固态相变的主要特点

大多数固态相变（除调幅分解）为经典的形核-长大型相变。因此，液态结晶理论及其基本概念原则上仍适用于固态相变。但是，由于相变是在“固态”这一特定条件下进行的，固态晶体的原子呈有规则排列，并具有许多晶体缺陷，因此，固态相变具有许多不同于液态结晶过程的特点。

1.相界面

固态相变时，新旧两相都为固相。根据界面上新旧两相原子在晶体学上匹配程度的不同，可分为共格界面、半共格界面和非共格界面3种，如图12-3所示。新相与旧相的界面结构对固态相变的形核和长大过程及相变后的组织形态等都有很大的影响。

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。此时，界面上原子所占位置恰好是两相点阵的共有位置，界面上原子为两相所共有，这种界面称为共格界面（见图12-3（a））。在理想的共格界面条件下（如孪晶界），其弹性应变能和界面能都接近于零。

图12-3　固态相变界面结构示意图

实际上，两相点阵总有一定的差别，或者点阵类型不同，或者点阵参数不同，因此两相界面完全共格时，相界面附近必将产生弹性应变。当两相之间的共格关系依靠正应变来维持时，称为第一类共格；而以切应变来维持时，称为第二类共格，两者的晶界两侧都有一定的晶格畸变，如图12-4所示。图12-4中，（a）为第一类共格界面，靠近晶界处一侧受压缩，另一侧受拉伸；（b）为第二类共格界面，晶界附近有晶面弯曲。

图12-4　第一类共格界面（a）和第二类共格界面（b）

一般来说，共格界面的特点是界面能较小，但因界面附近有畸变，所以弹性应变能较大。共格界面必须依靠弹性畸变来维持，当新相不断长大而使共格界面的弹性应变能增大到一定程度时，可能超过母相的屈服极限而产生塑性变形，使共格关系遭到破坏。

2）半共格界面

共格界面上弹性应变能的大小取决于相邻两相界面上原子间距的相对差值δ（称为错配度）。若以aα和aβ分别表示两相沿平行于界面的晶向上的原子间距，在此方向上的两相原子间距之差以表示，则错配度δ为

显然，错配度δ越大，弹性应变能就越大；当δ增大到一定程度时，便难以继续维持完全的共格关系，于是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。此时，界面上的两相原子变成部分保持匹配（见图12-3（b）），故称为半共格（或部分共格）界面。可以看出，一维点阵的错配可以在不产生长程应变场的情况下用一组刃型位错来补偿。这组位错的间距D应为

在界面上除了位错核心部分以外，其他地方几乎完全匹配。在位错核心部分的结构是严重扭曲的，并且点阵面是不连续的。

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（见图12-3（c））。非共格界面结构与大角晶界相似，系由原子不规则排列的很薄的过渡层所构成。

一般认为，错配度小于0.05时两相可以构成完全的共格界面；错配度大于0.25时易形成非共格界面；错配度介于0.05～0.25之间，则易形成半共格界面。

固态相变时两相界面能与界面结构和界面成分变化有关。两相界面上原子排列的不规则性将导致界面能升高，同时界面也有吸附溶质原子的作用。由于溶质原子在晶格中存在时会引起晶格畸变而产生应变能，而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。(www.xing528.com)

2.位向关系与惯习面

为了减少界面能，固态相变过程中的新相与母相之间往往存在一定的晶体学关系，它们通常由原子密度大而彼此匹配较好的低指数晶面相互平行来保持这种位向关系，而且新相往往在母相一定的晶面上开始形成，这个晶面称为惯习面，它可能是相变中原子移动距离最小（即畸变最小）的晶面。

例如，钢中发生由奥氏体（γ）到马氏体（α'）的转变时，奥氏体的密排面{111}γ与马氏体的密排面{110}α'相平行；奥氏体的密排方向<110>γ与马氏体的密排方向<111>α'相平行，这种位向关系称为K-S关系，可记为

一般来说，当新相与母相之间为共格或半共格界面时必然存在一定的位向关系；若无一定的位向关系，则两相界面必定为非共格界面。但反过来，有时两相之间虽然存在一定的位向关系，但也未必都具有共格或半共格界面，这可能是在新相长大过程中其界面的共格或半共格性已遭破坏所致。

3.弹性应变能

固态相变时，因新相和母相的比容不同可能发生体积变化。但由于受到周围母相的约束，新相不能自由胀缩，因此新相与其周围母相之间必将产生弹性应变和应力，使系统额外地增加了一项弹性应变能。研究证明，在完整晶体中因相变产生的弹性应变能不仅与新相母相的比容差和弹性模量有关，而且与新相的形状有关。

若将析出相看作旋转椭球体。设旋转椭球体的赤道直径为a，旋转轴两极之间的距离为c，这个旋转体的具体形状取决于c/a的比值。c<<a时为圆盘（片）；c=a时为圆球；c>>a时为圆棒（针）。图12-5示出了新相粒子的几何形状（c/a）对因比容差而产生的应变能（相对值）的影响，从中可以看出，新相呈球状时应变能最大，呈圆盘（片）状时新相应变能最小，呈棒（针）状时新相应变能居中。

除新相与母相的比容差产生体积弹性应变能外，两相界面上的不匹配也产生弹性应变能。这一项弹性应变能以共格界面为最大，半共格界面次之（因形成界面位错而使弹性应变能下降），而非共格界面则为零。

由上述可知，固态相变时的相变阻力应包括界面能和弹性应变能两项。新相和母相的界面类型对界面能和弹性应变能的影响是不同的。当界面共格时，可以降低界面能，但使弹性应变能增大；当界面不共格时，盘（片）状新相的弹性应变能最低，但界面能较高；而球状新相的界面能最低，但弹性应变能却最大。固态相变时究竟是界面能还是弹性应变能起主导作用取决于具体条件。如过冷度很大，临界晶核尺寸很小，单位体积新相的界面面积很大，则巨大的界面能增加了形核功而成为主要的相变阻力，此时界面能起主导作用。两相界面易取共格方式以降低界面能，而且界面能的降低可超过共格引起的弹性应变能的增加，从而降低总的形核功，易于形核。在过冷度很小的情况下，临界晶核尺寸较大，界面能不起主导作用，易形成非共格界面。此时，若两相比容差别较大，弹性应变能起主导作用，则形成盘（片）状新相以降低弹性应变能；若两相比容差别较小，弹性应变能作用不大，则形成球状相以降低界面能。

图12-5　新相形状与相对应变能的关系示意图

4.过渡相的形成

根据相变热力学，相变是由于新相和母相存在负的自由能差所引起的，并且力求从自由能较高的不稳定母相转变为自由能最低的稳定新相。但是，当稳定的新相与母相的晶体结构差异较大时，两者之间只能形成高能量的非共格界面。此时新相的临界尺寸很小，单位体积新相有较大的界面面积，界面能对形核的阻碍作用很大，并且非共格界面的界面能和形核功均较大，相变不容易发生。在这种情况下，母相往往不直接转变为自由能最低的稳定新相，而是先形成晶体结构或成分与母相比较接近、自由能比母相稍低些的亚稳定的过渡相。此时，过渡相往往具有界面能较低的共格界面或半共格界面，以降低形核功，使形核容易进行。

过渡相虽然在一定条件下可以存在，但其自由能仍高于平衡相，故有继续转变直至达到平衡相为止的倾向，并且这种倾向随温度升高而增大。若经过适当热处理后获得的过渡相组织在室温下使用，这种趋向于平衡状态的转变往往慢得可以忽略不计。

5.晶体缺陷的影响

固态晶体中存在着晶界、亚晶界、空位及位错等各种晶体缺陷，在其周围点阵发生畸变，储存有畸变能。一般地说，固态相变时新相晶核总是优先在晶体缺陷处形成。这是因为，晶体缺陷是能量起伏、结构起伏和成分起伏最大的区域，在这些区域形核时原子扩散激活能低，扩散速度快，相变应力容易被松弛。例如，晶界就是引起非自发形核的既存位置，具有较低的形核功，因此对相变起催化作用。

位错对相变亦有较明显的催化作用。一般认为，在位错线上形核时，新相出现部位的位错线消失，位错中心的畸变能得到释放，从而使系统自由能降低。这部分被释放的能量可作为克服形成新相界面和相变应变所需的能量，从而使相变加速。位错对相变的催化作用还有另一种方式，即新相形成时位错本身不消失，它依附在新相界面上，构成半共格界面中位错的一部分，结果也会使系统自由能降低。

总之，在固态相变中，从能量的观点来看，均匀形核的形核功最大，空位形核次之，位错形核更次之，晶界非均匀形核的形核功最小。

6.原子的扩散

在很多情况下，由于新相和母相的成分不同，固态相变必须通过某些组元的扩散才能进行，这时扩散便成为相变的控制因素。但是，固态中原子的扩散速度远远低于液态原子，因此，原子扩散速度对固态相变有显著的影响。受扩散控制的固态相变，在冷却时可以产生很大程度的过冷。随着过冷度的增大，相变驱动力增大，相变速度也增大。但是，当过冷度增大到一定程度后，由于原子扩散能力下降，相变速度反而随过冷度增大而减慢。若进一步增大过冷度，也可使扩散型相变被抑制，在低温下发生无扩散型相变，形成亚稳定的过渡相。例如，碳钢从奥氏体状态快速冷却时，可抑制扩散型相变，而在低温下以切变方式发生无扩散的马氏体相变，则生成亚稳定的马氏体组织。