《鋼的熱處理》課件1-金屬固態(tài)相變概論

1、金屬固態(tài)相變概論金屬固態(tài)相變的主要類型金屬固態(tài)相變的主要特點(diǎn)固態(tài)相變時(shí)的形核固態(tài)相變時(shí)的晶核長大固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)第一節(jié)平衡轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變和多形性轉(zhuǎn)變平衡脫溶沉淀共析轉(zhuǎn)變條幅分解有序化轉(zhuǎn)變不平衡轉(zhuǎn)變偽共析轉(zhuǎn)變馬氏體轉(zhuǎn)變塊狀轉(zhuǎn)變貝氏體轉(zhuǎn)變不平衡脫溶沉淀n第一節(jié) 屬固態(tài)相變的主要類型 純金屬在一定的溫度和壓力下，由一種結(jié)構(gòu)變?yōu)榱硗庖环N結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象 例：純鐵在912以下是BCC結(jié)構(gòu)，在其以上是FCC結(jié)構(gòu)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 固溶體在一定的溫度和壓力下，由一種結(jié)構(gòu)變?yōu)榱硗庖环N結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象 例：鋼冷卻時(shí)從奧氏體中析出先共析鐵素體多形性轉(zhuǎn)變n第一節(jié) 屬固態(tài)相變的主要類型（一）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變與多形性轉(zhuǎn)變 高溫飽和固溶體緩慢

2、冷卻過程中析出第二相的過程平衡脫溶沉淀 新相的成分和結(jié)構(gòu)始終與母相不同 母相不會(huì)消失特點(diǎn) 剛在冷卻時(shí)，由奧氏體析出二次滲碳體的過程舉例（二）平衡脫溶沉淀n第一節(jié) 屬固態(tài)相變的主要類型共析轉(zhuǎn)變 鋼中的珠光體轉(zhuǎn)變舉例（三）共析轉(zhuǎn)變n第一節(jié) 屬固態(tài)相變的主要類型調(diào)幅（增幅）分解 新形成的微區(qū)之間無明顯的界面和成分的突變 通過上坡擴(kuò)散，最終使均勻固溶體變?yōu)椴痪鶆蚬倘荏w特點(diǎn)（四）調(diào)幅分解n第一節(jié) 屬固態(tài)相變的主要類型有序化轉(zhuǎn)變固溶體中，各組元的相對(duì)位置從無序過渡到有序的過程舉例Cu-Zn合金Al-Cu合金n第一節(jié) 屬固態(tài)相變的主要類型（五）有序化轉(zhuǎn)變 接近共析點(diǎn)成分的合金過冷到共析點(diǎn)以下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變的過

3、程偽共析轉(zhuǎn)變 亞（過）共析鋼從奧氏體以較快速度冷卻，先共析鐵素體（滲碳體）來不及析出，形成偽共析體舉例 鐵素體和滲碳體相對(duì)含量隨奧氏體的含碳量而改變特點(diǎn)先共析轉(zhuǎn)變及偽共析轉(zhuǎn)變的過冷度（一）偽共析轉(zhuǎn)變n第一節(jié) 屬固態(tài)相變的主要類型 合金在快冷時(shí)，若能避免其發(fā)生擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，則將無需原子擴(kuò)散，以一種切變共格的方式實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣的改組，形成馬氏體。馬氏體轉(zhuǎn)變 鋼中，奧氏體被快冷到低溫下時(shí)，以無擴(kuò)散的方式將點(diǎn)陣改組為點(diǎn)陣舉例 馬氏體成分與原奧氏體相同特點(diǎn)（二）馬氏體轉(zhuǎn)變n第一節(jié) 屬固態(tài)相變的主要類型 在一定的冷速下，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榕c母相具有相同成分而形貌呈塊狀的相的過程塊狀轉(zhuǎn)變 新相長大是通過原子的短程擴(kuò)散使新

4、、母相的非共格界面推移而實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)（三）塊狀轉(zhuǎn)變n第一節(jié) 屬固態(tài)相變的主要類型 在珠光體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍之間（中溫）轉(zhuǎn)變貝氏體轉(zhuǎn)變 半擴(kuò)散型相變鐵原子不能擴(kuò)散，碳原子可以擴(kuò)散特點(diǎn) 貝氏體鐵素體和滲碳體組成的非片層狀組織產(chǎn)物（四）貝氏體轉(zhuǎn)變n第一節(jié) 屬固態(tài)相變的主要類型 等溫條件下，由過飽和固溶體中析出第二相的過程 時(shí)效不平衡脫溶沉淀 析出相為非平衡亞穩(wěn)相特點(diǎn)（五）不平衡脫溶沉淀n第一節(jié) 屬固態(tài)相變的主要類型快冷分解金屬固態(tài)相變的三種基本變化結(jié)構(gòu)成分有序化程度只有結(jié)構(gòu)的變化多形性轉(zhuǎn)變馬氏體轉(zhuǎn)變只有成分的變化調(diào)幅分解既有結(jié)構(gòu)又有成分的變化共析轉(zhuǎn)變脫溶沉淀n第一節(jié) 屬固態(tài)相變的主要類型第二節(jié)

5、一般特征相變驅(qū)動(dòng)力為新、母相的自由能差大多數(shù)通過形核與長大的過程來實(shí)現(xiàn)獨(dú)有特征形成相界面兩相間具有晶體學(xué)關(guān)系產(chǎn)生彈性應(yīng)變能晶體缺陷發(fā)揮作用產(chǎn)生過渡相n第二節(jié) 固態(tài)相變的主要特點(diǎn)共格界面晶體結(jié)構(gòu)相同晶體結(jié)構(gòu)不同（一）共格界面n第二節(jié) 固態(tài)相變的主要特點(diǎn)概念兩相界面上的原子部分匹配特點(diǎn)彈性應(yīng)變能降低界面上分布有若干位錯(cuò)半共格界面（二）半共格界面n第二節(jié) 固態(tài)相變的主要特點(diǎn) 概念 兩相界面上的原子完全不匹配 為很薄的一層院子不規(guī)則排列的過渡層 特點(diǎn) 界面能較高 界面上存在大量缺陷非共格界面（三）非共格界面n第二節(jié) 固態(tài)相變的主要特點(diǎn)慣習(xí)面取向關(guān)系n第二節(jié) 固態(tài)相變的主要特點(diǎn)慣習(xí)面與取向關(guān)系非共格界面

6、新相形狀引起的體積（比容差）應(yīng)變能球狀最大針狀次之盤裝最小共格界面原子強(qiáng)制匹配引起的共格應(yīng)變能共格界面最大半共格界面次之非共格界面為零新相幾何形狀與比容差應(yīng)變能體積應(yīng)變能與共格應(yīng)變能n第二節(jié) 固態(tài)相變的主要特點(diǎn)相變阻力界面能應(yīng)變能比容差應(yīng)變能共格應(yīng)變能 非共格半共格共格界面能 球狀針狀盤狀比容差應(yīng)變能 共格半共格非共格=0共格應(yīng)變能界面能與應(yīng)變能n第二節(jié) 固態(tài)相變的主要特點(diǎn)n第二節(jié) 固態(tài)相變的主要特點(diǎn)相變阻力對(duì)界面類型和新相形狀的影響促進(jìn)相變提高形核率提供缺陷能作為相變驅(qū)動(dòng)力的補(bǔ)充晶體缺陷固態(tài)相變需要較大形核功n第二節(jié) 固態(tài)相變的主要特點(diǎn)基本原理功耗最低原理 任何的相變都選擇能量消耗最低的途徑

7、進(jìn)行能量最低原理 任何的相變都趨向于使整個(gè)體系的能量保持最低過渡相與母相保持共格 界面能較低不穩(wěn)定 條件滿足時(shí)有向平衡相轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)n第二節(jié) 固態(tài)相變的主要特點(diǎn)第三節(jié)相變驅(qū)動(dòng)力相變阻力（一）相變過程的能量變化n第三節(jié) 固態(tài)相變的形核n第三節(jié) 固態(tài)相變的形核固態(tài)相變較難均勻形核n第三節(jié) 固態(tài)相變的形核（二）固態(tài)相變的形核率晶體缺陷點(diǎn)缺陷空位間隙原子線缺陷位錯(cuò)面缺陷晶界亞晶界晶體缺陷能促進(jìn)形核n第三節(jié) 固態(tài)相變的形核 空位通過促進(jìn)溶質(zhì)原子擴(kuò)散或利用本身的能量提供形核驅(qū)動(dòng)力促使形核 空位團(tuán)可凝聚成位錯(cuò)而促進(jìn)形核空位促進(jìn)形核的途徑 空位對(duì)脫溶沉淀有促進(jìn)作用，是沉淀相非均勻形核的位置 晶界附近的過飽和空位

8、擴(kuò)散到晶界而消失脫溶沉淀時(shí)無析出區(qū)的形成原因n第三節(jié) 固態(tài)相變的形核（一）空位促進(jìn)形核圍繞位錯(cuò)形核后，位錯(cuò)消失，釋放出畸變能 對(duì)于半共格晶核，原有的位錯(cuò)成為界面位錯(cuò)，補(bǔ)償了錯(cuò)配，降低了形核功溶質(zhì)原子常在位錯(cuò)線上偏聚，容易滿足新相形成的成分要求位錯(cuò)促進(jìn)形核的途徑n第三節(jié) 固態(tài)相變的形核（二）位錯(cuò)促進(jìn)形核 大角晶界具有極高的界面能，在晶界上形核可使界面能釋放出來作為相變驅(qū)動(dòng)力晶界促進(jìn)形核的途徑 一側(cè)為共格 另一側(cè)為非共格新晶核與母相的界面關(guān)系 共格側(cè)界面平直 非共格側(cè)界面呈球冠形新晶核的形狀（三）晶界促進(jìn)形核界面形態(tài)n第三節(jié) 固態(tài)相變的形核晶界面形核棱邊形核隅角形核晶界面形核棱邊形核隅角形核n第三

9、節(jié) 固態(tài)相變的形核（三）晶界促進(jìn)形核形核位置晶界不同位置形核功比較隅角形核的形核功最小隅角在多晶體中所占的體積分?jǐn)?shù)最少（三）晶界促進(jìn)形核形核位置與形核功n第三節(jié) 固態(tài)相變的形核第四節(jié) 原子通過切變方式協(xié)同運(yùn)動(dòng)，相鄰原子的相對(duì)位置不變無擴(kuò)散相變 馬氏體相變，出現(xiàn)外形變化表面浮突現(xiàn)象舉例 新相和母相間有一定的位向關(guān)系特點(diǎn)（一）半共格界面的遷移協(xié)同式長大機(jī)制n第四節(jié) 固態(tài)相變時(shí)的晶核長大共格界面上存在位錯(cuò)列位錯(cuò)滑移臺(tái)階側(cè)向移動(dòng)位錯(cuò)攀移臺(tái)階法向推進(jìn)（一）半共格界面的遷移臺(tái)階式長大機(jī)制n第四節(jié) 固態(tài)相變時(shí)的晶核長大原子移動(dòng)無先后順序相對(duì)位移距離不等相鄰關(guān)系可能變化特點(diǎn)新相逐漸長大界面沿法向推進(jìn)母相原子向

10、新相中轉(zhuǎn)移過程（二）共格界面的遷移非協(xié)同式長大n第四節(jié) 固態(tài)相變時(shí)的晶核長大原子母相臺(tái)階端部新相臺(tái)階新相臺(tái)階側(cè)向移動(dòng)界面推進(jìn)新相長大n第四節(jié) 固態(tài)相變時(shí)的晶核長大（二）共格界面的遷移臺(tái)階式長大激活能n第四節(jié) 固態(tài)相變時(shí)的晶核長大（一）界面控制型長大（無成分變化）公式推導(dǎo)（1）參數(shù)（一）界面控制型長大n第四節(jié) 固態(tài)相變時(shí)的晶核長大公式推導(dǎo)（2）n第四節(jié) 固態(tài)相變時(shí)的晶核長大（一）界面控制型長大公式推導(dǎo)（3）n第四節(jié) 固態(tài)相變時(shí)的晶核長大（一）界面控制型長大公式推導(dǎo)（4）n第四節(jié) 固態(tài)相變時(shí)的晶核長大（一）界面控制型長大固態(tài)相變的新相長大速度隨溫度降低呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)結(jié)論（一）界面控制型長大n第四節(jié) 固態(tài)相變時(shí)的晶核長大平衡相圖平衡相圖界面附近的濃度分布界面附近的濃度分布n第四節(jié) 固態(tài)相變時(shí)的晶核長大（二）擴(kuò)散控制型長大（有成分變化）公式隨著溫度下降，D急劇減小，V降低含義擴(kuò)散通量新相長大系數(shù)n第四節(jié) 固態(tài)相變時(shí)的晶核長大（二）擴(kuò)散控制型長大 第五節(jié)研究新相形成量（體積分?jǐn)?shù)）與時(shí)間及溫度之間的關(guān)系相變動(dòng)力學(xué)形核長大一般規(guī)律n第五節(jié) 固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)n第五節(jié) 固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)形核率和長大速度恒定（恒溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)）n第