2.1.2　金属固态相变的基本特征

金属固态相变与液态金属结晶一样，其相变驱动力也来自新相与母相的自由能差，也通过形核与长大两个过程来完成。但因相变前后均为固态，故有以下几个特点。

2.1.2.1　界面和界面能

固态相变时，母相和新相均为固相，故其界面与固/液界面不同。通常固/固界面可以按结构特点分为共格界面、半共格界面和非共格界面三种，如图2-2所示。共格界面是指界面两侧的两个相的原子能一一对应、相互匹配。半共格界面是指由于界面两侧的原子间距不同，放在界面上只有部分原子能够依靠弹性畸变保持匹配，在不能匹配的位置将形成刃型位错。非共格界面是指由于两相的原子间距差别太大，在界面上两侧原子不能保持匹配。界面上原子排列的不规则性将导致界面能的升高，因此非共格界面能最高，半共格界面次之，共格界面能最低。

图2-2　固态相变界面结构示意图

界面能的大小对新相的形核、长大以及转变后的组织形态有很大影响。若新相具有和母相相同的点阵结构和近似的点阵常数，则新相可以与母相形成低能量的共格界面。此时，新相将成针状，以保持共格界面，使界面能保持最低。如新相与母相的晶体结构不同，这时新相与母相之间可能存在一个共格或半共格界面，而其他面则是高能的非共格界面。为了降低能量，新相的形态将是一个圆盘。圆盘面为共格界面，而圆盘的边为非共格界面。对于非共格新相，所有的界面都是高能界面，因此其平衡形状大致为球形，但也不排除由于不同方向的界面能差异而形成多面体。

2.1.2.2　惯习面和新、旧两相间的位向关系

新相可能是针状，也可能是片状或颗粒状。针状新相的长轴以及片状新相的主平面通常平行于母相的某一晶面。该晶面称为惯习面，通常用母相的晶面指数表示。惯习面的存在是为了减小两相的界面能。由于一个晶面族包括若干在空间互成一定角度的晶面，故沿惯习面形成的针状及片状新相将成一定角度或相互平行。

惯习面的存在表明新相与母相存在一定晶体学位向关系。因为两相的晶体各自相对于惯习面的位向关系是确定的，它们彼此间的位向关系也就确定了，结果是两相的某些低指数晶向和某些低指数晶面相互平行。例如，低碳钢发生马氏体转变时，马氏体总是在奥氏体的{111}_γ上形成，所以{111}_γ就是惯习面；碳钢中α相的晶面常与γ相的{111}_γ平行；α相的＜111＞_α晶向又常与γ相的＜110＞_γ晶向平行。这种晶体学位向关系可以记为{110}_α∥{111}_γ，＜111＞_α∥＜110＞_γ。

一般来说，当新相与母相之间为共格或半共格界面时，两相间必然存在一定的晶体学位向关系；若两相间无一定的位向关系；则其界面必定为非共格的。但有时两相间虽然存在一定的晶体学位向关系，但未必具有共格或半共格界面，这是新相在长大过程中，其界面的共格性已被破坏所致。

2.1.2.3　弹性应变能

除了界面能，弹性应变能也对固态相变有重要影响。弹性应变能是指当新相与母相间存在点阵错配和体积错配时引起的应变能，如图2-3所示。点阵错配是指新相和母相的晶体结构和位向相同，但点阵常数不同，由此在所形成的共格界面附近产生应变能，称为共格应变能。显然，这种共格应变能以共格界面最大，半共格界面次之，而在共格界面为零。体积错配是指新相和母相的比体积不同，故固态转变时必将发生体积变化，新相受到周围母相的约束以致不能自由涨缩，因此产生比体积差弹性应变能。图2-4给出了在非共格界面条件下，比体积差应变能与新相几何形状之间的关系。由图中可以看出，新相呈球状时应变能最大，盘（片）状最小，针（棒）状居中。

图2-3　点阵错配与体积错配

（a）、（b）新相与母相共格，但点阵常数不同，从而产生点阵错配；（c）、（d）新相与母相非共格，而比体积不同，产生体积错配

图2-4　新相几何形状与比体积差应变能的关系

固态相变的阻力由界面能和弹性应变能构成，与液态金属的结晶相比，固态相变的阻力由于增加了弹性应变能这一项而变大。但在固态相变中究竟是界面能为主还是弹性应变能为主，取决于具体情况。如过冷度很大，新相尺寸很小，单位体积新相的界面积很大，则界面能起主导作用，两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过共格应变能的增加，从而降低总的形核阻力。当过冷度很小，新相尺寸较大，界面能不起主要作用，易形成非共格界面。此时若两者比体积差较大，则弹性应变能起主导作用，新相为盘（片）状以降低弹性应变能；若两相比体积差不大，弹性应变能作用不大，则形成球状以降低界面能。

2.1.2.4　晶体缺陷

与液态金属不同，固态金属中存在各种晶体缺陷，如位错、空位、晶界或亚晶界。一般来说，固态相变时新相晶核总是优先在这些晶体缺陷处形成。这是因为晶体缺陷处是能量起伏、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，相变应力也容易松弛。