第一章 金属固态相变基础
　　从广义上讲，构成物质的原子(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。金属和陶瓷等固态材料在温度和压力改变时，其内部组织或结构会发生变化，即发生从一种相状态到另一种相状态的转变，这种转变称为固态相变。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。固态相变发生后，新相与母相之间必然存在某些差别。这些差别或者表现在晶体结构上(如同素异构转变)，或者表现在化学成分上(如调幅分解)，或者表现在表面能上(如粉末烧结)，或者表现在应变能上(如形变再结晶)，或者表现在界面能上(如晶粒长大)，或者几种差别兼而有之(如过饱和固溶体脱溶沉淀)。
　　金属材料的固态相变种类很多，许多材料在不同条件下会发生几种不同类型的相变。掌握金属材料固态相变的规律，就可以采取措施(如特定的加热和冷却工艺)控制固态相变过程以获得所预期的组织和结构，从而使之具有所预期的性能，*大限度地发挥现有金属材料的潜力，并可以根据性能要求开发出新型材料。
　　1.1 摇金属固态相变概论
　　1.1.1 摇金属固态相变的主要分类
　　目前，常见的金属固态相变主要分类方法有以下几种。
　　1.按热力学分类
　　根据相变前后热力学函数的变化，可将固态相变分为一级相变和二级相变[1~4]。
　　(1)一级相变
　　相变时新旧两相的化学势相等，但化学势的一级偏微商不等的相变称为一级相变。设α代表旧相，β代表新相，μ为化学势、T为温度、P为压力，则有已知所以
　　因此，在一级相变时，熵S和体积V将发生不连续变化，即一级相变有相变潜热和体积改变。材料的凝固、熔化、升华以及同素异构转变等均属于一级相变。几乎所有伴随晶体结构变化的金属固态相变都是一级相变。
　　(2)二级相变
　　相变时新旧两相的化学势相等，且化学势的一级偏微商也相等，但化学势的二级偏微商不等的相变称为二级相变，即已知式中，为等温压缩系数；为等压膨胀系数；为等压比热。可见，相变时，即在二级相变时，无相变潜热和体积改变，只有比热CP，压缩系数K和膨胀系数姿的不连续变化。材料的部分有序化转变、磁性转变以及超导体转变均属于二级相变。
　　2.按平衡状态图分类
　　根据金属材料的平衡状态图，可将固态相变分为平衡相变和非平衡相变[5，6]。
　　(1)平衡相变
　　平衡相变是指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。金属材料在固态下发生的平衡相变主要有以下几种:
　　1)同素异构转变和多形性转变
　　纯金属在温度和压力改变时，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。在固溶体中发生的同素异构转变称为多形性转变。例如，钢在加热或冷却时发生的铁素体向奥氏体或奥氏体向铁素体的转变即属于这种多形性转变。
　　2)平衡脱溶沉淀
　　在缓慢冷却条件下，由过饱和固溶体中析出过剩相的过程称为平衡脱溶沉淀。设A-B二元合金的平衡状态图如图1.1所示，当b成分的合金被加热至T1温度时，β相将全部溶入α相中而形成单一固溶体。若自T1温度缓慢冷却，β相将沿固溶度曲线MN不断析出，这一过程即为平衡脱溶沉淀。其特点是母相α不消失，但随着新相β析出，母相的成分和体积分数不断变化，新相的结构和成分与旧相不同，且新相的成分一般也有变化。
　　3)共析相变
　　合金在冷却时由一个固相分解为两个不同固相的转变称为共析相变(或珠光体型转变)。如图1.1中c成分的合金自γ状态缓慢冷却，当低于临界温度时将发生共析相变，即γ寅α+β。共析相变类似于合金结晶时的共晶反应，其两个生成相的结构和成分都与母相不同。加热时也可发生α+β寅γ转变，称为逆共析相变[7]。例如，钢在冷却时由奥氏体(γ)向珠光体(α+Fe3C)的转变(γ寅α+Fe3C)以及加热时由珠光体向奥氏体的转变(α+Fe3C寅γ)即属于这种共析与逆共析型相变。
　　图1.1 摇具有脱溶沉淀的二元合金平衡状态图
　　4)调幅分解
　　某些合金在高温下具有均匀单相固溶体，但冷却到某一温度范围时可分解成为与原固溶体结构相同但成分不同的两个微区，如α寅α1+α2，这种转变称为调幅分解。调幅分解的特点是，在转变初期形成的两个微区之间并无明显界面和成分突变，但是通过上坡扩散，*终使原来的均匀固溶体变成不均匀固溶体。
　　5)有序化转变
　　固溶体(包括以中间相为基的固溶体)中，各组元原子在晶体点阵中的相对位置由无序到有序(指长程有序)的转变称为有序化转变。在Cu-Zn、Cu-Au、Mn-Ni、Fe-Ni、Ti-Ni等许多合金系中都可发生这种有序化转变。
　　(2)非平衡相变
　　若加热或冷却速度很快，上述平衡相变将被抑制，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被称为不平衡或亚稳态的组织，这种转变称为非平衡相变。固态材料中发生的非平衡相变主要有以下几种:
　　1)伪共析相变
　　图1.2是Fe-C合金平衡状态图的左下部分。当奥氏体(γ)自高温缓慢冷却到GSE线以下时将析出铁素体(α)或渗碳体(Fe3C)，同时奥氏体的碳含量向S点靠拢，当达到S点时将通过共析相变转变为珠光体(α+Fe3C)。但若以较快速度冷却，使上述转变来不及进行，非共析成分的奥氏体被过冷到GS和ES的延长线以下温度(图中影线区)时将同时析出铁素体和渗碳体。这种转变过程和转变产物类似于共析相变，但转变产物中铁素体量与渗碳体量的比值(或转变产物的平均成分)不是定值，而是随奥氏体碳含量变化而变化，故称为伪共析相变。
　　图1.2 摇Fe-C合金平衡状态图
　　2)马氏体相变
　　同样以Fe-C合金为例，若进一步提高冷却速度，使伪共析相变也来不及进行而将奥氏体过冷到更低温度，则由于在低温下铁原子和碳原子都已不能或不易扩散，故奥氏体只能以不发生原子扩散、不引起成分改变的方式，通过切变由γ点阵改组为α点阵，这种转变称为马氏体相变，转变产物称为马氏体(为区别于平衡相变所形成的α相，称其为α’相)，其成分与母相奥氏体相同。图1.2中的T0是成分相同的α’相(马氏体)与γ相(奥氏体)自由能相等的温度，在T0点以下α’相的自由能低于γ相的自由能，γ相应该转变为α’相，即发生马氏体相变。但实际上由于种种原因，钢中的马氏体相变不在T0点附近而在比T0点低约250℃的Ms点(称为马氏体相变开始温度)发生[8]。
　　除Fe-C合金外，许多其他合金以及陶瓷中也能发生马氏体相变。
　　不仅在冷却时，在加热时也可发生马氏体型相变，习惯上称为马氏体逆相变。
　　3)贝氏体相变
　　以钢为例，当奥氏体被冷却至珠光体转变和马氏体相变之间的温度范围时，由于温度较低，铁原子已不能扩散，但碳原子尚具有一定的扩散能力，因此出现了一种独*的碳原子扩散而铁原子不扩散的非平衡相变，这种相变称为贝氏体相变(或称为中温转变)。其转变产物也是α相与碳化物的混合物，但α相的碳含量和形态以及碳化物的形态和分布均与珠光体不同，称其为贝氏体。
　　4)非平衡脱溶沉淀
　　如图1.1所示的合金平衡状态图，若b成分的合金自T1温度快冷时，β相在冷却过程中来不及析出，则冷到室温时便得到过饱和的α固溶体。若在室温或低于固溶度曲线MN的某一温度下溶质原子尚具有一定的扩散能力，则在上述温度等温时，过饱和α固溶体仍可能发生分解，逐渐析出新相。但在析出的初期阶段，新相的成分和结构均与平衡脱溶沉淀相有所不同，这一过程称为非平衡脱溶沉淀(或时效)。
　　3.按原子迁移情况分类
　　按相变过程中原子迁移情况可将金属固态相变分为扩散型相变和非扩散型相变。
　　(1)扩散型相变
　　相变时，相界面的移动是通过原子近程或远程扩散而进行的相变称为扩散型相变，也称为“非协同型冶转变。只有当温度足够高，原子活动能力足够强时，才能发生扩散型相变。温度愈高，原子活动能力愈强，扩散距离也就愈远。同素异构转变、多形性转变、脱溶型相变、共析型相变、调幅分解和有序化转变等均属于扩散型相变。
　　扩散型相变的基本特点是：①相变过程中有原子扩散运动，相变速率受原子扩散速度所控制；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体积变化，没有宏观形状改变。
　　(2)非扩散型相变
　　相变过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子的运动是协调一致的相变称为非扩散型相变，也称为“协同型冶转变。非扩散型相变时原子仅作有规则的迁移以使晶体点阵发生改组。迁移时，相邻原子相对移动距离不超过一个原子间距，相邻原子的相对位置保持不变。马氏体相变以及某些纯金属(如Pb、Ti、Li、Co)在低温下进行的同素异构转变即为非扩散型相变，这类固态相变均在原子已不能(或不易)扩散的低温条件下发生。
　　非扩散型相变的一般特征是：①存在由于均匀切变引起的宏观形状改变，可在预先制备的抛光试样表面上出现浮突现象；②相变不需要通过扩散，新相和母相的化学成分相同；③新相和母相之间存在一定的晶体学位向关系；榆某些材料发生非扩散相变时，相界面移动速度极快，可接近声速。
　　4.按相变方式分类
　　按相变方式可以将金属固态相变分为有核相变和无核相变[5]。
　　(1)有核相变
　　有核相变是通过形核长大方式进行的。新相晶核可以在母相中均匀形成，也可以在母相中某些有利部位优先形成。新相晶核形成后不断长大而使相变过程得以完成。新相与母相之间有相界面隔开。大部分的金属固态相变均属于有核相变。
　　(2)无核相变
　　无核相变时没有形核阶段。无核相变以固溶体中的成分起伏为开端，通过成分起伏形成高浓度区和低浓度区，但两者之间没有明显的界限，成分由高浓度区连续过渡到低浓度区。以后依靠上坡扩散使浓度差逐渐增大，*后导致由一个单相固溶体分解成为成分不同而点阵结构相同的以共格界面相联系的两个相。如合金中的调幅分解即为无核相变。
　　综上所述，尽管金属材料的固态相变类型繁多，但就相变过程的实质而言，其中所发生的变化不外乎以下三个方面：结构、成分和有序化程度[6]。有些相变只具有某一种变化，而有些相变则同时兼有两种或两种以上的变化。同一种金属材料在不同条件下可发生不同的相变，从而获得不同的组织和性能。例如，共析碳钢平衡转变后具有珠光体组织，硬度约为HRc23；若快速冷却使之转变为马氏体，则硬度可达HRc60以上。具有平衡组织的A1-4%Cu合金，抗拉强度仅为150MPa；若使之发生不平衡脱溶沉淀后，抗拉强度可达350MPa。由此可见，通过改变加热与冷却条件，使之发生某种转变继而获得某种组织，则可在很大程度上改变材料的性能。

目录
第一章 金属固态相变基础 1
1.1 金属固态相变概论 1
1.1.1 金属固态相变的主要分类 1
1.1.2 金属固态相变的主要特点 7
1.2 金属固态相变热力学 11
1.2.1 金属固态相变的热力学条件 11
1.2.2 金属固态相变的形核 14
1.2.3 金属固态相变的晶核长大 20
1.3 金属固态相变动力学 25
1.3.1金属固态相变的速率 25
1.3.2 钢中过冷奥氏体转变动力学 28
第二章 钢中奥氏体的形成 37
2.1 奥氏体的组织特征 37
2.1.1 奥氏体形成的温度范围 37
2.1.2 奥氏体的组织和结构 38
2.1.3 奥氏体的性能 39
2.2 奥氏体的形成机制 40
2.2.1 奥氏体形核 40
2.2.2 奥氏体晶核长大 41
2. 2.3 剩余碳化物溶解 42
2.2.4 奥氏体均匀化 42
2.3 奥氏体形成动力学 43
2.3.1 奥氏体等温形成动力学 43
2.3.2 连续加热时奥氏体的形成 48
2.4 奥氏体晶粒长大及其控制 50
2.4.1 奥氏体晶粒度 51
2.4.2 奥氏体晶粒长大原理 52
2.4.3 影响奥氏体晶粒长大的因素 55
第三章 珠光体转变 58
3.1 珠光体的组织特征 58
3.2 珠光体转变机制 61
3.2.1 珠光体转变时的领先相 61
3.2.2 珠光体的形成过程 62
3.2.3 亚（过）共析钢的珠光体转变 65
3.3 珠光体转变动力学 67
3.3.1 珠光体的形核率，和长大速度G 67
3.3.2 珠光体转变动力学图 69
3.3.3 先共析相的长大动力学 69
3.3.4 影响珠光体转变动力学的因素 70
3.4 珠光体转变产物的机械性能 72
3.4.1 珠光体的机械性能 72
3.4.2 铁素体加珠光体的机械性能 73
3.4.3 形变珠光体的机械性能 75
第四章 马氏体相变 76
4.1 马氏体相变的主要特征 76
4.1.1 切变共格和表面浮突现象 76
4.1.2 无扩散性 77
4.1.3 具有特定的位向关系和惯习面 77
4.1.4 在一个温度范围内完成相变 79
4.1.5 可逆性 80
4.2 马氏体相变热力学 80
4.2.1 马氏体相变热力学条件 80
4.2.2 影响钢中Ms点的主要因素 82
4.3 马氏体相变晶体学的经典模型 86
4.3.1 马氏体相变的形核理论 86
4.3.2 乌氏体相变的切变模型 87
4.4 马氏体相变动力学 89
4.4.1 降温瞬时形核、瞬时长大 89
4.4.2 等温形核、瞬时长大 90
4.4.3 自触发形核、瞬时长大 90
4.4.4 表面马氏体相变 91
4.5 钢中马氏体的晶体结构 91
4.5.1 马氏体点阵常数和碳含量的关系 91
4.5.2 马氏体的点阵结构及其畸变 92
4.6 钢及铁合金中马氏体的组织形态 93
4.6.1 板条状马氏体 93
4.6.2 片状马氏体 94
4.6.3 其他马氏体形态 95
4.6.4 影响马氏体形态及其内部亚结构的因素 96
4.7 奥氏体的稳定化 99
4.7.1 奥氏体的热稳定化 99
4.7.2 奥氏体的机械稳定化 101
4.8 马氏体的机械性能 102
4.8.1 马氏体的硬度和强度 102
4.8.2 马氏体的韧性 106
4.8.3 马氏体的相变诱发塑性 106
第五章 贝氏体相变 109
5.1 贝氏体相变的基本特征和组织形态 109
5.1.1 贝氏体相变的基本特征 109
5.1.2 钢中贝氏体的组织形态 110
5.2 贝氏体相变机制 114
5.2.1 恩金贝氏体相变假说 114
5.2.2 柯俊贝氏体相变假说 115
5.2.3 贝氏体的形成过程 117
5.3 贝氏体相变动力学及其影响因素 119
5.3.1 贝氏体等温相变动力学 119
5.3.2 贝氏体相变时碳的扩散 120
5.3.3 影响贝氏体相变动力学的因素 121
5.4 钢中贝氏体的机械性能 123
5.4.1 影响贝氏体机械性能的主要因素 123
5.4.2 贝氏体的强度和硬度 124
5.4.3 贝氏体的韧性 124
第六章 钢中的回火转变 126
6.1 淬火碳钢回火时的组织转变 126
6.1.1 马氏体中碳原子偏聚 126
6.1.2 马氏体分解 127
6.1.3 残余奥氏体转变 130
6.1.4 碳化物析出与转变 132
6.1.5 α相状态变化及碳化物聚集长大 134
6.2 合金元素对回火转变的影响 136
6.2.1 合金元素对马氏体分解的影响 136
6.2.2 合金元素对残余奥氏体转变的影响 137
6.2.3 合金元素对碳化物转变的影响 137
6.2.4 回火时的二次硬化现象 138
6.2.5 合金元素对d相回复和再结晶的影响 139
6.3 回火时机械性能的变化 140
6.3.1 硬度和强度的变化 140
6.3.2 塑性和韧性的变化 141
6.3.3 钢的回火脆性 141
第七章 合金的脱溶沉淀与时效 146
7.1 脱溶过程和脱溶物的结构 147
7.1.1 G.P.区的形成及其结构 147
7.1.2 过渡相的形成及其结构 148
7.1.3 平衡相的形成及其结构 149
7.2 脱溶热力学和动力学 150
7.2.1 脱溶的热力学分析 150
7.2.2 脱溶动力学及其影响因素 151
7.3 脱溶后的显微组织 153
7.3.1 连续脱溶及其显微组织 153
7.3.2 非连续脱溶及其显微组织 154
7.3.3 脱溶过程中的显微组织变化 156
7.4 脱溶时效时的性能变化 157
7.4.1 冷时效和温时效 157
7.4.2 时效硬化机制 159
7.4.3 回归现象 161
7.5 铁基合金的脱溶与时效 162
7.5.1 马氏体时效钢的脱溶 162
7.5.2 铁基合金的淬火时效 164
7.5.3 应变时效 165
7.6 合金的调幅分解 165
7.6.1 调幅分解的热力学条件 166
7.6.2 调幅分解过程 168
7.6.3 调幅分解的结构、组织和性能 169
参考文献 171