固態(tài)相變緒論

固態(tài)相變

授課人：沈冬冬聯(lián)系方式：教六樓6359室

1教學(xué)目的

本課程主要講解材料中固態(tài)相變的驅(qū)動(dòng)力、阻力、形核、長大的基礎(chǔ)理論，在此基礎(chǔ)上對各種類型的相變進(jìn)行分析和討論，主要目的是通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對各種材料的相變行為有比較系統(tǒng)的認(rèn)識，并能將相變的基本理論和實(shí)際問題有機(jī)地聯(lián)系起來，為新材料及材料加工新技術(shù)的研究與開發(fā)提供理論依據(jù)。使學(xué)生在今后的研究工作中具有較好的理論基礎(chǔ)和較強(qiáng)的分析問題和解決問題的能力。2教學(xué)基本要求掌握固態(tài)原子擴(kuò)散的宏觀規(guī)律及擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力等基本知識；對于固態(tài)相變中的一般性問題，包括固態(tài)相變的形核、長大、粗化的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的基本理論，要求掌握；對于具體相變，包括擴(kuò)散型相變(如脫溶析出、珠光體轉(zhuǎn)變、塊狀轉(zhuǎn)變等)及非擴(kuò)散型相變(馬氏體相變)的基本特征等基本問題，要求深入了解、認(rèn)識；對于當(dāng)前爭論頗多、尚不完善的馬氏體、貝氏體相變機(jī)理，要做基本了解。

3教材與參考書教材：劉宗昌、任慧平、宋義全編著，《金屬固態(tài)相變教程》，冶金工業(yè)出版社，2003參考書：1.戚正風(fēng)主編，《固態(tài)金屬中的擴(kuò)散與相變》，機(jī)械工業(yè)出版社，19982.陳景榕、李承基編著,《金屬與合金中的固態(tài)相變》,冶金工業(yè)出版社，19973.D.A.波特、K.E.伊斯特林著，李長海、余永寧譯，《金屬和合金中的相變》，冶金工業(yè)出版社，1988

4教學(xué)內(nèi)容緒論第一章擴(kuò)散理論（簡單復(fù)習(xí)）第二章固態(tài)相變基本規(guī)律第三章脫溶與時(shí)效第四章珠光體轉(zhuǎn)變第五章馬氏體轉(zhuǎn)變第六章貝氏體轉(zhuǎn)變5緒論

INTRODUCTION

金屬材料的價(jià)值在于其使用性能的好壞。材料性能除了直接與材料的成分有關(guān)外，還與材料的組織和結(jié)構(gòu)有關(guān)。對于成分一定的金屬材料而言，可以通過相的轉(zhuǎn)變使其組織和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化從而使性能得到改善。6一、什么是相及相變？

相是成分相同、結(jié)構(gòu)相同、有界面同其他部分分隔的物質(zhì)均勻組成部分；7

珠光體形貌像光鏡下形貌電鏡下形貌FFe3C相的概念8F晶體結(jié)構(gòu)Fe3C晶體結(jié)構(gòu)9相變相變是當(dāng)外界約束（溫度或壓強(qiáng)）作連續(xù)變化時(shí)，在特定條件（溫度或壓強(qiáng)達(dá)到某定值）下，物相所發(fā)生質(zhì)突變。10奧氏體的形成FFe3C未溶Fe3CA殘余Fe3CAAAA形核A長大殘余Fe3C溶解A均勻化11二、物相的突變體現(xiàn)在那些方面？（1）從一種結(jié)構(gòu)變化為另一種結(jié)構(gòu)，例如：液相——固相；固相中不同晶體結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)變12奧氏體（A）鐵素體（F）13（2）化學(xué)成分的不連續(xù)變化：例如固溶體的脫溶分解（3）某種物理性質(zhì)的躍變：金屬——非金屬轉(zhuǎn)變；順磁體——鐵磁體轉(zhuǎn)變14三、相變解決什么問題？（1）相變?yōu)楹螘l(fā)生？（熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)問題）（2）相變是如何進(jìn)行的？（相變機(jī)理——與擴(kuò)散、切變、位錯(cuò)等相關(guān)的理論）15四、相變科學(xué)研究的發(fā)展關(guān)于相變科學(xué)研究開始于十九世紀(jì)的后半期。1、金屬學(xué)家利用金相顯微術(shù)對鋼鐵材料熱處理中相變前后的各種顯微組織（奧氏體、馬氏體、珠光體）進(jìn)行組織鑒定，初步掌握了鋼鐵中相變的一些經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。162、礦物學(xué)家對于石英等多種晶體進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)同種化學(xué)成分可以對應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)，而且他們之間有多形性轉(zhuǎn)變的跡象。17

金剛石C60碳納米管183、1878年吉布斯（J.W.Gibbs）發(fā)表了題為“論復(fù)相物質(zhì)的平衡”的有名論文，對于復(fù)相平衡的熱力學(xué)規(guī)律進(jìn)行了全面的闡述，并且以高度的物理洞察力首次提出了有關(guān)相變動(dòng)力學(xué)的一些基本概念。如新相的成核，光滑界面生長，勻相轉(zhuǎn)變的可能性194、上個(gè)世紀(jì)初，塔曼（G.Tammann)及其合作者進(jìn)行了相變的實(shí)驗(yàn)研究，在凝固過程中觀察到成核的現(xiàn)象。5、二、三十年代，福爾默（M.Volmer）等建立完備的成核的經(jīng)典理論6、四十年代末，夫蘭克（F.C.Frank）提出界面微觀形貌控制長大的理論，其中螺型位錯(cuò)露頭處的臺階扮演重要角色。7、三，四十年代中期，邁爾（R.F.Mehl）等建立了擴(kuò)散控制的新相長大和等溫轉(zhuǎn)變曲線理論20相變跨越多種學(xué)科領(lǐng)域，因而受到物理學(xué)家、化學(xué)家、金屬學(xué)家、陶瓷學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家的關(guān)注。物理金屬學(xué)者重點(diǎn)研究的是金屬和合金中一級相變動(dòng)力學(xué)，主要研究方法為光學(xué)和電子顯微術(shù)和X射線與電子衍射。21常用措施熱處理

－加熱：溫度、速度，保溫時(shí)間－冷卻：速度、方式

--環(huán)境：磁場、電場、力場原理：解決有哪些相變，相變條件、機(jī)理、特征工藝：解決如何實(shí)現(xiàn)這些相變從而達(dá)到預(yù)期的性能22掌握金屬材料固態(tài)相變的規(guī)律，就可以采取措施（如特定的加熱和冷卻工藝）控制相變過程以獲得所預(yù)期的組織和性能，從而使之具有所預(yù)期的性能，最大限度地發(fā)揮現(xiàn)有金屬材料的潛力，并可以根據(jù)性能要求開發(fā)出新型材料。五、23相圖表示了材料的成分、溫度與最終平衡相之間的關(guān)系。

成分的變化決定了材料中組成相及其相對數(shù)量。組織取決于材料的組成相，不同的組成相對應(yīng)的組織自然不相同，決定材料組織的還有這些組成相的數(shù)量、形狀、大小和分布。

六、材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系24構(gòu)成材料中的組成相的類型有：固溶體化合物純金屬為基體化合物為基體25固溶體類型ZXY間隙原子間隙固溶體置換固溶體置換原子YXZ26金屬化合物化合物類型合金組元形成晶格類型與任一組元都不相同的新相正常價(jià)化合物——按化合價(jià)規(guī)律形成，如，Mg2Si間隙化合物——過渡金屬+小半徑非金屬元素電子化合物——按電子濃度規(guī)律形成，如，Cu3Al{間隙相r非/r金0.59，如，WC、TiC、VC復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物r非/r金0.59如，F(xiàn)e3C、Cr23C6間隙化合物熔點(diǎn)高、硬度高，脆性大。27材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系

應(yīng)用材料首先要達(dá)到必需的強(qiáng)度(硬度)，同時(shí)也要考慮相應(yīng)的塑性。以下總結(jié)提高材料強(qiáng)度若干途徑所應(yīng)用的原理。提高材料的強(qiáng)度本質(zhì)上是增加材料發(fā)生塑性變形的阻力。（塑性變形方式及滑移的本質(zhì)？）

28（1）固溶強(qiáng)化：溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑的晶格中，無論是處在晶格的間隙，還是處在晶格節(jié)點(diǎn)的異類原子，都會造成一定的晶格畸變。利用溶質(zhì)原子造成的晶格畸變，提高強(qiáng)度和硬度。

材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系29晶格畸變小原子置換引起的晶格畸變間隙原子引起的晶格畸變30α-Fe與γ-Fe的置換固溶和C、N在γ-Fe正八面體的間隙固溶造成點(diǎn)陣對稱畸變—均勻強(qiáng)化。間隙溶質(zhì)原子的應(yīng)力場具有正應(yīng)力分量，故與刃位錯(cuò)產(chǎn)生交互作用；與位錯(cuò)及其它晶體缺陷作用造成Cottrell氣團(tuán)等—非均勻強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化：311、多晶體金屬的晶粒通常是以大角度晶界相間界的，相鄰的晶粒具有不同的晶體取向。當(dāng)受拉力而產(chǎn)生塑性變形時(shí)，在Schmid（cosλcosφ）因子大的晶粒內(nèi)位錯(cuò)源先開動(dòng)，并沿一定晶面產(chǎn)生滑移和增殖。由于相鄰晶粒的晶體取向不相同，以及晶界包含位錯(cuò)和異類原子，且具有一定的厚度，滑移到晶界前的位錯(cuò)便被晶界阻擋。故，一個(gè)晶粒的塑性變形就無法直接傳播到相鄰的晶粒中去只要進(jìn)一步增加外力，使得鄰近晶粒的位錯(cuò)啟動(dòng)。（2）細(xì)晶強(qiáng)化材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系

32表示屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸關(guān)系的hell－path公式：33晶界處位錯(cuò)34晶粒度等級35材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系（3）第二相硬質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化

第二相硬質(zhì)點(diǎn)是指那些在韌性材料中存在的不易發(fā)生塑性變形的化合物，它們一般幾乎不能發(fā)生塑性變形，在大的應(yīng)力下將脆性斷裂。在外力作用下，運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)遇到第二相硬質(zhì)點(diǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)方式有兩種，切割或繞過，都會增加運(yùn)動(dòng)阻力，可以提高材料的強(qiáng)度。

3637（4）位錯(cuò)強(qiáng)化位錯(cuò)強(qiáng)化也是金屬材料中最有效地強(qiáng)化方式之一。金屬材料流變應(yīng)力以及屈服強(qiáng)度與位錯(cuò)密度ρ之間的關(guān)系為：式中α為比例系數(shù)。大量的研究工作指出立方金屬多晶體α＝0.5。38加工硬化或形變強(qiáng)化金屬塑性變形以后，流變應(yīng)力隨變形程度的增加而增加，要繼續(xù)變形只有不斷增加外力，這種現(xiàn)象稱加工硬化或形變強(qiáng)化。產(chǎn)生強(qiáng)化的原因：（1）位錯(cuò)的交割及增殖3