金属固态相变

固态相变原理

1、相变的基础理论涉及三个方面的共性问题：

1） 2） 3）

相变能否进行，相变的方向 相变进行的途径及速度

相变的结果，即相变时结构转变的特征。

分别对应相变热力学、相变动力学和相变晶体学。 相变是朝着能量降低的方向进行；

相变是选择阻力最小、速度最快的途径进行；

相变可以有不同的终态，但只有最适合结构环境的新相才易于生存下来。 2、固态相变的特殊性

（相界面、弹性应变能、位向关系与惯习面、亚稳过渡相、原子迁移率、晶体缺陷）。

固态相变除满足热力学条件外，还须获得额外能量来克服晶格改组时原子间的引力，即存在相变势垒。相变势垒由激活能决定，也与是否有外加机械应力有关。 3、相变驱动力和相变阻力

驱动力：体积自由能，来自晶体缺陷（点，线，面缺陷）的储存能。 储存能由大到小的排序：界面能，线缺陷，点缺陷。

界面能中界隅提供的能量最大，但体积分数小，界棱次之，界面最小，但体积分数最大。

相变阻力是界面能和弹性应变能。

弹性应变能与新旧相的比容差和弹性模量，及新相的几何外形有关。从能量的角度来看：共格界面的弹性应变能最大，非共格界面的界面能最大。球形新相界面能最小，但应变能最大，圆盘状新相相反，针状新相居中。 4、长大方式

新相晶核的长

固态相变原理

1、相变的基础理论涉及三个方面的共性问题：

1） 2） 3）

相变能否进行，相变的方向 相变进行的途径及速度

相变的结果，即相变时结构转变的特征。

分别对应相变热力学、相变动力学和相变晶体学。 相变是朝着能量降低的方向进行；

相变是选择阻力最小、速度最快的途径进行；

相变可以有不同的终态，但只有最适合结构环境的新相才易于生存下来。 2、固态相变的特殊性

（相界面、弹性应变能、位向关系与惯习面、亚稳过渡相、原子迁移率、晶体缺陷）。

固态相变除满足热力学条件外，还须获得额外能量来克服晶格改组时原子间的引力，即存在相变势垒。相变势垒由激活能决定，也与是否有外加机械应力有关。 3、相变驱动力和相变阻力

驱动力：体积自由能，来自晶体缺陷（点，线，面缺陷）的储存能。 储存能由大到小的排序：界面能，线缺陷，点缺陷。

界面能中界隅提供的能量最大，但体积分数小，界棱次之，界面最小，但体积分数最大。

相变阻力是界面能和弹性应变能。

弹性应变能与新旧相的比容差和弹性模量，及新相的几何外形有关。从能量的角度来看：共格界面的弹性应变能最大，非共格界面的界面能最大。球形新相界面能最小，但应变能最大，圆盘状新相相反，针状新相居中。 4、长大方式

新相晶核的长

第一章

（1）一、固态相变：（包括纯金属及合金）在温度和压力改变时，组织和结构会发生变化的统称，是以材料热处

理的基础

二、热处理定义：将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的方式冷却到室温的一种热加

工工艺。

三、按平衡状态图金属固态相变的类型分为平衡转变和不平衡转变

其变化在于三个方面：结构、成分、有序化程度（发生固态相变时，其中至少伴随这三种变化之一）： ⑴ 晶休结构的变化。如纯金属的同素异构转变、固溶体的多形性转变、马氏体转变、块状转变等； ⑵ 化学成分的变化。如单相固溶体的调幅分解；

⑶有序程度的变化。如合金的共析转变、包析转变、贝氏体转变、脱溶沉淀、有序化转变、磁性转变、超导转

变等。

四、按动力学分类(原子迁移情况、形核和长大特点

1.扩散型相变 2 非扩散型相变 3半扩散型相变

（2）一、 1、固态相变的阻力大 2、新相一般有特定的形状 3、新相与母相之间往往存在特定的位

向关系和惯习面 4 原子迁移率低，多数相变受扩散控制 5 相变时容易 产生亚稳相 6 普遍存在新相的非均与形核

二、 固态相变与

固态相变课程复习思考题2012-5-17

1.说明金属固态相变的主要分类及其形式 2.说明金属固态相变的主要特点

3.说明金属固态相变的热力学条件与作用 4.说明金属固态相变的晶核长大条件和机制 5.说明奥氏体的组织特征和性能 6.说明奥氏体的形成机制

7.简要说明珠光体的组织特征 8.简要说明珠光体的转变体制

9.简要说明珠光体转变产物的机械性能 10.简要说明马氏体相变的主要特点

11.简要说明马氏体相变的形核理论和切边模型

12.说明马氏体的机械性能，例如硬度、强度和韧性 13.简要说明贝氏体的基本特征和组织形态 14.说明恩金贝氏体相变假说 15.说明钢中贝氏体的机械性能

16.说明钢中贝氏体的组织形态

17.分析合金脱溶过程和脱溶物的结构 18.分析合金脱溶后的显微组织 19.说明合金脱溶时效的性能变化

20.说明合金的调幅分解的结构、组织和性能

21.试计算碳含量为2.11%（质量分数）奥氏体中，平均几个晶胞有一个碳原子？

固态相变理论

1.推导Johnson-Mehl方程。

设新相β在母相α中成核，并经过一段孕育期τ以后长大成球状， 新相半径：r?u(t??)

44一个新相体积：????r3??u3(t??)3

33dτ时间间隔内成核的β相数目为：VId?

?则这些新相长大到时间t时的转变体积：dVex?IVd???? ??所以不同时间内形核的β相在时间t的转变总体积：Vex ??dVex0t4??Vex??Iu3V??t???d??IVu3t4

033t?为扩张体积，重复计算 Vex①已转变的体积不能再成核

②新相长大到相互接触时，不能继续长大

?所以Vex?V?（真正的转变体积） ?为了校正Vex和V?的偏差 ?dVexdV??在dτ时间内有： ?VV?V??所以 dVexV?dV ?V?V?积分得：Vex??Vln(V?V?)?C ?初始条件：当t=0时，V??0,Vex?0

所以C?VlnV

?V?Vex??Vln??1?V????? ??V?ln??1?V???Vex?34?????Iut?V3 ???V?????1?exp??Iu3t4? V?3?

2.奥氏体形核时需要过热度△T，那么金属熔化时（S-L）,要不要过热度，为什么？

由热力学可知，在某

固态相变试卷

一、选择题(单项选择) 每题2分，共30分

1、在A,B两组元组成的置换固溶体中，若ra>rb，两组元的热力学因子FA?1???dln?dlnXAA??和?

FB?1?????之间的关系是：

dlnXB?dln?B A) FA>FB B) FA

?r??的扭距项，才能维持晶界不动。那么多晶体平

衡时，不同晶界的扭矩项是靠 A) 晶界热激活提供 B) 晶界的相互作用提供 C) 晶界上的第二相提供 D) 晶界上的杂质原子提供 8、再结晶的驱动力和晶粒长大的驱动力 A) 相同，因为是同一过程的两个阶段 B) 相同，因为它们的驱动力都是减少系统界面能 C) 不同，因为再结晶驱动力是消除晶粒中的应变能，而晶粒长大是减少界面能 D) 不同，因为再结晶的驱动力是减少晶粒的界面能，而晶粒长大是减少体积自由能 9、若?+?两相合金中，?和?之间是K-S位相关系，则?/?相界是 A) 完全共格界面 B) 由小台阶组成的复杂半共格界面 C) 由小台阶组成的非共格界面 D) 平直的半共格界面 10、Al-Ag系中GP区是球状，而Al-Cu系中GP区是层状，这是因为 A) Al-Ag系中GP区错配度?为正值,

第一章

从铁碳合金相图中知道，碳素钢在加热和冷却过程中，经过PSK（A1）线，发生珠光体向奥氏体的相互转变，经过GS（A3）线，发生铁素体向奥氏体的相互转变，经过ES（Acm）线，发生渗碳体向奥氏体的转变。所以任一含碳量的碳素钢，其在缓慢加热和冷却过程中固态组织转变的临界点，就是依据A1、A3和Acm线确定。共析钢仅有一个临界点A1，亚共析钢有两个临界点A1和A3点，过共析钢也有两个临界点A1和Acm点。A1、A3和Acm均为平衡临界点，实际转变过程不可能在平衡临界点进行，为示区别，将加热转变点以C

表示，冷却转变点以r表示。% d% a% @, g. u2 i5 `, a' P; }

开始转变

AC1——加热时 P A 温度: {8 M p5 }8 y! C/ ~

开始转变

Ar1——冷却时 A P 温度8 a# Q- s\

) {2 N1 Y/ i/ f' Q9 j& g# S# U2 f

全部转变

AC3——加热时 F A 终了温度

开始析出

Ar3——冷却时 A

固态相变的驱动力？两相自由焓之差哪些因素构成相变组里？界面能和畸变能组成 晶体缺陷对固态相变有何影响？

a晶核在晶体缺陷处形核时，缺陷能将贡献给形核功，因此，晶体通过自组织功能在晶体缺陷处优先性核。

b 晶体缺陷对形核的催化作用体现在：1、母相界面有现成的一部分，因而只需部分重建。2、原缺陷能将贡献给形核功，使形核功减小。3、界面处的扩散比晶内快的多。

4、相变引起的应变能可较快的通过晶界流变而松弛。5、溶质原子易于偏聚在晶界处，有利于提高形核率。

扩散型相变化和无扩散型相变各有哪些特征？扩散型相变：旧相原子单个地、无序地、统计地跃过相界面进入新相，改变原子邻居关系；无扩散型相变：原子经集体的协同位移进入新相，保持原子共格关系。

晶粒长大的驱动力?晶粒长大时的晶界移动方向与晶核长大时的晶界移动方向有何不同？为什么？晶核长大的驱动力是新旧相自由焓之差（再结晶晶核长大的驱动力：储存能），晶粒长大的驱动力是界面能减少（再结晶晶粒长大的驱动力：界面能）；晶核长大晶界移动方向背向曲率中心，晶粒长大时的晶界移动方向指向曲率中心；驱动力不同导致界面移动方向不同:因为相同体积下，球形的表面积最小界面能最低，最为稳定。

单晶体在滑移时为什么还发生晶体转动？晶体

《晶体缺陷及固态相变》复习资料

第一部分：晶体缺陷

晶体缺陷：晶体中原子排列的不规则性及不完整性。 晶体缺陷的种类：点缺陷、线缺陷、面缺陷。

一、点缺陷

定义：缺陷尺寸在三维方向上都很小且与原子尺寸相当的缺陷，称为点缺陷或零维缺陷（或者在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构正常排列的一种缺陷）。

1．点缺陷的类型：空位、间隙原子、异类原子。

?空位???自扩散?2．点缺陷与扩散的关系：?间隙原子

?异类原子???弥扩散?3．点缺陷对性能的影响：点缺陷的存在，使得金属的电阻增加，体积膨胀，密

度减小，使离子晶体的导电性改善。过饱和点缺陷，如淬火空位、辐照缺陷，还可以提高金属的屈服强度。

4．获得过饱和点缺陷的方法：辐照、高温淬火和冷变形加工。

二、线缺陷

1．定义：线缺陷在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长，也称为一维缺陷，如各类位错。 位错：位错是晶体排列的一种特殊组态，晶体中沿某一原子面及某一原子方向发生了某种有规律的错排现象；位错是伯氏矢量不为零的晶体缺陷。

2．位错的三种基本类型：刃型位错、螺型位错和混合位错。它们与柏氏矢量的关系：

刃型位错：柏氏矢量与位错线垂直。 螺型位错：柏氏矢量与位错线平行。

混合位

安徽工业大学固态相变考试知识点整理

1.加热时奥氏体形成和过冷奥氏体转变的动力学（TTT）曲线的基本形状？为什么？

过冷奥氏体等温转变曲线可综合反映过冷奥氏体在不同过冷度下的等温转变过程：转变开始和转变终了时间、转变产物的类型以及转变量与时间、温度之间的关系等。因其形状通常像英文字母“C”，故俗称其为C曲线，亦称为TTT图。过冷奥氏体等温转变曲线的建立由于过冷奥氏体在转变过程中不仅有组织转变和性能变化，而且有体积膨胀和磁性转变，因此可以采用膨胀法、磁性法、金相—硬度法等来测定过冷奥氏体等温转变曲线。

因为过冷奥氏体的稳定性同时由两个因素控制：一个是旧相与新相之间的自由能差ΔG；另一个是原子的扩散系数D。等温温度越低，过冷度越大，自由能差ΔG也越大，则加快过冷奥氏体的转变速度；但原子扩散系数却随等温温度降低而减小，从而减慢过冷奥氏体的转变速度。高温时，自由能差ΔG起主导作用；低温时，原子扩散系数起主导作用。处于“鼻尖”温度时，两个因素综合作用的结果，使转变孕育期最短，转变速度最大。

2.在实际相变过程中，相变发生时新相经常不是球状而是片状等一些特别的形状？

仅从界面能考虑，当界面能随取向改变而表现为各向异性时，从形核的阻力分析，新相将以片状或针状的形式从