Chpt8 固态相变

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1、固　态　相　变　　广义来说，物质中原子（或分子）的聚合状态发生变化的过程称为转变。金属或合金发生转变之后，新相与母相之间必然存在着某些差别，这些差别或者表现在晶体结构上；或者表现在化学成分上（如调幅分解）；或表现在表面能上（如粉末烧结）；或表现在应变能上（冷变形金属的再结晶）；或表现在界面能上（如晶粒长大）；或几种差别兼而有之（如饱和固熔体的沉淀）。从狭义来说，转变仅指具有晶体结构变化的相变。　　固态相变与金属的组织和性能密切相关，也是金属热处理的理论基础。本章仅着重了解固态相变的基本特点和主要类型。 固态相变的

2、分类　　固态相变的类型及特征有以下几种：　　同素异构转变 　　当温度或压力改变时，金属发生晶体结构的改变，但成分不变。　　脱熔转变 　　在固熔度随温度下降而减小的合金中，经高温淬火所固定下来的过饱和固熔体，在适当条件下会发生第二相的脱熔过程，并在不同阶段形成偏聚区、亚稳定和稳定的第二相等。　　有序-无序转变 　　在一定成分范围的合金，高温时晶体结构中的原子呈无序排列，而在低温时呈有序排列。这种转变随温度升高和下降是可逆的。　　块型转变 　　相变时晶体结构改变，但成分没有（或很少）改变，相变产物呈块型。　　调幅分解

3、 　　具有固熔体混合间隙的合金，当α →α1+α2时，它不需形核而自发地分解为晶体结构相同但成分不同的两相。　　马氏体转变 　　是一种无扩散型相变。通过切变由一种晶体结构转变为另一种晶体结构，无成分变化。　　贝氏体转变 　　同时具有无扩散和扩散型转变的特征,成分发生改变。　　以上相变，大体上可分为两类：按热力学分类　　可把单元系的相变分为一级相变和二级相变。 发生一级相变时，两相化学势相等但化学势的一级偏微商不等，即 　　　　　而 　　　　　已知 　　　　　所以S1≠S2 V1≠V2 　　故一级相变时，熵及体积会

4、发生不连续的变化，即有相变潜热和体积的改变。单元系的凝固、熔化及同素异构转变等属于一级相变。 发生二级相变时，除两相的化学势相等外，其一级偏微商也相等， 但二级偏微商不等，即　　　　而　　　　已知： 　　可见，这种相变时，S1=S2,V1=V2Cp1≠Cp2,K1≠K2,a1≠a2　　即二级相变时，无相变潜热及体积的改变，只有热容量、压缩系数、膨胀系数的不连续变化。　　属于二级相变的有：磁性转变，无序－有序转变。按原子迁移分类 扩散型相变，其特点是相变过程中原子进行扩散。 其种类如下图所示：(a)脱熔(b)共析(

5、c)有序化(d)块型转变(e)同素异构转变扩散型固态相变所涉及的各类相图 无扩散型相变,其特点是相变过程中原子不扩散,合金成分也不变化, 点阵改组是通过共格切变来完成。如马氏体转变。  兼有扩散与无扩散的相变，即同时具有上述两者中的某些特征，如 相变时表面产生浮凸，但成分发生改变，转变速率远比马氏体相变缓慢。如贝氏体转变，块型转变。　　一级和二级相变时有关热力学参数的比较如下图：一级（a)及二级（b)相变的自由能、熵及体积变化的对比一级（a)及二级（b)相变的熵、比热容及有序度变化的对比固态相变的形核及长大　　大

6、多数固态相变都需经历形核和生长两个阶段。在无扩散型相变中为非热激活形核（变温形核）；扩散型相变的形核与凝固类似，符合经典形核方式；极个别的是无核转变，如调幅分解。 新相的形核　　也有均匀形核和非均匀形核两种方式。 均匀形核 　　在均匀母相中，也存在着各种起伏。如果母相中的组态、成分、密度起伏与新相近似时，则在这些区域中就可能形成新相胚芽，当这些胚芽大到一定尺寸时，就可作为稳定晶核而长大。　　固态转变时，由于新相与母相的比容不同，会产生应变能(ε)，在固-固相变时起着重要作用。设晶胚是半径为r的球形，则形成晶胚所引

7、起系统自由能的变化。　　将上式中△G与r之间的函数关系作图，可得下图。从图中可以看出，当△GV+ε<0时，△G曲线有极大值△G*，称为临界形核功；△G*所对应的r*称为临界晶核半径。临界形核功和临界晶核半径　　假若晶胚中包含有n个原子，则上式可写成：式中:a、b为常数，其数值由晶胚的形状决定。如晶胚为球形时,(V是一个原子在晶胚中所占空间),一般　　新相的几何形态与应变能有关。在新相与母相不共格的情况下，若两相的比容差固定，设新相为椭球体，长轴为a，短轴为c，则新相形态如下图所示：新相粒子的几何形状对应变能相对值

8、的影响a—椭圆形球体的赤道半径；2c—两极之间的距离 当c/a=1时，新相为球状；当c/a<<1时，新相为碟(盘)状；当c/a>>1时，新相为针状。　　显然，当新相呈碟盘状时应变能最小，呈球形时最大，呈针状时次之。但是对于体积相等的新相来说，盘状的表面积比其它两种都大。因此，应变能和表面能对新相形状的影响是互相矛盾的。究竟哪一个起支配作用，要视具体情况而定。一般来说，表面