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1、第一节第一节 固态相变总论固态相变总论固体材料的组织固体材料的组织、结构在温度结构在温度、压力压力、成分改变时所成分改变时所发生的转变统称为固态相变发生的转变统称为固态相变。固态相变的定义：固态相变的定义：材料科学研究中的固态相变主要是指温度改变而产材料科学研究中的固态相变主要是指温度改变而产生的相变生的相变。固态相变主要包括下列三种基本变化固态相变主要包括下列三种基本变化:晶体结构的变化晶体结构的变化化学成分的变化化学成分的变化有序程度的变化有序程度的变化一种相变可同时包括一种一种相变可同时包括一种、两种或三种变化两种或三种变化。1 1.相界面相界面（1）共格界面共格界面一一、固态相变的特点
2、固态相变的特点大多数固态相变是通过形核和长大完成的大多数固态相变是通过形核和长大完成的，驱动力同样驱动力同样是新相和母相的自由焓之差是新相和母相的自由焓之差。阻力阻力:界面能和应变能界面能和应变能固态相变固态相变中中，新新旧两相之间总是要形成界面的旧两相之间总是要形成界面的。根据根据界面结构可分为以下几种界面界面结构可分为以下几种界面:两相点阵结构相同两相点阵结构相同、点阵常数相等点阵常数相等,或是晶体结构和点阵常数虽或是晶体结构和点阵常数虽有差异有差异,但但两相存在一组特定的结晶学平面可使原子间产生完全两相存在一组特定的结晶学平面可使原子间产生完全匹配匹配。共格界面十分少见共格界面十分少见,
3、两相在界面上的原子总会有失配两相在界面上的原子总会有失配,失配可籍助界面上原子的横向应变得到调整失配可籍助界面上原子的横向应变得到调整,使两相使两相仍维持共格关系仍维持共格关系弹性应变共格弹性应变共格。界面上原子失配界面上原子失配大小用大小用错配度错配度 表示表示,a 和和a 分别表示新旧两相沿平行于界面晶向上的原子分别表示新旧两相沿平行于界面晶向上的原子间距间距。愈大愈大,造成的界面上造成的界面上弹性应变能弹性应变能愈大愈大。aaa（2）半共格界面半共格界面当当 大到不能借助于弹性应变保持界面上的共格关系大到不能借助于弹性应变保持界面上的共格关系时，某些时，某些界面区域的失配可借助于形成位错
4、来调整界面区域的失配可借助于形成位错来调整。这样这样就使得界面上的原子部分共就使得界面上的原子部分共格，此格，此即即半共格界面半共格界面或叫或叫部分部分共格界面共格界面。（3）非共格界面非共格界面新新相粒子在母相基体上将完全是杂乱取向相粒子在母相基体上将完全是杂乱取向的，的，弹性弹性应应变变仅由新旧两相的仅由新旧两相的比体积差比体积差造成造成。三种界面错配度三种界面错配度 和界面能的大致范围和界面能的大致范围界面结构界面结构共格界面共格界面半共格界面半共格界面非共格界面非共格界面错配度0.050.050.25界面能0.1J/m20.5J/m21.0J/m22.界面能界面能固固-固固两相界面能远
5、比两相界面能远比液液-固固两相界面能两相界面能高。高。界面能界面能=化学能化学能+点阵畸变能点阵畸变能 形成形成新相界面时，因同类键、异类键的结合强度和新相界面时，因同类键、异类键的结合强度和数数量变化量变化引起的引起的化学能化学能，主要与化学键的数量和强度，主要与化学键的数量和强度有有关，与化学成分关，与化学成分有关。有关。是是由界面原子的不匹配产生的由界面原子的不匹配产生的点阵畸变能点阵畸变能(应变能应变能)。共格界面共格界面能能 半共格界面能半共格界面能 非共格界面能非共格界面能。3.应变能应变能=共格共格应变能应变能+体积应变能体积应变能 新新相与母相建立界面相与母相建立界面时，由于时
6、，由于相界面原子排列的差异引起弹性应相界面原子排列的差异引起弹性应变能变能。这种弹性应变能通常归入界面能这种弹性应变能通常归入界面能，以共格界面的，以共格界面的最大，半最大，半共格界面共格界面弹性应变能弹性应变能次之，非共格界面次之，非共格界面弹性应变能弹性应变能为为零，但零，但非共非共格界面的格界面的化学能最大化学能最大,因此因此表面能表面能非共格界面非共格界面最大最大。由于由于新相和母相新相和母相比体积比体积往往不同往往不同,新相形成时的体积变化会受到周新相形成时的体积变化会受到周围母相的约束围母相的约束,也会引起也会引起弹性应变能弹性应变能体积应变能体积应变能或比或比体积差体积差应变应变
7、能能。这种由比体积引起的应变能的大小还与新相几何形状。这种由比体积引起的应变能的大小还与新相几何形状有关。有关。固态相变时的应变能和界面上化学能成为相变的阻力固态相变时的应变能和界面上化学能成为相变的阻力。共。共格和半格和半共格新相晶核形成时的相变阻力主要是应变能共格新相晶核形成时的相变阻力主要是应变能；非；非共格新相晶核共格新相晶核形成时的相变阻力主要是化学能形成时的相变阻力主要是化学能。在在非共格界面情况非共格界面情况下下，由，由新、旧新、旧两相两相比体积差引起的应变能比体积差引起的应变能(相相对值对值)与新相几何形状的关系。与新相几何形状的关系。可见，可见，圆盘圆盘形新相引起的形新相引起
8、的比体积比体积差应变能差应变能最小最小(c/a1)，而，而球状球状最大最大(c/a=l)。4.取向关系取向关系 固态相变固态相变中中，常常以低指数以低指数、原子密度大且彼此匹原子密度大且彼此匹配较佳的配较佳的晶面互相晶面互相平行平行，借以借以减小新相与母相之减小新相与母相之间的界面能间的界面能。界面界面结构为共格或半共格时结构为共格或半共格时，新相与母相之间必新相与母相之间必须存在一定的晶体学取向关系须存在一定的晶体学取向关系，反之不成立反之不成立。非共格界面非共格界面两相之间没有确定的位向两相之间没有确定的位向关系关系。5.惯习面惯习面固态相变时新相往往在母相的一定晶面族的晶面上固态相变时新
9、相往往在母相的一定晶面族的晶面上形成，这种形成，这种晶面称为晶面称为惯习惯习面，面，并并经常以母相的晶面经常以母相的晶面指数表示。指数表示。6.晶体缺陷晶体缺陷晶态固体中的空位、位错、晶界等缺陷周围因点阵晶态固体中的空位、位错、晶界等缺陷周围因点阵畸变而储存一定的畸变而储存一定的畸变能畸变能。新相极易在这些位置。新相极易在这些位置非非均匀形核均匀形核。它们对晶核的长大过程也有一定影响。它们对晶核的长大过程也有一定影响。GTGTppGpGpTT1.按热力学分类按热力学分类根据相变前后热力学函数的变化特征，可将根据相变前后热力学函数的变化特征，可将相变分为一相变分为一级相变和二级相变及高级相变级相
10、变和二级相变及高级相变。二、固态相变的分类二、固态相变的分类一级相变一级相变:由由相转变为相转变为相时相时，G=G，i=i，但自由焓的一但自由焓的一阶偏导数不相等，称为一级相变。阶偏导数不相等，称为一级相变。i为为i组元的化学位组元的化学位 pGTSTGpV因为因为所以所以SS,VV一级相变有体积和熵的突变一级相变有体积和熵的突变，表明表明相变伴随着体积的相变伴随着体积的膨胀或收缩，潜热的放出或吸收膨胀或收缩，潜热的放出或吸收。大多数相变均为一。大多数相变均为一级相变。级相变。V0，S0二级相变：二级相变：若相变时，若相变时，GG，i=i，并且自由焓的一阶偏导数，并且自由焓的一阶偏导数也相等，
11、但自由焓的二阶偏导数不相等，称为二级相变。也相等，但自由焓的二阶偏导数不相等，称为二级相变。GpGpTTGTGTpp2222GTGTpp2222GpGpTT22GT pGT p 22 pppGTSTcT22 TGpV2 GT pV由于由于其中其中；称为材料的称为材料的压缩系数压缩系数；称称为材料的为材料的热膨胀系数热膨胀系数，cp是是等压热容等压热容。二级相变时无体积效应和热效应，材料的压缩系数、热二级相变时无体积效应和热效应，材料的压缩系数、热膨胀系数及比定压热容均有突变。膨胀系数及比定压热容均有突变。磁性转变、有序无序转变多为二级相变。磁性转变、有序无序转变多为二级相变。1()VVPT1(
12、)VVTP高级高级相变：相变：若相变时两相的自由焓相等，其一阶、二阶偏导数连续，若相变时两相的自由焓相等，其一阶、二阶偏导数连续，但三阶偏导数不连续时称为三级相变。但三阶偏导数不连续时称为三级相变。依此类推，自由焓的依此类推，自由焓的(n-1)阶偏导数连续，阶偏导数连续，n阶偏导数不阶偏导数不连续时称为，连续时称为，n级相变级相变。n2的相变称为高级相变的相变称为高级相变。但高级相变极少。但高级相变极少。扩散型扩散型相变相变：相变依靠原子相变依靠原子(或离子或离子)的扩散来的扩散来进行。进行。温度温度足够高，原子足够高，原子(或离子或离子)活动能力足够强时，才能活动能力足够强时，才能发生扩散型
13、相变。发生扩散型相变。脱溶沉淀、调幅分解、共析转变等脱溶沉淀、调幅分解、共析转变等2.按原子迁移情况分类按原子迁移情况分类扩散型相变扩散型相变,非扩散型相变非扩散型相变非扩散型非扩散型相变：相变：原子原子(或离子或离子)仅作有规则的迁移使点仅作有规则的迁移使点阵发生改组。迁移时，相邻原子相对移动距离不超过阵发生改组。迁移时，相邻原子相对移动距离不超过原子间距，相邻原子的相对位置保持不变。原子间距，相邻原子的相对位置保持不变。马氏体马氏体转变转变固态相变不一定都属于单纯的固态相变不一定都属于单纯的扩散型或扩散型或非扩散型非扩散型。如如贝氏体相变贝氏体相变过程中既有原子的扩散，也具有非扩过程中既有
14、原子的扩散，也具有非扩散型相变的特征。块状转变也有类似情况。散型相变的特征。块状转变也有类似情况。3.按相变方式分类按相变方式分类有核相变和无核相变有核相变和无核相变 相变通过相变通过形核形核-长大长大两个阶段进行的称为两个阶段进行的称为有核相变有核相变，新相与母相之间有明锐的界面新相与母相之间有明锐的界面隔开。隔开。相变相变通过扩散偏聚方式进行的称为通过扩散偏聚方式进行的称为无核相变无核相变。调幅调幅分解即属此类分解即属此类。4.按相变过程特点分类按相变过程特点分类一一、平衡平衡相变相变(一一)同素异构转变和多形性转变同素异构转变和多形性转变(二二)平衡脱溶沉淀平衡脱溶沉淀(三三)共析转变共析转变(四四)调幅调幅(或增幅或增幅)分解分解(五五)有序化转变有序化转变二二、非平衡相变非平衡相变(一一)伪共析转变伪共析转变(二二)马氏体转变马氏体转变(三三)块状转变块状转变(四四)贝氏体转变贝氏体转变(五五)不平衡脱溶沉淀不平衡脱溶沉淀