G＝ V GV S V
当ΔG < 0时，新相形核才有可能。
上一页
下一页
38
第一章
1.3.2 非均匀形核
若晶核在母相中某些区域择优、不均 匀分布，称为非均匀形核。 非均匀形核系统自由能的总变化为：
G V GV S V Gd
ΔGd是晶体缺陷消失或减少所降低的能量。

界面共格时：界面能小 弹性应变能大

界面半共格时：界面能↗ 弹性应变能↘ 界面不共格时：界面能大 弹性应变能为零

上一页
下一页
31
第一章
新相形状与界面能、弹性应变能的关系
盘状：弹性应变能低，
界面能高； 球状：弹性应变能高， 界面能低； 针状：弹性应变能与界
面能介于盘状和
球状之间；
上一页 下一页
1.5 新相几何形状对弹性应变能 (相对值)的影响
其转变产物是α相与碳化物的混合物，但α 相的碳含量以及碳化物的形态和分布均与珠光 体不同，称其为贝氏体。
上一页
下一页
18
第一章
（4）非平衡脱溶沉淀
与平衡脱溶不同，合金固溶体在高温下 溶入了较多的合金元素，在快冷条件下，得到 过饱和固溶体。 将其在室温或加热到其溶解度曲线以下的 温度进行保温，从过饱和固溶体中析出一种新 相，该相的成分和结构与平衡沉淀相不同，这 一过程称为非平衡脱溶沉淀（或时效）。
由一种固溶体分解为 结构相同，而成分不同的 原因——调幅分解过程中的上坡 两种固溶体的转变。 扩散之所以能够进行，是因为组 反应式：α→α1+α2 元的扩散偏聚能降低系统的自由 能之故。 特点：


成分波动自动调整，分解 产物只有溶质的贫区与富 区，二者之间没有清晰的 相界面。 通过上坡扩散 ， 最终使原 来的均匀固溶体变为一个 不均匀固溶体。
3 热处理原理与工艺，机械工业出版社，赵乃勤
4
第1章 金属固态相变概论
5
第一章
第1章 金属固态相变概论 相变
从广义上讲，构成物质原子（或分 子）的聚合状态（相状态）发生变化的 过程均称为相变。 如：从液相到固相的凝固过程； 从液相到气相的蒸发过程。
上一页
下一页
跳
转
6
第一章
固态相变
固态材料在温度和压力改变时，其内部组 织和结构会发生变化，即发生从一种相状态到另 一种相状态的转变，这种转变叫固态相变。 相变前的相状态称为旧相或母相； 相变后的相状态称为新相。
上一页
下一页
34
第一章
1.2.4 晶体缺陷的作用
晶界、亚晶界、空位、位错等区域 ↓ 能量起伏、结构起伏和成分起伏大 ↓ 原子扩散激活能低，扩散速度快及 相变应力容易被松驰 ↓ 容易形核
上一页 下一页
35
第一章
1.2.5 形成过渡相
过渡相也称中间亚稳相，是指成分或结 构，或者成分和结构二者都处于新相与母相 之间的一种亚稳状态的相。 原因：形成过渡相可减少相变阻力。
上一页
下一页
22
第一章
图1.4 固态相变界面结构示意图
上一页 下一页
23
第一章
（2）半共格界面
界面上的两相原子部分保持匹配，称为 半共格界面。 错配度
- ＝
当δ增大到一定程度难以维持完全共格 时，在界面上将产生一些刃型位错，以补偿 原子间距差别过大的影响，使界面弹性应变 能降低。
上一页 下一页
14
0.6％～1.4％C
上一页
下一页
跳
转
图1.3 Fe-Fe3C相图左下角
15
第一章
特点——与钢中共析转变(即珠光体转变)相 同，但其组成相的相对量（或转变产物的 平均成分）却并非定值，而是依奥氏体的
碳含量而变。
若是亚共析钢冷却得到伪珠光体，其
中的铁素体含量较多；若是过共析钢，则
其伪珠光体中的渗碳体量较多。
微观组织控制
一、主要内容
金属固态相变概论 钢的加热转变 钢的冷却转变 钢的IT图和CT图 钢的热处理工艺
上一页 下一页
普通热处理 表面热处理 化学热处理
2
二、课程目标与要求
通过钢的加热和冷却组织转变原理，了解金属与合 金的化学成分、组织性能与加工工艺之间的内在联 系及其变化规律，加深对材料的组织决定性能的理 解。
上一页 下一页
图1.2 具有溶解度间隔 的平衡状态图
11
第一章
（4）共析(或逆共析)转变
合金在冷却时由一个固相分解为两个不 同固相的转变，称之为共析转变；反之，在 加热时，发生逆转变，则称为逆共析转变。
上一页
下一页
12
第一章
（5）有序化转变
在平衡条件下，固溶体中各组元原子 的相对位置由无序到有序的转变过程。 如在 Fe-Al 合金系平衡图中， Fe-13.9 ％～ 20％ Al合金从 700℃以上的无序 α相缓冷下 来时，发生 α→β1（Fe3Al） Fe3Al为有序固溶体，具有体心立方结构。
上一页 下一页
7
第一章
1.1 金属固态相变的主要类型
1.1.1 平衡转变
在缓慢加热或冷却时所发生的能获得符合平 衡状态图的平衡组织的相变。
（1）同素异构转变和多形性转变
纯金属在温度和压力变化时，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。（纯铁和锰等） 在固溶体中发生的同素异构转变称为多形性 转变。
上一页
下一页
36
第一章
1.3 固态相变时的形核
核胚 --- 是母相基体内形成新相所必需的成 分与结构的微小区域；
晶核---若这种核胚的尺寸超过某一临界尺寸， 能稳定存在并自发长大而成为新相晶核。
1.3.1 均匀形核
若晶核在母相基体中无择优地 任意均匀分布，称为均匀形核。
上一页 下一页
37
第一章
按照经典形核理论，金属固态相变均 匀形核时系统自由能的总变化ΔG为：
比容差应变能 弹性应变能 共格应变能 金属固态相变时，由于新相和母相的比容不同 引起的体积变化受到周围母相的约束而产生弹性应 变和应力，使系统额外增加的能量称为比容差应变 能。 由于两相界面上原子的强制匹配，在界面附近 区域内产生的应变能称为共格应变能。
上一页 下一页
30
第一章
弹性应变能与界面能关系
28
第一章
取向关系（位向关系）
K-S关系

{111}γ ∥ {110}α´ <110>γ ∥ <111>α´
一般说来，当新相与母相间为共格或半共格 界面时，两相之间必然存在一定的晶体学取 向关系； 若两相间无一定的取向关系，则其界面必定 为非共格界面。

上一页
下一页
29
第一章
1.2.3 弹性应变能
上一页 下一页
13
第一章
1.1.2 非平衡转变
如果加热或冷却速度快，平衡相变将被 抑制，固态材料可能发生某些平衡状态图上不 能反映的转变并获得非平衡或亚稳态的组织。
（1）伪共析转变
某些成分的钢，当奥氏体以较快的速度冷 却时，奥氏体被过冷到ES线和GS线的延长线以 下时，将同时析出铁素体和渗碳体 , 这一过程 称为伪共析转变。
的变化；
共析转变、贝氏体转变、脱溶沉淀等 则兼有结构和成分的变化。
上一页
下一页
21
第一章
1.2 金属固态相变的特点
1.2.1 相界面
（1）共格界面
若两相晶体结构相同、点阵常数相等， 或者两相晶体结构和点阵常数虽有差异，但 存在一组特定的晶体学平面可使两相原子之 间产生完全匹配。这种界面称为共格界面。
上一页 下一页
24
第一章
图1.5 固态相变界面结构示意图
上一页 下一页
25
第一章
（3）非共格界面
当两相界面处的 原子排列差异很大， 即错配度δ很大时， 两相原子之间的匹配 关系便不再维持，这 种界面称为非共格界 面。
图1.6 固态相变界面结构示意图
上一页 下一页
26
第一章
相界面类型对界面能及溶质原子吸附作用的影响
上一页 下一页
43
形成柯氏气团
上一页
上一页
下一页
27
第一章
1.2.2 两相间的晶体学关系 (取向关系与惯析面)
惯析面 固态相变时新相与母相间存在一 定的位向关系，新相在母相特定的晶面 上形成，这种晶面称为惯析面。 奥氏体(γ)→马氏体(α´)转变时，马 氏体总是在奥氏体的｛111｝γ晶面上形 成，所以｛111｝γ就是惯析面。
上一页 下一页
根据IT图和CT图并结合铁碳相图，确定钢的热处理 工艺；
运用钢的相变原理分析问题，初步具有合理选用材 料和正确制定热加工工艺的能力，为设计与制造优 质零件打好必要的理论基础。
上一页 下一页
3
参考教材
1 钢的热处理原理与工艺，西北工业大学出版社，胡光立，谢希文 2 金属热处理原理与工艺，哈尔滨工业大学出版社，王顺兴
上一页
下一页
19
第一章
（5）块状转变
母相转变为一种或多种成分相同而晶体结构 不同，形貌呈块状的新相。
例如：纯铁或低碳钢在一定的冷速下，γ→α，但这 种相变在新相的形貌上和与母相的界面结构上均不 同于马氏体转变。在Cu—Zn等合金中也存在。
上一页
下一页
20
第一章
固 ①结构 同素异构转变、多型性转变、马氏 态 体转变等只有结构上的变化； 相 变 ②成分 调幅分解只有成分上的变化； 类 型 ③有序化程度 有序化转变只有有序化程度
界面能--金属固态相变时，相界面上原子排列的 不规则性将导致两相界面能升高，非共格界面能 最高，半共格界面能次之，而共格界面能最低； 相界面对溶质原子的吸附作用--由于溶质原子在 晶格中存在时会引起晶格畸变而产生界面能，但 当溶质原子在界面处分布时，则会使界面应变能 降低。因此，溶质原子总是趋向于在界面处偏聚 而使总的能量降低。