，無(wú)相變潛熱和體積改變，但比熱、壓縮系數(shù)和膨脹系數(shù)有突變。 材料的部分有序化轉(zhuǎn)變、磁性轉(zhuǎn)變以及超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變均屬于二級(jí)相變。PPTT2222TTPP2222PTPT22第二節(jié)第二節(jié) 金屬固態(tài)相變的基本特征金屬固態(tài)相變的基本特征 與液態(tài)金屬結(jié)晶一樣，其與液態(tài)金屬結(jié)晶一樣，其相變驅(qū)動(dòng)力相變驅(qū)動(dòng)力也來(lái)自新相與母相的自由能差，也也來(lái)自新相與母相的自由能差，也通過(guò)通過(guò)形核與長(zhǎng)大過(guò)程形核與長(zhǎng)大過(guò)程來(lái)完成。但因相變前后均為固態(tài)，故有以

9、下幾個(gè)特點(diǎn)。來(lái)完成。但因相變前后均為固態(tài)，故有以下幾個(gè)特點(diǎn)。一、界面和界面能一、界面和界面能固固/固相界面可按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為：固相界面可按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為：共格界面共格界面：界面兩側(cè)的兩個(gè)相的原子能一一對(duì)應(yīng)，相互保持匹配。：界面兩側(cè)的兩個(gè)相的原子能一一對(duì)應(yīng)，相互保持匹配。半共格界面：半共格界面：由于界面兩側(cè)的原子間距不同，界面上只有部分原子能夠依由于界面兩側(cè)的原子間距不同，界面上只有部分原子能夠依 靠彈性畸變保持匹配，在不能匹配的位置將形成刃型位錯(cuò)?？繌椥曰儽３制ヅ?，在不能匹配的位置將形成刃型位錯(cuò)。非共格界面：非共格界面：兩相的原子間距差別太大，在界面上兩側(cè)原子不能保持匹兩相的原子間距差別太大，在

10、界面上兩側(cè)原子不能保持匹 配。配。界面能：界面能：界面上原子排列的不規(guī)則性將導(dǎo)致界面能的升高，因此非共格界界面上原子排列的不規(guī)則性將導(dǎo)致界面能的升高，因此非共格界 面能最高，半共格界面次之，共格界面能最低。面能最高，半共格界面次之，共格界面能最低。圖圖1-2 固態(tài)相變界面結(jié)構(gòu)示意圖固態(tài)相變界面結(jié)構(gòu)示意圖 （a）共格界面）共格界面 （b）半共格界面）半共格界面 （c）非共格界面）非共格界面界面能的意義界面能的意義 界面能的大小對(duì)新相的形核、長(zhǎng)大以及轉(zhuǎn)變后的組織形態(tài)有很大影響。 若新相具有和母相相同的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和近似的點(diǎn)陣常數(shù)，則新相可以與母相形成低能量的共格界面。此時(shí)，新相將成針狀，以保持共格界面

11、，使界面能保持最低。 如新相與母相的晶體結(jié)構(gòu)不同，這時(shí)新相與母相之間可能存在一個(gè)共格或半共格界面，其它面則是高能的非共格界面。為了降低能量，新相的形態(tài)將是一個(gè)圓盤(pán)。圓盤(pán)面為共格界面，而圓盤(pán)的邊為非共格界面 非共格新相，所有的界面都是高能界面，大致為球形，但也不排除由于不同方向界面能差異而形成多面體。二、慣習(xí)面和新、舊兩相間的位向關(guān)系二、慣習(xí)面和新、舊兩相間的位向關(guān)系慣習(xí)面：慣習(xí)面：針狀新相的長(zhǎng)軸或片狀新相的主平面常平行于母相的某一晶針狀新相的長(zhǎng)軸或片狀新相的主平面常平行于母相的某一晶 面，或者說(shuō)新相在母相一定晶面族上形成，面，或者說(shuō)新相在母相一定晶面族上形成，用母相的晶面指數(shù)表用母相的晶面指數(shù)

12、表 示示。如高碳鋼中透鏡馬氏體的主平面與奧氏體的。如高碳鋼中透鏡馬氏體的主平面與奧氏體的225 或或259 平行。平行。原因：原因：減小兩相的界面能減小兩相的界面能對(duì)組織影響對(duì)組織影響：由于一個(gè)晶面族包括若干在空間互成一定角度的晶面，故沿慣：由于一個(gè)晶面族包括若干在空間互成一定角度的晶面，故沿慣 習(xí)面形成的針狀及片狀新相將成一定角度或相互平行。習(xí)面形成的針狀及片狀新相將成一定角度或相互平行。 位相關(guān)系：位相關(guān)系：慣習(xí)面存在表明新相與母相存在一定晶體學(xué)位向關(guān)系。因?yàn)閮上鄳T習(xí)面存在表明新相與母相存在一定晶體學(xué)位向關(guān)系。因?yàn)閮上?的晶體各自相對(duì)于慣習(xí)面的位向關(guān)系是確定的，彼此間位向關(guān)系確定：的晶體各

13、自相對(duì)于慣習(xí)面的位向關(guān)系是確定的，彼此間位向關(guān)系確定： 兩相的某些低指數(shù)晶向和某些低指數(shù)晶面相互平行。例如，低碳鋼發(fā)生兩相的某些低指數(shù)晶向和某些低指數(shù)晶面相互平行。例如，低碳鋼發(fā)生 馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，馬氏體總是在奧氏體的馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，馬氏體總是在奧氏體的111 上形成，上形成， 110 / 111 ； / 新相與母相間為共格或半共格界面時(shí)新相與母相間為共格或半共格界面時(shí)，兩相間必然存在一定的晶體學(xué)位向關(guān)系；，兩相間必然存在一定的晶體學(xué)位向關(guān)系；兩相間無(wú)一定的位向關(guān)系兩相間無(wú)一定的位向關(guān)系，則其界面必定為非共格的。，則其界面必定為非共格的。存在晶體學(xué)位向關(guān)系存在晶體學(xué)位向關(guān)系，未必具有共格或半共格界

14、面，因?yàn)樾孪嘣陂L(zhǎng)大過(guò)程中，其界，未必具有共格或半共格界面，因?yàn)樾孪嘣陂L(zhǎng)大過(guò)程中，其界面的共格性已被破壞。面的共格性已被破壞。三、彈性應(yīng)變能三、彈性應(yīng)變能彈性應(yīng)變能：彈性應(yīng)變能：新相與母相間存在點(diǎn)陣錯(cuò)配和體積錯(cuò)配時(shí)引起的應(yīng)變能點(diǎn)陣錯(cuò)配：點(diǎn)陣錯(cuò)配：兩相在界面上原子間距不同，在共格界面附近產(chǎn)生應(yīng)變能， 稱(chēng)為共格應(yīng)變能，共格界面最大，半共格界面次之，非共格 界面為零。體積錯(cuò)配體積錯(cuò)配：新相和母相的比體積不同，新相受到周?chē)赶嗟募s束以致不 能自由脹縮，產(chǎn)生比體積差應(yīng)變能。(a)、(b)： 新相與母相共 格，但點(diǎn)陣常 數(shù)不同，從而產(chǎn)生點(diǎn)陣錯(cuò)配(c)、(d)： 新相與母相非共格，而比體 積不同，產(chǎn)生體積錯(cuò)配

15、非共格界面條件下，比體積差應(yīng)變能與新相幾何形狀之間的關(guān)系： 新相呈球狀時(shí)應(yīng)變能最大，圓盤(pán)(片)狀最小，針(棒)狀居中。圖1-4 新相形狀與比容差應(yīng)變能(相對(duì)值)的關(guān)系 固態(tài)相變的阻力固態(tài)相變的阻力：界面能界面能和和彈性應(yīng)變能彈性應(yīng)變能 與結(jié)晶相比，與結(jié)晶相比，增加彈性應(yīng)變能增加彈性應(yīng)變能而變大而變大固態(tài)相變中究竟是固態(tài)相變中究竟是界面能為主？界面能為主？還是還是彈性應(yīng)變能為主彈性應(yīng)變能為主？過(guò)冷度大：過(guò)冷度大：新相臨界晶核尺寸很小，單位體積新相的界面積很大，則界面新相臨界晶核尺寸很小，單位體積新相的界面積很大，則界面 能起主導(dǎo)作用，兩相界面易取共格方式以降低界面能，因界面能的降能起主導(dǎo)作用，兩

16、相界面易取共格方式以降低界面能，因界面能的降 低可以超過(guò)共格應(yīng)變能的增加，總形核阻力降低。低可以超過(guò)共格應(yīng)變能的增加，總形核阻力降低。過(guò)冷度?。哼^(guò)冷度?。盒孪喑叽巛^大，界面能不起主要作用，易形成非共格界面。新相尺寸較大，界面能不起主要作用，易形成非共格界面。 兩者比體積差大：則彈性應(yīng)變能兩者比體積差大：則彈性應(yīng)變能(比體積差應(yīng)變能比體積差應(yīng)變能)起主導(dǎo)作用，新相起主導(dǎo)作用，新相 為圓盤(pán)為圓盤(pán)(片片)狀以降低彈性應(yīng)變能狀以降低彈性應(yīng)變能 兩相比體積差?。簭椥詰?yīng)變能作用不大，則形成球狀以降低界面能。兩相比體積差?。簭椥詰?yīng)變能作用不大，則形成球狀以降低界面能。四、晶體缺陷四、晶體缺陷固態(tài)金屬中存在各

17、種晶體缺陷固態(tài)金屬中存在各種晶體缺陷：如位錯(cuò)、空位、晶界或亞晶界。：如位錯(cuò)、空位、晶界或亞晶界。新相晶核優(yōu)先在晶體缺陷處形成：新相晶核優(yōu)先在晶體缺陷處形成： 因?yàn)榫w缺陷是能量起伏、結(jié)構(gòu)起伏和成分起伏最大的區(qū)域。因?yàn)榫w缺陷是能量起伏、結(jié)構(gòu)起伏和成分起伏最大的區(qū)域。 缺陷處形核，原子擴(kuò)散激活能低，擴(kuò)散速度快，相變應(yīng)力易松弛。缺陷處形核，原子擴(kuò)散激活能低，擴(kuò)散速度快，相變應(yīng)力易松弛。五、形成過(guò)渡相五、形成過(guò)渡相第三節(jié)第三節(jié) 固態(tài)相變中的形核固態(tài)相變中的形核 絕大多數(shù)相變通過(guò)絕大多數(shù)相變通過(guò)形核和長(zhǎng)大過(guò)程形核和長(zhǎng)大過(guò)程。形核：形核：過(guò)程往往是先在母相中某些微小區(qū)域內(nèi)形成新相的結(jié)構(gòu)和成過(guò)程往往是先在

18、母相中某些微小區(qū)域內(nèi)形成新相的結(jié)構(gòu)和成 分，成為核胚；若核坯尺寸超過(guò)一定值，便能穩(wěn)定存在并自發(fā)分，成為核胚；若核坯尺寸超過(guò)一定值，便能穩(wěn)定存在并自發(fā) 長(zhǎng)大，成為新相的晶核。長(zhǎng)大，成為新相的晶核。均均 勻勻 形核：形核：晶核在母相中無(wú)擇優(yōu)地任意均勻分布晶核在母相中無(wú)擇優(yōu)地任意均勻分布非均勻形核：非均勻形核：晶核在母相的某些區(qū)域不均勻分布晶核在母相的某些區(qū)域不均勻分布一、均勻形核一、均勻形核均勻形核的驅(qū)動(dòng)力均勻形核的驅(qū)動(dòng)力為兩相自由能差，為兩相自由能差，阻力阻力包括界面能和彈性應(yīng)變能包括界面能和彈性應(yīng)變能系統(tǒng)自由能總變化系統(tǒng)自由能總變化 G = -V GV + S + V GsV：新相體積，：新相

19、體積， GV ：新相與母相的單位體積自由能差；：新相與母相的單位體積自由能差；S：新相表面積；：新相表面積； ：新相與母相之間單位面積界面能；：新相與母相之間單位面積界面能； Gs：新相單位體積彈性應(yīng)變能。：新相單位體積彈性應(yīng)變能。設(shè)界面能各向同性，且晶核是球形，半徑為r： G有極大值存在，此時(shí)的核坯半徑稱(chēng)為臨界晶核半徑r*，對(duì)應(yīng)的自由能稱(chēng)為晶核的形核功G*。只有核坯的半徑大于r*時(shí)，體系自由能才能隨晶核的長(zhǎng)大而降低，因此可以進(jìn)一步長(zhǎng)大，稱(chēng)為晶核。 令d(G)/dr=0，則可求得新相的臨界晶核半徑r*、臨界晶核的形核功G*234)(34rGGrGsVsvGGr2*23)(316*sVGGGGS

20、r2 -V(GV-GS)r3G*r-VGVr3G固態(tài)相變?cè)黾訌椥詰?yīng)變能，相變阻力增加， 臨界晶核直徑和形核功增大，固態(tài)相變中形核比液固相變困難。 臨界晶核半徑和形核功都是自由能差GV的函數(shù)，也將隨過(guò)冷度（過(guò)熱度）而變化。 隨過(guò)冷度（過(guò)熱度）增大，臨界晶核半徑和形核功都減小，即相變?nèi)菀装l(fā)生。 由于固態(tài)相變中存在彈性應(yīng)變能Gs，因此只有當(dāng)GVGs時(shí)相變才能發(fā)生，亦即過(guò)冷度（過(guò)熱度）必須大于一定值，固態(tài)相變才能發(fā)生，這是與液固相變的一個(gè)根本區(qū)別。 此外，當(dāng)界面能和彈性應(yīng)變能Gs增大時(shí)，臨界晶核半徑r*增大，形核功G*增高，形核困難。)kT*G(exp)kTG(expcm0均勻N臨界尺寸晶核的濃度c*

21、 )*exp(*kTGccok：Boltzmann常數(shù)，T：絕對(duì)溫度 Gm：每個(gè)原子的遷移激活能 f=exp ( -Gm /kT ) 均勻形核時(shí)的形核率均勻形核時(shí)的形核率 ：包括原子振動(dòng)頻率與臨界晶核面積的因子C0：?jiǎn)挝惑w積的原子數(shù)，每個(gè)臨界晶核的成核速率f 隨著溫度的下降，代表晶核潛在密度的exp(-G*/kT)升高很快； 而原子遷移激活能Gm幾乎不隨溫度變化， 所以exp(-Gm/kT)隨溫度降低而減小。N均勻隨溫度下降先增加后降低，在某一溫度呈現(xiàn)極大值。溫度對(duì)形核率的影響溫度對(duì)形核率的影響 二、非均勻形核：固相中的形核幾乎總是非均勻的 各種缺陷如空位、位錯(cuò)、晶界、層錯(cuò)、夾雜物和自由表面等

22、都能提高材料的自由能，如果晶核的形成能使缺陷消失，就會(huì)釋放出一定的自由能(Gd)，與GV一樣，成為轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力，各種缺陷成為合適的形核位置。 形核方程為：G = -V GV + S + V Gs - Gd 晶界形核如果基體和晶核相互適應(yīng)以形成低能量界面，那么形核功可以進(jìn)一步減少。如圖1-9所示，晶核與其中的一個(gè)晶粒有某種位向關(guān)系，形成共格或半共格晶界，這在固態(tài)相變中是極常見(jiàn)的現(xiàn)象。其它面缺陷，如夾雜基體界面、堆垛層錯(cuò)和自由表面同樣可以減小形核功。位錯(cuò)形核 能量：提供畸變能，降低形核功；位錯(cuò)線(xiàn)保留補(bǔ)償錯(cuò)配，降低總應(yīng)變能，減小G*成分：位錯(cuò)線(xiàn)上溶質(zhì)原子偏聚，成分接近于新相；擴(kuò)散通道，有利核坯生長(zhǎng)在

23、fcc晶體中：堆垛層錯(cuò)能作為一個(gè)hcp析出物的潛在形核位置空位形核 空位提高擴(kuò)散速度、消除錯(cuò)配應(yīng)變能，促進(jìn)形核；空位聚集成位錯(cuò)也促進(jìn)形核形核有利位置順序：均勻形核空位位錯(cuò)堆垛層錯(cuò)晶界或相界自由表面 第四節(jié)第四節(jié) 固態(tài)相變中新相的長(zhǎng)大固態(tài)相變中新相的長(zhǎng)大一、新相長(zhǎng)大機(jī)理 相界面向母相方向的遷移 從相變角度看，界面分為滑動(dòng)型界面和非滑動(dòng)型界面類(lèi)別協(xié)同型非協(xié)同型溫度變化的影響非熱激活熱激活界面類(lèi)型滑動(dòng)型(共格或半共格)非滑動(dòng)型(共格、半共格、非共格)母相與新相的成分成分相同成分相同成分不同擴(kuò)散過(guò)程無(wú)擴(kuò)散短程擴(kuò)散(越過(guò)界面)長(zhǎng)程擴(kuò)散(通過(guò)母相點(diǎn)陣)界面或擴(kuò)散控制界面控制界面控制主要是界面控制主要是擴(kuò)散

24、控制混合控制例子馬氏體轉(zhuǎn)變、孿生塊狀轉(zhuǎn)變、有序化、多形性轉(zhuǎn)變、再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大脫溶、溶解、貝氏體轉(zhuǎn)變脫溶、溶解脫溶、溶解、共析分解、胞狀脫溶 第四節(jié)第四節(jié) 固態(tài)相變中新相的長(zhǎng)大固態(tài)相變中新相的長(zhǎng)大滑動(dòng)型界面：共格或半共格界面，靠位錯(cuò)滑動(dòng)遷移，母相通過(guò)點(diǎn)陣切變 完成相變。非熱激活遷移 馬氏體轉(zhuǎn)變：半共格界面上母相一側(cè)的原子切變。大量原 子有規(guī)則地沿某一方向作小于一個(gè)原子間距的遷移，原子相 鄰關(guān)系不變：協(xié)同型長(zhǎng)大。原子遷移距離都小于原子間距，非 擴(kuò)散型相變馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的切變及引起的表面傾動(dòng)非滑動(dòng)型界面：非滑動(dòng)型界面： 單個(gè)原子隨機(jī)地跳躍過(guò)界面，熱激活長(zhǎng)大、擴(kuò)散型長(zhǎng)大、非協(xié)同型長(zhǎng)大擴(kuò)散型長(zhǎng)大時(shí)新相與

25、母相的成分：擴(kuò)散型長(zhǎng)大時(shí)新相與母相的成分： 成分相同：同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、塊狀轉(zhuǎn)變等，界面附近原子短程擴(kuò)散； 成分不同：共析轉(zhuǎn)變、脫溶轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變等，新相的長(zhǎng)大依賴(lài)溶質(zhì)原子在母相點(diǎn)陣中長(zhǎng)程擴(kuò)散。貝氏體轉(zhuǎn)變：貝氏體轉(zhuǎn)變：是熱激活長(zhǎng)大，但具有類(lèi)似滑動(dòng)界面遷移所產(chǎn)生的形狀改變共格或半共格界面：遷移率很低，連續(xù)長(zhǎng)大困難為實(shí)現(xiàn)共格或半共格界面的法向長(zhǎng)大，用臺(tái)階生長(zhǎng)的機(jī)制來(lái)說(shuō)明。強(qiáng)調(diào)：這里雖以非協(xié)同型相變來(lái)討論，臺(tái)階生長(zhǎng) 機(jī)制也適合于協(xié)同型相變。非協(xié)同型長(zhǎng)大，共格界面與非共格界面遷移率存在明顯差異非協(xié)同型長(zhǎng)大，共格界面與非共格界面遷移率存在明顯差異 非共格界面：遷移率較高，松散、原子跳越容易因此可以設(shè)想，在

26、沒(méi)有彈性應(yīng)變能的影響時(shí)，為使總的界面能最小，臨界晶核由共格或半共格面和非共格界面聯(lián)合為界，由于非共格界面易遷移，共格或半共格界面難于移動(dòng)，晶核應(yīng)當(dāng)長(zhǎng)大成薄的片或盤(pán)狀。二、新相的長(zhǎng)大速度二、新相的長(zhǎng)大速度非擴(kuò)散型相變非擴(kuò)散型相變：通過(guò)點(diǎn)陣切變進(jìn)行，無(wú)需原子擴(kuò)散，新相長(zhǎng)大速度很高擴(kuò)散型相變：擴(kuò)散型相變：界面遷移借助于原子擴(kuò)散，新相長(zhǎng)大速度較低1. 成分不變的擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變長(zhǎng)大 ：受界面過(guò)程控制 塊狀轉(zhuǎn)變、多形性轉(zhuǎn)變、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大等。 長(zhǎng)大時(shí)沒(méi)有成分的變化，只需原子在界面附近作短程擴(kuò)散， 令母相為，新相為，原子的振動(dòng)頻率為，原子由相進(jìn)入相激活能為Gm，兩相自由能差為G。 單原子層厚度為，界面遷移速度

27、kTGmkTGV v = exp (- ) 1-exp(- )過(guò)冷度很小時(shí)，G很小 kTGkTGvmVexp兩相自由能差是過(guò)冷度或溫度的函數(shù)，長(zhǎng)大速度隨溫度降低而增大過(guò)冷度很大時(shí)，G kT，exp(-G/kT)忽略不計(jì)，長(zhǎng)大速度kTGvmexp長(zhǎng)大速度主要取決于原子的擴(kuò)散，隨溫度下降呈指數(shù)下降?？梢?jiàn)：隨溫度降低，新相長(zhǎng)大速度先增后減，兩頭小中間大。 2. 有成分變化的擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變長(zhǎng)大有成分變化的擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變長(zhǎng)大 新相與母相的成分不同時(shí)，隨新相的形核和長(zhǎng)大，在新相附近將產(chǎn)生一個(gè)溶質(zhì)原子的富集或貧化區(qū)，從而在母相中產(chǎn)生一個(gè)濃度梯度。在濃度梯度的作用下，溶質(zhì)原子在母相中發(fā)生擴(kuò)散，從而使界面不斷向母相移動(dòng)

28、。新相生長(zhǎng)過(guò)程中，溶質(zhì)原子的濃度分布、原子擴(kuò)散及界面移動(dòng)界面移動(dòng)速度界面移動(dòng)速度(即新相長(zhǎng)大速度)，取決于界面結(jié)構(gòu)非共格界面非共格界面：遷移率大，移動(dòng)速度受溶質(zhì)原子在母相中擴(kuò)散速度控制稱(chēng)擴(kuò)散 控制型共格或半共格界面：共格或半共格界面：遷移率很低，界面移動(dòng)速度將主要受界面遷移控制，而 不是溶質(zhì)原子的擴(kuò)散，稱(chēng)為界面控制型混合控制型：混合控制型：介于兩者之間，如上圖。(1) 擴(kuò)散控制型長(zhǎng)大：擴(kuò)散控制型長(zhǎng)大： 無(wú)窮大片狀新相增厚(一維) ，界面推進(jìn)速度v RxdxdcccDdtdxvtDccccccdtdRvo)(01). R (Dt)1/2，即析出物厚度或直徑的增加服從拋物線(xiàn)長(zhǎng)大規(guī)律2). v (C

29、0 - C )，即長(zhǎng)大速度正比于過(guò)飽和度3). v (D/t)1/2，即長(zhǎng)大速度隨時(shí)間延長(zhǎng)而減小合金成分和溫度對(duì)長(zhǎng)大速度的影響合金成分和溫度對(duì)長(zhǎng)大速度的影響:低過(guò)冷度：溫度高擴(kuò)散快，但過(guò)飽和度低，長(zhǎng)大速度慢過(guò)冷度大：過(guò)飽和度大，但溫度低擴(kuò)散慢，長(zhǎng)大速度慢 最大的長(zhǎng)大速度出現(xiàn)在中間溫區(qū) 如果原始成分在虛線(xiàn)處，則其長(zhǎng)大速度如右圖中虛線(xiàn)，由于溫度低擴(kuò)散慢以及過(guò)冷度小，長(zhǎng)大速度較小。 溫度和成分對(duì)長(zhǎng)大速度的影響擴(kuò)散控制型長(zhǎng)大：擴(kuò)散控制型長(zhǎng)大：片狀(或針狀?)新相厚度保持不變，徑向？生長(zhǎng) 生長(zhǎng)前沿只占界面的一小部分隨新相前伸，生長(zhǎng)前沿不斷進(jìn)入新的母相區(qū)域在穩(wěn)定情況下包圍生長(zhǎng)前沿的溶質(zhì)原子貧化區(qū)，不因新相

30、長(zhǎng)大而變大長(zhǎng)大速度保持恒定(2) 界面控制型長(zhǎng)大界面控制型長(zhǎng)大 新舊相界面為共格或半共格界面，界面的法向移動(dòng)依靠臺(tái)階的橫向運(yùn)動(dòng)與非擴(kuò)散型相變不同，這里臺(tái)階的移動(dòng)需要溶質(zhì)原子的長(zhǎng)距離擴(kuò)散。這種臺(tái)階長(zhǎng)大類(lèi)似于片狀新相的端面？長(zhǎng)大。等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)圖：TTT圖(曲線(xiàn)) Temperature-Time-Transformation Curve等溫轉(zhuǎn)變過(guò)程中轉(zhuǎn)變分?jǐn)?shù)f與時(shí)間t、溫度T的函數(shù)關(guān)系的圖示轉(zhuǎn)變分?jǐn)?shù)f( t, T )：新相的體積分?jǐn)?shù)，轉(zhuǎn)變開(kāi)始時(shí)f為0，轉(zhuǎn)變終了時(shí)f為1，擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變典型特征：TTT曲線(xiàn)C型孕育期：隨著轉(zhuǎn)變溫度由高到低，孕育期先縮短，轉(zhuǎn)變加速；隨后孕育期又延長(zhǎng)，轉(zhuǎn)變減慢。 中間溫度范圍得到最快轉(zhuǎn)變速度。解釋?zhuān)哼^(guò)冷度與形核率、長(zhǎng)大速度的關(guān)系：過(guò)冷度?。恨D(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力很小，形核和長(zhǎng) 大速度都很慢，轉(zhuǎn)變需要很長(zhǎng)時(shí)間過(guò)冷度大：原子擴(kuò)散速度慢，限制了轉(zhuǎn)變 速度第五節(jié)第五節(jié) 綜合轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)綜合轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)-TTT圖圖轉(zhuǎn)變后期，新相的總量將逐步趨于平衡。轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中存在