2.1.1　金屬固態相變的主要類型

金屬固態相變的類型很多：按相變過程中原子的運動特點可將固態相變分為擴散型相變和非擴散型相變；按平衡狀態分為平衡相變和非平衡相變；按熱力學分為一級相變和二級相變。

2.1.1.1　按相變過程中原子的運動特點分類

（1）擴散型相變。擴散型相變一般均借助于原子的熱激活運動而進行。

擴散型相變大致有以下幾種：①脫溶分解；②共析轉變；③有序化轉變；④塊狀轉變；⑤多形性轉變；⑥調幅分解。

脫溶分解是指由過飽和固溶體中析出新相的過程，如圖2-1（a）所示。當單相固溶體α冷卻到固溶曲線以下時，α變成β原子過飽和的固溶體，以α'表示。β原子以新相β的形式從過飽和的α'相中析出。脫溶分解后的α'相晶體結構與α相同，但成分更接近平衡狀態，這一過程可以表示為：

α'α+β　?。?-1）

共析轉變是指冷卻時一個固溶體（γ）分解為與γ相晶體結構不同的兩個新相α和β。混合物的相變，可表示為：

γα+β　?。?-2）

圖2-1（b）表示了這種相變的類型。鋼在冷卻時由奧氏體轉變為珠光體（鐵素體與滲碳體的混合物）即屬于共析轉變。

有序化轉變是指固溶體組元原子從無序排列到有序排列的轉變過程，可表示為：

α（無序）α'（有序）　　（2-3）

在Fe-Co、Fe-Ni、Au-Cu、Mn-Ni、Ti-Ni、Cu-Zn等合金系中會發生這種轉變，如圖2-1（c）所示。

塊狀轉變中新相的成分與母相一樣，但晶體結構不同，如圖2-1（d）所示。例如，純鐵或低碳鋼在一定的冷卻速度下，γ相可以轉變為與之具有相同成分而形貌呈塊狀的α相。新相的長大是通過原子的短程擴散而實現的。在純鐵、銅鋅等合金中就會發生塊狀轉變。

圖2-1（e）所示的多形性轉變是指發生在純金屬中的晶體結構的轉變，如純鐵中δ→γ→α轉變。這種轉變本身在生產上沒有多少實際意義，但以此轉變為基礎的鐵的固溶體固態相變是鋼的熱處理的基礎。

另外，某些合金在高溫下具有均勻單相固溶體，但冷卻到某一溫度范圍時可分解成為與原固溶體結構相同但成分不同的兩個微區，如αα₁+α₂，這種轉變稱為調幅分解。調幅分解的特點是：在轉變初期形成的兩個微區之間并無明顯界面和成分突變，但是通過擴散，最終使原來的單相固溶體分解成兩個共格相。

（2）非擴散型相變。非擴散型相變是指轉變前后組元原子的運動不超過一個原子間距的轉變。在通常情況下，非擴散到相變是在足夠快的冷卻速度下（即淬火），由原子沒有來得及進行擴散型相變而引起的。通過淬火使鋼硬化是最重要的一種熱處理工藝，廣泛用于生產，其轉變產物稱為馬氏體，而這種非擴散型相變稱為馬氏體轉變。馬氏體轉變不僅在鋼中發生，也在許多有色金屬中發生，如Ti-Ni、Cu-Zn-Si、Cu-Zn、Cu-Mn、Ni-Mn-Ga等合金系。

此外，鋼中還有一種介于馬氏體轉變與珠光體轉變之間的轉變，稱為貝氏體轉變。此時鐵原子擴散已經極其困難，但碳原子還能擴散，故可以稱為半擴散型相變。其轉變產物也是α相和碳化物的混合物，稱為貝氏體，但形態和分布與珠光體不同。根據貝氏體轉變設計的貝氏體鋼具有優異的強度和突出的韌性，近年來有很大進步。

2.1.1.2　按平衡狀態分類

根據金屬材料的平衡狀態，也可將固態相變分為平衡相變和非平衡相變。

（1）平衡相變。在緩慢加熱或冷卻時所發生的能獲得符合平衡相圖的平衡組織的相變稱為平衡相變。前面介紹的多形性轉變、平衡脫溶分解、共析轉變、有序化轉變等均屬于平衡相變。

（2）非平衡相變。若加熱或冷卻速率很快，上述平衡相變將被抑制，固態材料可能發生某些平衡相圖上不能反映的轉變，并獲得被稱為不平衡或亞穩態的組織，這種轉變稱為非平衡相變。馬氏體轉變、貝氏體轉變、非平衡脫溶分解以及后續章節要詳細介紹的偽共析轉變均屬于非平衡相變。就熱處理工藝而言，非平衡相變具有更為重要的意義。

2.1.1.3　按熱力學分類

根據相變前后熱力學函數的變化，可將固態相變分為一級相變和二級相變。

（1）一級相變。相變時新舊兩相的化學勢相等，但化學勢的一級偏微商不等的相變稱為一級相變。設α代表舊相，β代表新相，μ為化學勢、T為溫度、p為壓力，則有：

已知：

所以S_α≠S_β，V_α≠V_β。

因此，在一級相變時，熵S和體積V將發生不連續變化，即一級相變有相變潛熱和體積改變。材料的凝固、熔化、升華以及同素異構轉變等均屬于一級相變。

幾乎所有伴隨晶體結構變化的金屬固態相變都是一級相變。

（2）二級相變。相變時新舊兩相的化學勢相等，且化學勢的一級偏微商也相等，但化學勢的二級偏微商不等的相變稱為二級相變，即相變時，S_α=S_β，V_α=V_β，但是：

說明在二級相變時，無相變潛熱和體積改變，但比熱容、壓縮系數和膨脹系數有突變。材料的部分有序化轉變、磁性轉變以及超導體轉變均屬于二級相變。