金属固态相变.docx

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1、金属固态相变一、概论1.基本概念相：金属或合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。固态相变：固态金属或合金中固态相之间的转变。2.分类：（1）转变条件：平衡转变：同素异构转变、多形性转变、共析转变、包析转变、平衡脱溶沉淀、调幅分解、有序化转变。非平衡转变：伪共析转变、马氏体转变、贝氏体转变、不平衡脱溶沉淀、块状转变。（2）原子迁移特征：扩散型相变、无扩散型相变。（3）热力学：一级相变、二级相变。（4）相变方式：形核-长大型相变、无核相变。3.特点（1）根据新相和母相原子在相界面上的晶体学匹配程度，形成具有晶体学特征的相界面。基本条件：两相晶体结构相同，点阵常数相

2、等或者两相晶体结构和点阵常数有差异，但在某一组特定的晶体学平面可使两相原子之间产生完全匹配。共格晶面：界面上原子所占位置恰好是两相点阵的共有结点位置，两相在界面上的原子可以一对一地相互匹配。δ<0.05。第一类共格（正应变），第二类共格（切应变）。界面能最小，应变能最大。半共格晶面：在界面上两相原子部分保持匹配。0.05<δ<0.25。非共格晶面：两相界面处的原子排列差异很大，即错配度大，其原子连半共格关系也不能维持。δ>0.25。界面能最大，应变能最小。错配度：两相界面上原子间距的相对差值。δ=Δa/a（2）弹性应变能和界面能一起成为相变阻力。弹性应变能：①共格应变能：固态相变

3、时新相与母相界面上的原子由于要强制地实行匹配，以建立共格或半共格联系，在界面附近区域将产生应变能。（共格最大，半共格次之，非共格为0。）。②比体积差应变能：由于新相和母相的比体积不同，新相形成时的体积变化将受到周围母相的约束而产生的弹性应变能。（圆盘状最小，针状次之，球状最大。）。界面能：①界面上原子排列的不规则性造成能量的增加。②新旧两相化学成分的改变引起的化学能改变。（3）原子的迁移率低。10-12-10-11cm·s-1。（4）晶体缺陷成为固态相变非均匀形核的形核位置。（位错，空位，晶界，亚晶界）（5）先形成亚稳的过渡相，再形成稳定的平衡相。（6）新相与母相之间往往存在一定

4、的位向关系。（7）新相在惯习面上形成。4.形核形核过程：往往先在母相基体的某些微小区域内形成新相所需的成分与结构，称为核胚，若核胚的尺寸超过临界尺寸，便能稳定存在并自发长大，即成为新相晶核。均匀形核：ΔG=-ΔgvV+σS+EV=-ΔGV+ΔGS+ΔGE；-ΔGV为驱动力。形核率：I=Nνexp（-(Q+ΔG)/kT）非均匀形核：ΔG=-ΔGV+ΔGS+ΔGE-ΔGD；-ΔGV-ΔGD为驱动力。空位、位错、晶界能促进非均匀形核。5.晶核长大实质：界面向母相方向的迁移。方式：（1）共格、半共格：①切变机制：大量原子有规则地沿某一方向作小于一个原子间距的迁移，并保持各原子间原有的相邻

5、关系不变。②台阶机制：通过界面位错的远动，使界面作法向迁移。（2）非共格：界面扩散。新相长大速度v：决定于界面迁移速度。（1）扩散型相变无成分变化：与温度关系先增后减。（2）扩散型相变有成分变化：与扩散系数和母相附近的浓度梯度成正比，与两相在界面上的平衡浓度之差成反比。（3）与过冷度的关系：具有极大值的曲线关系，先增后减，最后趋于0。6.动力学固态相变速度取决于新相的形核率和晶核长大速度。Johnson-Mehl方程：f=1-exp(-ΠIv3τ4/3)条件：任意形核，I、v为常数，τ（孕育期）很小。Avrami方程：f=1-exp(-bτn)条件：b、n取决于I、v。若I随τ减

6、小，取3≤n≤4；若I随τ增加，取n>4。二、奥氏体1.结构奥氏体化：钢在加热过程中，由加热前的组织转变为奥氏体的过程被称为钢的加热转变，即奥氏体化。成分：γ-Fe+C固溶体。C位于γ-Fe八面体间隙中心；合金元素部分置换铁原子。组织形貌：颗粒状（等轴状）、针状。取决于原始组织、加热速度、加热转变成都。2.性能（1）面心立方点阵，滑移系统多，塑形很好，硬度和屈服极限不高。（2）最密排的点阵结构，紧密度高，比体积最小。（3）铁原子自扩散激活能大，扩散系数小，热强性好。（4）顺磁性，线膨胀系数高，导热性能差。3.形成机理过热度：转变温度与临界点A1之差。（1）共析钢（渗碳体+铁素体，

7、即珠光体）条件：加热至共析温度A1727℃完全转变。①奥氏体核的形成：优先在铁素体与渗碳体的交界面上形成。（能量起伏、结构起伏、浓度起伏）②奥氏体核的长大：通过渗碳体的溶解、碳原子在奥氏体中扩散以及奥氏体两侧的界面向铁素体及渗碳体的推移进行的。③剩余渗碳体的溶解：共析珠光体向奥氏体等温转变时，铁素体先期消失，此时奥氏体的平均碳含量地狱共析珠光体的碳含量，使奥氏体长大后期剩余未溶碳化物。因此，要使剩余渗碳体溶解于奥氏体，直至渗碳体完全溶解为止。④奥氏体成分的均匀化：共析珠光体恰好完