1、西工大楊延清1西工大楊延清2 熱處理是把材料在不同的氣氛中加熱熱處理是把材料在不同的氣氛中加熱到一定溫度并保溫一段時間，然后以不到一定溫度并保溫一段時間，然后以不同的速度冷卻到室溫。在這一過程中材同的速度冷卻到室溫。在這一過程中材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)或成分發(fā)生了不同的料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)或成分發(fā)生了不同的變化，從而使材料具有不同的使用性能。變化，從而使材料具有不同的使用性能。西工大楊延清3制造工藝流程： 模鍛（或熱軋）預(yù)備熱處理（正火+不完全退火） 機械加工 最終熱處理（等溫淬火+回火）(校正吹砂) 精加工（鉸孔和磨削）低溫回火(吹砂)探傷磷化噴漆某飛機機翼主梁零件圖材料：30CrMnSiNi2A西工

2、大楊延清4重型鑿巖釬桿實習中做榔頭西工大楊延清5 1 1、各種轉(zhuǎn)變及其機理、各種轉(zhuǎn)變及其機理 加熱轉(zhuǎn)變加熱轉(zhuǎn)變(奧氏體轉(zhuǎn)變奧氏體轉(zhuǎn)變)、珠光體（、珠光體（Pearlite）轉(zhuǎn)變、）轉(zhuǎn)變、 馬氏體（馬氏體（Martensite）轉(zhuǎn)變、貝氏體（）轉(zhuǎn)變、貝氏體（Bainite）轉(zhuǎn)變、）轉(zhuǎn)變、回火轉(zhuǎn)變。回火轉(zhuǎn)變。 轉(zhuǎn)變的條件、熱力學、動力學、晶體學、組織轉(zhuǎn)變的條件、熱力學、動力學、晶體學、組織 形形 態(tài)、轉(zhuǎn)變機制、性能特點、影響因素，等態(tài)、轉(zhuǎn)變機制、性能特點、影響因素，等 2 2、各種熱處理工藝特點、各種熱處理工藝特點 工藝：退火、正火、淬火、回火、化學熱處理、特工藝：退火、正火、淬火、回火、化學熱處

3、理、特 種熱處理，等種熱處理，等 加熱溫度范圍、冷卻速度要求、得到的組織及性能加熱溫度范圍、冷卻速度要求、得到的組織及性能西工大楊延清6 繼承：掌握前人總結(jié)的規(guī)律并融會貫通。繼承：掌握前人總結(jié)的規(guī)律并融會貫通。 應(yīng)用：應(yīng)用前人所總結(jié)的規(guī)律指導(dǎo)生產(chǎn)，應(yīng)用：應(yīng)用前人所總結(jié)的規(guī)律指導(dǎo)生產(chǎn)， 解決實際問題。解決實際問題。 發(fā)展：在此基礎(chǔ)上，能創(chuàng)建新的理論、發(fā)發(fā)展：在此基礎(chǔ)上，能創(chuàng)建新的理論、發(fā) 明新的工藝、解決新的問題。即通過學明新的工藝、解決新的問題。即通過學 習，為今后的進一步發(fā)展打下基礎(chǔ)。習，為今后的進一步發(fā)展打下基礎(chǔ)。西工大楊延清7 1、認真聽課和記筆記（應(yīng)記重點、記思路）、認真聽課和記筆記（

4、應(yīng)記重點、記思路） 2、認真看書，包括教材和參考教材，學會看、認真看書，包括教材和參考教材，學會看 圖、總結(jié)條理圖、總結(jié)條理 3、多思考，可根據(jù)章節(jié)后的復(fù)習思考題進行、多思考，可根據(jù)章節(jié)后的復(fù)習思考題進行 4、按時完成作業(yè)、按時完成作業(yè) 5、注意復(fù)習涉及到的已學內(nèi)容、注意復(fù)習涉及到的已學內(nèi)容 鋼的熱處理原理和工藝鋼的熱處理原理和工藝，胡光立，胡光立 主編，西主編，西北工業(yè)大學出版社，北工業(yè)大學出版社，1993西工大楊延清8 固體材料在溫度（或壓力）改變時，會發(fā)固體材料在溫度（或壓力）改變時，會發(fā)生內(nèi)部的組織和結(jié)構(gòu)變化，即固態(tài)相變。生內(nèi)部的組織和結(jié)構(gòu)變化，即固態(tài)相變。 根據(jù)變化規(guī)律，采用特定的加

5、熱和冷卻方根據(jù)變化規(guī)律，采用特定的加熱和冷卻方法，控制相變過程，就可獲得所需的組織、結(jié)法，控制相變過程，就可獲得所需的組織、結(jié)構(gòu)和性能，并可根據(jù)性能要求開發(fā)出新材料。構(gòu)和性能，并可根據(jù)性能要求開發(fā)出新材料。可見固態(tài)相變理論是實施熱處理的理論依據(jù)和可見固態(tài)相變理論是實施熱處理的理論依據(jù)和實踐基礎(chǔ)。實踐基礎(chǔ)。西工大楊延清9 固態(tài)相變分類按熱力學分類按平衡狀態(tài) 分 類平衡相變非平衡相變一級相變一級相變二級相變二級相變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變和多形性轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變和多形性轉(zhuǎn)變平衡脫溶沉淀平衡脫溶沉淀共析轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變調(diào)幅轉(zhuǎn)變調(diào)幅轉(zhuǎn)變有序化轉(zhuǎn)變有序化轉(zhuǎn)變偽共析轉(zhuǎn)變偽共析轉(zhuǎn)變馬氏體轉(zhuǎn)變馬氏體轉(zhuǎn)變塊狀轉(zhuǎn)變塊狀轉(zhuǎn)變貝氏體

6、轉(zhuǎn)變貝氏體轉(zhuǎn)變非平衡脫溶沉淀非平衡脫溶沉淀按原子遷移分類按相變方式分類擴散相變擴散相變非擴散相變非擴散相變有核相變有核相變無核相變無核相變西工大楊延清10按熱力學分類 一級相變一級相變 相變時新舊兩相的化學位相等，但化學位的一階偏導(dǎo)不相等。PPTTTTPP已知：STPVPT所以：SS VV 西工大楊延清11一級相變的特點：一級相變的特點： 發(fā)生一級相變時，熵發(fā)生一級相變時，熵S和體積和體積V發(fā)生突變，即一發(fā)生突變，即一級相變有級相變有相變潛熱相變潛熱和和體積改變體積改變。 幾乎所有伴隨晶體結(jié)構(gòu)變化的固態(tài)相變都是一級相變。SS VV 西工大楊延清12 二級相變二級相變 相變時新舊兩相的化學位相等

7、，化學位的一階偏導(dǎo)也相等，但化學位的二階偏導(dǎo)不相等。PPTTTTPPPPTT2222TTPP2222PTPT22西工大楊延清13已知：STPTCTHTTSTPPPP122VKPVVVPVPTTT22VTVVVTVPTPP2Cp 等壓熱容，等壓熱容， K 壓縮系數(shù)，壓縮系數(shù)， 膨脹系數(shù)膨脹系數(shù)VPT所以：西工大楊延清14二級相變的特點：二級相變的特點： 相變時，SS VV 但PPCCKK 即在二級相變時，無相變潛熱和體積變化，但比熱、壓縮系數(shù)和膨脹系數(shù)發(fā)生突變。 材料的部分有序化轉(zhuǎn)變、磁性轉(zhuǎn)變和超導(dǎo)轉(zhuǎn)變屬于二級相變。西工大楊延清15按平衡狀態(tài)分類 固體材料在緩慢加熱或冷卻時得到平衡組織固體材料在

8、緩慢加熱或冷卻時得到平衡組織的相變稱為平衡轉(zhuǎn)變。的相變稱為平衡轉(zhuǎn)變。純金屬在溫度和壓力變化時，由一種晶體結(jié)純金屬在溫度和壓力變化時，由一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)的過程稱為同素異構(gòu)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)的過程稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變。 在固溶體中發(fā)生的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變稱為多形在固溶體中發(fā)生的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變稱為多形性轉(zhuǎn)變。性轉(zhuǎn)變。西工大楊延清16純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變077091213941538溫度, oC時間， min無磁性有磁性液態(tài)-Fe, bcc-Fe, fcc-Fe, bcc-Fe, bcc-Fe-Fe西工大楊延清17平衡脫溶沉淀平衡脫溶沉淀 在緩慢冷卻條件下，由過飽和固溶體

9、中在緩慢冷卻條件下，由過飽和固溶體中析出過剩相的過程稱為析出過剩相的過程稱為平衡脫溶沉淀。平衡脫溶沉淀。具有脫溶沉淀的二元平衡相圖具有脫溶沉淀的二元平衡相圖 TK + MNP西工大楊延清18平衡脫溶沉淀的平衡脫溶沉淀的特點特點 新相和母相的成分和結(jié)構(gòu)不同；新相和母相的成分和結(jié)構(gòu)不同； 母相的成分和體積分數(shù)不斷發(fā)生變化；母相的成分和體積分數(shù)不斷發(fā)生變化； 母相不消失。母相不消失。西工大楊延清19 合金在冷卻時由一個固相分解為兩個不同的合金在冷卻時由一個固相分解為兩個不同的固相的轉(zhuǎn)變稱為共析轉(zhuǎn)變。固相的轉(zhuǎn)變稱為共析轉(zhuǎn)變。 如如 + ， 鋼中鋼中+Fe3C（珠光體轉(zhuǎn)變）（珠光體轉(zhuǎn)變）K + 鋼中珠光

10、體西工大楊延清20 某些材料在高溫為均勻的單一固溶體，當冷某些材料在高溫為均勻的單一固溶體，當冷卻至某溫度時，分解為兩個與原固溶體結(jié)構(gòu)相卻至某溫度時，分解為兩個與原固溶體結(jié)構(gòu)相同、成分不同的微區(qū)的轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)幅分解。即同、成分不同的微區(qū)的轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)幅分解。即 1+ 2 Cu-33.5Ni-15Fe合金的調(diào)合金的調(diào)幅分解組織，幅分解組織， =25.4nm 775 C時效時效15min西工大楊延清21調(diào)幅分解的調(diào)幅分解的特點特點 沒有形核階段，轉(zhuǎn)變初期出現(xiàn)微區(qū)的成分沒有形核階段，轉(zhuǎn)變初期出現(xiàn)微區(qū)的成分起伏，無明顯的界面，通過上坡擴散，使成分起伏，無明顯的界面，通過上坡擴散，使成分起伏不斷增大，最終使原來

11、的單一固溶體變?yōu)槠鸱粩嘣龃?，最終使原來的單一固溶體變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)相同、成分不同的兩個相。結(jié)構(gòu)相同、成分不同的兩個相。(a)經(jīng)典的成核長大，經(jīng)典的成核長大，(b)調(diào)幅分解的成分變化示意圖調(diào)幅分解的成分變化示意圖西工大楊延清22 固溶體（包括以中間相為基的固溶體）中，各組固溶體（包括以中間相為基的固溶體）中，各組元原子在晶體點陣中的相對位置從無序變?yōu)橛行虻脑釉诰w點陣中的相對位置從無序變?yōu)橛行虻霓D(zhuǎn)變稱為有序化轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變稱為有序化轉(zhuǎn)變。 在在Cu-Zn、Cu-Au、Mn-Ni、Fe-Ni、Ti-Ni等合金等合金中可發(fā)生有序化轉(zhuǎn)變。中可發(fā)生有序化轉(zhuǎn)變。Cu+ZnCuZn西工大楊延清23 固體材料在快速

12、加熱或冷卻時，由于固體材料在快速加熱或冷卻時，由于平衡轉(zhuǎn)變得到抑制，可能得到某些在相平衡轉(zhuǎn)變得到抑制，可能得到某些在相圖上不能反映的非平衡（或亞穩(wěn)）組織圖上不能反映的非平衡（或亞穩(wěn)）組織的轉(zhuǎn)變稱為非平衡轉(zhuǎn)變。的轉(zhuǎn)變稱為非平衡轉(zhuǎn)變。西工大楊延清24 以較快速度冷卻時，以較快速度冷卻時，非非共析成分共析成分的奧氏體被過冷的奧氏體被過冷到圖中的影線區(qū)，將到圖中的影線區(qū)，將同時同時析出鐵素體和滲碳體。這析出鐵素體和滲碳體。這種轉(zhuǎn)變過程和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物類種轉(zhuǎn)變過程和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物類似于共析轉(zhuǎn)變，但轉(zhuǎn)變產(chǎn)似于共析轉(zhuǎn)變，但轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中鐵素體和滲碳體的比物中鐵素體和滲碳體的比值不是定值，而是隨著奧值不是定值，而是隨著奧氏體

13、碳含量的變化而變化，氏體碳含量的變化而變化，所以稱為偽共析轉(zhuǎn)變。所以稱為偽共析轉(zhuǎn)變。Fe-Fe3C相圖左下角相圖左下角GSEP西工大楊延清25西工大楊延清26對純鐵或低碳鋼，在一定冷速下，對純鐵或低碳鋼，在一定冷速下， 相或奧氏體相或奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之有相同的成分而形態(tài)呈塊狀的轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之有相同的成分而形態(tài)呈塊狀的 相。塊相。塊狀新相的長大通過狀新相的長大通過原子短程擴散原子短程擴散使新、母相間的使新、母相間的非共格界面的熱激活遷移非共格界面的熱激活遷移而實現(xiàn)。塊狀轉(zhuǎn)變產(chǎn)物而實現(xiàn)。塊狀轉(zhuǎn)變產(chǎn)物在在形態(tài)上和界面結(jié)構(gòu)上形態(tài)上和界面結(jié)構(gòu)上與馬氏體不同。與馬氏體不同。 塊狀轉(zhuǎn)變在有色合金如塊狀轉(zhuǎn)變在有色合

14、金如Cu-Zn、Cu-Ga、Cu-Al中也存在。中也存在。Cu-38.7wt%Zn合金中，在合金中，在 晶界處晶界處形成的塊狀形成的塊狀 相相。西工大楊延清27在鋼中，當奧氏體過冷到珠光體和馬氏體轉(zhuǎn)在鋼中，當奧氏體過冷到珠光體和馬氏體轉(zhuǎn)變之間的溫度范圍，變之間的溫度范圍，F(xiàn)e原子不能擴散原子不能擴散，C尚有尚有一定擴散能力一定擴散能力，此時發(fā)生了一種不平衡轉(zhuǎn)變，此時發(fā)生了一種不平衡轉(zhuǎn)變，稱為稱為貝氏體轉(zhuǎn)變貝氏體轉(zhuǎn)變（或中溫轉(zhuǎn)變）。轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也（或中溫轉(zhuǎn)變）。轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也是是 相與碳化物的混合物，但相與碳化物的混合物，但 相的碳含量和形相的碳含量和形態(tài)以及碳化物的形態(tài)和分布均與珠光體不同，態(tài)以及碳化

15、物的形態(tài)和分布均與珠光體不同，稱為稱為貝氏體貝氏體。 在有色合金及其陶瓷材料中均可能發(fā)生貝氏在有色合金及其陶瓷材料中均可能發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。體轉(zhuǎn)變。西工大楊延清28K合金自合金自T溫度快冷，新相來不及析出，冷溫度快冷，新相來不及析出，冷到室溫就得到過飽和的到室溫就得到過飽和的 固溶體。若在低于固固溶體。若在低于固溶度曲線的某一溫度等溫，由于原子尚有一定溶度曲線的某一溫度等溫，由于原子尚有一定擴散能力，過飽和擴散能力，過飽和 固溶體會發(fā)生分解，逐漸固溶體會發(fā)生分解，逐漸析出新相。但在析出的初期，新相的結(jié)構(gòu)和成析出新相。但在析出的初期，新相的結(jié)構(gòu)和成分均與平衡脫溶沉淀相有所不同。這種相變稱分均與平衡

16、脫溶沉淀相有所不同。這種相變稱為為非平衡脫溶沉淀非平衡脫溶沉淀（或（或時效時效）。）。Al-Cu合金中，析出慣序：合金中，析出慣序：GP 區(qū)、區(qū)、 、 、 (CuAl2) TKMNPT + T1 西工大楊延清29GPGP區(qū)高分辨Z襯度像High-resolution Z-contrast micrograph of GP zone in Al-3at.%Ag aged for 3min at 180C.西工大楊延清30按原子遷移分類 擴散性相變擴散性相變 相變時，相界面的移動是通過原子的近程或遠程擴散而進行的相變?yōu)閿U散性相變，也稱為非協(xié)非協(xié)同型相變同型相變。 只有當溫度足夠高，原子活動能力足夠

17、強時，才能發(fā)生擴散性相變。溫度越高，原子活動能力越強，擴散距離就越遠。 如同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、多形性轉(zhuǎn)變、脫溶轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變、調(diào)幅分解、有序化轉(zhuǎn)變等。西工大楊延清31 擴散性相變的基本特點：擴散性相變的基本特點： 1、相變過程有原子的擴散，相變速率受原子擴散速率所控制。 2、新相和母相成分往往不同。 3、只有因新相和母相比容不同引起的體積變化，沒有宏觀形狀改變。西工大楊延清32 非擴散性相變非擴散性相變 相變過程中原子不發(fā)生擴散，參與轉(zhuǎn)變的所有原子的運動是協(xié)調(diào)一致的。也稱為協(xié)同型相變協(xié)同型相變或切變型相變切變型相變。 非擴散性相變原子僅作有規(guī)則的遷移以使點陣發(fā)生改組，遷移時，相鄰原子相對移動距離不超

18、過一個原子間距，相鄰原子的相對位置保持不變。西工大楊延清33非擴散性相變的基本特點：非擴散性相變的基本特點： 1、存在由于均勻切變引起的宏觀形狀改變，在預(yù)先制備的拋光試樣表面上出現(xiàn)浮突現(xiàn)象。 2、相變不需要擴散，新相和母相成分相同。 3、新相和母相之間存在一定的晶體學位向關(guān)系。 4、某些材料發(fā)生非擴散相變時，相界面移動速度極快，可接近聲速。西工大楊延清34按相變方式分類 有核相變有核相變 有核相變是通過形核長大的方式進行的。 新相晶核可在母相中均勻形成，也可在母相的某些有利部位優(yōu)先形成。 新相晶核形成后不斷長大使相變得以完成。 新相和母相之間有相界面隔開 大部分的固態(tài)相變屬于有核相變。西工大楊

19、延清35 無核相變無核相變 無核相變沒有形核階段，以固溶體中的成分起伏為開端，形成高濃度區(qū)和低濃度區(qū)，但二者之間沒有明顯的界面，成份由高濃度區(qū)逐漸過渡到低濃度區(qū)。 以后依靠上坡擴散侍濃度差逐漸增大，最后導(dǎo)致由一個單相固溶體分解成為成分不同而點陣結(jié)構(gòu)相同的以共格界面聯(lián)系的兩個相。如即為無核相變。西工大楊延清36三方面的變化：三方面的變化：結(jié)構(gòu)變化結(jié)構(gòu)變化同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、多型性轉(zhuǎn)變、馬氏同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、多型性轉(zhuǎn)變、馬氏體轉(zhuǎn)變、塊狀轉(zhuǎn)變體轉(zhuǎn)變、塊狀轉(zhuǎn)變成分變化成分變化調(diào)幅分解調(diào)幅分解有序化程度變化有序化程度變化有序化轉(zhuǎn)變有序化轉(zhuǎn)變 共析轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變、脫溶沉淀等既有共析轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變、脫溶沉淀等既有

20、。 同一種材料在不同的條件下可發(fā)生不同的同一種材料在不同的條件下可發(fā)生不同的相變，從而具有不同的組織和性能。相變，從而具有不同的組織和性能。西工大楊延清37 固態(tài)相變的驅(qū)動力為新相和母相的自由能差，固態(tài)相變的驅(qū)動力為新相和母相的自由能差，通過形核和長大來實現(xiàn)（除調(diào)幅分解外），遵通過形核和長大來實現(xiàn)（除調(diào)幅分解外），遵循結(jié)晶的一般規(guī)律，但有其特點：循結(jié)晶的一般規(guī)律，但有其特點： 一、相界面一、相界面界面能界面能 二、應(yīng)變能二、應(yīng)變能 三、兩相間具有晶體學關(guān)系三、兩相間具有晶體學關(guān)系 四、晶體缺陷的作用四、晶體缺陷的作用 五、形成過渡相五、形成過渡相 六、擴散較難六、擴散較難相變阻力西工大楊延清3

21、8 固態(tài)相變時新相與母相的界面是兩種固態(tài)相變時新相與母相的界面是兩種晶體的界面。根據(jù)界面上兩相原子在晶晶體的界面。根據(jù)界面上兩相原子在晶體學上的匹配程度可分為共格界面、半體學上的匹配程度可分為共格界面、半共格界面和非共格界面。具有一定的界共格界面和非共格界面。具有一定的界面能。面能。 西工大楊延清39（一）共格界面（一）共格界面 界面上的原子所占位置恰好是兩相點陣的共界面上的原子所占位置恰好是兩相點陣的共有位置，兩相在界面上的原子可以一對一的互相有位置，兩相在界面上的原子可以一對一的互相匹配。由于兩相點陣總有一定差別，或點陣參數(shù)匹配。由于兩相點陣總有一定差別，或點陣參數(shù)不同，要完全共格，必將在

22、界面附近產(chǎn)生彈性應(yīng)不同，要完全共格，必將在界面附近產(chǎn)生彈性應(yīng)變能。變能。西工大楊延清40（二）半共格界面（二）半共格界面 兩相界面上原子間距的相對差值，即錯配兩相界面上原子間距的相對差值，即錯配度度 越大，彈性應(yīng)變能越大。達到一定程度時，越大，彈性應(yīng)變能越大。達到一定程度時，難以維持完全共格，在界面上產(chǎn)生一些刃型位難以維持完全共格，在界面上產(chǎn)生一些刃型位錯，以補償錯配，使彈性應(yīng)變能降低。界面上錯，以補償錯配，使彈性應(yīng)變能降低。界面上兩相原子變?yōu)椴糠制ヅ?，故稱為兩相原子變?yōu)椴糠制ヅ洌史Q為半共格界面。半共格界面。aaa西工大楊延清41（三）非共格界面（三）非共格界面 當兩相界面處的原子排列差別很

23、大，即錯配當兩相界面處的原子排列差別很大，即錯配度很大時度很大時 ( 0.25)，原子的匹配關(guān)系不能維持，原子的匹配關(guān)系不能維持，這種界面為非共格界面。這種界面為非共格界面。西工大楊延清42（四）界面能（四）界面能 由于界面處的原子鍵合被切斷或被削由于界面處的原子鍵合被切斷或被削弱，引起的能量升高。不同結(jié)構(gòu)的界面弱，引起的能量升高。不同結(jié)構(gòu)的界面具有不同的界面能：具有不同的界面能： 共格界面的界面能最小共格界面的界面能最小 (0-200mJ/m2) 半共格界面次之半共格界面次之(200-500mJ/m2) 非共格界面的界面能最高非共格界面的界面能最高 (500-1000mJ/m2)西工大楊延清

24、43（一）共格應(yīng)變能（一）共格應(yīng)變能 固態(tài)相變時新、母相界面上的原子要強制固態(tài)相變時新、母相界面上的原子要強制實行匹配，以建立共格或半共格關(guān)系，在界實行匹配，以建立共格或半共格關(guān)系，在界面附近必然產(chǎn)生面附近必然產(chǎn)生彈性應(yīng)變能彈性應(yīng)變能，或稱為，或稱為共格應(yīng)共格應(yīng)變能。變能。 共格應(yīng)變能以共格界面最大共格應(yīng)變能以共格界面最大 半共格界面次之半共格界面次之 非共格界面最小非共格界面最小西工大楊延清44（二）比容差應(yīng)變能（二）比容差應(yīng)變能 新相和母相比容不同，所以新相形成時的新相和母相比容不同，所以新相形成時的體積變化要受到母相的約束而產(chǎn)生彈性應(yīng)變能，體積變化要受到母相的約束而產(chǎn)生彈性應(yīng)變能，稱為比

25、容差應(yīng)變能稱為比容差應(yīng)變能Es 比容差應(yīng)變能與新比容差應(yīng)變能與新相的形狀有關(guān)相的形狀有關(guān): 圓盤狀新相的最小圓盤狀新相的最小 針狀次之針狀次之 球狀新相的最大球狀新相的最大西工大楊延清45固態(tài)相固態(tài)相變阻力變阻力界面能界面能應(yīng)變能應(yīng)變能共格應(yīng)變能共格應(yīng)變能比容差應(yīng)變能比容差應(yīng)變能 過冷度大過冷度大，新相的臨界晶核尺寸小，單位體積的，新相的臨界晶核尺寸小，單位體積的新相的表面積大，界面能增大并居主要地位。兩相界新相的表面積大，界面能增大并居主要地位。兩相界面易取面易取共格共格方式以降低界面能，但會引起應(yīng)變能的增方式以降低界面能，但會引起應(yīng)變能的增加，新相傾向形成盤（片）狀，以降低應(yīng)變能加，新相傾

26、向形成盤（片）狀，以降低應(yīng)變能。 過冷度小過冷度小，臨界晶核尺寸大，界面能不起主導(dǎo)作，臨界晶核尺寸大，界面能不起主導(dǎo)作用。易形成用。易形成非共格非共格界面，以降低應(yīng)變能。若兩相的比界面，以降低應(yīng)變能。若兩相的比容差較小，則新相傾向于形成球狀以降低界面能，若容差較小，則新相傾向于形成球狀以降低界面能，若兩相的比容差較大，新相傾向于形成針狀以兼顧降低兩相的比容差較大，新相傾向于形成針狀以兼顧降低界面能和比容差應(yīng)變能。界面能和比容差應(yīng)變能。西工大楊延清46（一）慣習面（一）慣習面 新相往往在母相一定的晶面族上形成，這新相往往在母相一定的晶面族上形成，這種晶面稱為慣習面。在該面上，新相和母相的種晶面稱

27、為慣習面。在該面上，新相和母相的原子排列相近，能較好的匹配，有助于減少兩原子排列相近，能較好的匹配，有助于減少兩相間的界面能。相間的界面能。 例如，低碳鋼中馬氏體的慣習面為例如，低碳鋼中馬氏體的慣習面為111 西工大楊延清47（二）位向關(guān)系（二）位向關(guān)系 兩相中保持平行關(guān)系的晶面和晶向。兩相中保持平行關(guān)系的晶面和晶向。 固態(tài)相變中，常以低指數(shù)、原子密度大且固態(tài)相變中，常以低指數(shù)、原子密度大且彼此匹配較好的晶面和晶向互相平行，以減少彼此匹配較好的晶面和晶向互相平行，以減少界面能。界面能。 例如鋼中發(fā)生馬氏體相變，具有例如鋼中發(fā)生馬氏體相變，具有K-S關(guān)系：關(guān)系： 111 / 110 ； / 西工

28、大楊延清48 新相和母相間為共格或半共格界面，新相和母相間為共格或半共格界面，兩相間必然有一定的晶體學位向關(guān)系。兩相間必然有一定的晶體學位向關(guān)系。 但有一定位向關(guān)系的，并非都具有共但有一定位向關(guān)系的，并非都具有共格或半共格界面。格或半共格界面。 無一定位向關(guān)系的必定為非共格界面。無一定位向關(guān)系的必定為非共格界面。西工大楊延清49點缺陷：點缺陷：空位空位線缺陷：線缺陷：位錯（刃型位錯、螺型位錯）位錯（刃型位錯、螺型位錯）面缺陷：面缺陷：晶界、亞晶界等晶界、亞晶界等 提高形核率。缺陷周圍存在有畸變能，相提高形核率。缺陷周圍存在有畸變能，相變時可釋放出來作為部分相變驅(qū)動力，因變時可釋放出來作為部分相

29、變驅(qū)動力，因 此新此新相常在缺陷處優(yōu)先形核。相常在缺陷處優(yōu)先形核。 對晶核的生長和組元的擴散有促進作用。對晶核的生長和組元的擴散有促進作用。西工大楊延清50 過渡相也稱為中間亞穩(wěn)相，其成分或結(jié)構(gòu)，或者成過渡相也稱為中間亞穩(wěn)相，其成分或結(jié)構(gòu)，或者成分和結(jié)構(gòu)二者都處于新相和母相之間。分和結(jié)構(gòu)二者都處于新相和母相之間。母相自由能高自由能高非共格界面非共格界面晶體結(jié)構(gòu)差異大晶體結(jié)構(gòu)差異大界面能大、形核功大界面能大、形核功大新相自由能最低自由能最低 過渡相自由能低自由能低共格或半共格界面共格或半共格界面結(jié)構(gòu)或成分接近結(jié)構(gòu)或成分接近界面能小、形核功小界面能小、形核功小西工大楊延清51 固體中原子的擴散速率

30、遠遠低于液體固體中原子的擴散速率遠遠低于液體中原子的擴散，所以擴散速率對固態(tài)相中原子的擴散，所以擴散速率對固態(tài)相變影響很大。變影響很大。母相母相新相新相成分不同成分不同某些組元的擴散某些組元的擴散西工大楊延清52核胚：核胚：母相中與新相成分、結(jié)構(gòu)相近的微區(qū)母相中與新相成分、結(jié)構(gòu)相近的微區(qū)晶核：晶核：超過某一臨界尺寸的核胚，能穩(wěn)定存在并超過某一臨界尺寸的核胚，能穩(wěn)定存在并自發(fā)長大自發(fā)長大均勻形核：均勻形核：晶核在母相中無擇優(yōu)的任意分布晶核在母相中無擇優(yōu)的任意分布非均勻形核：非均勻形核：晶核在母相中某些區(qū)域擇優(yōu)的不均晶核在母相中某些區(qū)域擇優(yōu)的不均勻分布勻分布西工大楊延清53均勻形核時，系統(tǒng)自由能的

31、總變化：均勻形核時，系統(tǒng)自由能的總變化： G=- gVV+ S+EV=- GV+ GS+ GE 與液固相變相比，多了一項與液固相變相比，多了一項 GE，相變阻力大，相變阻力大，相變更加困難。相變更加困難。 G系統(tǒng)自由能總變化系統(tǒng)自由能總變化 V新相體積新相體積 gV單位體積新相與母相的自由能差單位體積新相與母相的自由能差 新相與母相間單位面積界面能新相與母相間單位面積界面能 E新相單位體積應(yīng)變能新相單位體積應(yīng)變能 相變驅(qū)動力相變驅(qū)動力相變阻力相變阻力西工大楊延清54固態(tài)相變均勻形核的臨界晶核形成功：固態(tài)相變均勻形核的臨界晶核形成功：22316*EgGv比較：液固相變的臨界晶核形成功比較：液固相

32、變的臨界晶核形成功:可見：可見： G固固* G液液 *22316*vgG固態(tài)相變均勻形核的形核率：固態(tài)相變均勻形核的形核率：kTGQNN*exp與液固相變相比，由于固態(tài)相變的激活能與液固相變相比，由于固態(tài)相變的激活能Q大，大， G*高，所以高，所以固態(tài)相變均勻形核的形核率小得多。固態(tài)相變均勻形核的形核率小得多。西工大楊延清55 固態(tài)相變主要依賴非均勻形核，母相中的缺陷固態(tài)相變主要依賴非均勻形核，母相中的缺陷可以作為形核位置?？梢宰鳛樾魏宋恢谩?非均勻形核時，系統(tǒng)自由能的總變化：非均勻形核時，系統(tǒng)自由能的總變化： G=- gVV+ S+EV- G d - G d表示表示非均勻形核由于晶體缺陷消失

33、而釋非均勻形核由于晶體缺陷消失而釋放的能量，放的能量， 相變驅(qū)動力變?yōu)椋合嘧凃?qū)動力變?yōu)椋? gVV- G d西工大楊延清56（一）空位（一）空位 加速擴散過程加速擴散過程 釋放自身的能量提供形核驅(qū)動力釋放自身的能量提供形核驅(qū)動力 空位群可凝聚成位錯而促進形核空位群可凝聚成位錯而促進形核西工大楊延清57（二）位錯（二）位錯 新相在位錯線上形核，位錯線消失而釋放新相在位錯線上形核，位錯線消失而釋放的能量作為形核驅(qū)動力的能量作為形核驅(qū)動力 位錯線不消失，依附在新相界面上構(gòu)成半位錯線不消失，依附在新相界面上構(gòu)成半共格界面的位錯，使應(yīng)變能降低共格界面的位錯，使應(yīng)變能降低 溶質(zhì)原子在位錯線上偏聚，含量增高

34、，易溶質(zhì)原子在位錯線上偏聚，含量增高，易于滿足新相形成的成分條件于滿足新相形成的成分條件 位錯線作為擴散的短路通道，降低擴散激位錯線作為擴散的短路通道，降低擴散激活能，加速形核過程活能，加速形核過程 位錯可分解為擴展位錯，其層錯部分作為位錯可分解為擴展位錯，其層錯部分作為新相核胚而有利于形核新相核胚而有利于形核西工大楊延清58FVariant 1Variant 4EDCBA001Al 010Al FFT for S precipitate F20.5002S020S002Al020Al在Al-Cu-Mg合金的位錯線上形成的S相（Al2CuMg）西工大楊延清59（三）晶界（三）晶界 大角晶界的界

35、面能高，在晶界形核可使界大角晶界的界面能高，在晶界形核可使界面能釋放并作為相變驅(qū)動力，從而降低形核功。面能釋放并作為相變驅(qū)動力，從而降低形核功。 新相往往與某一晶粒形成共格或半共格界新相往往與某一晶粒形成共格或半共格界面，以降低界面能，常是平直界面；與另一晶面，以降低界面能，常是平直界面；與另一晶粒構(gòu)成非共格界面，具有球冠狀的形態(tài)。粒構(gòu)成非共格界面，具有球冠狀的形態(tài)。西工大楊延清60500 nm500 nm(a)(b)500 nm在Al-Cu-Mg合金的晶界上形成的S相（Al2CuMg）西工大楊延清61 新相晶核的長大實質(zhì)上是界面向母相方向新相晶核的長大實質(zhì)上是界面向母相方向的遷移。界面遷移的

36、機制與新相成核時出現(xiàn)的的遷移。界面遷移的機制與新相成核時出現(xiàn)的界面性質(zhì)界面性質(zhì) (共格、半共格或非共格共格、半共格或非共格) 有關(guān)。有關(guān)。 實際上，宏觀的界面幾乎不可能是完全共實際上，宏觀的界面幾乎不可能是完全共格的，通常所見的相界面不是格的，通常所見的相界面不是半共格半共格就是就是非共非共格格。西工大楊延清62（一）半共格界面的遷移（一）半共格界面的遷移 1、切變長大、切變長大 （協(xié)同型長大，位移式長大）（協(xié)同型長大，位移式長大） 晶核的長大通過半共格界面上母相一側(cè)原子以晶核的長大通過半共格界面上母相一側(cè)原子以切變的方式來完成的，大量原子有規(guī)則的沿某切變的方式來完成的，大量原子有規(guī)則的沿某一

37、方向作小于一個原子間距的遷移，并保持各一方向作小于一個原子間距的遷移，并保持各原子間原有的相鄰關(guān)系不變。也稱為原子間原有的相鄰關(guān)系不變。也稱為無擴散型無擴散型相變相變，如馬氏體相變。，如馬氏體相變。切變造成的協(xié)同型長大切變造成的協(xié)同型長大西工大楊延清63 2、界面位錯運動、界面位錯運動 如果界面位錯（刃型位錯）的如果界面位錯（刃型位錯）的柏氏矢量平柏氏矢量平行于相界面行于相界面，則界面移動時位錯必須攀移，實，則界面移動時位錯必須攀移，實際上阻礙界面移動。際上阻礙界面移動。 西工大楊延清64 若位錯的若位錯的柏氏矢量與界面呈一定的角度柏氏矢量與界面呈一定的角度，則界，則界面就能滑動。這時位錯的滑

38、移面必須在界面兩側(cè)面就能滑動。這時位錯的滑移面必須在界面兩側(cè)連續(xù)，但不一定要求平行。任一個滑動位錯都使連續(xù)，但不一定要求平行。任一個滑動位錯都使滑移面上部的點陣相對于滑移面的下部點陣發(fā)生滑移面上部的點陣相對于滑移面的下部點陣發(fā)生相當于位錯柏氏矢量大小的切動。按同樣方法，相當于位錯柏氏矢量大小的切動。按同樣方法，在滑移面上的位錯滑動后，使原點陣在滑移面上的位錯滑動后，使原點陣(如如 相相)切變切變成為成為 結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。西工大楊延清653、臺階生長機制、臺階生長機制 界面位錯（刃型位錯）的柏氏矢量平行于界面位錯（刃型位錯）的柏氏矢量平行于相界面，但是，如相界面形成相界面，但是，如相界面形成生長臺階

39、生長臺階，臺階，臺階側(cè)面為非共格，母相（側(cè)面為非共格，母相（ ）中的原子通過擴散）中的原子通過擴散使臺階側(cè)向長大，其效果相當于界面向上遷移，使臺階側(cè)向長大，其效果相當于界面向上遷移，使新相（使新相（ ）長大。）長大。臺階機制長大示意圖臺階機制長大示意圖西工大楊延清66（二）非共格界面的遷移（二）非共格界面的遷移 在許多情況下，新相與母相間呈非共格界在許多情況下，新相與母相間呈非共格界面，界面處原子排列紊亂，形成無規(guī)則排列的面，界面處原子排列紊亂，形成無規(guī)則排列的過渡薄層。過渡薄層。西工大楊延清67 這種界面上原子的移動不是協(xié)同的，這種界面上原子的移動不是協(xié)同的，即無一定先后順序，相對位移距離不

40、等，即無一定先后順序，相對位移距離不等，其相鄰關(guān)系也會變化。這種界面可在任其相鄰關(guān)系也會變化。這種界面可在任何位置接收或輸出原子，隨母相原子不何位置接收或輸出原子，隨母相原子不斷向新相轉(zhuǎn)移，界面本身便沿其法向推斷向新相轉(zhuǎn)移，界面本身便沿其法向推進，從而使新相逐漸長大。進，從而使新相逐漸長大。 臺階長大和非共格界面的遷移造成的臺階長大和非共格界面的遷移造成的相變都是擴散型相變。相變都是擴散型相變。西工大楊延清68 新相長大速度取決于界面遷移速度。對于新相長大速度取決于界面遷移速度。對于 無無擴散型相變，界面遷移是通過點陣切變完成的，擴散型相變，界面遷移是通過點陣切變完成的，不需要原子擴散，長大速

41、度很高。對于擴散型不需要原子擴散，長大速度很高。對于擴散型相變，界面遷移需要借助于原子的擴散，故新相變，界面遷移需要借助于原子的擴散，故新相長大速度較低。相長大速度較低。 擴散型相變中新相長大的兩種情況：擴散型相變中新相長大的兩種情況： 1、新相形成時無成分變化，只有原子的短、新相形成時無成分變化，只有原子的短程擴散。程擴散。 2、新相形成時有成分變化，長大需要通過、新相形成時有成分變化，長大需要通過溶質(zhì)原子的長程擴散溶質(zhì)原子的長程擴散西工大楊延清69（一）無成分變化的新相長大（一）無成分變化的新相長大 由母相由母相 轉(zhuǎn)變?yōu)橥煞值男孪噢D(zhuǎn)變?yōu)橥煞值男孪?，新相長大，新相長大可看作是相界面的遷

42、移，其實質(zhì)是兩相界面附可看作是相界面的遷移，其實質(zhì)是兩相界面附近的原子的短程擴散。當母相中的原子通過短近的原子的短程擴散。當母相中的原子通過短程擴散越過界面進入新相時，便導(dǎo)致相界面向程擴散越過界面進入新相時，便導(dǎo)致相界面向新相中遷移，使新相長大。長大速度受界面擴新相中遷移，使新相長大。長大速度受界面擴散（短程擴散）所控制。散（短程擴散）所控制。西工大楊延清70 以以 g表示表示 相中一個原相中一個原子越過相界面跳到子越過相界面跳到 相所相所需的激活能，振動原子中需的激活能，振動原子中能夠具有這一激活能的概能夠具有這一激活能的概率為：率為： g g G位置位置原子在兩相中的自由能以原子在兩相中的

43、自由能以及越過相界面的激活能及越過相界面的激活能 原子的振動頻率為原子的振動頻率為 o，則則 相的原子能跳到相的原子能跳到 相相上的頻率上的頻率 為：為：表明單位時間中有表明單位時間中有 個原子從個原子從 相跳到相跳到 相上去相上去kTgexpkTgexp0西工大楊延清71 同理，同理， 相中的原子也可跳到相中的原子也可跳到 相上去，所需的激活能相上去，所需的激活能為為 g+ g， g為為 與與 相間的自由能差。則相間的自由能差。則 相中相中的原子跳到的原子跳到 相上去的頻率為：相上去的頻率為：kTggexp0表明單位時間中有表明單位時間中有 個原子從個原子從 相跳到相跳到 相上去。相上去。則

44、原子從則原子從 相中跳到相中跳到 相上去的凈頻率為：相上去的凈頻率為： = - 若原子跳動一次的距離為若原子跳動一次的距離為 ，當界面上有一層原子從，當界面上有一層原子從 相中跳到相中跳到 相，相， 相便增厚相便增厚 ，則，則長大速度長大速度為：為：kTgkTguexp1exp0西工大楊延清72 當當過冷度很小過冷度很小時，時， g 0，根據(jù)近似計，根據(jù)近似計算，算，ex 1+x（當（當|x|很小時），所以：很小時），所以：kTgkTg1exp則：則：kTgTgkuexp0 可見，可見，當過冷度很小時當過冷度很小時，新相長大速度與新、母，新相長大速度與新、母相間的自由能差（即相變驅(qū)動力）成正比

45、。實際上，相間的自由能差（即相變驅(qū)動力）成正比。實際上，兩相間的自由能差是過冷度或溫度的函數(shù)，所以兩相間的自由能差是過冷度或溫度的函數(shù)，所以新新相長大速度隨溫度的降低而增大。相長大速度隨溫度的降低而增大。西工大楊延清73 當當過冷度很大過冷度很大時，時， g kT，使，使0expkTg則：則：kTguexp0可見，當可見，當過冷度很大過冷度很大時，新相長大速度時，新相長大速度隨隨溫度的降低呈指數(shù)函溫度的降低呈指數(shù)函數(shù)減小。數(shù)減小。 在整個相變溫度在整個相變溫度范圍內(nèi)，新相長大速范圍內(nèi)，新相長大速度隨溫度降低呈先增度隨溫度降低呈先增后減的規(guī)律后減的規(guī)律新相長大速度與溫度的關(guān)系新相長大速度與溫度的

46、關(guān)系uTukTgexpkTg西工大楊延清74（二）有成分變化的新相長大（二）有成分變化的新相長大 對于新相成分改變的相變，新相的長大需要有溶對于新相成分改變的相變，新相的長大需要有溶質(zhì)原子的長程擴散，長大速度受擴散所控制。質(zhì)原子的長程擴散，長大速度受擴散所控制。 情況情況 1 新相新相 中溶質(zhì)原子濃度中溶質(zhì)原子濃度C 低于母相低于母相 中的中的濃度濃度C 情況情況 2 新相新相 中溶質(zhì)原子濃度中溶質(zhì)原子濃度C 高于母相高于母相 中的中的濃度濃度C 新相生長過程中溶質(zhì)原子的濃度分布新相生長過程中溶質(zhì)原子的濃度分布Cxx(t) C C C uCxx(t)C C C u 西工大楊延清75 新相新相 和母相和母相 在相界面上處于平衡的濃度在相界面上處于平衡的濃度分別為分別為C 和和C 。C 高于（情況高于（情況1）或低于（情）或低于（情況況2）母相）母相 中的濃度中的濃度C ，在界面附近的母相在界面附近的母相中形成濃度梯度，引起母相中溶質(zhì)原子的擴散，中形成濃度梯度，引起母相中溶質(zhì)原子的擴散，以降低濃度差，擴散的結(jié)果破壞了相界面上的以降低濃度差，擴散的結(jié)果破壞了相界面上的濃度平衡。為了恢復(fù)相界面上的濃度平衡，必濃度平衡。為了恢復(fù)相界面上的濃度平衡，必須通過相間擴散，使新相長大。須通過相