第11章固态相变Solid Phase Transformation1固态相变的分类和特点2马氏体相变(Martensitic transformation3贝氏体转变（Bainitic transformation)4钢的过冷奥氏体转变
第11章 固态相变 Solid Phase Transformation 1 固态相变的分类和特点 2 马氏体相变（Martensitic transformation） 3贝氏体转变（Bainitic transformation） 4 钢的过冷奥氏体转变
固态相变的分类和特点类型定义分类标准特点及示例新旧两相化学位相等，化学位的一阶热和体积发生突变，即有相变潜热和体积的改变一级相变大多数固态相变：共析相变，马氏体相变等。偏导数不等。力学无相变潜热和体积改变，热容、压编和膨胀系数新旧两相化学位相等，一阶偏导数相二级相变不连续变化。等，二阶偏导数不等。磁性相变，超导转变，部分有序无序转变。①同素异构转变（allotropictransformation)：平衡相变②平衡脱溶沉淀(equilibriumprecipitation)：在足够缓慢加热或冷却条件下，按相(equilibrium③共析转变（eutectoidtransformation)；图状态进行的相变过程。④调幅分解（spinodaldecomposition）：相变是transformation)有库转变（orderingtransformation）否达到①马氏体相变（martensitictransformation）：平衡非平衡相变加热或冷却速度过快，平衡相变被抑②贝氏体相变（bainitictransformation)；(nonequilibrium制，产生相图上不存在的非平衡相，?块状转变（massivetransformation)：伪共析转变（pseudo-eutectoidtransformation）得到亚稳组织的相转变过程。transformation)非平衡脱溶沉淀（nonequilibriumprecipitation）扩散型相变相变温度足够高，原子（离子）扩散能力(diffusional共析转变、脱溶沉淀、调幅分解强，发生扩散型相变。transformation)原子迁非扩散型相变原子（离子)仅作规则迁移的相变，即相移情况(diffusionless马氏体相变邻原子相对位置不变，相对移动距离transformation)小于原子间距。过渡型转变兼有扩散型和非扩散型相变特征贝氏体相变形核-长大型相变。移数相变：珠光体相变，马氏体相变，有核相变新相与母相之间界面明显，且界面前相变过贝氏体相变，同素异构转变等。沿成分突变，也称为不连续相变。程是否依靠母相的成分起伏而连续长大成新形核无核相变调幅分解相，也称为连续型相变
一、 固态相变的分类和特点 分类标准 类型 定义 特点及示例 热 力 学 一级相变 新旧两相化学位相等，化学位的一阶 偏导数不等。 熵和体积发生突变，即有相变潜热和体积的改变。 大多数固态相变：共析相变，马氏体相变等。 二级相变 新旧两相化学位相等，一阶偏导数相 等，二阶偏导数不等。 无相变潜热和体积改变，热容、压缩和膨胀系数 不连续变化。 磁性相变，超导转变，部分有序-无序转变。 相变是 否达到 平衡 平衡相变 (equilibrium transformation) 在足够缓慢加热或冷却条件下，按相 图状态进行的相变过程。 ①同素异构转变(allotropic transformation)； ②平衡脱溶沉淀(equilibrium precipitation)； ③共析转变(eutectoid transformation)； ④调幅分解(spinodal decomposition)； ⑤有序转变(ordering transformation) 非平衡相变 (nonequilibrium transformation) 加热或冷却速度过快，平衡相变被抑 制，产生相图上不存在的非平衡相， 得到亚稳组织的相转变过程。 ①马氏体相变(martensitic transformation)； ②贝氏体相变(bainitic transformation)； ③块状转变(massive transformation)； ④伪共析转变(pseudo-eutectoid transformation) ； ⑤非平衡脱溶沉淀(nonequilibrium precipitation) 原子迁 移情况 扩散型相变 （diffusional transformation） 相变温度足够高，原子(离子)扩散能力 强，发生扩散型相变。 共析转变、脱溶沉淀、调幅分解 非扩散型相变 （diffusionless transformation） 原子(离子)仅作规则迁移的相变，即相 邻原子相对位置不变，相对移动距离 小于原子间距。 马氏体相变 过渡型转变 兼有扩散型和非扩散型相变特征 贝氏体相变 相变过 程是否 形核 有核相变 形核-长大型相变。 新相与母相之间界面明显，且界面前 沿成分突变，也称为不连续相变。 多数相变：珠光体相变，马氏体相变， 贝氏体相变，同素异构转变等。 无核相变 依靠母相的成分起伏而连续长大成新 相，也称为连续型相变。 调幅分解
固态相变与液-固相变的比较方面固态相变液-固相变相相变新相与母相的吉布斯自由能差△G。同驱动力点相变过程形核与长大两个过程。形核有均匀形核和非均匀形核两种方式。界面能。新相与母相的界面能和弹性应变能。相变阻力固态相变更容易在较大的过冷度下发生。比固相界面能小得多固体中原子的扩散系数小，迁移率低，原子扩散能力强，相原子扩散能力扩散型相变速度较慢变速度大。临界晶核尺寸和形核功中，多了一项弹性应变能△Gs①临界晶核尺寸和形核临界晶核尺寸临界晶核尺寸和形核功都增大。功都小，相变较易发和形核功生。固态相变形核困难，要求的过冷度更大。普遍存在非均匀形核。均匀和非均匀形核同不在相界/晶界/层错/位错等晶体缺陷处形核时，缺陷能量的形核方式时存在。同释放提供部分相变驱动力，降低形核功，利于形核。点低温相变时易出现亚稳相。相变阻力小，原子迁亚稳相固态相变阻力大，原子迁移率低，不易产生平衡相，移率高，易产生稳态平衡相。系统处于亚稳状态。受界面能和弹性应变能控制。体积相同时，盘片状、针状新相一般呈球形。体球形的应变能依次增大，而界面能（界面积）却依次减小积一定时，球形的表新相形状当相变阻力以弹性应变能为主时，新相多为碟形（盘片状面积最小，表面能最低。或针状；当以界面能为主时，新相多趋于球状。位向关系新/日两相往往存在惯析面②和位向关系③。没有
固态相变与液-固相变的比较 方面 固态相变 液-固相变 相 同 点 相变 驱动力 新相与母相的吉布斯自由能差△Gv。 相变过程 形核与长大两个过程。形核有均匀形核和非均匀形核两种方式。 不 同 点 相变阻力 新相与母相的界面能和弹性应变能。 固态相变更容易在较大的过冷度下发生。 界面能。 比固相界面能小得多。 原子扩散能力 固体中原子的扩散系数小，迁移率低， 扩散型相变速度较慢 原子扩散能力强，相 变速度大。 临界晶核尺寸 和形核功 临界晶核尺寸和形核功中，多了一项弹性应变能△Gs①， 临界晶核尺寸和形核功都增大。 固态相变形核困难，要求的过冷度更大。 临界晶核尺寸和形核 功都小，相变较易发 生。 形核方式 普遍存在非均匀形核。 在相界/晶界/层错/位错等晶体缺陷处形核时，缺陷能量的 释放提供部分相变驱动力，降低形核功，利于形核。 均匀和非均匀形核同 时存在。 亚稳相 低温相变时易出现亚稳相。 固态相变阻力大，原子迁移率低，不易产生平衡相， 系统处于亚稳状态。 相变阻力小，原子迁 移率高，易产生稳态 平衡相。 新相形状 受界面能和弹性应变能控制。体积相同时，盘片状、针状、 球形的应变能依次增大，而界面能（界面积）却依次减小。 当相变阻力以弹性应变能为主时，新相多为碟形（盘片状） 或针状；当以界面能为主时，新相多趋于球状。 新相一般呈球形。体 积一定时，球形的表 面积最小，表面能最 低。 位向关系 新/旧两相往往存在惯析面②和位向关系③。 没有
马氏体相变(Martensitic transformation)Ms的物理意义：新相与母相的自由能差达到相变所需最小驱动力值时的温度。马氏体相变驱动力是：①新相与母相的自由能之差；②母相晶体缺陷提供的非均匀形核能量。马氏体相变阻力是：①马氏体相变产生界面所引起的界面能：②马氏体相变时形状和比容变化产生的应变能：③马氏体相变时克服切变抗力所消耗的功：④形成马氏体时产生大量位错、李晶所需的能量：③邻近马氏体的母相中产生塑性变形所消耗的能量。100试样面80B60奥氏体40摸习面20马Ms室温Mr温度>马民休
M s 的物理意义：新相与母相的自由能差达到相变所需最小驱动力值时的温 度。 马氏体相变驱动力是：①新相与母相的自由能之差；②母相晶体缺陷 提供的非均匀形核能量。 马氏体相变阻力是：①马氏体相变产生界面所引起的界面能；②马氏 体相变时形状和比容变化产生的应变能；③马氏体相变时克服切变抗力 所消耗的功；④形成马氏体时产生大量位错、孪晶所需的能量；⑤邻近 马氏体的母相中产生塑性变形所消耗的能量。 二、 马氏体相变 （Martensitic transformation）
1 马氏体相变的特点特点原因示例马氏体相变以切变方预先抛光的试样发生马氏体相变后表面倾动式进行，母相/M界面1.共格出现表面浮凸，如图10.2（a）所示。抛光面未畸变，界面原子由切变性上的直线划痕产生位移被折成几段，这些折线两相所共有，保持切在母相与马氏体的界面处保持连续。变共格关系。马氏体相变是原子整共析钢马氏体相变温度为230~-50℃，Fe-Ni合体切变的结果，相邻金为-20~-196℃之间，即相变温度较低，且一2.无扩散性原子位移不超过一个片马氏体的形成时间约为5×10-5~5×10-7s，相Cdiffusionles原子间距，原子相邻变速度极快，原子几乎不能扩散。s)关系不变，且马氏体碳钢中马氏体与母相奥氏体的碳浓度相同，仅与母相的成分相同。发生A（fcc）向M(bct)的晶格改组。马氏体相变与扩散型相变最本质的区别：共格切变性和无扩散性。以下特点是由这2个基本特征演变而来的，马氏体相变是以共格切不同材料有不同的惯析面。变方式进行的，惯析面碳钢：奥氏体含碳量低于0.6%时，惯析面为3.惯析面在相变过程中不发生应[111)，在0.6%~1.4%之间时为[225，含碳(Habit变和转动，为近似的不量高于1.4%时为[259／plane)畸变平面，如图10.2有色合金：惯析面通常为高指数面。钛合金中(b)。为344）B1，Cu-Sn合金中为（133）
1 马氏体相变的特点 特点 原因 示例 1.共格 切变性 马氏体相变以切变方 式进行，母相/M 界面 未畸变，界面原子由 两相所共有，保持切 变共格关系。 预先抛光的试样发生马氏体相变后表面倾动， 出现表面浮凸，如图 10.2（a）所示。抛光面 上的直线划痕产生位移被折成几段，这些折线 在母相与马氏体的界面处保持连续。 2. 无扩散性 （ diffusionles s） 马氏体相变是原子整 体切变的结果，相邻 原子位移不超过一个 原子间距，原子相邻 关系不变，且马氏体 与母相的成分相同。 共析钢马氏体相变温度为 230~-50℃，Fe-Ni 合 金为-20~-196℃之间，即相变温度较低，且一 片马氏体的形成时间约为 5×10-5 ~5×10-7 s，相 变速度极快，原子几乎不能扩散。 碳钢中马氏体与母相奥氏体的碳浓度相同，仅 发生 A（fcc）向 M(bct)的晶格改组。 马氏体相变与扩散型相变最本质的区别：共格切变性和无扩散性。 以下特点是由这 2 个基本特征演变而来的。 3.惯析面 (Habit plane) 马氏体相变是以共格切 变方式进行的，惯析面 在相变过程中不发生应 变和转动，为近似的不 畸变平面，如图 10.2 （b）。 不同材料有不同的惯析面。 碳钢：奥氏体含碳量低于 0.6%时，惯析面为 {111}γ，在 0.6%~1.4%之间时为{225}γ，含碳 量高于 1.4%时为{259}γ。 有色合金：惯析面通常为高指数面。钛合金中 为{344}β1，Cu-Sn 合金中为{133}β
1 马氏体相变的特点新相和母相始终保持切铁基合金中，马氏体相变的位向关系有三种变共格性，因此马氏体K-S关系：(111)// (011)a,//a;4.位向关系相变后的新相和母相之西山关系：[111)//011)a，//a；(orientationrelationship)间通常存在着一定的晶G-T关系：与K-S关系相似但有1~2°偏差。体学位向关系。在M以下，马氏体转(1)变温形核，恒温瞬时长大：Fe-Ni、Fe-Ni-C变量随温度的降低而不合金，如图10.2（c）所示。断增加，当温度不变5.变温转变，(2)变温形核，变温长大：Au-Cd、Cu-A1合时，转变不再进行；随转变不完全金后再降低温度，转变又(3)恒温转变：Fe-Ni-Mn、高速钢等。不能进重新开始，直至Mr温度行到底。完成M转变。冷却时高温母相转变为马氏体，重新加热时已冷却时马氏体开始形成温度记为Ms，转变终6.可逆性形成的马氏体又可以逆了温度记为Mr。逆相变时开始温度记为As,转变为高温母相。在一终了温度记为Af。A温度高于M温度。个温度范围内完成
1 马氏体相变的特点 4.位向关系 (orientation relationship) 新相和母相始终保持切 变共格性，因此马氏体 相变后的新相和母相之 间通常存在着一定的晶 体学位向关系。 铁基合金中，马氏体相变的位向关系有三种： K-S 关系：{111}γ∥{011}α′,γ∥α′； 西山关系：{111}γ∥{011}α′,γ∥α′； G-T 关系：与 K-S 关系相似，但有 1~2°偏 差。 5.变温转变， 转变不完全 在 Ms以下，马氏体转 变量随温度的降低而不 断增加，当温度不变 时，转变不再进行；随 后再降低温度，转变又 重新开始，直至 Mf 温度 完成 M 转变。 (1)变温形核，恒温瞬时长大：Fe-Ni、Fe-Ni-C 合金，如图 10.2（c）所示。 (2)变温形核，变温长大：Au-Cd、Cu-A1 合 金。 (3)恒温转变：Fe-Ni-Mn、高速钢等。不能进 行到底。 6.可逆性 冷却时高温母相转变为 马氏体，重新加热时已 形成的马氏体又可以逆 转变为高温母相。在一 个温度范围内完成。 冷却时马氏体开始形成温度记为 Ms，转变终 了温度记为 Mf。逆相变时开始温度记为 As， 终了温度记为 Af。As 温度高于 Ms温度
2马氏体的晶体结构不同材料的马氏体晶体结构可能不同，最具代表性并且应用最为广泛的是钢和有色金属中的马氏体。部分金属和合金中马氏体的晶体结构合金转变类型合 金转变类型FCCBCTFCCBCCFe-(0~1.8)%CFe-(27~34)%NiFe-(11~19)%NiFe-(2.8~8)%Cr-FCC-BCTFCC-BCT(1.1-1.5)%C(0.4~1.2)%CFe-(0.7~3)%NFCC-BCTFCC-HCPFe-(13~25)%MnFCC-BCCTi-(2~5.4)%NiBCC-HCPFe-(17~18)%Cr-(8~9)%NiTiCoFCCHCPBCC-HCPZrLiBCCHCPBCC-HCP
2 马氏体的晶体结构 不同材料的马氏体晶体结构可能不同，最具代表性并且应用最 为广泛的是钢和有色金属中的马氏体。 合 金 转变类型 合 金 转变类型 Fe-(0~1.8)%C FCC→BCT Fe-(27~34)%Ni FCC→BCC Fe-(11~19)%Ni- (0.4~1.2)%C FCC→BCT Fe-(2.8~8)%Cr- (1.1~1.5)%C FCC→BCT Fe-(0.7~3)%N FCC→BCT Fe-(13~25)%Mn FCC→HCP Fe-(17~18)%Cr-(8~9)%Ni FCC→BCC Ti-(2~5.4)%Ni BCC→HCP Co FCC→HCP Ti BCC→HCP Zr BCC→HCP Li BCC→HCP 部分金属和合金中马氏体的晶体结构
3马氏体的组织形态与亚结构原奥氏体品界巧氏体板条BSXA板条(a）完全奥氏体化，奥氏体新晶界（b）从奥氏体晶界形成板条状浮凸板条群细窄而平直，晶界夹角接近120°。标志着马氏体转变的开始。马氏位向来有遗火李晶以及一些尚未溶解的体示碳化物（呈黑色点状）和央杂物。意图(c)板条浮凸迅速发展，沿晶界（d）马氏体转变完成，新生成的浮凸构成生成一条粗大的板条。大小不同的梯形、正三角形及平行四边形。图10.5低碳钢在连续冷却时马氏体的形成过程（班丽丽，等.低碳钢在高温共焦激光扫描显微镜下马氏体相变的原位观察研究[1]。冶金分析，2011,31(12):1-5.)
3 马氏体的组织形态与亚结构 (a) 完全奥氏体化，奥氏体新晶界 细窄而平直，晶界夹角接近 120°。 有退火孪晶以及一些尚未溶解的 碳化物（呈黑色点状）和夹杂物。 (b)从奥氏体晶界形成板条状浮凸， 标志着马氏体转变的开始。 (c)板条浮凸迅速发展，沿晶界 生成一条粗大的板条。 (d)马氏体转变完成，新生成的浮凸构成 大小不同的梯形、正三角形及平行四边形。 图 10.5 低碳钢在连续冷却时马氏体的形成过程 (班丽丽,等.低碳钢在高温共焦激光扫描显微镜下马氏体相变的原位观察研究[J]．冶金分析，2011， 31(12):1-5.) 板条 马氏 体示 意图
3马氏体的组织形态与亚结构片状马氏体的亚结构为李晶，所以又称为李晶马氏体。在铁基合金中这些李晶很细，需在电镜下才能观察到，但在Au-Cd及In-TI等合金中，马氏体中的李晶较宽，在光学显微镜下可看到。片状马氏体示意图
3 马氏体的组织形态与亚结构 片状马氏体示意图 片状马氏体的亚结构为孪晶，所以又称为孪晶马氏体。在铁基合金 中这些孪晶很细，需在电镜下才能观察到，但在Au-Cd及In-Tl等合金 中，马氏体中的孪晶较宽，在光学显微镜下可看到
4马氏体转变的切变机制马氏体转变不但包括微观的点阵改组及特定的晶体学位向关系，还产生了由于宏观变形引起的表面浮凸。关于马氏体转变机制主要有Bain模型、K-S模型G-T模型、晶体学表象理论等，但还没有哪一种机制能完全解释马氏体相变特征
4 马氏体转变的切变机制 马氏体转变不但包括微观的点阵改组及特定的晶 体学位向关系，还产生了由于宏观变形引起的表面浮 凸。关于马氏体转变机制主要有Bain模型、K-S模型 、G-T模型、晶体学表象理论等，但还没有哪一种机 制能完全解释马氏体相变特征