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1、第第8章章 组织转变动力学与显微组织组织转变动力学与显微组织8.1 引引 言言8.1.1 相变的分类相变的分类l按物态划分：按物态划分：液相（液相（liquid）固相（固相（solid）气相（气相（gas）l热力学分类：一级相变和高级（二级，三级，热力学分类：一级相变和高级（二级，三级，）相变，各有其热力学参数改变的特征。相变，各有其热力学参数改变的特征。l按相变机理分类：扩散型相变、无扩散型相变等按相变机理分类：扩散型相变、无扩散型相变等l相变过程：近平衡相变和远平衡相变相变过程：近平衡相变和远平衡相变8.1.1.1 物态之间的相变物态之间的相变l固相固相 液相液相（熔化）（熔化）l固相固相
2、 气相气相（升华）（升华）l液相液相 固相固相（凝固）（凝固）l液相液相 气相气相（蒸发）（蒸发）l气相气相 液相液相（凝聚）（凝聚）l气相气相 固相固相（凝聚）（凝聚）此外还有：液相此外还有：液相A 液相液相B 固相固相A 固相固相B8.1.1.2 按热力学分类按热力学分类l 一级相变一级相变 晶体的熔化、凝固、液相沉积、升华等。晶体的熔化、凝固、液相沉积、升华等。大部分的固态相变为一级相变。大部分的固态相变为一级相变。l二级相变二级相变超导态相变、磁性转变、部分无序有序转变等为二级相变。超导态相变、磁性转变、部分无序有序转变等为二级相变。8.1.1.3 按相变机理分类按相变机理分类l扩散型
3、相变扩散型相变 在在相相变变过过程程，发发生生成成份份变变化化，两两相相中中的的原原子子要要进进行行长长程程扩扩散散（如如固固溶溶体体脱脱溶溶反反应应、共共析析转转变变、沉沉淀淀析析出出反反应应等）。等）。l非扩散型相变非扩散型相变 在在相相变变过过程程，没没有有成成份份变变化化，没没有有原原子子扩扩散散，相相变变是是通通过过相相界界面面的的滑滑动动过过程程进进行行的的。新新相相的的长长大大速速度度极极快快，通通常常称称这这种种相相变变为为切切变变型型相相变变，如如马马氏氏体体相相变变、低低温温进进行的纯金属同素异构转变等。行的纯金属同素异构转变等。l半扩散型相变半扩散型相变 介介于于扩扩散散
4、型型和和非非扩扩散散型型之之间间的的扩扩散散（例例如如钢钢中中贝贝氏氏体体转变等）。转变等）。8.2 组织转变的基本特征组织转变的基本特征8.2.1 相变的本质相变的本质l相变涉及到原子排列方式的变化；相变涉及到原子排列方式的变化；l新相与旧相之间存在界面；新相与旧相之间存在界面；l相变时存在阻力；相变时存在阻力；l为了促进相变的进行，需要足够的驱动力。为了促进相变的进行，需要足够的驱动力。8.2.2 相变的驱动力（以凝固相变为例）相变的驱动力（以凝固相变为例）8.2.3 相的均匀形核相的均匀形核8.2.3.1 液相中的均匀形核液相中的均匀形核均均匀匀形形核核：在在均均一一的的液液相相中中依依
5、靠靠自自身身的的结结构构起起伏伏和和能能量量起起伏形成新相核心的过程，也称为自发形核。伏形成新相核心的过程，也称为自发形核。假设条件：固相与液相的界面能是各向同性的；假设条件：固相与液相的界面能是各向同性的；单位面积的界面能与固相尺寸无关。单位面积的界面能与固相尺寸无关。体积自由能差体积自由能差界面能界面能 过过冷冷度度 T越越大大则则r*（临临界界晶晶核核 半半 径径）和和 G*（形形核核功功）越越小小，形形核核势势垒垒越越小小，形形核核速率相对越大。速率相对越大。r*G*结结论论：形形成成临临界界晶晶核核时时，体体积积自自由由能能的的下下降降值值只只能能补补偿偿表表面面能能的的2/3，还还
6、有有1/3的的表表面面能必须从能量起伏中获得。能必须从能量起伏中获得。晶胚晶胚晶核晶核表面自由能表面自由能体积自由能体积自由能能量起伏系统的能量分布有起伏，呈正态分布形式。系统的能量分布有起伏，呈正态分布形式。能量起伏能量起伏的含义：的含义：l 在瞬时各微观体积的能量不同；在瞬时各微观体积的能量不同；l 某一微观体积不同瞬间的能量分布不同。某一微观体积不同瞬间的能量分布不同。在在具具有有高高能能量量的的微微观观区区域域形形核核，可可以以全全部部补补偿偿表表面能，使面能，使G0。结结 论：论：只只有有在在一一定定过过冷冷度度下下、在在高高能能区区、尺尺寸寸大大于于r*的的近近程程排排列列的的原原
7、子子集集团团可可以以形形成成固固相相的的稳稳定定核核心心（晶晶核核），使使系系统统吉吉布布斯斯自自由由能能降降低低，满满足足 G0的热力学条件。的热力学条件。形核功因子形核功因子原子扩散几率因子原子扩散几率因子8.2.3.2 固相中的均匀形核固相中的均匀形核体积自由能差体积自由能差界面能界面能体积应变能体积应变能 界界面面能能的的大大小小取取决决于于界界面面的的结结构构和和界界面面成成分分的的变变化化。固固态态相相变变中中形形成成的的界界面面结结构构有有三三种种形形式式，即即共共格格界界面面、半半共共格格界界面和非共格界面。面和非共格界面。固固态态相相变变中中，体体积积应应变变能能来来自自新新
8、旧旧两两相相的的比比容容差差和和界界面面结结构构两两个个因因素素。应应变变能能由由两两项项组组成成，一一项项是是由由新新相相和和旧旧相相比比容容不不同同所所产产生生的的弹弹性性应应变变能能；另另一一项项是是由由界界面面上上两两相相晶晶格格不不匹匹配而产生的弹性应变能。配而产生的弹性应变能。界界面面能能和和体体积积应应变变能能是是固固态态相相变变过过程程的的阻阻力力，但但在在不不同同条条件下，所起的主导作用不同。件下，所起的主导作用不同。l 当当新新旧旧两两相相形形成成共共格格界界面面或或半半共共格格界界面面时时，相相变变阻阻力力主主要要是体积应变能。是体积应变能。l 当新旧两相形成非共格界面时
9、，相变阻力主要是界面能。当新旧两相形成非共格界面时，相变阻力主要是界面能。8.2.4 相的非均匀形核相的非均匀形核8.2.4.1 液相中的非均匀形核液相中的非均匀形核 液液态态金金属属过过冷冷后后，主主要要的的形形核核障障碍碍是是晶晶核核的的液液固固相相界面使系统自由能升高界面使系统自由能升高。如如果果晶晶核核依依附附于于已已存存在在的的界界面面上上形形成成时时，就就有有可可能能使使界面能降低，从而使形核功降低。界面能降低，从而使形核功降低。非非均均匀匀形形核核：依依附附于于液液相相中中某某些些固固体体表表面面（外外来来夹夹杂杂表面或容器壁）上形核的过程，也称为非自发形核。表面或容器壁）上形核
10、的过程，也称为非自发形核。讨讨 论：论：l=0时时（完完全全润润湿湿），G*非非=0，固固体体表表面面相相当当于于现现成成的晶核，不需要临界形核功；（图的晶核，不需要临界形核功；（图a）l=时时（完完全全不不润润湿湿），G*非非=G*均均，固固体体表表面面对对晶晶胚成核没有促进作用；（图胚成核没有促进作用；（图c）l0 时时,0 G*非非 G*均均，非非均均匀匀形形核核需需要要的的临临界界形形核核功功小小于于均均匀匀形形核核，且且随随着着 的的减减小小而而下下降降。（图图b）铝合金铸棒的横截面组织铝合金铸棒的横截面组织 右侧的铸棒中加入了晶粒细化剂（变质剂），全部都是细的右侧的铸棒中加入了晶粒
11、细化剂（变质剂），全部都是细的等轴晶粒。等轴晶粒。8.2.4.2 固相中的非均匀形核固相中的非均匀形核 固固态态相相变变时时，各各种种晶晶体体缺缺陷陷，如如晶晶界界、位位错错、相相界界、空空位位、层层错错等等都都可可以以作作为为择择优优形形核核的的位位置置，这这些些晶晶体体缺缺陷陷本本身身具具有有较较高高的的能能量量，在在这这些些位位置置形形核核，可可以以降降低低形形核核功功，因因此此非非均均匀匀形形核核比比均均匀匀形形核核要要容容易易得得多多，固固态态相相变变时时的的形形核核通通常常是是非非均均匀形核。匀形核。l 晶界形核晶界形核 设设核核心心界界面面是是非非共共格格的的、核核心心表表面面能
12、能与与取取向向和和自自身身曲曲率率无无关关，并并忽忽略略应应变变能能，那那么么在在晶晶界界上上形形成成的的核核心心是是球球冠冠状状。这这时时在在晶晶界界上上形形成成晶晶胚胚的的能能量量变变化化 Gb为：为：形核功：形核功：临界晶核半径：临界晶核半径：l 位错形核位错形核位错促进形核的主要原因有三方面：位错促进形核的主要原因有三方面：非非共共格格形形核核时时，可可使使位位错错的的能能量量释释放放，而而使使形形核核 功减小。功减小。共共格格或或半半共共格格形形核核时时，作作为为界界面面位位错错补补偿偿两两相相界面晶格失配，使所需消耗的界面能降低。界面晶格失配，使所需消耗的界面能降低。母母相相中中溶
13、溶质质原原子子在在位位错错线线上上偏偏聚聚，形形成成柯柯氏氏气气团团，当当新新相相成成分分不不同同于于母母相相时时，溶溶质质的的偏偏聚聚则则有有利利于新相在位错线上沉淀而析出。于新相在位错线上沉淀而析出。l 空位形核空位形核 空空位位及及空空位位群群对对形形核核的的促促进进作作用用通通过过两两个个途途径径，一一是是促促进进溶溶质质原原子子的的扩扩散散，二二是是作作为为形形核核位位置置促促进进新相的沉淀析出。新相的沉淀析出。l 层错形核层错形核促进形核的原因：高能区促进形核的原因：高能区 富集溶质富集溶质8.2.5 基体析出物的内界面基体析出物的内界面8.2.5.1 共格界面共格界面 共共格格相
14、相界界面面存存在在着着一一定定的的晶晶格格畸畸变变，只只是是这这种种畸畸变变不不大，还不足以破坏其共格的形式。大，还不足以破坏其共格的形式。8.2.5.2 半共格界面半共格界面 在在界界面面上上形形成成一一系系列列刃刃型型位位错错，以以补补偿偿界界面面上上原原子子间间的不匹配性，使界面上的畸变和弹性应变能降至最低。的不匹配性，使界面上的畸变和弹性应变能降至最低。8.2.5.3 非共格界面非共格界面 两相点阵类型或点阵常数具有很大差别时易出现。两相点阵类型或点阵常数具有很大差别时易出现。界面上的晶格畸变很小，但界面能较高。界面上的晶格畸变很小，但界面能较高。表表8-18.2.6 新相的长大新相的
15、长大l 新相长大的本质：新相界面向母相的迁动过程。新相长大的本质：新相界面向母相的迁动过程。l 新相长大速率与相变类型有关：新相长大速率与相变类型有关：对对于于非非扩扩散散型型相相变变，新新相相的的长长大大速速率率通通过过原原子子协协调调的整体运动使界面迁移，速度接近声速。的整体运动使界面迁移，速度接近声速。对对于于扩扩散散型型相相变变，新新相相的的长长大大速速率率取取决决于于原原子子的的扩扩散速率。散速率。扩散型相变的特点：扩散型相变的特点：l 新相形核要求称为新相形核要求称为孕育期孕育期的一段时间，孕育时间的一段时间，孕育时间是过冷度的函数。在孕育期内测不出相变发生。是过冷度的函数。在孕育期内测不出相变发生。l 核心一旦形成，新相开始发生长大，此时新相数核心一旦形成，新相开始发生长大，此时新相数量迅速增加。量迅速增加。l 最后，由于母相将耗尽或生长相的相互接触使新最后，由于母相将耗尽或生长相的相互接触使新相生长又变慢。相生长又变慢。数学表达式：数学表达式：X=1-exp-(kt)n （式（式8-12）构造等温转变图构造等温转变图End