2.1.1　金属固态相变的主要类型

金属固态相变的类型很多：按相变过程中原子的运动特点可将固态相变分为扩散型相变和非扩散型相变；按平衡状态分为平衡相变和非平衡相变；按热力学分为一级相变和二级相变。

2.1.1.1　按相变过程中原子的运动特点分类

（1）扩散型相变。扩散型相变一般均借助于原子的热激活运动而进行。

扩散型相变大致有以下几种：①脱溶分解；②共析转变；③有序化转变；④块状转变；⑤多形性转变；⑥调幅分解。

脱溶分解是指由过饱和固溶体中析出新相的过程，如图2-1（a）所示。当单相固溶体α冷却到固溶曲线以下时，α变成β原子过饱和的固溶体，以α'表示。β原子以新相β的形式从过饱和的α'相中析出。脱溶分解后的α'相晶体结构与α相同，但成分更接近平衡状态，这一过程可以表示为：

α'α+β　　（2-1）

共析转变是指冷却时一个固溶体（γ）分解为与γ相晶体结构不同的两个新相α和β。混合物的相变，可表示为：

γα+β　　（2-2）

图2-1（b）表示了这种相变的类型。钢在冷却时由奥氏体转变为珠光体（铁素体与渗碳体的混合物）即属于共析转变。

有序化转变是指固溶体组元原子从无序排列到有序排列的转变过程，可表示为：

α（无序）α'（有序）　　（2-3）

在Fe-Co、Fe-Ni、Au-Cu、Mn-Ni、Ti-Ni、Cu-Zn等合金系中会发生这种转变，如图2-1（c）所示。

块状转变中新相的成分与母相一样，但晶体结构不同，如图2-1（d）所示。例如，纯铁或低碳钢在一定的冷却速度下，γ相可以转变为与之具有相同成分而形貌呈块状的α相。新相的长大是通过原子的短程扩散而实现的。在纯铁、铜锌等合金中就会发生块状转变。

图2-1（e）所示的多形性转变是指发生在纯金属中的晶体结构的转变，如纯铁中δ→γ→α转变。这种转变本身在生产上没有多少实际意义，但以此转变为基础的铁的固溶体固态相变是钢的热处理的基础。

另外，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αα₁+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，但是通过扩散，最终使原来的单相固溶体分解成两个共格相。

（2）非扩散型相变。非扩散型相变是指转变前后组元原子的运动不超过一个原子间距的转变。在通常情况下，非扩散到相变是在足够快的冷却速度下（即淬火），由原子没有来得及进行扩散型相变而引起的。通过淬火使钢硬化是最重要的一种热处理工艺，广泛用于生产，其转变产物称为马氏体，而这种非扩散型相变称为马氏体转变。马氏体转变不仅在钢中发生，也在许多有色金属中发生，如Ti-Ni、Cu-Zn-Si、Cu-Zn、Cu-Mn、Ni-Mn-Ga等合金系。

此外，钢中还有一种介于马氏体转变与珠光体转变之间的转变，称为贝氏体转变。此时铁原子扩散已经极其困难，但碳原子还能扩散，故可以称为半扩散型相变。其转变产物也是α相和碳化物的混合物，称为贝氏体，但形态和分布与珠光体不同。根据贝氏体转变设计的贝氏体钢具有优异的强度和突出的韧性，近年来有很大进步。

2.1.1.2　按平衡状态分类

根据金属材料的平衡状态，也可将固态相变分为平衡相变和非平衡相变。

（1）平衡相变。在缓慢加热或冷却时所发生的能获得符合平衡相图的平衡组织的相变称为平衡相变。前面介绍的多形性转变、平衡脱溶分解、共析转变、有序化转变等均属于平衡相变。

（2）非平衡相变。若加热或冷却速率很快，上述平衡相变将被抑制，固态材料可能发生某些平衡相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。马氏体转变、贝氏体转变、非平衡脱溶分解以及后续章节要详细介绍的伪共析转变均属于非平衡相变。就热处理工艺而言，非平衡相变具有更为重要的意义。

2.1.1.3　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）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S_α≠S_β，V_α≠V_β。

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，即相变时，S_α=S_β，V_α=V_β，但是：

说明在二级相变时，无相变潜热和体积改变，但比热容、压缩系数和膨胀系数有突变。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。