2022年材料科学基础知识总结.docx

第十一章固态相变与材料处理第一节 固态相变总论一固态相变的特点与分类固态相变时至少存在以下变化之一：晶体结构的变化； 化学成分的变化； 有序度的变化 , 如合金的有序化转变,即点阵中原子的配位发生变化相变的驱动力是新相和母相间的自由能之差驱动力靠 过冷度 来获得阻力 : 新相晶核形成时引起的界面能 和体积应变能 ,固态相变也符合最小自由能原理；1） 固态相变的特点1. 固态相变阻力大2. 原子迁移率低3. 非匀称形核4. 新相有特定外形5. 相界面结构关系6. 存在肯定的位向关系和惯习面2） 固态相变的分类1. 按热力学分类一级相变：有体积变化,有相变潜热（放热或吸热）,大多数相变属于一级相变；二级相变：二级相变时仅有 材料的 压缩系数 、比热容 、热膨胀系数变化 ；如 磁性转变、有序转化；2. 按动力学分类：依据原子运动特点分扩散型相变：相变时有原子长距离扩散（超过原子间距）,导致成分变化,大多数相变属于扩散型；无扩散型相变：没有原子扩散,相变前后没有成分变化 ；（如马氏体相变）3. 按相变方式分类：形核 -长大型相变：新相与母相间有界面,大多数相变为此类； 无核相变：新旧相之间无明显界面,如调幅分解；二.相变的热力学1） 相变时自由能的变化假设在匀称母相 中形成一个半径为r 的球形新相 ,就系统总自由能变化量为：G G= G-GG代表原始相（即母相）的Gibbs 自由能G代表生成相（即新相）的Gibbs 自由能固态相变时形成半径为r 的球形晶胚所引起系统自由能的变化（G）为： G=-4 /3r3 GV+ GE+4 r2 G -形成单位体积晶核时的自由能变化,常为负值； GE形成单位体积晶核时所产生的应变能； 晶核与基体之间交界面的单位面积界面能化学自由能使系统的总自由能降低,是相变的驱动力；而界面能和应变能是相变的阻力；相变发生的条件是系统的总自由能的下降,即G<02） 相变时临界形核条件形成临界晶核必需第一克服形核势垒G*, G*称为临界晶核的形核功G*16332GVGE上式说明： 形成临界晶核时要有G* 值的自由能增加；过冷度越大,形核功减小,新相易形核；当界面能和应变能增大时,临界晶核尺寸增大,形胜利增高,新相生成困难；三. 相变的动力学形核速率和长大速率共同掌握*形核速率 -Ik exp- QG KT式中, k-系数, G*- 临界形核功, Q-扩散激活能, K-玻尔兹曼常数, T-热力学温度形核速率存在一个 极大值 ,这是由于随着温度降低, 一方面过冷度增大,形核及相变驱动力增大 ；另一方面 扩散系数降低, 原子的迁移率降低,扩散速度下降 ,不利于晶核的形成；在加热转变时, 随转变温度的上升,过热度和扩散系数同时增大,因此形核速率呈单调快速增加的趋势；长大速率 -新相长大速率主要对扩散型相变有实际意义；在扩散型相变中,一 界面掌握长大：新相形成时没有成分的转变,只有结构或有序度的变化,如纯金属的同素异构转变,只要 紧邻相界的母相原子作近程扩散越过相界,新相即长大；二 扩散掌握长大：新旧两相的成分不同,如过饱和固溶体的分解,需要溶质原子进行长程扩散迁移到新相 ,才能使新相长大；界面掌握的新相长大速率u 受相变驱动力 G 和扩散系数 D 两个因数掌握,扩散掌握的新相长大速率与扩散系数及相界邻近母相的浓度梯度成正比,与相界两侧的两相之成分浓度差成反比；其次节 过饱和固溶体的分解必要条件是 固溶体的溶解度随温度的降低而减小1） 脱溶分解从过饱和固溶体中析出其次相或形成溶质富集的亚稳固区过渡相的过程,称为脱溶分解2） 调幅分解调幅分解和形核长大方式分解的对比特点：新相的形成不经形核长大,而是通过自发的成分涨落,浓度的振幅不断增加特点：不经过形核, 不显现另一种晶体结构, 也不存在明显相界, 直接通过扩散 （上坡扩散） 形成析出相产物：一种由溶质原子组成的共格贫、富区域,但在光学显微镜下难以辨论；两相成分不同, 但晶体结构相同,并相互保持共格,组织细小,呈周期性图案；脱溶类型自由能 -成分 曲 线 特点凸条件形核特点新相 成 分与结构界面特点扩散方式转变速率调幅分解自发起伏非形核成 分 变宽泛上坡高形核长大凹过冷 度 ,临界 形 核功形核化, 结 构不变成分 、 结构转变明晰下坡低第三节钢的加热及组织转变一. 奥氏体的形成1 奥氏体化过程F/Fe3C 相界面处第一形核,形成A/F、A/Fe3C 多个界面,长大过程为界面扩散过程F 第一消逝（加热温度越高,消逝越快）,此时 A 中含碳量较低, Fe3C 逐步溶解,有一匀称化过程2） 影响奥氏体转变速度的因素1. 加热温度：T A 化, D C 浓度梯度大）2. 加热速度： V转变开头温度,转变时间3. 钢中含碳量： C%铁素体与渗碳体的相界面增大转变速度加快4. 合金元素钢中加入合金元素 显著影响其形成速度Cr、 M0、V 强碳化物形成元素, 减慢 奥氏体形成速度合金元素的扩散速度比碳慢得多,所以合金钢的热处理加热温度一般较高 , 保温时间较长5. 原始组织渗碳体片状 ,片间距小相界面多碳弥散度大碳原子扩散距离短奥氏体形核长大快 >粒状3） 奥氏体的组织、结构和性能奥氏体是碳在 -Fe 中的间隙固溶体,晶格类型为面心立方结构；奥氏体的塑性高、屈服强度低,易塑性变形；二. 奥氏体晶粒长大及其掌握1） 钢的奥氏体晶粒度晶粒度是指多晶体内的晶粒大小本质晶粒度表示钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向本质晶粒度测定：特定温度（930 ±10）特定保温时间（ 8h）冷却得到的晶粒度本质细晶粒钢：晶粒细小本质粗晶粒钢：晶粒不细小2） 奥氏体晶粒的长大与掌握加热工艺：加热温度,保温时间-奥氏体晶粒也越粗大；加热速度增大,晶粒细小； 钢的合金化成分：强碳化物形成元素 , MxC%晶粒长大细化晶粒l本质细晶钢硅铁、锰铁脱氧 减弱 Fe的结合力,加速扩散,促进长大本质粗晶粒钢三. 钢的加热缺陷常见的加热缺陷有 氧化、脱碳、过热、过烧等；1 氧化钢在高温作用下与加热介质中O2、CO2、H2 O 等氧化性介质发生氧化反应,形成金属氧化物的现象称为氧化；钢的氧化有两种：表面氧化和内氧化；钢在 560 以上加热时,表面氧化膜由Fe2O3、Fe3 O4 和 FeO 三层氧化物组成,其中FeO层厚度占主要成分；由于FeO 结构松散、简单剥落,氧化反应很快穿过氧化膜连续向内层进行；随着加热温度提高,其氧化反应也越猛烈；钢的内氧化是在800 以上长时间加热,钢中的合金元素与氧化性介质沿晶界形成氧化物的现象； 合金元素与氧的亲和力大小打算了内氧化程度,如钢中 Cr、Si、Ti、Al 等合金元素与氧的亲和力远大于Fe,将优先被氧化,使 晶界邻近的合金元素削减,晶界性能变坏；2） 脱碳钢在加热和保温时,炉气中含有O2、CO2、H2O、H2 等的脱碳性气氛,钢表层中的固溶碳和这些介质在高温作用下发生氧化反应,使表层碳浓度降低, 即产生脱碳； 表层脱碳后,内层的碳便向表层扩散, 使脱碳层逐步加深； 加热温度越高, 脱碳的速度越快； 加热时间越长, 就脱碳层越深；表面脱碳是一种有害缺陷,将大大降低表面硬度、耐磨性和疲惫强度；介质的碳势与钢中碳含量对钢的脱碳影响猛烈；气氛中CO、CH4 含量多,碳势就高；相反,O2 、CO2、H2O、H2 等浓度高, 碳势就低； 气氛的碳势低于钢的碳浓度,钢就发生脱碳 ；防止措施： 在爱护气氛中加热、无氧化加热和缩短钢在加热炉中的高温停留时间3） 过热加热温度过高 或保温时间过长 而得到粗大晶粒组织,称作过热；危害：使钢的性能变坏,特殊是使韧性严峻下降过热的工件 必需 重新进行 加热使其晶粒细化4） 过烧由于 加热温度过高 ,使奥氏体晶界 严峻氧化 ,甚至发生了局部融解,这种现象称为过烧；危害：严峻降低了钢的性能；只能报废第四节钢的冷却及组织转变一. 过冷奥氏体冷却转变过冷奥氏体：在共析温度（A1 点）以下未转变的、处于热力学不稳固状态的奥氏体；等温冷却转变：把加热到奥氏体状态的钢,快速冷却到Ar1 以下某一温度并等温停留一段时间,使奥氏体发生转变,然后再冷却到室温；连续冷却转变： 钢经奥氏体化后, 以不同冷却速度连续冷却到室温,使奥氏体在连续冷却过程中发生相转变；1过冷奥氏体等温转变高温区：珠光体类组织；随转变温度降低,珠光体片变细,依次为：珠光体、索氏体、托氏体中温区：贝氏体类组织；随转变温度降低,依次为上贝氏体、下贝氏体低温区（ Ms 点以下）：马氏体组织2）过冷奥氏体连续冷却转变在实际生产中, 过冷奥氏体 大多是在连续冷却中转变的,因此讨论过冷奥氏体连续冷却时的转变规律更具实际意义；二 .过冷奥氏体转变产物的组织与性能1） 珠光体转变转变特点： 扩散型转变； 转变温度越低, 珠光体片越细, 依次分为： 珠光体（ P）、索氏体（ S）、托氏体（ T）性能： 层状珠光体的性能主要取决于片层间距,转变温度越低, 即过冷度越大, 就片层间距越小 ；珠光体的力学性能与其形成温度有关,转变温度越低,珠光体的片层间距越小,就珠光体的硬度越高,强度高,塑性好；片状珠光体的 片层间距越小 ,相界面越多, 塑性变形抗力越大,故强度、硬度越高； 同时因 渗碳体片越薄 ,越简单伴同铁素体一起变形而不脆断,所以塑性和韧性也变好 了钢的大部分退火和正火时所发生的相变即是珠光体转变；2） 贝氏体转变贝氏体组织：过冷奥氏体在贝氏体转变温度区转变而成的由铁素体与碳化物所组成的非层状的两相混合物的亚稳组织转变特点：半扩散型转变,C 原子扩散, Fe 原子不扩散a. 上贝氏体上贝氏体（ B 上）：过冷奥氏体在 550350之间转变形成的产物称上贝氏体（上B组织：呈羽毛状 , 小片状的渗碳体分布在成排的铁素体片之间性能：强度、硬度较低,塑性、韧性较差HRC4045b. 下贝氏体下贝氏体（ B 下）：在 350 -230之间等温时,过冷奥氏体转变成下贝氏体（B 下） 组织：呈黑色针状或竹叶状,由于其形成温度较低,铁素体针细小、无方向性,碳的过饱和度大,位错密度高,其中颗粒状碳化物-Fe2.4C 沿肯定方向匀称分布在F 片之上,弥散度大性能：强度较高,韧性好；HRC5055 HRC贝氏体形成温度越低,铁素体条（片）越细且其中碳的过饱和度越大,碳化物颗粒越细小、量越多、 弥散度越大, 故下贝氏体具有良好的强韧性,在生产中常用等温淬火获得下贝氏体来提高零件的性能；而上贝氏体的强韧性均较差,生产中应用极少；3） 马氏体转变马氏体转变是在很大过冷度的低温阶段发生的,转变时 只发生了铁的晶格重构,而没有铁、碳原子的扩散,故 马氏体转变是属于非扩散型相变,马氏体的碳含量就是转变前奥氏体的含碳量；马氏体转变特点：1. 转变的无扩散性且转变速度很快；2. 转变是在肯定温度范畴内进行的；3. 转变的不完全性；马氏体的力学性能：马氏体的性能取决于碳含量、组织外形和亚结构等；1. 强度和硬度；马氏体的强度和硬度主要取决于其碳含量；随马氏体中碳含量的增加,强度与硬度随之上升 ；2. 塑性和韧性；随马氏体中碳含量的增加,塑性和韧性下降3. 比体积；钢的各种组织中,马氏体比体积最大,奥氏体最小；三.影响 C 曲线的因素1） 奥氏体成分a. 碳含量 随着奥氏体中碳含量的增加,奥氏体的稳固性增大, C 曲线的位置向右移；在一般的热处理条件下, 随碳含量的增加, 亚共析钢的 C曲线右移, 过共析钢的 C 曲线左移 ；b. 合金元素 除 Co 和 Al 以外, 大多数合金元素的溶入均增大奥氏体的稳固性,使 C 曲线右移, Ms 点下降 ；不形成碳化物的元素 如 Si、Ni、Cu 等, 只使 C 曲线的位置右移 ,不转变其外形； Cr、Mo 、W、V、Ti 等碳化物形成元素 不仅使 C 曲线右移,而且仍转变 C 曲线的外形；合金元素只有溶入奥氏体中才会增大过冷奥氏体的稳固性,而未溶的合金碳化物,因有利于过冷奥氏体的分解而降低过冷奥氏体的稳固性2） 钢的组织状态a. 钢的原始组织 钢的原始组织越 细小 ,成分越 不匀称 ,加热温度 越低 ,加热速度 越快 , 保温时间 越短,未溶的其次相 越多 ,就过冷奥氏体分解的 孕育期越短 ,等温转变速度 越快 , 使 C 曲线左移 ；b. 奥氏体状态 奥氏体晶粒细小,晶界总面积增加,有利于新相的形成和原子扩散,故有利于先共析转变和珠光体转变,使珠光体转变线左移；奥氏体成分越匀称, 就奥氏体越稳固, 新相形核和长大所需的时间越长,C 曲线右移；奥氏体化温度越高,保温时间越长,就形成的奥氏体晶粒越粗大,奥氏体的成分也越匀称,从而增加奥氏体的稳固性,使C 曲线右移；反之,奥氏体化温度越低, 保温时间越短, 就奥氏体晶粒越细, 其成分越不匀称, 未溶其次相越多, 就奥氏体越不稳固, 使 C 曲线左移；第五节钢的整体热处理一.退火加热金属或合金到肯定温度,保温肯定时间后 缓慢冷却 ,获得接近平稳状态组织的热处理工艺；1） 完全退火完全退火是将钢铁完全奥氏体化,随之缓慢冷却,获得接近平稳状态组织的退火工艺；详细工艺：将工件加热到Ac3+（ 3050）,保温肯定时间后随炉缓慢冷却至500以下, 然后空冷；主要目的： 细化组织、降低硬度、改善切削加工性能、去除内应力适用于：亚共析成分的中碳及中碳合金钢的铸件、锻件、轧制件及焊接件2） 等温退火等温退火是将钢件或毛坯加热到高于Ac3 （或 Ac1）温度,保持适当时间后,较快地冷却到珠光体转变温度区间的某一温度并等温保持使奥氏体转变为珠光体型组织,然后在 空气中冷却的退火工艺；等温退火的转变较易掌握,能获得匀称的预期组织；对于奥氏体较稳固的合金钢可大大缩短退火时间；等温退火温度应依据工件所要求的组织性能,由被处理钢的 C 曲线来确定； 温度距 A1 越近, 获得的珠光体组织越粗,钢的硬度也越低；反之,就硬度越高；适用： 高碳钢、 中碳合金钢、经渗碳处理后的低碳合金钢和某些高合金钢的大型铸、锻件以及冲压件等；3） 球化退火球化退火是为使钢中碳化物的球状化而进行的退火工艺；目的： 降低硬度、提高塑性、改善切削加工性能,以及获得匀称的组织、改善热处理工艺性能,为以后的淬火作组织预备；工艺：将工件加热到Ac1±（ 1020） 保温后等温冷却或缓慢冷却适用：共析和过共析成分的碳钢和合金钢锻、轧件4） 匀称化退火匀称化退火又称扩散退火目的： 减轻金属铸锭、 铸件或锻坯的成分偏析和组织不匀称性,完成化学成分和组织匀称化工艺：加热到高温Ac3+（150200）并长时间保持,然后进行缓慢冷却适用：优质合金钢和偏析较严峻的合金钢铸件5） 去应力退火目的： 除去由于冷、热加工等造成的以及铸件内存在的残余应力,防止工件产生变形甚至开裂工艺：加热到Ac1-（ 100200）保温后缓慢冷却；二. 正火正火工艺：将钢加热到Ac3（或 Accm）以上 3050,保温适当时间后,在静止的空气中冷却,获得细珠光体的热处理工艺；目的： 调整锻、铸钢件的硬度,细化晶粒,排除网状渗碳体并为淬火作好组织预备应用：a.改善低碳钢切削加工性能b.中碳结构钢件的预备热处理c.一般结构零件的最终热处理d.排除过共析钢的网状碳化物