材料科学与工程专业《金属热处理原理及工艺》课件-第二章__金属固态相变基础

第三节

金属固态相变基础

3.1 金属固态相变概述 3.2 金属固态相变热力学

3.3 金属固态相变的形核3.4 金属固态相变的长大 3.5 金属固态相变动力学

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3.1 金属固态相变概述

相：体系中具有相同成分、结构和性质的均匀部 分称为相，不同相之间有明显的界面分开。 相变：随外界条件的变化(温度),体系中新相取

代旧相的过程。固态相变：固态金属及合金在温度及压力改变时， 组织及结构发生的变化金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT 本章首页 上一页 下一页 返 回

金属固态相变主要特点1.相界面特殊(新相和母相间存在不同的界面)

(1)共格界面新、旧相的晶体结构、点阵常数相同；或有差异但存 在一组特定晶体学平面可使两相原子之间产生完全匹配。

旧相新相

特点：界面能小，弹性畸变能大金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT 本章首页 上一页 下一页 返 回

1. 相界面特殊(新相和母相间存在不同的界面)(2)半共格界面 新、旧相之间存在少量位错，除此之外的晶体结构 和点阵常数均能使两相原子之间产生完全匹配。 小(<0.05),共格关系 新、旧相间错配度 δ=|αβ-αα|/αα 大(0.05-025).,半共格关系

很大(>0.25),非共格关系

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1. 相界面特殊(新相和母相间存在不同的界面)(3)非共格界面 新、旧相界面处原子排列差别很大,两原子之间匹 配关系不再维持,为非共格界面。

特点：界面能大，弹性畸变能小金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT 本章首页 上一页 下一页 返 回

界面能：非共格>半共格>共格

弹性畸变能：非共格<半共格<共格

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a

D

共格相界

a 半共格相界

非共格相界

半共格相界上位错间距取决于相界处两相匹配晶面的 错配度。

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金属固态相变主要特点2. 新旧相之间存在一定位向关系与惯习面 新、旧相之间存在一定位向关系,并且新相往往 在旧相的一定晶面上开始形成,这个晶面称为惯习面.

惯习面和位向关系的区别： 惯习面指母相的某一主平面； 位向关系指新相的某些晶面、晶向∥旧相的某些晶 面、晶向若两相间为(半)共格界面 若无取向关系→

→

有取向关系

必为非共格界面

降低界面能和应变能以减小相变阻力是惯习现象出现的原因。金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT 本章首页 上一页 下一页 返 回

金属固态相变主要特点3.

相变阻力大 (

弹性应变能作用) 相界面上原子强制匹配引起的弹性应变能 共格>半共格>非共格

新、旧相比容差弹性应变能 弹性应变能和界面能共同构成金属发生固态相 变的阻力

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新相形状与弹性应变能之间关系金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT 本章首页 上一页 下一页 返 回

金属固态相变主要特点4.易出现过渡相(降低形核功) 在有些情况下，固态相变不能直接形成自由能最低 的稳定相，而是经过一系列的中间阶段，先形成一系 列自由能较低的过渡相(又称中间亚稳相),然后在 条件允许时才形成自由能最低的稳定相.相变过程可 以写成： 母相 ―→ 较不稳定过渡相 ―→ 较稳定过渡相 ―→稳定相 应特别指出：温度越低时，固态相变的上述特点 越显著。 过渡相的出现有利于减小固态相变的阻力。 如：铁碳合金中γ分解时 γ→M → α+Fe3C Fe3C→Fe+C M,Fe3C为过渡相金属热处理原理及工艺 , SMSE,CUMT 本章首页 上一页 下一页 返 回

金属固态相变主要特点5.母相晶体缺陷的促进作用(提供驱动力) 晶态固体中的空位、位错、晶界等缺陷周 围因点阵畸变而储存一定的畸变能。新相极易 在这些位置非均匀形核。它们对晶核的长大过 程也有一定的影响。 通常，固态相变时，母相中晶体缺陷起促 进作用。新相优先在晶体缺陷处形核。

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金属固态相变主要特点6. 原子的扩散(原子迁移率低) 固态相变中，成分的改变必须通过组元的扩 散才能完成，此时扩散成为相变的控制因素，而 固态金属中原子的扩散系数，即使在熔点附近也 仅为液态的十万分之一，所以固态相变的转变速 率很慢，可以有很大的过冷度。随着温度降低， 过冷度增大，形核率增高，相变驱动力增大，但 同时原子扩散系数降低。这一对矛盾运动的结果， 就有可能使相变后得到的组织变细。

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金属固态相变主要特点1. 相界面特殊 (不同类型，具有不同界面能和应变能) 2.新旧相之间存在一定位向关系与惯习面 3. 相变阻力大(弹性应变能作用) 4. 易于形成过渡相 (降低形核功) 5. 母相晶体缺陷对相变起促进作用 (提供驱动力) 6. 原子的扩散(扩散控制相变过程)

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