16
1.1 金属固态相变的主要类型
1.1.2 非平衡转变
1.1.2.1 伪共析转变
1.1.2.2 马氏体转变
1.1.2.3 贝氏体转变
1.1.2.4 不平衡脱溶沉淀
1.1.2.5 块状转变
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1.1 金属固态相变的主要类型
1.1.2 非平衡转变
1.1.2.1 伪共析转变 某些非共析成分的奥氏体以较快的速度被过冷 到ES线和GS线的延长线以下（如图1-1所示的阴影 区）时，将不发生先共析转变，而是直接同时转变 为铁素体和渗碳体。这一过程称为伪共析转变。
1.1.1.4 包析转变
合金在冷却时由两个固相合并转变为一个固相 的转变过程称为包析转变。
a+bg Fe-B合金，910℃：g + Fe2B → a
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1.1 金属固态相变的主要类型
1.1.1 平衡转变
1.1.1.5 平衡脱溶沉淀 某种固溶体在高温固溶了一定量的合金元素后， 在缓慢冷却的条件下，因为溶解度下降，从固溶体中 析出新相的过程，称为平衡脱溶沉淀。
1.2 金属固态相变的主要特点
1.2.3 原子的迁移率
固态相变的第三个特点是原子的迁移率低。
液态金属的扩散系数可达10-7cm∙s-1，固态金属仅 约10-11~10-12cm∙s-1，固态金属中原子的扩散速度要比 液态金属的原子低几个数量级，这样扩散便成为固态 相变的控制因素。
1.1.1 平衡转变
在极为缓慢的加热或冷却的条件下发生能获得符 合状态图所示平衡组织的相变。
1.1.2 非平衡转变
在快速加热或冷却的非平衡条件下，平衡转变受 到抑制，将发生平衡相图上不能反映的转变类型，获 得不平衡组织或亚稳状态的组织。
1.1.3 固态相变的其它分类
9
1.1 金属固态相变的主要类型
1.2.2 应变能和界面能
弹性应变能：共格应变能 + 比容差应变能
共格应变能：界面上的原子由于要强制性地实行匹 配，以建立共格或半共格联系，在界面附近区域内 将产生应变能。显然，这种共格应变能以共格界面 为最大，半共格界面次之，而非共格界面为零。
比容差应变能：由于新相和母相的比容不同，故新 相形成时的体积变化将受到周围母相的约束而产生 的弹性应变能。
在Cu-Zn、Cu-Ga合金中也存在。
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1.1 金属固态相变的主要类型
1.1.3 固态相变的其它分类
1.1.3.1 按原子迁移特征分类 （1） 无扩散型相变：马氏体相变 （2） 扩散型相变：其他相变 1.1.3.2 按相变热力学分类 （1）一级相变：新旧两相的自由能及化学位均相等， 但化学位的一级偏导数不等, 有体积的胀缩及潜 热的释放或吸收。 大多数相变属于一级相变。 （2）二级相变：化学位的一级偏导数相等，但二级偏 导数不等。 磁性转变、有序转变等。 24
1.2.6 位向关系 1.2.7 新相往往在惯习面上形成
27
1.2 金属固态相变的主要特点
1.2.1 相界面
金属凝固：新相在液相中形成，固-液界面。
固态相变：新相在固相中形成，固-固界面。
金属固态相变的第一个特点是根据新相和母相原子 在相界面上的晶体学匹配程度，形成具有晶体学特 征的相界面。 1.2.1.1 共格界面
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G
温度/℃
E
S
Ms 碳含量/w% / Wt%
图1.1 Fe-Fe3C相图的左下角
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1.1 金属固态相变的主要类型
1.1.2 非平衡转变
1.1.2.2 马氏体转变 进一步提高冷速，将奥氏体过冷到Ms（如图 1.1）以下的低温区，铁等置换原子和碳等间隙原子 都难以扩散，则奥氏体以无扩散方式发生马氏体转 变。其转变产物称为马氏体。马氏体的成分与母相 相同，但晶体结构与母相不同。 铁碳合金、铜合金、钛合金，无机非金属材料 中发生马氏体转变。
固溶处理和时效
淬火和回火
退火和正火
热处理原理及工艺
5
第一章 固态相变概论
序 回顾和介绍几个概念
1. 组元：组成金属或合金最基本的、独立的物质。
2. 相：金属或合金中结构相同、成分和性能均一并 以界面相互分开的组成部分。 3. 新相：新产生的相称为新相。 4. 母相：导致新相产生的相称为母相。
5. 相变：母相向新相的转变。
图1.3 新相几何形状对比容差应变能(相对值)的影响
ES-新相单位质量应变能；E0-球状新相单位质量应变能
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1.2 金属固态相变的主要特点
1.2.2 应变能和界面能 新相形状—应变能与界面能—过冷度的关系 过冷度很大时— 新相的临界晶核尺寸很小—表面积 很大—界面能为主要相变阻力，而应变能次之—共 格或半共格界面—应变能增加—新相形成盘状或薄 片状(应变能降低)。 过冷度很小时—新相的临界晶核尺寸较大—表面积 减小—应变能为主要相变阻力，而界面能次之—非 共格界面(以降低应变能)。 —若两相的比容差很小，则新相倾向于形成球状 以降低界面能； —若两相比容差较大，则新相倾向于形成针状以 37 兼顾降低界面能和比容差应变能。
为什么一级相变有体积效应和热效应？

a
b
a b T P T P a b P T P T
a b S a S b T P T P Sa S b a b V a V b P T P T V a V b
6
第一章 固态相变概论
序 固态相变
至少要伴随着下面三种基本变化之一：
① 晶体结构的变化
② 化学成分的变化
③ 固溶体有序化程度的变化
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第一章 固态相变概论
1.1 金属固态相变的主要类型
1.2 金属固态相变的主要特点
1.3 固态相变时的形核 1.4 固态相变时的晶核长大
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1.1 金属固态相变的主要类型
作打下专业理论基础。
3
固态相变及应用
内 容：
第一章 固态相变概论
第二章 奥氏体相变及其应用
第三章 珠光体相变及其应用
第四章 马氏体相变
第五章 贝氏体相变 第六章 过冷奥氏体转变动力学图 第七章 马氏体相变和贝氏体相变的应用 第八章 钢的回火转变及回火
第九章 脱溶沉淀及其应用
4
固态相变及应用
重点内容：
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1.2 金属固态相变的主要特点
1.2.2 应变能和界面能
比容差应变能的大小与新相的几何形状有关。
由图可知:
圆盘状新相所引起的比容差应变能最小，针状的 次之，而球状的最大。因此，固态相变的新相往往有 片状（盘状）、针状等特定的形状。
35
ES / E 0
1.0
球状 针状
0.5 a 盘状 1
c
2
c/a
1.2.1.2 半共格界面
1.2.1.3 非共格界面
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1.2 金属固态相变的主要特点
1.2.1 相界面
1.2.1.1 共格界面 界面上两相的原子部分地保 持匹配；界面上两相的原子所占 位置恰好是两相点阵的共有结点 位置。 条件: δ< 0.05 错配度δ=Δa/a 特点: 界面能最小， 但弹性应变能最大
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1.1 金属固态相变的主要类型
1.1.2 非平衡转变
1.1.2.3 贝氏体转变 钢中的奥氏体过冷到珠光体转变和马氏体转变 温度之间的中温区，将发生贝氏体转变，又称中温 转变。 因为发生贝氏体转变时，铁等置换原子难于扩 散，只有碳原子可以扩散，所以贝氏体转变既不同 于伪共析转变，也不同于马氏体转变。贝氏体转变 的产物为贝氏体。
a
29
[111]TiC
2 nm
[110]b-Ti
TiC/b-Ti复合材料界面高分辨电子显微镜像
张松, 关祥楠, 张春华, 吴维弢, 王茂才. 激光反应合成TiCp/b-Ti复合 材料涂层机理研究. 焊接学报, 2008, 29(9): 11-14
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1.2 金属固态相变的主要特点
1.2.1 相界面
1.1.1 平衡转变
1.1.1.1 纯金属的同素异构转变 1.1.1.2 固溶体的多形性转变
1.1.1.3 共析转变
1.1.1.4 包析转变
1.1.1.5 平衡脱溶沉淀
1.1.1.6 调幅分解 1.1.1.7 有序化转变
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1.1 金属固态相变的主要类型
1.1.1 平衡转变
1.1.1.1 纯金属的同素异构转变 纯金属在温度、压力改变时，由一种晶体结构转 变为另一种晶体结构的过程，称为同素异构转变。 例如: 锰在不同温度下，具有a-Mn、b-Mn、g-Mn、 d-Mn等晶体结构。 铁、钛、钴、锡等金属也都具有同素异构转变。
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1.1 金属固态相变的主要类型
1.1.3 固态相变的其它分类
1.1.3.3 按相变方式分类
（1）形核-长大型相变：大多数相变
（2）无核相变：调幅分解
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1.2 金属固态相变的主要特点
1.2.1 相界面 1.2.2 应变能和界面能
1.2.3 原子的迁移率
1.2.4 晶体缺陷
1.2.5 亚稳过渡相
界面能最大，
但弹性应变能最小
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1.2 金属固态相变的主要特点
1.2.2 应变能和界面能
金属固态相变的第二个特点是弹性应变能和界面 能一起成为相变阻力，使固态相变的相变阻力增大。 液-固相变的阻力：界面能；
固态相变的阻力：界面能 + 弹性应变能 ；
固态相变的阻力是较大的。
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1.2 金属固态相变的主要特点
1.2.1.2 半共格界面 界面上两相的原子部分地 保持匹配。 条件: δ= 0.05 ~ 0.25 特点: 界面能小，但弹性应变能 大 。δ越大，弹性应变能就 越大。