2 按相变方式分类

（1）有核相变：有形核阶段，新相核心可均匀形成，也可择优形成。大多数固态相变属于此类。

（2）无核相变：无形核阶段，以成分起伏作为开端，新旧相间无明显界面，如调幅分解。

3 按热力学函数变化分类

（1）一级相变：相变时两相的化学位相等，而化学位对温度及压力的一阶偏微分（－S,V）不等的相变。伴随潜热的释放和体积的改变。如蒸发、升华、熔化以及大多数固态晶型转变属于此类。

（2）二级相变：相变时两相的化学位相等，化学位的一阶偏微分也相等，但二阶偏微分不相等的相变。没有相变潜热和体积改变，有比容、压缩系数、膨胀系数变化，如磁性转变、有序－无序转变、超导转变等属于此类。

三 常见固态相变类型

相变名称 相变特征

同素异构转变 同一种元素通过形核与长大发生晶体结构的变化 多型性转变 合金中晶体结构的变化 脱溶转变 过饱和固溶体脱溶分解出亚稳定或稳定的第二相 共析转变 一个固相转变为两个结构不同的固相 包析转变 两个不同结构的固相转变为一个新的固相，组织中一般有某相残余 马氏体转变 新旧相之间成分不变、切变进行、有严格位向关系、有浮凸效应 贝氏体转变 兼具马氏体和扩散转变的特点，借助铁的切变和碳的扩散进行 调幅分解 非形核转变，固溶体分解成结构相同但成分不同的两相 有序化转变 合金元素原子从无规则排列到有规则排列，担结构不变。

第二节 固态相变的形核与长大

一 均匀形核（能量条件） 1 形核时的能量变化

相变驱动力

（1）化学自由能（体积自由能，△Gv） △Gv～T曲线 随成分变化

相变阻力

（2）界面能（?，S?） 取决于界面结构 △T越大，晶核越小，S?大 共格/半共格 （与过冷度有关） △T越小，晶核越大，S?小 非共格

相变阻力

（3）应变能(?,V?) 共格应变能：共格大，半共格小，非共格0 分类 比体积差 球状最大 体积应变能 新相几何形状 片状最小 针状居中

2 形核的能量条件

△G＝－V△Gv+S?+ V?<0

rK=2 ?/(△Gv-?) △GK=16??/3(△Gv-?)2

二 非均匀形核（能量条件）

（固态相变均匀形核的可能性很小，非均匀形核（依靠晶体缺陷）是主要的形核方式。） 1 不同晶体缺陷对形核的作用

能量高，降低△GK （1）晶界形核 结构混乱，降低?

易扩散、偏析，利于扩散相变

新相/母相形成共格、半共格界面降低界面能 母相晶粒1 非共格界面

母相晶粒2 共格或半共格界面

新相生成处位错消失，能力释放，提高驱动力 （2）位错形核 ……位错不消失，可作为半共格界面的形成部分 易于发生偏聚，有利于成分起伏 易于扩散，有利于发生扩散型相变

促进扩散

（3）空位形核 新相生成处空位消失，提供能量 空位群可凝结成位错

（在过饱和固溶体的脱溶析出过程中，空位作用更明显。）

2 非均匀形核的能力变化

△ G＝－V△Gv+S?+ V?－△GD

△ GD－晶体缺陷导致系统降低的能量。

三 晶核的长大

1 长大机制 切变长大

（1）半共格界面 台阶式长大 原子直接迁移

（2）非共格界面 原子迁移至新相台阶端部 2 新相长大速度

新相生成时无成分变化（有结构、有序度变化）

（1） 界面控制长大 u=??exp(-Q/kT)[1-exp(-△Gv/kT)]

新相生成时有成分变化 （2）扩散控制长大

u=dx/dt=(? C?/?x)D/(C?-C?)

（3）相变动力学

?f=1-exp(-btn)

第十章 金属材料

工业用钢、铸铁和有色金属及其合金构成了国民经济建设所必须的全部金属材料。尽管高分子材料、陶瓷材料和复合材料的应用日益广泛，但金属材料仍然是应用最广泛、用量最大的工程材料。随着现代工业的发展和科学技术的进步，对金属材料的性能要求会越来越高，新型金属材料将会不断出现。

10.1 基本要求

10.1.1 工业用钢

1.熟悉钢的分类和编号，能鉴别钢号。

2.熟悉合金元素在钢中的作用和典型钢号中合金元素的作用。

3.掌握常用工业用钢的化学成分、热处理特点（或使用状态）、使用态组织、主 要性能特点及应用。 10.1.2 铸铁

1.熟悉铸铁的分类和铸铁的石墨化。

2.熟悉常用铸铁的牌号、组织、性能特点及应用。 3.了解铸铁的热处理特点及常用热处理工艺。 10.1.3 有色金属及其合金

1.熟悉铝合金的分类和编号、铝合金的时效强化、典型铝合金的组织与性能特 点。

2.熟悉铜合金的分类和编号、了解黄铜的组织及性能特点。

10.2 内容提要

10.2.1 重要名词

合金元素……………………………………alloying element 结构钢………………………………………construction steel 工具钢………………………………………tool steel 不锈钢………………………………………stainless steel

奥氏体不锈钢………………………………austenitic stainless steel 回火稳定性…………………………………temper stability 二次硬化……………………………………secondary hardening 调质钢………………………………………quenched and tempered steel 渗碳钢………………………………………carburized steel 弹簧钢………………………………………spring steel 滚动轴承钢…………………………………ball-bearing steel 高速钢………………………………………high-speed steel 热模具钢……………………………………hot die steel

晶间腐蚀……………………………………intergranular corrosion 耐热钢………………………………………heat-resisting steel 耐磨钢………………………………………wear-resisting steel 时效强化……………………………………age hardening 10.2.2 工业用钢 1.钢的分类和编号。

2.合金元素在钢中的作用。 （1）合金元素对基本相的影响。

碳钢在室温下的基本相是铁素体和渗碳体。合金元素可溶入铁素体中强化铁素体，若含量适当，仍可保持铁素体较好的韧性。碳化物形成元素与碳相互作用，可形成合金渗碳体、间隙化合物和间隙相等，它们的稳定性、硬度、耐磨性均高于渗碳体，而聚集长大的倾向比渗碳体小。

（2）合金元素对Fe-Fe3C相图的影响。

凡是扩大γ区的元素均扩大奥氏体区，使A1、A3降低。当合金元素含量达到一定值时，奥氏体区将扩大到室温，得到奥氏体钢。

凡是缩小γ区的元素均缩小奥氏体，使A1、A3升高。当合金元素含量达到一定值时，奥氏体区将消失，得到铁素体钢。

合金元素加入钢中，会使S点和E点向左移动。S向左移动意味着共析点的含量下降；E点向左移动意味着出现莱氏体的含碳量减少。

总之，合金元素改变了平衡条件下的相变规律和平衡组织，从而改变了性 能。

（3）合金元素对钢加热转变的影响

①除Mn、Ni外，大多数合金元素升高临界点，减慢奥氏体的形成速变，因而合金钢要获得较均匀的奥氏体，需更高的加热温度和较长的保温时间。

②除Mn、P、N外，大多数合金元素都能细化奥氏体晶粒，从而改善强度和韧 性。 （4）合金元素对钢冷却转变的影响。

除Co外，大多数合金元素溶入奥氏体中后，能增加奥氏体的稳定性，使C曲线向右移动，提高钢的淬透性。另外，还会降低Ms点，增加残余奥氏体量。 （5）合金元素对回火转变的影响。

①合金元素提高回火稳定性，有利于提高综合力学性能。

②含Cr、Ｍn、Ni等元素的合金钢会产生第二类回火脆性，而Mo和W有抑制和减轻第二类回火脆性的倾向。

③某些高合金钢会产生二次硬化现象。 3．结构钢

按用途，结构钢可分为两大类：工程结构钢和机械结构钢。 碳素结构钢 工程结构钢

低合金结构钢