固態(tài)相變概論

1、物理冶金學(xué)原理物理冶金學(xué)原理研究對(duì)象研究對(duì)象: :New MaterialsProcessing Innovations金屬固態(tài)相變概論金屬固態(tài)相變概論Introduction to Solid-State Phase Transformation of Metals相變及其對(duì)材料科學(xué)與工程的意義相變及其對(duì)材料科學(xué)與工程的意義相相 Phase相變相變 Phase Transformation or Transition 氣氣-固相變固相變（Condensation or Vapor Deposition） 液液-固相變固相變（Solidification） 固態(tài)相變固態(tài)相變（Solid-Sta

2、te Phase Transformation）一、固態(tài)相變及意義一、固態(tài)相變及意義控制材料組織結(jié)構(gòu)、提高挖掘材料控制材料組織結(jié)構(gòu)、提高挖掘材料性能的主要途徑性能的主要途徑加熱時(shí)的加熱時(shí)的及及固態(tài)相變固態(tài)相變冷卻時(shí)的冷卻時(shí)的及及相變相變固態(tài)相變亞穩(wěn)組織的進(jìn)一步固態(tài)相固態(tài)相變亞穩(wěn)組織的進(jìn)一步固態(tài)相變（過(guò)飽和固溶體的時(shí)效、馬氏體變（過(guò)飽和固溶體的時(shí)效、馬氏體的回火等）的回火等）Thermodynamically Stable StatesMetastable StatesRadical, Non-Equilibrium Processing of MaterialsControlled Secon

3、dary Processing for Required or Optimum Properties固態(tài)相變的分類固態(tài)相變的分類Classifications of Solid-State Phase Transformation 根據(jù)相變時(shí)熱力學(xué)函數(shù)的變化：根據(jù)相變時(shí)熱力學(xué)函數(shù)的變化：一級(jí)相變（一級(jí)相變（First Order Phase Transition）：）：相變時(shí)有體積變化及相變潛熱釋放的固態(tài)相變相變時(shí)有體積變化及相變潛熱釋放的固態(tài)相變 (物態(tài)變化及同素異構(gòu)物態(tài)變化及同素異構(gòu))二級(jí)相變（二級(jí)相變（Second Order Phase Transition） ：相變時(shí)無(wú)體積變化、無(wú)相

4、變潛熱，只有比熱、相變時(shí)無(wú)體積變化、無(wú)相變潛熱，只有比熱、膨脹系數(shù)、壓縮系數(shù)等的變化膨脹系數(shù)、壓縮系數(shù)等的變化 （磁性轉(zhuǎn)變、有序化、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變等）（磁性轉(zhuǎn)變、有序化、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變等）固態(tài)相變的分類固態(tài)相變的分類Classifications of Solid-State Phase Transformation 根據(jù)相變時(shí)有無(wú)原子擴(kuò)散：根據(jù)相變時(shí)有無(wú)原子擴(kuò)散：擴(kuò)散型相變（擴(kuò)散型相變（Diffusive Phase Transformation）非擴(kuò)散型相變非擴(kuò)散型相變(Diffusionless Phase Transformation or Martensite Transformation)固態(tài)

5、相變熱力學(xué)固態(tài)相變熱力學(xué)Thermodynamics of Solid-State Phase Transformation固態(tài)相變的特點(diǎn)固態(tài)相變的特點(diǎn)Characteristics of Solid-State Phase Transformation 由于相變阻力大由于相變阻力大相變的過(guò)冷度一般很大相變的過(guò)冷度一般很大 固態(tài)相變都是非自法形核固態(tài)相變都是非自法形核 晶體缺陷（空位、位錯(cuò)、界面）對(duì)固態(tài)相晶體缺陷（空位、位錯(cuò)、界面）對(duì)固態(tài)相變形核、生長(zhǎng)及固態(tài)相變組織與性能具有變形核、生長(zhǎng)及固態(tài)相變組織與性能具有決定性影響決定性影響 新相與母相間往往存在嚴(yán)格的晶體學(xué)取向新相與母相間往往存在嚴(yán)格的

6、晶體學(xué)取向關(guān)系（關(guān)系（Habit Planes） 相變歷程復(fù)雜，往往經(jīng)歷溶質(zhì)偏析過(guò)渡相變歷程復(fù)雜，往往經(jīng)歷溶質(zhì)偏析過(guò)渡相析出穩(wěn)定相析出及粗化等一系列過(guò)程相析出穩(wěn)定相析出及粗化等一系列過(guò)程擴(kuò)散性相變過(guò)程動(dòng)力學(xué)擴(kuò)散性相變過(guò)程動(dòng)力學(xué) 存在形核的孕育期（存在形核的孕育期（Incubation Time） 轉(zhuǎn)變量服從轉(zhuǎn)變量服從Avrami方程方程 f = 1 exp(-k tn) C-曲線曲線固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)Kinetics of Solid-State Phase Transformation固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)Kinetics of Solid-State Phase Trans

7、formation典型的擴(kuò)散型相變：過(guò)飽和固溶體典型的擴(kuò)散型相變：過(guò)飽和固溶體的時(shí)效（沉淀析出）的時(shí)效（沉淀析出）Typical Diffusive Transformation：Aging of Supersaturated Solid Solution時(shí)效熱力學(xué)時(shí)效熱力學(xué)共格界面共格界面Coherent Interface 特點(diǎn)：特點(diǎn)：界面能很低界面能很低！但應(yīng)變能較高！但應(yīng)變能較高！a ab b沉淀析出第二相粒子的強(qiáng)化效果及沉淀析出第二相粒子的強(qiáng)化效果及強(qiáng)化機(jī)制與粒子尺寸的關(guān)系：強(qiáng)化機(jī)制與粒子尺寸的關(guān)系：Strengthening Effect and Mechanisms by Pre

8、cipitation Particles炮狀沉淀或非連續(xù)沉淀：炮狀沉淀或非連續(xù)沉淀：Cellular Precipitation or Discontinuous Precipitation過(guò)固溶體的調(diào)幅分解過(guò)固溶體的調(diào)幅分解一種特殊的沉淀析出轉(zhuǎn)變一種特殊的沉淀析出轉(zhuǎn)變Spinodal Decomposition過(guò)固溶體的調(diào)幅分解過(guò)固溶體的調(diào)幅分解一種特殊的沉淀析出轉(zhuǎn)變一種特殊的沉淀析出轉(zhuǎn)變Spinodal Decomposition馬氏體轉(zhuǎn)變無(wú)擴(kuò)散型馬氏體轉(zhuǎn)變無(wú)擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變或切變型轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變或切變型轉(zhuǎn)變Martensitic or Shear Transformation馬氏體轉(zhuǎn)變的條件：馬氏體

9、轉(zhuǎn)變的條件：1、冷卻速度很高（高于、冷卻速度很高（高于Vc），抑制了高溫的），抑制了高溫的擴(kuò)散型相變擴(kuò)散型相變2、亞穩(wěn)相應(yīng)力或應(yīng)變誘發(fā)相變、亞穩(wěn)相應(yīng)力或應(yīng)變誘發(fā)相變固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)Kinetics of Solid-State Phase Transformation馬氏體轉(zhuǎn)變無(wú)擴(kuò)散型馬氏體轉(zhuǎn)變無(wú)擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變或切變型轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變或切變型轉(zhuǎn)變Martensitic or Shear Transformation鋼中馬氏體轉(zhuǎn)變的意義鋼中馬氏體轉(zhuǎn)變的意義鋼中馬氏體晶格常數(shù)與鋼中馬氏體晶格常數(shù)與C%的關(guān)系的關(guān)系馬氏體馬氏體 Martensite: 通過(guò)母相中原子的整體通過(guò)母相中原子的整體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)（協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)（Military Movement）、以母相特定晶）、以母相特定晶面（慣析面）為基面通過(guò)共格面（慣析面）為基面通過(guò)共格（孿晶）方式轉(zhuǎn)（孿晶）方式轉(zhuǎn)變成的新相！變成的新相！馬氏體轉(zhuǎn)變的基本特征馬氏體轉(zhuǎn)變的基本特征低碳馬氏體（位錯(cuò)馬氏體）低碳馬氏體（位錯(cuò)馬氏體）高碳馬氏體（片狀馬氏體）高碳馬氏體（片狀馬氏體）高碳馬氏體（片狀馬