2.1.2　金屬固態(tài)相變的基本特征

金屬固態(tài)相變與液態(tài)金屬結(jié)晶一樣，其相變驅(qū)動(dòng)力也來自新相與母相的自由能差，也通過形核與長大兩個(gè)過程來完成。但因相變前后均為固態(tài)，故有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

2.1.2.1　界面和界面能

固態(tài)相變時(shí)，母相和新相均為固相，故其界面與固/液界面不同。通常固/固界面可以按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為共格界面、半共格界面和非共格界面三種，如圖2-2所示。共格界面是指界面兩側(cè)的兩個(gè)相的原子能一一對應(yīng)、相互匹配。半共格界面是指由于界面兩側(cè)的原子間距不同，放在界面上只有部分原子能夠依靠彈性畸變保持匹配，在不能匹配的位置將形成刃型位錯(cuò)。非共格界面是指由于兩相的原子間距差別太大，在界面上兩側(cè)原子不能保持匹配。界面上原子排列的不規(guī)則性將導(dǎo)致界面能的升高，因此非共格界面能最高，半共格界面次之，共格界面能最低。

界面能的大小對新相的形核、長大以及轉(zhuǎn)變后的組織形態(tài)有很大影響。若新相具有和母相相同的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和近似的點(diǎn)陣常數(shù)，則新相可以與母相形成低能量的共格界面。此時(shí)，新相將成針狀，以保持共格界面，使界面能保持最低。如新相與母相的晶體結(jié)構(gòu)不同，這時(shí)新相與母相之間可能存在一個(gè)共格或半共格界面，而其他面則是高能的非共格界面。為了降低能量，新相的形態(tài)將是一個(gè)圓盤。圓盤面為共格界面，而圓盤的邊為非共格界面。對于非共格新相，所有的界面都是高能界面，因此其平衡形狀大致為球形，但也不排除由于不同方向的界面能差異而形成多面體。

2.1.2.2　慣習(xí)面和新、舊兩相間的位向關(guān)系

新相可能是針狀，也可能是片狀或顆粒狀。針狀新相的長軸以及片狀新相的主平面通常平行于母相的某一晶面。該晶面稱為慣習(xí)面，通常用母相的晶面指數(shù)表示。慣習(xí)面的存在是為了減小兩相的界面能。由于一個(gè)晶面族包括若干在空間互成一定角度的晶面，故沿慣習(xí)面形成的針狀及片狀新相將成一定角度或相互平行。

慣習(xí)面的存在表明新相與母相存在一定晶體學(xué)位向關(guān)系。因?yàn)閮上嗟木w各自相對于慣習(xí)面的位向關(guān)系是確定的，它們彼此間的位向關(guān)系也就確定了，結(jié)果是兩相的某些低指數(shù)晶向和某些低指數(shù)晶面相互平行。例如，低碳鋼發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，馬氏體總是在奧氏體的{111}_γ上形成，所以{111}_γ就是慣習(xí)面；碳鋼中α相的晶面常與γ相的{111}_γ平行；α相的＜111＞_α晶向又常與γ相的＜110＞_γ晶向平行。這種晶體學(xué)位向關(guān)系可以記為{110}_α∥{111}_γ，＜111＞_α∥＜110＞_γ。

一般來說，當(dāng)新相與母相之間為共格或半共格界面時(shí)，兩相間必然存在一定的晶體學(xué)位向關(guān)系；若兩相間無一定的位向關(guān)系；則其界面必定為非共格的。但有時(shí)兩相間雖然存在一定的晶體學(xué)位向關(guān)系，但未必具有共格或半共格界面，這是新相在長大過程中，其界面的共格性已被破壞所致。

2.1.2.3　彈性應(yīng)變能

除了界面能，彈性應(yīng)變能也對固態(tài)相變有重要影響。彈性應(yīng)變能是指當(dāng)新相與母相間存在點(diǎn)陣錯(cuò)配和體積錯(cuò)配時(shí)引起的應(yīng)變能，如圖2-3所示。點(diǎn)陣錯(cuò)配是指新相和母相的晶體結(jié)構(gòu)和位向相同，但點(diǎn)陣常數(shù)不同，由此在所形成的共格界面附近產(chǎn)生應(yīng)變能，稱為共格應(yīng)變能。顯然，這種共格應(yīng)變能以共格界面最大，半共格界面次之，而在共格界面為零。體積錯(cuò)配是指新相和母相的比體積不同，故固態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)必將發(fā)生體積變化，新相受到周圍母相的約束以致不能自由漲縮，因此產(chǎn)生比體積差彈性應(yīng)變能。圖2-4給出了在非共格界面條件下，比體積差應(yīng)變能與新相幾何形狀之間的關(guān)系。由圖中可以看出，新相呈球狀時(shí)應(yīng)變能最大，盤（片）狀最小，針（棒）狀居中。

固態(tài)相變的阻力由界面能和彈性應(yīng)變能構(gòu)成，與液態(tài)金屬的結(jié)晶相比，固態(tài)相變的阻力由于增加了彈性應(yīng)變能這一項(xiàng)而變大。但在固態(tài)相變中究竟是界面能為主還是彈性應(yīng)變能為主，取決于具體情況。如過冷度很大，新相尺寸很小，單位體積新相的界面積很大，則界面能起主導(dǎo)作用，兩相界面易取共格方式以降低界面能，因界面能的降低可以超過共格應(yīng)變能的增加，從而降低總的形核阻力。當(dāng)過冷度很小，新相尺寸較大，界面能不起主要作用，易形成非共格界面。此時(shí)若兩者比體積差較大，則彈性應(yīng)變能起主導(dǎo)作用，新相為盤（片）狀以降低彈性應(yīng)變能；若兩相比體積差不大，彈性應(yīng)變能作用不大，則形成球狀以降低界面能。

2.1.2.4　晶體缺陷

與液態(tài)金屬不同，固態(tài)金屬中存在各種晶體缺陷，如位錯(cuò)、空位、晶界或亞晶界。一般來說，固態(tài)相變時(shí)新相晶核總是優(yōu)先在這些晶體缺陷處形成。這是因?yàn)榫w缺陷處是能量起伏、結(jié)構(gòu)起伏和成分起伏最大的區(qū)域。在這些區(qū)域形核時(shí)，原子擴(kuò)散激活能低，擴(kuò)散速度快，相變應(yīng)力也容易松弛。