《金屬材料工程概論（第2版）》12金屬材料系統(tǒng)課件

12金屬材料系統(tǒng)12.1金屬及合金復(fù)雜系統(tǒng)112.2金屬及合金整合系統(tǒng)2412.3非線性相互作用312.4相變的自組織特征

12.1金屬及合金復(fù)雜系統(tǒng)12.1.1金屬及合金系統(tǒng)

金屬及合金作為一個復(fù)雜系統(tǒng)是由許多子系統(tǒng)組成的。以鋼為例，鋼作為復(fù)雜系統(tǒng)包含的子系統(tǒng)有：溶質(zhì)系統(tǒng)可加入鋼中的元素有Fe、C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、Ti、V、Co、Nb、Cu、Al、B、S、P、O、H、N、RE、Pb、Ca、Sb等20多種，無限溶解的，有限溶解的；每一種固溶的化學(xué)元素都是組成鋼的一個要素，元素的種類和數(shù)量決定鋼的組織結(jié)構(gòu)和性能。。組織系統(tǒng)以基本相為要素組成各種組織，其中有單相組織，如：鐵素體組織、奧氏體組織、馬氏體組織等；也有復(fù)相組織，如：珠光體組織、貝氏體組織、回火馬氏體組織、魏氏組織、索氏體組織、托氏體組織、粒狀組織、萊氏體組織、郁氏體組織、時效組織等，他們是各種相構(gòu)成的整合組織。11.1高分子材料晶體系統(tǒng)

金屬是晶體，鋼也是晶體，而且是多晶體，雖然有時在特殊條件下也處于非晶狀態(tài)。但一般狀態(tài)下由晶粒組成，晶粒是原子排列成的晶格構(gòu)成的。晶格分為體心立方晶格、面心立方晶格、體心正方晶格、密排六方晶格、斜方晶格等，還有G-P區(qū)、Cottrell氣團等結(jié)構(gòu)。鋼時常處于多種晶格的匹配狀態(tài)。尤其是高碳高合金鋼，無論處于什么熱處理狀態(tài)都是由具有多種晶格結(jié)構(gòu)的相組成的整合系統(tǒng)。12.1.2系統(tǒng)的特征作為復(fù)雜系統(tǒng)的金屬材料，具有如下基本特征：1）組成要素的多體性

金屬及合金是由多體有機結(jié)合構(gòu)成的整體，它們是具有各自的結(jié)構(gòu)和性能的子系統(tǒng)。

如鋼中的珠光體組織是由體心立方晶格的鐵素體和斜方晶系的滲碳體或特殊碳化物組成整合組織，表現(xiàn)了多體性。2)空間結(jié)構(gòu)的層次性

溶質(zhì)系統(tǒng)是復(fù)相系統(tǒng)的子系統(tǒng)，相又是組織系統(tǒng)的子系統(tǒng)。可見，復(fù)雜系統(tǒng)的鋼具有明顯的層次性。如由化學(xué)元素C、Si、Mn、Cr、Ni、V、S、P等的原子構(gòu)建成各類晶格；由不同成分和晶格的區(qū)域組成相；由相組成物構(gòu)成組織，如由鐵素體、滲碳體、奧氏體、合金碳化物、金屬間化合物等相構(gòu)成的各種組織：珠光體、索氏體、馬氏體、貝氏體等；由各種組織構(gòu)成的各種鋼，如結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、不銹鋼等。層次十分鮮明。3)非線性相互作用金屬及合金是由眾多要素非線性相互作用構(gòu)成的不可積系統(tǒng)。它是系統(tǒng)復(fù)雜性的根源，在相變中發(fā)揮重要作用。它使金屬及合金在外部條件變化時，將微觀的起伏，如能量起伏、結(jié)構(gòu)起伏、濃度起伏等予以放大，引發(fā)相變，形成新的結(jié)構(gòu)。各個元素、各個相在相變中有機結(jié)合，有序配合，發(fā)生的相互作用是非線性的。。相變規(guī)律的多樣性

多種化學(xué)元素、多種相結(jié)構(gòu)、多種組織構(gòu)成的金屬材料，具有不同形狀的相圖，從二元相圖到三元相圖，越來越復(fù)雜，多元相圖的建立較為困難。隨著溫度、壓力的變化其相變行為表現(xiàn)了多樣性、復(fù)雜性。如鋼，加熱奧氏體化后，在常壓下，采用不同的冷卻條件，會發(fā)生不同的相變過程；如共析分解、貝氏體轉(zhuǎn)變、馬氏體相變等一系列復(fù)雜的轉(zhuǎn)變。圖12-1,12-2,12-3分別為鋼中的珠光體、貝氏體、馬氏體組織照片。這些組織的鋼具有不同的性能

圖12-1鋼中珠光體組織，SEM圖12-2鋼的粒狀貝氏體組織，OM圖12-3鋼的板條狀馬氏體組織，TEM

12.2金屬及合金整合系統(tǒng)

金屬及合金是由多元素、多相、多組織、多晶體結(jié)構(gòu)所組成。這些要素不是混合，而是有機的結(jié)合，有序的配合，是一個有機的自組織的整體，即稱為整合系統(tǒng)。

整合系統(tǒng)具有“整體大于部分之總和”的特性和機制。以系統(tǒng)的整體性為基礎(chǔ)和前提的有機結(jié)合、有序配合或組織化匹配，稱為整合。

整合系統(tǒng)不同于混和系統(tǒng)。整合一詞也廣泛用于社會科學(xué)，但整合一詞出自于自然辯證法，自然辯證法是自然科學(xué)哲學(xué)。金屬及合金是整合系統(tǒng)不是混合系統(tǒng)金屬、合金、鋼鐵材料以及金屬及合金的各種組成相、各種組織都不是混合系統(tǒng)，而是整合系統(tǒng)。如鋼中的珠光體，珠光體是共析分解的鐵素體和碳化物的有機結(jié)合體。它們以界面相結(jié)合，以一定的比例相配合，是一個相互依賴、相互關(guān)聯(lián)的整體，稱為整合組織。1.金屬儲氫原理整體大于部分之總和金屬及合金的機械性能和各種物理特性呈現(xiàn)為整體性的表征，具有整體大于部分之總和的特點。例：45CrNi4Mo鋼（德國鋼號為X45CrNiMo4），奧氏體化后，在640℃等溫，珠光體分解的孕育期大于105秒，若將它分成三個部分：45Cr、60Ni4、45Mo，其奧氏體共析分解的情況見表12-1。部分相應(yīng)的鋼種在珠光體“鼻溫”處的孕育期

結(jié)論145Cr~10（秒）Cr的單獨影響260Ni4~2（秒）Ni的單獨影響345Mo~1（秒）Mo的單獨影響

三部分之總和~13（秒）部分的簡單疊加值

X45CrNiMo4（整體）>105（秒）C、Cr、Ni、Mo的綜合影響，使105》13.表12-1從表可見,整合系統(tǒng)具有各個組成要素在各自孤立狀態(tài)下不可能具有的新質(zhì)，且具有整體大于部分之總和的機制。X45CrNiMo4鋼奧氏體化后，奧氏體中溶有C、Cr、Ni、Mo等多種元素，它們相互作用，構(gòu)成一個有機結(jié)合的整體，表現(xiàn)出新的整體性行為，具有各元素在各自單獨影響時的新質(zhì)。相變動力學(xué)問題

相變動力學(xué)是研究相變速度問題的。各個元素、各個相在相變中有機結(jié)合，有序配合，發(fā)生的相互作用是非線性的。動力學(xué)曲線反映了非線性規(guī)律。

相變動力學(xué)是相變時的形核率Ns，核長大速度u，轉(zhuǎn)變時間t和轉(zhuǎn)變量之間的關(guān)系的科學(xué)。實際上多采用Avrami方程描述：f（t）=1-exp[-Btk]

式中B為一常數(shù)，對三維空間3≤K≤4。

鋼在冷卻時發(fā)生的固態(tài)相變，其形核率和長大速率與轉(zhuǎn)變量之間的關(guān)系曲線都有一個極大值，通常呈C—曲線的形狀。但是，鋼中的C—曲線（TTT圖、CCT圖）卻是千變?nèi)f化的，每一種鋼都有自己特殊的C—曲線，即使同一種鋼，尤其是高碳高合金鋼，奧氏體化溫度不同，測得的C—曲線的形狀或位置也是有差別的。在鋼的奧氏體轉(zhuǎn)變曲線，鋼中合金元素種類和數(shù)量不多，但C—曲線卻達到上千種，而且合金元素的種類和數(shù)量愈多，對鋼的動力學(xué)曲線影響愈復(fù)雜。這是由于鋼是整合系統(tǒng)，奧氏體中的碳和各種合金元素的相互作用是非線性的，具有整體大于部分之總和的機制，因而呈現(xiàn)千變?nèi)f化的相變動力學(xué)曲線及轉(zhuǎn)變圖。圖12-4總結(jié)了鋼中的各類TTT圖。圖12-4鋼中各類TTT圖示意圖。合金元素的數(shù)量的組合，其整合作用，非線性相互作用，大大提高了奧氏體的穩(wěn)定性。不同種類和導(dǎo)致了奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線千差萬別的變化。圖12-5為Cr、Ni、Co對珠光體轉(zhuǎn)變開始線的影響，如圖所示，F(xiàn)e+Cr；Fe+Cr+Co；Fe+Cr+Ni系統(tǒng)表現(xiàn)了不同的作用。

圖12-5；Cr、Ni、Co對珠光體轉(zhuǎn)變開始線的影響圖12-6T8鋼的動力學(xué)曲線---TTT圖12.3非線性相互作用

相變臨界點的非線性問題Fe-C合金的相變臨界點有平衡臨界點：A1，A3，ACcm等；在非平衡情況下有：Ac1，Ac3，Accm，Ar1，Ar3，Arcm，Ms等。合金元素對臨界點的影響是非線性的，但以往大都進行了簡化處理，使之成線性關(guān)系。如，計算鋼的臨界點Ms、Ac1等，采用了簡化的線性處理法。計算馬氏體點的公式很多，僅舉幾例：Ms（℃）=550-361C-39Mn-35V-20Cr-17Ni-10Cu-5（Mo+W）+15Co+30Ms（℃）＝550－361×（％C）－39×（％Mn）-35(%V)-20(%Cr)-17(%Ni)-10(%Cu)-5×(%Mo+%W)+15×(%Co)+30(%Al)可見，把合金元素對馬氏體點的影響看成了各個合金元素作用的簡單的線性疊加，即馬氏體點與合金元素含量呈線性關(guān)系，這種計算是近似的，不夠準(zhǔn)確。4.儲氫合金分類與特點鋼的共析點A1：A1（℃）=723-26Si+20Cr+8W+16Mo+55V-14Cu-18Ni-12Mn式中，元素符號表示該元素的wt%。從上述例中可見，把鋼的臨界點視為簡單對象，進行線性處理，得出線性方程。用這些方程來進行計算，其結(jié)果是不準(zhǔn)確的，往往有較大誤差。4圖12－6Fe-C合金Ms與含碳量的關(guān)系圖12－7含碳量對Ms點的影響圖12－8合金元素對鐵合金Ms點的影響有人將Fe-C合金馬氏體點處理為線性關(guān)系，即隨著含碳量的增加，馬氏體點降低,如下式[8]：Ms（℃）≈520—[%C]×320并且用圖12-6表示，這是近似的。馬氏體點與碳含量之間實際上不是線性關(guān)系，而是非線性關(guān)系，如圖12-7所示的實際測得的不同碳濃度的Fe-C合金的馬氏體點。從圖可見馬氏體點Ms和Mf與含碳量并非線性關(guān)系。各種合金元素對馬氏體點的影響也都是非線性的。圖12－8所示為合金元素對鐵合金馬氏體點的影響，可見為非線性關(guān)系。珠光體片間距與過冷度呈非線性關(guān)系珠光體片間距與過冷度之間應(yīng)當(dāng)呈非線性關(guān)系，如圖12-9所示。但Marder把碳素鋼中珠光體的片間距與過冷度的關(guān)系處理為線性關(guān)系。So=圖12－9珠光體片間距與形成溫度的非線性關(guān)系合金元素對珠光體長大速度的非線性影響鋼中奧氏體的共析分解是擴散型相變，擴散系數(shù)是非線性的。各種合金元素對珠光體長大速度的影響應(yīng)當(dāng)均呈現(xiàn)非線性關(guān)系。如合金元素Mo降低珠光體的形核率Ns（單位界面形核率），如圖12－10所示。圖a處理為線性關(guān)系是不妥當(dāng)?shù)?，?yīng)當(dāng)為非線性關(guān)系，如圖12－10b。a.線性關(guān)系[21]b.非線性關(guān)系圖12-10Mo對650℃珠光體形核率的影響機械性能的非線性問題金屬及合金的性能是成分、合金相等組成要素非線性作用的結(jié)果。如珠光體的性能，由于珠光體不是鐵素體和滲碳體的機械混合物，是共析鐵素體和碳化物的整合組織，因而這類鋼的屈服強度和抗拉強度同珠光體在鋼中所占的體積分額之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系。亞共析鋼經(jīng)珠光體轉(zhuǎn)變后得到先共析鐵素體和珠光體的整合組織。鋼的成分一定時，隨著冷卻速度的增加，轉(zhuǎn)變溫度越來越低，先共析鐵素體數(shù)量減少，珠光體（偽珠光體）數(shù)量增多，并且珠光體的含碳量下降。這種鐵素體＋珠光體的整合組織，其機械性能是非線性的。與鐵素體的晶粒大小、珠光體片間距、以及化學(xué)成分等因素有關(guān)。4.儲氫合金分類與特點5.金屬儲氫材料的應(yīng)用如鐵素體—珠光體鋼的屈服強度為σY(MN/m2)=15.4{[2.3+3.8(Mn)+1.13]+(1-

)[11.6+0.25]+4.1(Si)+27.6}式中

—鐵素體的體積分數(shù)d－鐵素體晶粒的平均直徑（mm）S0—珠光體平均片間距（mm）N－鐵素體的晶粒度表明屈服強度同鐵素體量之間呈非線性關(guān)系，與珠光體片間距，晶粒度呈現(xiàn)非線性關(guān)系。如果將珠光體定義為“鐵素體和滲碳體的機械混合物”，那么其機械性能將與兩相的相對量呈線性關(guān)系。而實際上是非線性關(guān)系。

此外，如淬火鋼回火后的強度、塑性、韌性與回火溫度的關(guān)系也都是非線性的。12.4相變的自組織特征自然界的物質(zhì)系統(tǒng)的演化是自組織的，自組織是整合系統(tǒng)的又一特征。鋼是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，任何系統(tǒng)的出現(xiàn)都是一個組織化或有序化的過程。一個系統(tǒng)可能是自組織產(chǎn)生的，也可能是被組織產(chǎn)生的。如果系統(tǒng)在獲得其空間結(jié)構(gòu)、時間結(jié)構(gòu)的過程中沒有特定的外界干預(yù)，而是一個自發(fā)的組織化、有序化和系統(tǒng)化的過程，這就是自組織。5.金屬儲氫材料的應(yīng)用12.4.1相變自組織的條件科學(xué)技術(shù)哲學(xué),即自然辯證法，告訴我們：自然界中系統(tǒng)的演化，物質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成或有序化都是自組織的。固態(tài)相變也是自組織的。自組織必須具備一定的環(huán)境和條件：①開放系統(tǒng)；②遠離平衡態(tài)；③隨機性漲落；④非線性相互作用。1)開放系統(tǒng)只有開放系統(tǒng)才可能實現(xiàn)自組織。開放系統(tǒng)具有足夠大的負熵流，是系統(tǒng)維持有序性或進化的必要條件。鋼是一個開放系統(tǒng)，鋼在熱加工、熱處理過程中與外界發(fā)生能量交換或物質(zhì)交換。如果沒有與外界的能量交換或物質(zhì)交換就不可能發(fā)生相變。系統(tǒng)的自組織并不排除外部對它的控制，如由外部來控制鋼的非平衡程度等。5.金屬儲氫材料的應(yīng)用2)遠離平衡態(tài)處于熱力學(xué)平衡態(tài)的系統(tǒng)沒有發(fā)展活力，不能發(fā)生自組織。當(dāng)外部條件加強并超過臨界點，到達遠離平衡態(tài)，系統(tǒng)不斷從外界引入負熵流，熵減過程加強，才能出現(xiàn)自組織。如根據(jù)熱力學(xué)條件，將鋼加熱或冷卻，使其偏離臨界點，具有一定過熱度或過冷度時，系統(tǒng)新舊兩相的自由焓差小于零（<0），相變才能自發(fā)地進行。3)漲落

漲落（或起伏）是對系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)的偏離。如濃度起伏、結(jié)構(gòu)起伏、能量起伏等。

漲落是隨機的，它是系統(tǒng)演化的契機，是相變的誘因。當(dāng)將鋼加熱或冷卻時，超過臨界點，出現(xiàn)過熱或過冷，鋼的原有定態(tài)，雖然已不穩(wěn)定，即處于亞穩(wěn)狀態(tài)，但是，如果沒有任何擾動，也即沒有漲落時，系統(tǒng)仍然不會離開原有的狀態(tài)，即鋼不會發(fā)生相變。然而，任何實際過程中總是存在漲落。在相變有可能發(fā)生的上述條件下，漲落必然發(fā)生，一旦出現(xiàn)就會被迅速放大，使得系統(tǒng)離開定態(tài)，即發(fā)生相變，形成新的有序結(jié)構(gòu)（注：這里的有序是哲學(xué)概念，不是指金屬中的有序相等）。因此，漲落是系統(tǒng)自組織的誘因，它是發(fā)育成為新的有序結(jié)構(gòu)的種子，也即新相的晶核是以這種漲落作為種子的。如鋼在相變孕育期內(nèi)，出現(xiàn)溶質(zhì)原子的貧化區(qū)和富化區(qū)就是漲落的必然結(jié)果。在貝氏體相變的學(xué)說論爭中，忽視了漲落形成貧碳區(qū)的作用，甚至否認存在貧碳區(qū)，這種觀點是不妥當(dāng)?shù)摹?)自組織還必須有系統(tǒng)內(nèi)部的非線性相互作用非線性的正反饋作用可以把微小的“漲落”或“起伏”迅速放大，使系統(tǒng)的定態(tài)失穩(wěn)而形成新的結(jié)構(gòu)，如濃度漲落、結(jié)構(gòu)漲落的迅速放大，而形成新相晶核，導(dǎo)致相變。如奧氏體形成、共析分解，貝氏體轉(zhuǎn)變、馬氏體相變以及回火轉(zhuǎn)變、時效等都是系統(tǒng)內(nèi)非線性相互作用的結(jié)果，都是一個漲落

形核

新相長大的自組織過程。

以往的固態(tài)相變研究注重?zé)崃W(xué)條件，而忽視了漲落和非線性相互作用，漲落是相變的誘因，而非線性作用是成因，然后才是形核與長大過程。漲落和非線性相互作用應(yīng)當(dāng)是自組織的條件，也是相變形核的機制的一個組成部分。5.金屬儲氫材料的應(yīng)用12.4.2鋼中的