金屬熱處理及工藝-概述

金屬熱處理原理及工藝

同學(xué)們：大家好！本學(xué)期由我給你們講《金屬熱處理原理及工藝》，我衷心希望和同學(xué)們一起上好這門課，相互促進(jìn)，共同提高。

自我介紹:顧劍鋒:教授，博士上海交通大學(xué)金屬材料與熱處理專業(yè)辦公地點(diǎn)：材料學(xué)院A樓507A電話：（辦）、E-mail:

起止年月地點(diǎn)學(xué)習(xí)、工作單位1988.9－1998.81998.9-1999.122000.1-2001.122002.1-2005.22005.2-2005.122006.1-

至今上海上海法國(guó)特魯瓦上海美國(guó)拉斯維加斯上海上海交通大學(xué)材料學(xué)院上海交通大學(xué)材料學(xué)院特魯瓦技術(shù)大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與并行工程上海交通大學(xué)材料學(xué)院內(nèi)華達(dá)拉斯維加斯大學(xué)物理系上海交通大學(xué)材料學(xué)院（1）材料熱加工過(guò)程數(shù)值模擬，尤其是熱處理工藝過(guò)程的溫度場(chǎng)、相變、應(yīng)力/應(yīng)變、以及擴(kuò)散濃度場(chǎng)等多場(chǎng)量的復(fù)雜耦合數(shù)值模擬。創(chuàng)新地建立了復(fù)雜過(guò)程的耦合數(shù)學(xué)模型和發(fā)展了相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算方法，這方面的研究在國(guó)內(nèi)領(lǐng)先。不僅對(duì)材料相變研究有重要輔助作用，更對(duì)實(shí)際工業(yè)應(yīng)用具有重要價(jià)值。是目前我組開(kāi)展大量工業(yè)應(yīng)用項(xiàng)目的核心基礎(chǔ)，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。相應(yīng)的成果包括：“淬火冷卻虛擬生產(chǎn)及智能化工藝裝備研究”獲2007年度教育部技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)，“熱處理數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)模擬的研究與應(yīng)用”獲1999年度教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)和2000年度國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，“淬火過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬及其應(yīng)用”獲1996-2001年度中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)優(yōu)秀論文獎(jiǎng)。研究領(lǐng)域（2）金屬材料表面納米化以及復(fù)合處理，包括表面納米化材料的制備和性能預(yù)測(cè)。如低碳鋼表面納米化材料的氮化，商用純鈦的納米化和介孔TiO2的制備和性能等。采用盧柯院士和呂堅(jiān)教授提出的表面納米化方法，首次提出了低碳鋼在表面納米化以后進(jìn)行氮化處理方法，可以增加氮的擴(kuò)散傳輸和降低氮化溫度。（ImprovedNitrogenTransportinSurfaceNano-crystallizedLowCarbonSteelsduringGaseousNitridation.MaterialsLetters,2002,55(5):340-343．）在商用純鈦的納米化和介孔TiO2的制備方面取得了較好進(jìn)展，可以獲得具有很好生物活性的納米多孔材料。2007和2008年在多個(gè)期刊發(fā)表相關(guān)文章。Surface&CoatingsTechnology202(2008)4278–4733；201(2007)6285–6289；AppliedSurfaceScience254(2008)2905–2910；CrystalGrowth&Design,2007,7(12):2400-2403等研究領(lǐng)域（3）材料微觀結(jié)構(gòu)和性能的數(shù)值模擬，如材料納米壓痕和微拉伸等過(guò)程中材料失穩(wěn)和位錯(cuò)形核的模擬和預(yù)測(cè)。結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)和擴(kuò)展有限元方法進(jìn)行多尺度的數(shù)值模擬，對(duì)揭示材料在外加載荷作用下材料微觀結(jié)構(gòu)特征和性能有重要意義。已經(jīng)取得了初步成果，在（ScriptaMaterialia58(2008)564–567）發(fā)表了相關(guān)論文。目前獲得的進(jìn)一步重要結(jié)果，正在整理發(fā)表之中。研究領(lǐng)域金屬的熱處理原理及工藝教材：康煜平主編，金屬固態(tài)相變及應(yīng)用，化學(xué)工業(yè)出版社參考文獻(xiàn)：徐洲、趙連誠(chéng)主編，金屬固態(tài)相變?cè)?，科學(xué)出版社胡光立，謝希文編，鋼的熱處理，西北工業(yè)大學(xué)出版社戚正風(fēng)主編，金屬熱處理原理，機(jī)械工業(yè)出版社劉云旭主編，金屬熱處理原理，機(jī)械工業(yè)出版社趙連誠(chéng)主編，金屬熱處理原理，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社材料熱處理學(xué)報(bào)、金屬熱處理雜志熱處理相關(guān)規(guī)律一個(gè)規(guī)律：組織－成分－結(jié)構(gòu)－工藝－性能二個(gè)文件：Fe－Fe3C相圖、TTT圖(C曲線）三個(gè)過(guò)程：加熱、保溫、冷卻四把火：淬火、回火、正火、退火五大相變：奧氏體轉(zhuǎn)變、珠光體轉(zhuǎn)變、馬氏體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變、回火轉(zhuǎn)變（合金時(shí)效）六大方面：晶體學(xué)、形態(tài)學(xué)、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、力學(xué)性能、相變機(jī)理相關(guān)符號(hào)奧氏體：A、γ回火馬氏體：M’珠光體：P回火屈氏體：T’屈氏體：T回火索氏體：S’

索氏體：S殘余奧氏體：Ar、γR、AR鐵素體：F、α滲碳體：Fe3C、C、Cem馬氏體：M、α’貝氏體：B（B上、B下）第一章

金屬固態(tài)相概論本章內(nèi)容提要：1．固態(tài)相變的基本概念、分類2．熱處理的作用和熱處理與相圖3．金屬固態(tài)相變的特點(diǎn)4．固態(tài)相變的熱力學(xué)5．固態(tài)相變的動(dòng)力學(xué)本學(xué)習(xí)要求：

1.理解重要的術(shù)語(yǔ)和基本概念。2.能理解熱處理的在機(jī)械加工中的作用，熱處理與合金相圖的關(guān)系。3.能理解金屬固態(tài)相變的特點(diǎn)。金屬固態(tài)相變與凝固的區(qū)別。熱處理的概述

一、研究的內(nèi)容和任務(wù)

金屬熱處理原理：以《材料科學(xué)基礎(chǔ)》為基礎(chǔ)，著重研究金屬及合金固態(tài)相變的基本原理和熱處理組織與性能之間關(guān)系的一門課程。熱處理原理著重討論的是金屬及合金在固態(tài)下的相變規(guī)律、影響因素、動(dòng)力學(xué)、非平衡轉(zhuǎn)變，以及在熱處理中的應(yīng)用，研究熱處理組織和性能之間的關(guān)系等等。

金屬材料從服役條件出發(fā)提出：選擇什么樣的材料?如何對(duì)材料進(jìn)行處理？在使用和處理過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題？如何解決出現(xiàn)的問(wèn)題，最終可能得到什么樣的性能？如何改進(jìn)現(xiàn)有材料、挖掘其潛力，試制新材料？這些無(wú)不與熱處理原理有著密切的關(guān)系。

固態(tài)相變：（包括純金屬及合金）在溫度和壓力改變時(shí)，組織和結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化的統(tǒng)稱，是以材料熱處理的基礎(chǔ)。

熱處理：利用材料在加熱和冷卻過(guò)程中的相變，改變內(nèi)部的組織與結(jié)構(gòu)，改善材料的性能，充分發(fā)揮材料的潛力。如過(guò)飽和固溶體分解使合金時(shí)效強(qiáng)化，鋼淬火時(shí)的馬氏體相變使鋼強(qiáng)化等等。固態(tài)相變理論的發(fā)展，不僅推動(dòng)了熱處理的發(fā)展，還有力地推動(dòng)了新材料的開(kāi)發(fā)，如形狀記憶合金、增韌陶瓷等新材料的出現(xiàn)，均與固態(tài)相變理論的發(fā)展有關(guān)。

熱處理：將鋼在固態(tài)下加熱到預(yù)定的溫度，保溫一定的時(shí)間，然后以預(yù)定的方式冷卻到室溫的一種熱加工工藝。鋼鐵顯微組織復(fù)雜，可以通過(guò)熱處理予以控制。其工藝曲線：T～t，包括加熱、保溫、冷卻三個(gè)過(guò)程

二、熱處理發(fā)展概況

人們?cè)陂_(kāi)始使用金屬材料起，就開(kāi)始使用熱處理，其發(fā)展過(guò)程大體上經(jīng)歷了三個(gè)階段:民間技藝階段、技術(shù)科學(xué)階段（實(shí)驗(yàn)科學(xué)）—金相學(xué)、建立了一定的理論體系—熱處理科學(xué)。1、民間技藝階段

在從石器時(shí)代進(jìn)展到銅器時(shí)代和鐵器時(shí)代的過(guò)程中，熱處理的作用逐漸為人們所認(rèn)識(shí)。公元前770～前222年，中國(guó)人在生產(chǎn)實(shí)踐中就已發(fā)現(xiàn)，銅鐵的性能會(huì)因溫度和加壓變形的影響而變化。白口鑄鐵的柔化處理就是制造農(nóng)具的重要工藝。公元前六世紀(jì)，鋼鐵兵器逐漸被采用，為了提高兵器的硬度，淬火工藝遂得到迅速發(fā)展。中國(guó)河北省易縣燕下都出土的兩把劍和一把戟，其顯微組織中都有馬氏體存在，說(shuō)明是經(jīng)過(guò)淬火的。根據(jù)現(xiàn)有文物考證，在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期即出現(xiàn)了淬火處理，據(jù)秦始皇陵開(kāi)發(fā)證明，當(dāng)時(shí)已有烤鐵技術(shù)，兵馬俑中的武士佩劍制作精良，距今已有兩千多年的歷史，出土后表面光亮完好，令世人贊嘆。古書有“煉鋼赤刀，用之切玉如泥也”，可見(jiàn)當(dāng)時(shí)熱處理技術(shù)發(fā)展的水平。湖北江陵楚墓出土越王勾踐寶劍

隨著淬火技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)淬冷劑對(duì)淬火質(zhì)量的影響。三國(guó)蜀人蒲元曾在今陜西斜谷為諸葛亮打制3000把刀，相傳是派人到成都取水淬火的。我國(guó)西漢時(shí)代就出現(xiàn)了經(jīng)淬火處理的鋼制寶劍，(公元前206～公元24)中山靖王墓中的寶劍，心部含碳量為0.15～0.4%，而表面含碳量卻達(dá)0.6%以上，說(shuō)明已應(yīng)用了滲碳工藝。但當(dāng)時(shí)作為個(gè)人“手藝”的秘密，不肯外傳，因而發(fā)展很慢。但是中國(guó)幾千年的封建社會(huì)造成了貧窮落后的局面，在明朝以后熱處理技術(shù)就逐漸落后于西方。雖然我們的祖先很有聰明才智，掌握了很多熱處理技術(shù)，但是把熱處理發(fā)展成一門科學(xué)還是近百年的事。在這方面，西方和俄國(guó)的學(xué)者走在了前面，新中國(guó)成立以后，我國(guó)的科學(xué)家也作出了很大的貢獻(xiàn)。

2、技術(shù)科學(xué)階段（實(shí)驗(yàn)科學(xué)）—金相學(xué)：

此階段大約從1665年1895年，主要表現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展階段。1665年：顯示了Ag—Pt組織、鋼刀片的組織；

1772年：首次用顯微鏡檢查了鋼的斷口；

1808年：首次顯示了隕鐵的組織，后稱魏氏組織；

1831年：應(yīng)用顯微鏡研究了鋼的組織和大馬士革劍；1863年，英國(guó)金相學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家展示了鋼鐵在顯微鏡下的六種不同的金相組織，證明了鋼在加熱和冷卻時(shí)，內(nèi)部會(huì)發(fā)生組織改變，鋼中高溫時(shí)的相在急冷時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N較硬的相。1864年：發(fā)展了索氏體；

1868年：法國(guó)人奧斯蒙德確立的鐵的同素異構(gòu)理論，發(fā)現(xiàn)了鋼的臨界點(diǎn)，英國(guó)人奧斯汀建立了鐵碳相圖，為現(xiàn)代熱處理工藝初步奠定了理論基礎(chǔ)；同時(shí)，人們還研究了在金屬加熱過(guò)程的保護(hù)方法，以避免加熱時(shí)金屬的氧化和脫碳等

1871年：英國(guó)學(xué)者T.A.Blytb著“金相學(xué)用為獨(dú)立的科學(xué)”在倫敦出版；1850～1880年，對(duì)于應(yīng)用各種氣體(諸如氫氣、煤氣、一氧化碳等)進(jìn)行保護(hù)加熱曾有一系列專利。1889～1890年英國(guó)人萊克獲得多種金屬光亮熱處理的專利。

1895年：發(fā)現(xiàn)了馬氏體；

3、建立了一定的理論體系—熱處理科學(xué)

“S”曲線的研究，馬氏體結(jié)構(gòu)的確定及研究，K—S關(guān)系的發(fā)現(xiàn)，對(duì)馬氏體的結(jié)構(gòu)有了新的認(rèn)識(shí)等，建立了完整的熱處理理論體系。

1901～1925年，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用轉(zhuǎn)筒爐進(jìn)行氣體滲碳；30年代出現(xiàn)露點(diǎn)電位差計(jì),使?fàn)t內(nèi)氣氛的碳勢(shì)達(dá)到可控，以后又研究出用二氧化碳紅外儀、氧探頭等進(jìn)一步控制爐內(nèi)氣氛碳勢(shì)的方法；60年代，熱處理技術(shù)運(yùn)用了等離子場(chǎng)的作用，發(fā)展了離子滲氮、滲碳工藝；激光、電子束技術(shù)的應(yīng)用，又使金屬獲得了新的表面熱處理和化學(xué)熱處理方法。三、

熱處理的作用熱處理目的：改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu),以改變鋼的性能。其作用：1.改善材料工藝性能和使用性能，延長(zhǎng)零件的壽命2.強(qiáng)化金屬材料,充分挖掘材料的潛力，降低結(jié)構(gòu)重量，提高產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約材料和能源3.消除鑄、鍛、焊等熱加工工藝造成的缺陷、細(xì)化晶粒、消除偏析、降低內(nèi)應(yīng)力，使組織和性能更加均勻。4.是機(jī)器零件加工中的重要工序。5.賦予零件特殊的物理化學(xué)性能。

1.1

金屬固態(tài)相變概論1.1.1金屬固態(tài)相變的主要類型任何物質(zhì)都是由原子、分子、離子或分子團(tuán)組成的，構(gòu)成物質(zhì)的這一體系，可以是均勻的，也可以是非均勻的。相:金屬或者合金中結(jié)構(gòu)相同，成分和性能均一并以界面分開(kāi)的組成部分。隨著溫度、壓力等外界條件的變化，相與相之間可以相互轉(zhuǎn)變。穩(wěn)定相:對(duì)于一定的熱力學(xué)條件，只有當(dāng)某相的自由能位最低時(shí)，該相才是穩(wěn)定的且處于平衡態(tài)亞穩(wěn)相:若某相的自由能雖然并不處于最低，然而與最低自由能態(tài)具有能壘相分隔，則該相為亞穩(wěn)相非穩(wěn)定相：若不存在這種能壘，則體系處于非穩(wěn)定態(tài)，這種狀態(tài)是不穩(wěn)定的，它一定會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶鈶B(tài)或亞穩(wěn)態(tài)。

相變：在均勻一相或幾個(gè)混合相內(nèi)，出現(xiàn)具有不同成分或不同結(jié)構(gòu)（包括原子、離子或電子的位置或?yàn)橄颍┗虿煌M織形態(tài)或不同性質(zhì)的相。當(dāng)溫度、壓力或任何其它作用在該體系上的電場(chǎng)、磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，體系的自由能將緩慢而連續(xù)地變化。只有當(dāng)體系自由能的變化與相的結(jié)構(gòu)的變化（包括原子、離子或電子的位置或位向）發(fā)生關(guān)系時(shí)，則發(fā)生了相變一按平衡狀態(tài)圖分類按平衡狀態(tài)圖金屬固態(tài)相變的類型：平衡轉(zhuǎn)變和非平衡轉(zhuǎn)變

（一）平衡轉(zhuǎn)變：平衡轉(zhuǎn)變的類型：1.同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：純金屬在一定的溫度和壓力下，由一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。2.多形性轉(zhuǎn)變：固溶體在一定的溫度和壓力下，由一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。3.共析轉(zhuǎn)變：合金冷卻時(shí)，由一種母相同時(shí)析出兩種不同固相的過(guò)程4.包析轉(zhuǎn)變：合金冷卻時(shí)，由二種母相反應(yīng)形成一種不同固相的過(guò)程

5.平衡脫溶轉(zhuǎn)變

單一的β固溶體,冷至固溶度曲線MN以下溫度時(shí)，β相又將逐漸析出，這一過(guò)程稱為平衡脫溶沉淀。其特點(diǎn)是新相的成分和結(jié)構(gòu)始終與母相的不同；隨著新相的析出，母相的成分和體積分?jǐn)?shù)將不斷變化，但母相不會(huì)消失。鋼在冷卻時(shí)，二次滲碳體的析出，即屬這種相變。鋁合金相圖

6.調(diào)幅分解：由一種高溫固溶體，冷至某一溫度范圍，分解為兩種與原固溶體結(jié)構(gòu)相同，而成分不同的微區(qū)的轉(zhuǎn)變稱為增幅分解，可用反應(yīng)式表示為，可用反應(yīng)式表示為。其特點(diǎn)是：新形成的微區(qū)之間并無(wú)明顯的界面和成分的突變；但通過(guò)上坡擴(kuò)散，最終使一均勻固溶體變?yōu)橐徊痪鶆蚬倘荏w；無(wú)需驅(qū)動(dòng)力，且進(jìn)行的速度極快。

7.有序化轉(zhuǎn)變：固溶體中，各組元的相對(duì)位置從無(wú)序過(guò)渡到有序的過(guò)程，稱為有序化轉(zhuǎn)變

（二）非平衡轉(zhuǎn)變非平衡轉(zhuǎn)變的類型：（一）鐵碳合金中非平衡轉(zhuǎn)變（鐵碳合金相圖的左下角）

1.偽共析轉(zhuǎn)變：鐵素體和滲碳體的相對(duì)量隨奧氏體的含碳量而變，故稱為偽共析體。

2.馬氏體轉(zhuǎn)變：經(jīng)無(wú)擴(kuò)散過(guò)程形成的、與母相成分相同的一種組織。

3.貝氏體轉(zhuǎn)變：由鐵素體和滲碳體組成的非層片狀組織。

4.塊狀轉(zhuǎn)變：純鐵或低碳鋼，在一定的冷速下奧氏體可以轉(zhuǎn)變?yōu)榕c母相成分相同而形貌呈塊狀的α相。Fe-Fe3C相圖的左下角5、不平衡脫溶沉淀在等溫條件下，由過(guò)飽和固溶體中析出第二相的過(guò)程。恒溫下析出的β相粒子保持細(xì)小、均勻分布。

綜上所述：金屬固態(tài)相變是固體從一個(gè)固相轉(zhuǎn)變到另一個(gè)固相，固態(tài)相變的類型很多，就固態(tài)相變的實(shí)質(zhì)來(lái)說(shuō)，其變化在于三個(gè)方面：結(jié)構(gòu)、成分、有序化程度（發(fā)生固態(tài)相變時(shí)，其中至少伴隨這三種變化之一）：

⑴晶休結(jié)構(gòu)的變化。如純金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、固溶體的多形性轉(zhuǎn)變、馬氏體轉(zhuǎn)變、塊狀轉(zhuǎn)變等；

⑵化學(xué)成分的變化。如單相固溶體的調(diào)幅分解；

⑶

有序程度的變化。如合金的共析轉(zhuǎn)變、包析轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變、脫溶沉淀、有序化轉(zhuǎn)變、磁性轉(zhuǎn)變、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變等。（二）按熱力學(xué)分類:一級(jí)相變和二級(jí)相變

相變類型一級(jí)相變二級(jí)相變

相變時(shí)新舊兩相的化學(xué)勢(shì)相等，但化學(xué)勢(shì)的一級(jí)偏微商不等的相變稱為一級(jí)相變。設(shè)α代表舊相，β代表新相，μ為化學(xué)勢(shì)、T為溫度、P為壓力，則有

；已知

；

所以

；

一級(jí)相變

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)變化的固態(tài)相變都是一級(jí)相變。一級(jí)相變特點(diǎn)相變時(shí)新舊兩相的化學(xué)勢(shì)相等，且化學(xué)勢(shì)的一級(jí)偏微商也相等，但化學(xué)勢(shì)的二級(jí)偏微商不等的相變稱為二級(jí)相變。即

；

；

；

；

二級(jí)相變已知相變時(shí)，Sα＝Sβ；Vα＝Vβ；

CPα≠CPβ；Kα≠Kβ；λα≠λβ即在二級(jí)相變時(shí)，無(wú)相變潛熱和體積改變，只有比熱CP、壓縮系數(shù)K和膨脹系數(shù)λ的不連續(xù)變化。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。二級(jí)相變特點(diǎn)（三）按原子遷移情況分類（即動(dòng)力學(xué)、形核和長(zhǎng)大特點(diǎn)）：1.擴(kuò)散型相變：依靠原子或離子的擴(kuò)散進(jìn)行。即相變過(guò)程受控于原子（或離子）的擴(kuò)散，相變的速度取決于原子的擴(kuò)散速度。2.非擴(kuò)散型相變：原子或離子不發(fā)生擴(kuò)散。即相變過(guò)程不存在原子（或離子）的擴(kuò)散，或雖存在擴(kuò)散，但不是相變所必需的，或不是相變的主要過(guò)程。半擴(kuò)散型相變：半徑小的原子或離子發(fā)生擴(kuò)散，半徑的的原子或離子不發(fā)生擴(kuò)散（四）按金屬固態(tài)相變過(guò)程中的相變方式分：

1.有核相變（形核長(zhǎng)大型）：通過(guò)形核和長(zhǎng)大。始于程度大而范圍小的相起伏，已相變區(qū)與未相變區(qū)以相界面相分隔。鋼中的相變，大多為形核長(zhǎng)大型相變。

2.無(wú)核相變（連續(xù)型）：無(wú)形核階段。始于程度小而范圍大的相起伏，由于相起伏的程度小，故母相中到處可以形核。典型的相變?nèi)鐂pinodaldecomposition（增幅分解）。一級(jí)相變

按熱力學(xué)分類

二級(jí)相變

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變(多形性轉(zhuǎn)變)

平衡脫溶沉淀

平衡相變

共析轉(zhuǎn)變

調(diào)幅分解

按平衡狀態(tài)

有序化轉(zhuǎn)變

分類

偽共析相變

非平衡相變

馬氏體相變

貝氏體相變

非平衡脫溶沉淀塊狀轉(zhuǎn)變

按原子遷移分類

擴(kuò)散相變

非擴(kuò)散型相變

按相變方式分類

有核相變

無(wú)核相變

按熱力學(xué)分類固態(tài)

相變

分類1.1.2

金屬固態(tài)相變的特點(diǎn)固態(tài)相變與凝固時(shí)的液一固相變一樣，服從總的相變規(guī)律，即以新相和母相之間的自由能差作為相變的驅(qū)動(dòng)力。大多數(shù)固態(tài)相變也符合相變的一般規(guī)律，包含形核和長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)程，而且驅(qū)動(dòng)力也是靠過(guò)冷度來(lái)獲得，過(guò)冷度對(duì)形核、生長(zhǎng)機(jī)制及速率都會(huì)發(fā)生重要影響。但固態(tài)相變的新相、母相均是固體，因此又有一系列不同于凝固（結(jié)晶）的特點(diǎn)。一.新相和母相間存在不同的界面（相界面特殊）二.新相晶核與母相間的晶體學(xué)關(guān)系（有一定的位向關(guān)系、存在慣習(xí)面）三.相變阻力大（應(yīng)變能的產(chǎn)生）四.母相晶體缺陷的促進(jìn)作用五.易出現(xiàn)過(guò)渡相（過(guò)渡相或中間亞穩(wěn)相的形成）六.原子遷移率低

一.新相和母相間存在不同的界面固態(tài)相變時(shí)，新相與母相的相界面是兩種晶體的界面，按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為三種：共格界面、半共格界面、非共格界面如圖下所示三種界面示意圖。

若兩相晶體結(jié)構(gòu)相同、點(diǎn)陣常數(shù)相等，或者兩相晶體結(jié)構(gòu)和點(diǎn)陣常數(shù)雖有差異，但存在一組特定的晶體學(xué)平面可使兩相原子之間產(chǎn)生完全匹配。此時(shí)，界面上原子所占位置恰好是兩相點(diǎn)陣的共有位置，界面上原子為兩相所共有，這種界面稱為共格界面。

共格界面共格界面

共格界面的界面兩側(cè)的保持一定的位向關(guān)系，沿界面兩相具有相同或近似的原子排列，兩相在界面上原子匹配得好。

在理想的共格界面條件下（如孿晶界），其彈性應(yīng)變能和界面能都接近于零。實(shí)際上，兩相點(diǎn)陣總有一定的差別，或者點(diǎn)陣類型不同，或者點(diǎn)陣參數(shù)不同，因此兩相界面完全共格時(shí)，相界面附近必將產(chǎn)生彈性應(yīng)變。

共格界面的特點(diǎn)一般來(lái)說(shuō)，共格界面的特點(diǎn)是界面能較小，但因界面附近有畸變，所以彈性應(yīng)變能較大。共格界面必須依靠彈性畸變來(lái)維持，當(dāng)新相不斷長(zhǎng)大而使共格界面的彈性應(yīng)變能增大到一定程度時(shí)，可能超過(guò)母相的屈服極限而產(chǎn)生塑性變形，使共格關(guān)系遭到破壞。

若以aα和aβ分別表示兩相沿平行于界面的晶向上的原子間距，在此方向上的兩相原子間距之差以Δa=|aβ-aα|表示，則錯(cuò)配度δ為

錯(cuò)配度

當(dāng)錯(cuò)配度δ增大到一定程度時(shí)，便難以繼續(xù)維持完全的共格關(guān)系，于是在界面上將產(chǎn)生一些刃型位錯(cuò)，以補(bǔ)償原子間距差別過(guò)大的影響，使界面彈性應(yīng)變能降低。此時(shí)，界面上的兩相原子變成部分保持匹配，故稱為半共格（或部分共格）界面。

半共格（部分共格）界面半共格界面半共格界面是沿相界面每隔一定距離產(chǎn)生一個(gè)刃型位錯(cuò)，除刃型位錯(cuò)線上的原子外，其余原子都是共格的。半共格界面是由共格區(qū)和非共格區(qū)相間組成。

當(dāng)兩相界面處的原子排列差異很大，即錯(cuò)配度δ很大時(shí)，兩相原子之間的匹配關(guān)系便不再維持，這種界面稱為非共格界面。非共格界面結(jié)構(gòu)與大角晶界相似，系由原子不規(guī)則排列的很薄的過(guò)渡層所構(gòu)成。

非共格界面非共格界面

非共格界面是在錯(cuò)配度很大時(shí)。應(yīng)變能：非共格界面能<半共格界面能<共格界面能

界面能：非共格界面能>半共格界面能>共格界面能

錯(cuò)配度與界面的關(guān)系一般認(rèn)為：錯(cuò)配度小于0.05時(shí)兩相可以構(gòu)成完全的共格界面錯(cuò)配度大于0.25時(shí)易形成非共格界面錯(cuò)配度介于0.05～0.25之間，則易形成半共格界面

二.位向關(guān)系和慣習(xí)面（新相晶核與母相間的晶體學(xué)關(guān)系）

1.慣習(xí)面固態(tài)相變時(shí)，為了降低界面能和維持共格關(guān)系，新相往往在母相的一定晶面上開(kāi)始形成，這個(gè)與所生成新相的主平面或主軸平行的母相晶面稱為慣習(xí)面。例如從亞共析鋼的粗大奧氏體中析出鐵素體時(shí)，除沿奧氏體晶界析出外，還沿奧氏體的｛111｝面析出，呈魏氏組織，此｛111｝面即為鐵素體的慣習(xí)面。

2.位向關(guān)系固態(tài)相變時(shí)，為了降低新相與母相之間的界面能，保持一定的位向關(guān)系：在固態(tài)相變時(shí)新相的某些低指數(shù)晶面與母相的某些低指數(shù)晶面平行，新相的某些低指數(shù)晶向與母相的某些低指數(shù)晶向平行的關(guān)系，即：{hkl}∥{h’k’l’}，<uvw>∥<u’v’w’>

慣習(xí)面和位向關(guān)系的區(qū)別：慣習(xí)面指新相的主平面、主軸∥母相的主平面、主軸；位向關(guān)系指新相的某些低指數(shù)晶面、晶向∥舊相的某些低指數(shù)晶面、晶向

在許多情況下，固態(tài)相變時(shí)新相與母相之間往往存在一定的位向關(guān)系，而且新相往往在母相一定的晶面上開(kāi)始形成，這個(gè)晶面稱為慣習(xí)面，通常以母相的晶面指數(shù)來(lái)表示。

位向關(guān)系與慣習(xí)面K-S關(guān)系

例如，鋼中發(fā)生由奧氏體（γ）到馬氏體（α′）的轉(zhuǎn)變時(shí)，奧氏體的密排面{111}γ與馬氏體的密排面{110}α′相平行；奧氏體的密排方向<110>γ與馬氏體的密排方向<111>α′相平行，這種位向關(guān)系稱為K-S關(guān)系，可記為：

{111}γ∥{110}α′；<110>γ∥<111>α′

當(dāng)新相與母相之間為共格或半共格界面時(shí)必然有一定的位向關(guān)系；若無(wú)一定的位向關(guān)系，則兩相界面必定為非共格界面。但是，有時(shí)兩相之間雖然有一定的位向關(guān)系，也未必都具有共格或半共格界面，這可能是在新相長(zhǎng)大過(guò)程中其界面的共格或半共格性已遭破壞所致。界面與位向關(guān)系

三.相變阻力大（彈性應(yīng)變能的產(chǎn)生）固態(tài)相變時(shí)，由于新相與母相的比體積不同，使新相形成時(shí)發(fā)生的體積變化受母相的約束而引起彈性畸變，產(chǎn)生畸變能。共格、半共格界面兩側(cè)原子的錯(cuò)配（排列的差異）也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變能。彈性應(yīng)變能和界面能之和構(gòu)成了相變阻力，因此固態(tài)相變的相變阻力比較大。固態(tài)相變阻力：1.彈性應(yīng)變能：包括共格應(yīng)變能和體積應(yīng)變能。通常：非共格界面能<半共格界面能<共格界面能

2.界面能：固態(tài)相變時(shí)界面能的大小與形成的相界面結(jié)構(gòu)有關(guān)。通常：非共格界面能>半共格界面能>共格界面能新相形成功與應(yīng)變能的關(guān)系新相呈球狀時(shí)應(yīng)變能最大。新相呈圓盤（片）狀時(shí)應(yīng)變能最小。新相呈棒（針）狀時(shí)應(yīng)變能居中。

四.易出現(xiàn)過(guò)渡相（過(guò)渡相的形成）在有些情況下，固態(tài)相變不能直接形成自由能最低的穩(wěn)定相，而是經(jīng)過(guò)一系列的中間階段，先形成一系列自由能較低的過(guò)渡相（又稱中間亞穩(wěn)相），然后在條件允許時(shí)才形成自由能最低的穩(wěn)定相．相變過(guò)程可以寫成：母相―→較不穩(wěn)定過(guò)渡相―→較穩(wěn)定過(guò)渡相―→穩(wěn)定相應(yīng)特別指出：溫度越低時(shí)，固態(tài)相變的上述特點(diǎn)越顯著。過(guò)渡相的出現(xiàn)有利于減小固態(tài)相變的阻力。如：鐵碳合金中γ分解時(shí)

γ→α＋Fe3CFe3C→Fe＋C

Fe3C為過(guò)渡相自由能高母相新相自由能最低

非共格界面

晶體結(jié)構(gòu)差異大界面能大、形核功大自由能低

共格界面半共格界面晶體結(jié)構(gòu)或成分相近界面能小、形核功小過(guò)渡相

五.母相晶體缺陷的促進(jìn)作用晶態(tài)固體中的空位、位錯(cuò)、晶界等缺陷周圍因點(diǎn)陣畸變而儲(chǔ)存一定的畸變能。新相極易在這些位置非均勻形核。它們對(duì)晶核的長(zhǎng)大過(guò)程也有一定的影響。通常，固態(tài)相變時(shí)，母相中晶體缺陷起促進(jìn)作用。新相優(yōu)先在晶體缺陷處形核。

（如：晶界、亞晶界、空位、位錯(cuò)等）晶體缺陷能量起伏、結(jié)構(gòu)起伏、成分起伏最大原子擴(kuò)散速度快、相變應(yīng)力容易被松弛形核容易均勻形核最大空位形核次之位錯(cuò)形核更次之晶界非均勻形核最小

形核功的大小

六.原子遷移率低

固態(tài)變相中，成分的改變必須通過(guò)組元的擴(kuò)散才能完成，此時(shí)擴(kuò)散成為相變的控制因素，而固態(tài)金屬中原子的擴(kuò)散系數(shù)，即使在熔點(diǎn)附近也僅為液態(tài)的十萬(wàn)分之一，所以固態(tài)相變的轉(zhuǎn)變速率很慢，可以有很大的過(guò)冷度。隨著溫度降低，過(guò)冷度增大，形核率增高，相變驅(qū)動(dòng)力增大，但同時(shí)原子擴(kuò)散系數(shù)降低。這一對(duì)矛盾運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，就有可能使相變后得到的組織變細(xì)。

固態(tài)中原子的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于液體原子，所以，原子擴(kuò)散速度對(duì)固態(tài)相變影響很大。原子的擴(kuò)散

母相新相

成分不同某些組元的擴(kuò)散1.2金屬固態(tài)相變熱力學(xué)

金屬固態(tài)相變的過(guò)程：形核和長(zhǎng)大

1.2.1金屬固態(tài)相變熱力學(xué)條件一、相變驅(qū)動(dòng)力

一切系統(tǒng)都有降低自由能以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的自發(fā)趨勢(shì)。如果具備引起系統(tǒng)自由能降低的條件，系統(tǒng)將自發(fā)地從高能狀態(tài)向低能狀態(tài)轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變稱為自發(fā)轉(zhuǎn)變。

新舊兩相的自由能差和新相自由能較低是舊相自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)樾孪嗟尿?qū)動(dòng)力。這就是所謂的相變熱力學(xué)條件。

自由能G

G是系統(tǒng)的一個(gè)特征函數(shù)，設(shè)H為焓、S為熵、T為絕對(duì)溫度，則有

任何相的自由能都是溫度的函數(shù)，通過(guò)改變溫度是可以獲得相變熱力學(xué)條件的。

自由能G對(duì)溫度T的一階導(dǎo)數(shù)為

（8.5）在等容變化過(guò)程中由于S總為正值，所以G總是隨T的增加而降低自由能G對(duì)溫度T的二階導(dǎo)數(shù)為

由于熵S總是隨溫度T增加而增加，這意味著自由能G-溫度T的特性曲線總是凹面向下。各相自由能與溫度的關(guān)系必須產(chǎn)生一定的過(guò)冷度或過(guò)熱度即過(guò)冷度△T＝T0－T1

過(guò)熱度△T＝T2－T0以獲得相變所需的自由能差（△Gγ→α或△Gα→γ），即滿足相變熱力學(xué)的能量條件時(shí)才能發(fā)生γ→α或α→γ的相變。

二、相變勢(shì)壘

所謂相變勢(shì)壘（或能壘）是指相變時(shí)改組晶格所必須克服的原子間引力。勢(shì)壘的高低可以近似地用激活能Q來(lái)表示。

固態(tài)相變勢(shì)壘示意圖

金屬固態(tài)相變的過(guò)程：形核和長(zhǎng)大。1.2.2金屬固態(tài)相變的形核均勻形核2.非均勻形核(1)晶界形核(2)位錯(cuò)形核(3)空位形核

絕大多數(shù)固態(tài)相變都是通過(guò)形核和長(zhǎng)大過(guò)程完成的。形核過(guò)程往往是先在母相中某些微小區(qū)域內(nèi)形成新相所必需的成分和結(jié)構(gòu)，稱為核胚；若核胚尺寸超過(guò)某一臨界值，便能穩(wěn)定存在并自發(fā)長(zhǎng)大，成為新相晶核。系統(tǒng)自由能變化界面能應(yīng)變能一、均勻形核新、舊相的自由能差ΔGv就是固態(tài)相變的驅(qū)動(dòng)力。它隨相變溫度和相成分的改變而改變。相變驅(qū)動(dòng)力隨過(guò)冷度的增大而增大。自由能差均勻形核時(shí)△G

與液態(tài)結(jié)晶過(guò)程相比，固態(tài)相變均勻形核的驅(qū)動(dòng)力亦是新舊兩相的自由能差，而形核的阻力除界面能外還增加了一項(xiàng)彈性應(yīng)變能。固態(tài)相變均勻形核時(shí)系統(tǒng)自由能的總變化△G為自由能差應(yīng)變能界面能球形晶核

若假設(shè)新相晶核為球形（半徑為r）時(shí)，則

臨界晶核半徑令，則可得新相的臨界晶核半徑rc為臨界晶核的形核功W由式（8.10）和式（8.11）可知，表面能σ和彈性應(yīng)變能ε時(shí)，則臨界晶核半徑rc，形核功W。形成臨界晶核的形核功W為臨界晶核半徑和形核功都是自由能差的函數(shù)，也隨過(guò)冷度（過(guò)熱度）而變化。過(guò)冷度（過(guò)熱度）增大，臨界晶核半徑和形核功都減小，新相形核幾率增大，新相晶核數(shù)量也增多，即相變?nèi)菀装l(fā)生。因此，只有在一定的溫度滯后條件下系統(tǒng)才可能發(fā)生相變。與克服相變勢(shì)壘所需的附加能量一樣，形核功所需的能量也來(lái)自兩個(gè)方面：一是依靠母相內(nèi)存在的能量起伏來(lái)提供；二是依靠變形等因素引起的內(nèi)應(yīng)力來(lái)提供。

均勻形核時(shí)的形核率與液態(tài)結(jié)晶相似，固態(tài)相變均勻形核時(shí)的形核率I可用下式表示

固態(tài)原子的擴(kuò)散激活能Q較大，固態(tài)相變的彈性應(yīng)變能又進(jìn)一步增大形核功W。所以，與液態(tài)結(jié)晶相比，固態(tài)相變的均勻形核率要低得多。同時(shí)，固態(tài)材料中存在的大量晶體缺陷可提供能量，促進(jìn)形核。因此，非均勻形核便成為固態(tài)相變的主要形核方式。

非均勻形核

若晶核在母相中某些區(qū)域擇優(yōu)地不均勻分布，則稱為非均勻形核。非均勻形核示意圖非均勻形核自由能的總變化

非均勻形核時(shí)，系統(tǒng)自由能的總變化為增加了最后一項(xiàng)△Gd，即由于晶體缺陷消失或減少所降低的能量。

(1)晶界形核

多晶體中兩個(gè)相鄰晶粒的邊界叫做界面；三個(gè)晶粒的共同交界是一條線，叫做界棱；四個(gè)晶粒交于一點(diǎn)，構(gòu)成一個(gè)界隅。界面、界棱和界隅都不是幾何意義上的面、線和點(diǎn)，它們都占有一定的體積。

晶界上非共格晶核的形狀

(a)界面形核(b)界棱形核(c)界隅形核界面、界棱和界隅都可以提供其所儲(chǔ)存的畸變能來(lái)促進(jìn)形核。在界面形核時(shí)，只有一個(gè)界面可供晶核吞食；在界棱形核時(shí)，可有三個(gè)界面供晶核吞食；在界隅形核時(shí)，被晶核吞食的界面有六個(gè)。所以，從能量角度來(lái)看，界隅提供的能量最大，界棱次之，界面最小。然而，從三種形核位置所占的體積分?jǐn)?shù)來(lái)看，界面反而居首位，而界隅最小。非均勻形核類型：1.晶界形核晶界類型：界面、界棱、界隅晶界形核時(shí)形核率I如式晶界形核時(shí)的能量提供的能量：界面<界棱<界隅需要的形核功：界偶<界棱<界面<均勻形核界隅形核的能量最小，但界隅占的體積分?jǐn)?shù)最小，界面形核的貢獻(xiàn)最大。

2.位錯(cuò)形核位錯(cuò)促進(jìn)形核。位錯(cuò)線上形核，位錯(cuò)線消失釋放能量，降低形核功。位錯(cuò)線不消失，成為半共格界面中的位錯(cuò)部分，降低形核功。溶質(zhì)原子在位錯(cuò)上偏聚，滿足新相形核的成分。短路擴(kuò)散作用；在位錯(cuò)結(jié)和位錯(cuò)割階處易于形核；單獨(dú)位錯(cuò)比亞晶界上的位錯(cuò)對(duì)形核更為有效；小角度晶界或亞晶界上慣習(xí)面選擇性形核；較大柏氏矢量的位錯(cuò)促進(jìn)形核的作用更為有效；刃型位錯(cuò)比螺型位錯(cuò)更為有利。3.空位及空位集團(tuán)形核空位及空位集團(tuán)促進(jìn)形核。釋放能量提供成核驅(qū)動(dòng)力凝聚成位錯(cuò)1.2.2金屬固態(tài)相變晶核的長(zhǎng)大一、新相晶核的長(zhǎng)大機(jī)制長(zhǎng)大實(shí)質(zhì)：界面向母相的遷移過(guò)程新相晶核長(zhǎng)大的過(guò)程分為兩種情況：傳質(zhì)過(guò)程和界面過(guò)程。1.新舊兩相的成分不同，如過(guò)飽和固溶體的分解等，需要溶質(zhì)原子進(jìn)行長(zhǎng)程擴(kuò)散遷移到新相，才能使新相長(zhǎng)大。這時(shí)的長(zhǎng)大為“擴(kuò)散控制長(zhǎng)大”，又稱傳質(zhì)過(guò)程。

2.新相形成時(shí)沒(méi)有成分的改變，只有結(jié)構(gòu)或有序度的變化，如純金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變等，只要緊鄰相界的母相原子作近程擴(kuò)散越過(guò)相界，新相即長(zhǎng)大。界面附近原子調(diào)整位置使晶核長(zhǎng)大的過(guò)程為“界面控制長(zhǎng)大”，又稱界面過(guò)程。1、半共格界面的遷移－－協(xié)同型方式長(zhǎng)大這種方式通過(guò)半共格界面上靠母相一側(cè)的原子以切變方式完成。即協(xié)同型（位移式）方式長(zhǎng)大—切變機(jī)制特點(diǎn)：大量的原子有規(guī)律地沿某一方向作小于一個(gè)原子間距的遷移，遷移后原子保持原有的相鄰關(guān)系不變。是無(wú)擴(kuò)散型相變。協(xié)同型方式長(zhǎng)大常以切變方式進(jìn)行。右下圖為馬氏體轉(zhuǎn)變的表面傾動(dòng)。界面位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)

除上述切變機(jī)制外，還可通過(guò)半共格界面上的界面位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使界面作法向遷移，從而實(shí)現(xiàn)新相晶核的長(zhǎng)大。包含界面位錯(cuò)的半共格界面的可能結(jié)構(gòu)如圖所示。半共格界面的可能結(jié)構(gòu)圖(a)為平界面，界面位錯(cuò)處于同一平面上，其刃型位錯(cuò)的柏氏矢量b平行于界面。此時(shí)，若界面沿法線方向遷移，界面位錯(cuò)必須攀移才能隨界面移動(dòng)，這在無(wú)外力作用或溫度不是足夠高時(shí)難以實(shí)現(xiàn)，故其牽制界面遷移，阻礙晶核長(zhǎng)大。但若如圖(b)所示，界面位錯(cuò)分布于階梯狀界面上，相當(dāng)于其刃型位錯(cuò)的柏氏矢量b與界面成某一角度。這樣，位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)就可使臺(tái)階跨過(guò)界面?zhèn)认蜻w移，造成界面沿其法線方向推進(jìn)，從而使新相長(zhǎng)大，如下圖所示。

晶核以臺(tái)階方式長(zhǎng)大示意圖相界面上位錯(cuò)的滑動(dòng)－－臺(tái)階機(jī)制

臺(tái)階式長(zhǎng)大機(jī)制：通過(guò)半共格界面上的界面位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使界面作法線方向遷移，從而實(shí)現(xiàn)晶核的長(zhǎng)大。非協(xié)同型方式長(zhǎng)大：母相原子不斷地以非協(xié)同方式向新相中轉(zhuǎn)移，界面沿其法線方向向母相推進(jìn)，使新相逐漸長(zhǎng)大。是擴(kuò)散型相變。特點(diǎn)：原子無(wú)規(guī)律地遷移，遷移的距離不等，相鄰關(guān)系改變。

2、非共格界面的遷移－－非協(xié)同型方式長(zhǎng)大非共格界面的可能結(jié)構(gòu)這種界面上原子的移動(dòng)不是協(xié)同的，即無(wú)一定先后順序，相對(duì)位移距離不等，其相鄰關(guān)系也可能變化。這種界面可在任何位置接受原子或輸出原子，隨母相原子不斷向新相轉(zhuǎn)移，界面本身便沿其法向推進(jìn)，從而使新相逐漸長(zhǎng)大。

晶核長(zhǎng)大的控制因素

根據(jù)晶核長(zhǎng)大的方式及轉(zhuǎn)變特點(diǎn)，將金屬中的固態(tài)相變分為四類：（1）成分不變的協(xié)同型轉(zhuǎn)變,（2）成分不變的非協(xié)同型轉(zhuǎn)變,（3）成分改變的協(xié)同型轉(zhuǎn)變,（4）成分改變的非協(xié)同型轉(zhuǎn)變。其中（1）（2）無(wú)需傳質(zhì)過(guò)程，為界面過(guò)程所控制；協(xié)同型長(zhǎng)大速度很快，非協(xié)同型長(zhǎng)大速度較慢。（3）取決于傳質(zhì)速度；對(duì)于（4），界面過(guò)程和傳質(zhì)過(guò)程都可能控制長(zhǎng)大速度。

界面控制的新相長(zhǎng)大速率受相變驅(qū)動(dòng)力ΔＧ和擴(kuò)散系數(shù)D兩個(gè)因素控制，而這兩因素又都是溫度的函數(shù)。擴(kuò)散控制的新相長(zhǎng)大速率，與擴(kuò)散系數(shù)及相界附近母相的濃度梯度成正比，與相界兩側(cè)的兩相之成分濃度差成反比。二、新相的長(zhǎng)大速度一、無(wú)成分變化的新相長(zhǎng)大無(wú)成分變化的新相長(zhǎng)大是界面控制型長(zhǎng)大界面遷移速率：1）過(guò)冷度較小時(shí)，兩相的自由能差極小界面遷移速率與兩相的自由能差成正比，隨溫度降低，兩相的自由能差增大，新相長(zhǎng)大速率增加；

2）過(guò)冷度較大時(shí)：隨溫度降低，界面遷移速率減小，新相長(zhǎng)大速率隨之下降。

二、有成分變化的新相長(zhǎng)大

當(dāng)新相α和母相γ的成分不同時(shí)，新相的長(zhǎng)大必須通過(guò)溶質(zhì)原子的長(zhǎng)程擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)，故其長(zhǎng)大速度受擴(kuò)散所控制。生成新相時(shí)的成分變化有兩種情況：一種是新相α中溶質(zhì)原子的濃度Cα低于母相γ中的濃度C∞；另一種則相反，新相α中溶質(zhì)原子的濃度Cα高于母相γ中的濃度C∞，如圖所示。二、有成分變化的新相長(zhǎng)大無(wú)成分變化的新相長(zhǎng)大是擴(kuò)散控制型長(zhǎng)大長(zhǎng)大速率與原子的擴(kuò)散系數(shù)、新相/母相界面上母相一側(cè)的濃度梯度成正比，而與新相與母相間的濃度差成反比。溫度下降，溶質(zhì)在母相中的擴(kuò)散系數(shù)急劇減小，故新相的長(zhǎng)大速率降低。

1.3

固態(tài)相變的動(dòng)力學(xué)概述研究新相形成量與時(shí)間、溫度關(guān)系的學(xué)科為相變動(dòng)力學(xué)。在相變臨界溫度T0以下的某一恒定溫度下，隨時(shí)間的增長(zhǎng)，新相形成量(一般以體積分?jǐn)?shù)表示)增加，這種相變稱為等溫相變。新相形成量只是溫度的函數(shù)的相變，稱為變溫相變。在不同溫度保溫進(jìn)行相變的稱為非等溫相變。相變的本質(zhì)可能是等溫的。相變動(dòng)力學(xué)通常是討論相變的速率問(wèn)題，即描述在恒溫條件下相變量與時(shí)間的關(guān)系。相變動(dòng)力學(xué)取決于新相的形核率和長(zhǎng)大速率。

在新相彼此接觸之前，新相晶核的長(zhǎng)大線速率往往是恒定的，因此新相晶核半徑R與時(shí)間t之間近似為直線關(guān)系，可用下式表示

式中，G為新相晶核的長(zhǎng)大線速率，可定義為。

假設(shè)新相晶核為球形，球的體積為，即每一個(gè)新相晶核的體積為。若能確定新相晶核的數(shù)目，就可計(jì)算在t時(shí)間內(nèi)新相的轉(zhuǎn)變量。

設(shè)I為新相晶核的形核率，V0為試樣的總體積，V為已轉(zhuǎn)變的新相體積，（V0－V）則為未轉(zhuǎn)變的體積。顯然，在dt時(shí)間內(nèi)形成的新相晶核數(shù)目n為

在dt時(shí)間內(nèi)已轉(zhuǎn)變的新相體積V為

由于未轉(zhuǎn)變的體積（V0－V）是隨時(shí)間變化的，所以無(wú)法直接計(jì)算。這里，用試樣的總體積V0來(lái)取代中的未轉(zhuǎn)變體積（V0－V），則得到在dt時(shí)間內(nèi)形成的新相公稱晶核數(shù)目ne為同樣，在dt時(shí)間內(nèi)已轉(zhuǎn)變的新相公稱體積Ve為

為方便起見(jiàn)，可改用已轉(zhuǎn)變的新相公稱體積分?jǐn)?shù)Xe來(lái)表述，即下面將新相公稱體積分?jǐn)?shù)Xe與新相實(shí)際體積分?jǐn)?shù)X聯(lián)系起來(lái)。

取微分形式得

由于在任一dt時(shí)間內(nèi)，不管是實(shí)際晶核或是公稱晶核，每一個(gè)晶核的體積是相同的，均為，因此可以寫成令在dt時(shí)間內(nèi)單位體積中形成的新相晶核數(shù)目為dp，則有

設(shè)新相晶核在整個(gè)基體中任意形成，即dp與位置無(wú)關(guān)，則得

把兩式結(jié)合起來(lái)，則得

解此微分方程得由于在時(shí)間為0時(shí)X和Xe均為0，故此時(shí)的積分常數(shù)為0。假設(shè)晶核長(zhǎng)大線速率G和形核率I均為常數(shù)，而τ小至可忽略不計(jì)，對(duì)式積分，得

代入式中，則得

Johnson-Mehl方程可應(yīng)用于服從四個(gè)約束條件（即任意形核、I為常數(shù)、G為常數(shù)和τ很?。┑乃邢嘧儭vrami經(jīng)驗(yàn)方程式

應(yīng)當(dāng)指出，固態(tài)相變時(shí)盡管長(zhǎng)大速率可以看作常數(shù)，但形核率并不是常數(shù)（因?yàn)樵S多固態(tài)相變往往是晶界等處優(yōu)先形核，而不是任意形核，故形核率是變化的），因此，J-M是不嚴(yán)格的，而應(yīng)改用如下由Avrami提出的經(jīng)驗(yàn)方程式針對(duì)上式中不同G和I值（實(shí)際是不同溫度）而繪出的新相轉(zhuǎn)變體積分?jǐn)?shù)與時(shí)間的關(guān)系曲線（相變動(dòng)力學(xué)曲線）如下圖所示。轉(zhuǎn)變時(shí)間，s可見(jiàn)，轉(zhuǎn)變有孕育期，不同溫度下的轉(zhuǎn)變?cè)杏诓煌?。轉(zhuǎn)變開(kāi)始后轉(zhuǎn)變速度逐漸加快，轉(zhuǎn)變量約為50％時(shí)轉(zhuǎn)變速度最大，以后逐漸降低，直至轉(zhuǎn)變終了。

建立過(guò)冷奧氏體等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線

----TTT曲線(C曲線)T---timeT---temperatureT---transformationTTT曲線

若將圖中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)改繪成時(shí)間（Time）-溫度（Temperature）-轉(zhuǎn)變量（Transformation）的關(guān)系曲線，則如下圖所示，得到一般常用的“等溫轉(zhuǎn)變曲線”，亦稱“TTT曲線”（或稱等溫轉(zhuǎn)變圖、TTT圖），又稱為“C曲線”。

等溫轉(zhuǎn)變圖(b)相變動(dòng)力學(xué)曲線(a)將試樣研磨、拋光、腐蝕，在金相顯微鏡下觀察并結(jié)合硬度測(cè)試確定其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的類型和轉(zhuǎn)變量，并將結(jié)果繪成轉(zhuǎn)變量與等溫時(shí)間的關(guān)系曲線。然后，在不同等溫溫度下重復(fù)上述試驗(yàn)，即可獲得不同等溫溫度下的轉(zhuǎn)變量與時(shí)間的關(guān)系曲線。

若將不同溫度下的等溫轉(zhuǎn)變開(kāi)始時(shí)間和終了時(shí)間以及某些特定轉(zhuǎn)變量（如50%）所對(duì)應(yīng)的時(shí)間繪制在溫度-時(shí)間半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，并將不同溫度下的轉(zhuǎn)變開(kāi)始點(diǎn)和轉(zhuǎn)變終了點(diǎn)以及轉(zhuǎn)變50%點(diǎn)分別連結(jié)成曲線，則可得到如圖所示的過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖，即TTT曲線。圖

過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖圖中的TTT曲線可以看成是由兩個(gè)“C”形曲線所組成，第一個(gè)“C”曲線與珠光體形成（A→P）相對(duì)應(yīng)，第二個(gè)“C”曲線與貝氏體形成（A→B）相對(duì)應(yīng)。曲線中的兩個(gè)凸出部分稱為C曲線的“鼻尖”，分別對(duì)應(yīng)珠光體轉(zhuǎn)變和貝氏體轉(zhuǎn)變?cè)杏谧疃痰臏囟?。在兩個(gè)曲線相重疊的區(qū)域等溫時(shí)可以得到珠光體和貝氏體的混合組織。

共析碳鋼TTT曲線建立過(guò)程示意圖時(shí)間(s)3001021031041010800-100100200500600700溫度(℃)0400A1共析碳鋼TTT曲線的分析穩(wěn)定的奧氏體區(qū)過(guò)冷奧氏體區(qū)A向產(chǎn)物轉(zhuǎn)變開(kāi)始線A向產(chǎn)物轉(zhuǎn)變終止線