固態(tài)相變

第一講參考書(shū)目

康煜平主編《金屬固態(tài)相變及應(yīng)用》，化學(xué)工業(yè)出版社，2007

徐洲等主編《金屬固態(tài)相變?cè)怼?，科學(xué)出版社，2004

崔忠圻主編《金屬學(xué)與熱處理》，機(jī)械工業(yè)出版社，1983戚正風(fēng)主編《金屬熱處理原理》，機(jī)械工業(yè)出版社，1987

趙連成主編《金屬熱處理原理》，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1987

夏立芳主編《熱處理工藝學(xué)》，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1996

劉宗昌主編《金屬固態(tài)相變教程》，冶金工業(yè)出版社，2004

安運(yùn)錚主編《熱處理工藝學(xué)》，機(jī)械工業(yè)出版社，1988G.克勞斯主編《鋼的熱處理原理》，冶金工業(yè)出版社，1987本章要點(diǎn)金屬固態(tài)相變的主要類型與分類平衡轉(zhuǎn)變與非平衡轉(zhuǎn)變；按不同方式對(duì)相變進(jìn)行分類(熱力學(xué)、原子移動(dòng)機(jī)制、相變方式)固態(tài)相變的一般特征位向關(guān)系、關(guān)西面及彈性應(yīng)變能的概念；母相晶體缺陷對(duì)相變機(jī)制的影響；形核與長(zhǎng)大均勻形核、晶界形核與位錯(cuò)形核；影響形核的因素；擴(kuò)散生長(zhǎng)與滑移生長(zhǎng)影響生長(zhǎng)的因素相變熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)相（phase）

什么是相？

物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)完全相同且均勻的部分。

相與相之間有分界面，可用機(jī)械的方法將它們分開(kāi)。系統(tǒng)中存在的相可以是穩(wěn)定的、亞穩(wěn)的或不穩(wěn)定的。系統(tǒng)在某一熱力學(xué)條件下，只有當(dāng)能量具有最小值的相才是最穩(wěn)定的。系統(tǒng)的熱力學(xué)條件改變時(shí)，自由能會(huì)發(fā)生變化，相的結(jié)構(gòu)也相應(yīng)發(fā)生變化。金屬固態(tài)相變概論

Solid-StateTransformation金屬固態(tài)相變概論

固態(tài)相變：金屬或陶瓷等固態(tài)材料在溫度和壓力改變時(shí)，其內(nèi)部組織或結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，即發(fā)生從一種相狀態(tài)到另一種相狀態(tài)的改變。相變前的相狀態(tài)稱為舊相或母相，相變后的相狀態(tài)稱為新相。控制相變過(guò)程獲得預(yù)期的組織，具有預(yù)期的性能。最常用手段：熱處理固態(tài)相變分類按相變熱力學(xué)（一級(jí)相變、二級(jí)相變、高級(jí)相變）一級(jí)相變：相變時(shí)新舊兩相的化學(xué)勢(shì)相等，但化學(xué)勢(shì)的一級(jí)偏微商不等。設(shè)α代表舊相，β代表新相，μ為化學(xué)勢(shì)、T為溫度、P為壓力，則有：在一級(jí)相變時(shí)，熵S和體積V將發(fā)生不連續(xù)變化，即一級(jí)相變有相變潛熱和體積改變。材料的凝固、熔化、升華以及同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變等均屬于一級(jí)相變。幾乎所有伴隨晶體結(jié)構(gòu)變化的固態(tài)相變都是一級(jí)相變。二級(jí)相變相變時(shí)新舊兩相的化學(xué)勢(shì)相等，且化學(xué)勢(shì)的一級(jí)偏微商也相等，但化學(xué)勢(shì)的二級(jí)偏微商不等的相變稱為二級(jí)相變。相變時(shí)，Sα＝Sβ；Vα＝Vβ；CPα≠CPβ；Kα≠Kβ；λα≠λβ即在二級(jí)相變時(shí)，無(wú)相變潛熱和體積改變，只有比熱CP、壓縮系數(shù)K和膨脹系數(shù)λ的不連續(xù)變化。材料的部分有序化轉(zhuǎn)變、磁性轉(zhuǎn)變以及超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變均屬于二級(jí)相變。在臨界溫度，臨界壓力時(shí)，一階，二階偏導(dǎo)數(shù)相等，而三階偏導(dǎo)數(shù)不相等的相變成為三級(jí)相變。實(shí)例：量子統(tǒng)計(jì)愛(ài)因斯坦玻色凝結(jié)現(xiàn)象為三級(jí)相變。依次類推，自由焓的n-1階偏導(dǎo)連續(xù)，n階偏導(dǎo)不連續(xù)時(shí)稱為高級(jí)相變。二級(jí)以上的相變稱為高級(jí)相變，一般高級(jí)相變很少，大多數(shù)相變?yōu)榈图?jí)相變。

高級(jí)相變按轉(zhuǎn)變條件（平衡狀態(tài)）分類平衡轉(zhuǎn)變、非平衡轉(zhuǎn)變一、平衡相變(equilibriumtransformation)

固態(tài)金屬---緩慢加熱或冷卻---獲得符合相圖的平衡組織1.同素異構(gòu)（allotropic）轉(zhuǎn)變純金屬：溫度和壓力改變時(shí)----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(guò)程------Fe、Ti、Co、Sn所有70余種金屬元素中只有12種金屬元素具有多種晶型，而其余的非金屬元素中只有兩種元素具有多種晶型。2.多形性轉(zhuǎn)變固溶體中一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)的過(guò)程---FA3平衡脫溶轉(zhuǎn)變高溫過(guò)飽和固溶體緩慢冷卻過(guò)程中析出第二相的過(guò)程特點(diǎn)：(a)新相的成分和結(jié)構(gòu)始終與母相的不同；(b)母相不會(huì)消失。鋼在冷卻時(shí)，由奧氏體析出二次滲碳體的過(guò)程

可發(fā)生脫溶轉(zhuǎn)變的合金4.共析（eutectoid）轉(zhuǎn)變一個(gè)固相分解為兩個(gè)不同的固相γ→特點(diǎn)：生成的兩個(gè)相的成分和結(jié)構(gòu)與原母相不同5.調(diào)幅（spinodal)分解一種固溶體分解為結(jié)構(gòu)相同，而成分明顯不同的微區(qū)，→12

特點(diǎn)：轉(zhuǎn)變初期，無(wú)明顯界面和成分突變，隨后通過(guò)上坡擴(kuò)散溶質(zhì)再分配，富溶質(zhì)原子1與貧溶質(zhì)原子2。如Al-Zn、Al-Cu、Fe-Cr等合金。6.有序化轉(zhuǎn)變固溶體中，各組元的相對(duì)位置從無(wú)序→有序轉(zhuǎn)變過(guò)程。如Cu-Zn，Cu-Au，Mn-Ni，Ti-Ni等合金。7.包析轉(zhuǎn)變：兩個(gè)固相合并轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)固相的轉(zhuǎn)變過(guò)程?！Ｈ鏔e-B，Mg-Zn，Cu-Sn系合金。

1：

+→

2：

+→

非平衡轉(zhuǎn)變

(non-equilibriumtransformation)快速加熱或冷卻----平衡轉(zhuǎn)變受到抑制----發(fā)生某些在相圖上不能反映的不平衡（亞穩(wěn)）組織。這種轉(zhuǎn)變?nèi)耘c狀態(tài)圖密切相關(guān)。鐵碳合金中的非平衡轉(zhuǎn)變1.偽共析(pseudo-eutectoid)轉(zhuǎn)變由成分偏離共析成分的過(guò)冷固溶體形成的貌似共析體的組織轉(zhuǎn)變（珠光體轉(zhuǎn)變）。組成相的相對(duì)量由A的碳含量而變。Fe-C相圖的偽共析區(qū)2.馬氏體(martensite)轉(zhuǎn)變：無(wú)擴(kuò)散的共格切變型相變。結(jié)構(gòu)：成分與A相同。在Cu合金，Ti合金及其無(wú)機(jī)非金屬材料中發(fā)現(xiàn)了馬氏體轉(zhuǎn)變。實(shí)際上，鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生在比T0約低250℃的Ms點(diǎn)發(fā)生。3.塊狀(massive)轉(zhuǎn)變冷卻速度不夠快-----形成相的形狀是不規(guī)則的塊，與母相的成分相同、與母相的界面是非共格的，轉(zhuǎn)變時(shí)新相與舊相交界面處原子有短程距離擴(kuò)散。在Fe-C，Cu-Zn，Cu-Ga合金中存在。非平衡轉(zhuǎn)變4.貝氏體(bainite)轉(zhuǎn)變存在于珠光體轉(zhuǎn)變與馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍之間。有碳原子擴(kuò)散而鐵原子不擴(kuò)散的不平衡轉(zhuǎn)變。其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也是相和碳化物的混合物，稱為貝氏體，但形態(tài)和分布與珠光體不同。有優(yōu)異的強(qiáng)度和突出的韌性。5.不平衡脫溶沉淀(non-equilibriumpricipitation)

在不平衡狀態(tài)下，過(guò)飽和固溶體中析出新相的轉(zhuǎn)變。平衡析出相和非平衡析出相的成分和結(jié)構(gòu)均不同。非平衡轉(zhuǎn)變按原子遷移特征分類擴(kuò)散型相變非擴(kuò)散型相變擴(kuò)散型相變相變時(shí)，相界面的移動(dòng)是通過(guò)原子近程或遠(yuǎn)程擴(kuò)散而進(jìn)行的相變。如同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、多晶型轉(zhuǎn)變，脫溶型相變、共析型相變、調(diào)幅分解和有序化轉(zhuǎn)變等等。特點(diǎn)：（1）相變過(guò)程中有原子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，相變速率受原子擴(kuò)散速度所控制；（2）新相和母相的成分往往不同；（3）只有因新相和母相比容不同而引起的體積變化，沒(méi)有宏觀形狀改變。非擴(kuò)散型相變相變過(guò)程中原子不發(fā)生擴(kuò)散，參與轉(zhuǎn)變的所有原子的運(yùn)動(dòng)是協(xié)調(diào)一致的相變稱為非擴(kuò)散型相變，也稱為“協(xié)同型”轉(zhuǎn)變。非擴(kuò)散型相變時(shí)原子僅作有規(guī)則的遷移以使點(diǎn)陣發(fā)生改組。遷移時(shí)，相鄰原子相對(duì)移動(dòng)距離不超過(guò)一個(gè)原子間距，相鄰原子的相對(duì)位置保持不變。實(shí)際上，非擴(kuò)散型相變是在足夠快的冷卻速度下(即淬火)由于原子沒(méi)有時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散型相變引起的。特點(diǎn)：（1）存在由于均勻切變引起的宏觀形狀改變，可在預(yù)先制備的拋光試樣表面上出現(xiàn)浮突現(xiàn)象（2）相變不需要通過(guò)擴(kuò)散，新相和母相的化學(xué)成分相同。（3）新相和母相之間存在一定的晶體學(xué)位向關(guān)系。（4）某些材料發(fā)生非擴(kuò)散相變時(shí)，相界面移動(dòng)速度極快，可接近聲速。半擴(kuò)散型相變固態(tài)相變不一定都屬于單純的擴(kuò)散型或非擴(kuò)散型。按相變方式分類有核相變：通過(guò)形核-長(zhǎng)大方式進(jìn)行的。新相晶核可以在母相中均勻形成，也可以在母相中某些有利部位優(yōu)先形成。大部分的固態(tài)相變均屬于有核相變無(wú)核相變：相變時(shí)沒(méi)有形核階段,以固溶體中的成分起伏為開(kāi)端，通過(guò)成分起伏形成高濃度區(qū)和低濃度區(qū)，但兩者之間沒(méi)有明顯的界限，成分由高濃度區(qū)連續(xù)過(guò)渡到低濃度區(qū)。以后依靠上坡擴(kuò)散使?jié)舛炔钪饾u增大，最后導(dǎo)致由一個(gè)單相固溶體分解成為成分不同而點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)相同的以共格界面相聯(lián)系的兩個(gè)相。如調(diào)幅分解。1、結(jié)構(gòu)：同素異構(gòu)、多形性、馬氏體、塊狀轉(zhuǎn)變、2、成分：調(diào)幅分解3、有序化程度：有序化轉(zhuǎn)變4、結(jié)構(gòu)和成分：貝氏體轉(zhuǎn)變、共析、脫溶沉淀相變過(guò)程的實(shí)質(zhì)注意同一種材料在不同條件下可發(fā)生不同的相變，從而獲得不同的組織和性能。共析碳鋼平衡轉(zhuǎn)變:珠光體組織，硬度約為HRC23；快速冷卻:馬氏體組織，硬度達(dá)HRC60以上。A1-4%Cu合金平衡組織:抗拉強(qiáng)度僅為150MPa；不平衡脫溶沉淀:抗拉強(qiáng)度可達(dá)350MPa。由此可見(jiàn)，通過(guò)改變加熱與冷卻條件，使之發(fā)生某種轉(zhuǎn)變繼而獲得某種組織，則可在很大程度上改變材料的性能。金屬固態(tài)相變的一般特征

大多數(shù)固態(tài)相變（除調(diào)幅分解）都是通過(guò)形核和長(zhǎng)大過(guò)程完成的。因此，液態(tài)結(jié)晶理論及其基本概念原則上仍適用于固態(tài)相變。但是，由于相變是在“固態(tài)”這一特定條件下進(jìn)行的，固態(tài)晶體的原子呈有規(guī)則排列，并具有許多晶體缺陷，因此，固態(tài)相變具有許多不同于液態(tài)結(jié)晶過(guò)程的特點(diǎn)。金屬固態(tài)相變的一般特征主要特點(diǎn)：相界面兩相間的晶體學(xué)關(guān)系（慣習(xí)面和取向關(guān)系）應(yīng)變能晶體缺陷形成過(guò)渡相原子的遷移率相變驅(qū)動(dòng)力和相變阻力形核+長(zhǎng)大固態(tài)相變的主要特點(diǎn)

一、相界面(interphaseboundary)1.共格(coherent)界面兩相在界面上的原子可以一對(duì)一的相互匹配。在理想的共格界面條件下（如孿晶界），其彈性應(yīng)變能和界面能都接近于零。實(shí)際上，兩相點(diǎn)陣總有一定的差別，或者點(diǎn)陣類型不同，或者點(diǎn)陣參數(shù)不同，因此兩相界面完全共格時(shí)，相界面附近必將產(chǎn)生彈性應(yīng)變。第一類共格和第二類共格

兩相之間的共格關(guān)系依靠正應(yīng)變來(lái)維持時(shí)，稱為第一類共格（圖a）。兩相之間的共格關(guān)系以切應(yīng)變來(lái)維持時(shí)，稱為第二類共格（圖b）。兩者的晶界兩側(cè)都有一定的晶格畸變。共格界面的特點(diǎn)

一般來(lái)說(shuō)，共格界面的特點(diǎn)是界面能較小，但因界面附近有畸變，所以彈性應(yīng)變能較大。共格界面必須依靠彈性畸變來(lái)維持，當(dāng)新相不斷長(zhǎng)大而使共格界面的彈性應(yīng)變能增大到一定程度時(shí)，可能超過(guò)母相的屈服極限而產(chǎn)生塑性變形，使共格關(guān)系遭到破壞。

錯(cuò)配度

若以aα

和aβ

分別表示兩相沿平行于界面的晶向上的原子間距，在此方向上的兩相原子間距之差以Δa=|aβ-aα|表示，則錯(cuò)配度δ為:2、半共格(semi-coherent)界面當(dāng)錯(cuò)配度δ增大到一定程度時(shí)，便難以繼續(xù)維持完全的共格關(guān)系，于是在界面上將產(chǎn)生一些刃型位錯(cuò)，以補(bǔ)償原子間距差別過(guò)大的影響，使界面彈性應(yīng)變能降低。此時(shí)，界面上的兩相原子變成部分保持匹配，故稱為半共格（或部分共格）界面。半共格界面是由共格區(qū)和非共格區(qū)相間組成。一維錯(cuò)配可以在不產(chǎn)生長(zhǎng)程應(yīng)變場(chǎng)的情況下用一組刃型位錯(cuò)來(lái)補(bǔ)償，這組刃型位錯(cuò)的間距D可表示為在界面上除了位錯(cuò)核心部分以外，其他地方幾乎完全匹配，位錯(cuò)核心部分的結(jié)構(gòu)是嚴(yán)重扭曲的，點(diǎn)陣面不連續(xù)。3、非共格(incoherent)界面

當(dāng)兩相界面處的原子排列差異很大，即錯(cuò)配度δ很大時(shí)，兩相原子之間的匹配關(guān)系便不再維持，這種界面稱為非共格界面。非共格界面上可以存在刃型位錯(cuò)，螺型位錯(cuò)和混合型位錯(cuò)，其結(jié)構(gòu)與大角晶界相似，系由原子不規(guī)則排列的很薄的過(guò)渡層所構(gòu)成。錯(cuò)配度與界面的關(guān)系

一般認(rèn)為：（1）錯(cuò)配度為0，理想共格（2）錯(cuò)配度小于0.05時(shí)兩相可以構(gòu)成完全的共格界面（3）錯(cuò)配度大于0.25時(shí)易形成非共格界面（4）錯(cuò)配度介于0.05～0.25之間，易形成半共格界面相界面(interphaseboundary)界面能界面能：界面上原子排列的不規(guī)則性將導(dǎo)致界面能的升高，因此非共格界面能最高，半共格界面次之，共格界面能最低。兩相界面有吸附溶質(zhì)原子的作用，溶質(zhì)原子在晶格中存在時(shí)會(huì)引起晶格畸變而產(chǎn)生晶格應(yīng)變能，而當(dāng)溶質(zhì)原子在界面處分布時(shí)，則會(huì)使界面應(yīng)變能降低。

二、兩相間的晶體學(xué)關(guān)系慣習(xí)面（habitplane）：針狀新相的長(zhǎng)軸或片狀新相的主平面常平行于母相的某一晶面，或者說(shuō)新相在母相一定晶面族上形成，用母相的晶面指數(shù)表示。如高碳鋼中透鏡馬氏體的主平面與奧氏體的{225}或{259}平行原因：減小兩相的界面能對(duì)組織影響：由于一個(gè)晶面族包括若干在空間互成一定角度的晶面，故沿慣習(xí)面形成的針狀及片狀新相將成一定角度或相互平行。位向關(guān)系：慣習(xí)面存在表明新相與母相存在一定晶體學(xué)位向關(guān)系。因?yàn)閮上嗟木w各自相對(duì)于慣習(xí)面的位向關(guān)系是確定的，彼此間位向關(guān)系確定：兩相的某些低指數(shù)晶向和某些低指數(shù)晶面相互平行。例如，低碳鋼發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，馬氏體總是在奧氏體的{111}上形成，{110}

//{111}

，<111>//<110>

新相與母相間為共格或半共格界面時(shí)，兩相間必然存在一定的晶體學(xué)位向關(guān)系；兩相間無(wú)一定的位向關(guān)系，則其界面必定為非共格的。存在晶體學(xué)位向關(guān)系，未必具有共格或半共格界面，因?yàn)樾孪嘣陂L(zhǎng)大過(guò)程中，其界面的共格性已被破壞。(000)(020)(200)M23C6(200)(020)M23C6

鎳基高溫合金碳化物選區(qū)電子衍射M23C6碳化物與基體在晶體學(xué)上有取向關(guān)系，即：{100}M23C6//{100}<100>M23C6//<100>三、應(yīng)變能(elasticstrainenergy)固態(tài)相變時(shí)，因新相和母相的比容不同可能發(fā)生體積變化。但由于受到周?chē)赶嗟募s束，新相不能自由脹縮，新相與周?chē)赶嘀g必將產(chǎn)生彈性應(yīng)變和應(yīng)力，使系統(tǒng)額外增加了一項(xiàng)彈性應(yīng)變能。另外，兩相界面上的不匹配也產(chǎn)生彈性應(yīng)變能。彈性應(yīng)變能：新相與母相間存在點(diǎn)陣錯(cuò)配和體積錯(cuò)配時(shí)引起的應(yīng)變能點(diǎn)陣錯(cuò)配：兩相在界面上原子間距不同，在共格界面附近產(chǎn)生應(yīng)變能，稱為共格應(yīng)變能，共格界面最大，半共格界面次之，非共格界面為零。體積錯(cuò)配：新相和母相的比體積不同，新相受到周?chē)赶嗟募s束以致不能自由脹縮，產(chǎn)生比體積差應(yīng)變能。彈性應(yīng)變能與界面能一樣，對(duì)相變起阻礙作用。(a)、(b)：新相與母相共格，但點(diǎn)陣常數(shù)不同，從而產(chǎn)生點(diǎn)陣錯(cuò)配(c)、(d)：新相與母相非共格，而比體積不同，產(chǎn)生體積錯(cuò)配新相形狀與相對(duì)應(yīng)變能的關(guān)系

若新相具有和母相相同的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和近似的點(diǎn)陣常數(shù)，則新相可以與母相形成低能量的共格界面。此時(shí)，新相將成針狀，以保持共格界面，使界面能保持最低。若新相與母相的晶體結(jié)構(gòu)不同，這時(shí)新相與母相之間可能存在一個(gè)共格或半共格界面，其它面則是高能的非共格界面。為了降低能量，新相的形態(tài)將是一個(gè)圓盤(pán)。圓盤(pán)面為共格界面，而圓盤(pán)的邊為非共格界面非共格新相，所有的界面都是高能界面，大致為球形，但也不排除由于不同方向界面能差異而形成多面體。a代表橢球體的赤道直徑，c代表旋轉(zhuǎn)軸兩極間的距離由上述可知，固態(tài)相變時(shí)的相變阻力應(yīng)包括界面能和應(yīng)變能兩項(xiàng)。新相和母相的界面類型對(duì)界面能和彈性應(yīng)變能的影響是不同的。當(dāng)界面共格時(shí)，可以降低界面能，但使彈性應(yīng)變能增大。當(dāng)界面不共格時(shí)，盤(pán)（片）狀新相的彈性應(yīng)變能最低，但界面能較高；而球狀新相的界面能最低，但彈性應(yīng)變能卻最大。應(yīng)變能討論：固態(tài)相變阻力中，應(yīng)變能與界面能以何者為主？①ΔT大→新相臨界晶核rk↓→單位體積新相的表面積S↑→界面能↑（起主導(dǎo)作用）→兩相傾向形成共格或半共格界面→界面能↓（前提：使界面能的降低足以超過(guò)由于形成共格或半共格界面所引起的應(yīng)變能↑）→新相傾向形成盤(pán)狀；②ΔT小→新相臨界晶核rk↑→單位體積新相的表面積S↓→界面能↓（起次要作用）→傾向形成非共格界面→應(yīng)變能（比容差應(yīng)變能）↓比容差不大→形成球狀→界面能↓比容差大→形成盤(pán)片狀或針狀→兼顧兩者四、晶體缺陷(crystaldefect)的影響晶體缺陷的存在對(duì)固態(tài)相變起促進(jìn)作用？缺陷-----點(diǎn)陣有畸變-----畸變能釋放-----易于形核實(shí)驗(yàn)表明：母相晶粒越細(xì)、晶界越多，晶內(nèi)缺陷越多，則轉(zhuǎn)變速度越快。形核功的大小均勻形核最大空位形核次之位錯(cuò)形核更次之晶界非均勻形核最小過(guò)渡相（中間亞穩(wěn)相）：指成分或結(jié)構(gòu)，或者成分和結(jié)構(gòu)二者都處于新相與母相之間的一種亞穩(wěn)狀態(tài)的相。過(guò)渡相介于新相與母相之間-----減小相變阻力的重要途徑例如：馬氏體回火時(shí)先形成與M基本保持共格的碳化物，最后形成更穩(wěn)定非共格的滲碳體。五、形成過(guò)渡相(transitionphase)六、原子的擴(kuò)散固態(tài)中原子的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于液體原子，所以，原子擴(kuò)散速度對(duì)固態(tài)相變影響很大。擴(kuò)散成為相變的控制因素。受擴(kuò)散控制的相變，在冷卻時(shí)可以產(chǎn)生很大程度的過(guò)冷，過(guò)冷度增大，相變驅(qū)動(dòng)力和相變速度先增大后減小，甚至可以抑制擴(kuò)散型形變。如鋼從奧氏體快速冷卻，抑制珠光體轉(zhuǎn)變發(fā)生馬氏體相變。固態(tài)相變時(shí)的形核絕大多數(shù)固態(tài)相變（除調(diào)幅分解外）都是通過(guò)形核與長(zhǎng)大過(guò)程完成。固態(tài)相變的經(jīng)典形核理論固態(tài)相變新相核心形成過(guò)程的能量變化驅(qū)動(dòng)力：母相形成新相體積自由能的減少阻力：母相和新相之間的界面增加的界面能母相和新相的比容不同受約束的體積膨脹/收縮造成的彈性應(yīng)變能設(shè)形成的新相晶核為球形對(duì)于r求導(dǎo)：可得臨界晶核尺寸：一、均勻形核問(wèn)題：形核過(guò)程是熱力學(xué)自發(fā)的過(guò)程嗎？具有臨界核心半徑的新相核心是如何形成的？有沒(méi)有直接形成半徑大于r*的核心的可能？臨界核心半徑與過(guò)冷度的關(guān)系如何？均勻形核形成一個(gè)具有臨界半徑晶核需要外界做功多少？忽略彈性應(yīng)變能的影響這種外界所需要做的功從何而來(lái)？從母相形成新相的核心時(shí)，兩相的成分差異如何解決？新相核心形成的必要條件必須具有形核的驅(qū)動(dòng)力——過(guò)冷度需要結(jié)構(gòu)起伏提供具有臨界形核半徑的原子集團(tuán)需要能量起伏提供形成新相核心的超額能量需要成分起伏提供形成新相核心所具有的成分固態(tài)相變?cè)黾訌椥詰?yīng)變能，相變阻力增加，臨界晶核半徑和形核功增大，固態(tài)相變中形核比液→固相變困難。臨界晶核半徑和形核功都是自由能差GV的函數(shù)，也將隨過(guò)冷度（過(guò)熱度）而變化。隨過(guò)冷度（過(guò)熱度）增大，臨界晶核半徑和形核功都減小，即相變?nèi)菀装l(fā)生。由于固態(tài)相變中存在彈性應(yīng)變能Gs，因此只有當(dāng)GV>Gs時(shí)相變才能發(fā)生，亦即過(guò)冷度（過(guò)熱度）必須大于一定值，固態(tài)相變才能發(fā)生，這是與液→固相變的一個(gè)根本區(qū)別。此外，當(dāng)界面能和彈性應(yīng)變能Gs增大時(shí)，臨界晶核半徑r*增大，形核功G*增高，形核困難，和新相的形狀相關(guān)。注意均勻形核的形核率單位時(shí)間在單位體積的母相中形成新相核心的數(shù)目設(shè)單位體積中所有的各種尺寸的原子集團(tuán)的數(shù)目為Nv

在一定的過(guò)冷度條件下，母相中具有臨界形核半徑的新相的原子集團(tuán)的數(shù)目為：這是新相核心的數(shù)目嗎？均勻形核的形核率原子的振動(dòng)頻率為ν0，則能夠躍遷到新相核心的幾率為所以實(shí)際意義上的新相核心的數(shù)目應(yīng)為：近似的用單位體積中的原子數(shù)代替Nv

隨著溫度的下降，代表晶核潛在密度的exp(-G*/kT)升高很快；而原子遷移激活能Gm幾乎不隨溫度變化，所以exp(-Gm/kT)隨溫度降低而減小。N均勻隨溫度下降先增加后降低，在某一溫度呈現(xiàn)極大值。溫度對(duì)形核率的影響非均勻形核(heterogeneousnucleation)在母相內(nèi)的擇優(yōu)地點(diǎn)上發(fā)生的形核過(guò)程。如擇優(yōu)在晶體缺陷處形核

------固態(tài)相變的主要形核手段晶體缺陷儲(chǔ)存的能量可使形核功降低，促進(jìn)形核其中，-?Gd----由于晶體缺陷消失所釋放的能量與GV一樣，成為轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力晶體缺陷：晶界、位錯(cuò)、