九 固态相变.ppt

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1、第第9 9章章 固态相变固态相变固态转变定义：固态转变定义：固态转变定义：固态转变定义：1.1.1.1.广义：指形变和再结晶在内的一切可引起组织结构变化广义：指形变和再结晶在内的一切可引起组织结构变化广义：指形变和再结晶在内的一切可引起组织结构变化广义：指形变和再结晶在内的一切可引起组织结构变化的过程。的过程。的过程。的过程。2.2.2.2.狭义：也称固态相变，是指材料由一种点阵转变为另一狭义：也称固态相变，是指材料由一种点阵转变为另一狭义：也称固态相变，是指材料由一种点阵转变为另一狭义：也称固态相变，是指材料由一种点阵转变为另一种点阵，包括一种化合物的溶入或析出、无序结构变为有种点阵，包括一

2、种化合物的溶入或析出、无序结构变为有种点阵，包括一种化合物的溶入或析出、无序结构变为有种点阵，包括一种化合物的溶入或析出、无序结构变为有序结构、一个均匀固溶体变为不均匀固溶体等。序结构、一个均匀固溶体变为不均匀固溶体等。序结构、一个均匀固溶体变为不均匀固溶体等。序结构、一个均匀固溶体变为不均匀固溶体等。1.按热力学分类按热力学分类 9.1.1 固态相变分类固态相变分类一级相变一级相变:由由相转变为相转变为相时，相时，G G=G=G,i i=i i ，但自由能但自由能的一阶偏导数不相等，称为一级相变。的一阶偏导数不相等，称为一级相变。9.1 固态相变总论固态相变总论因为因为 所以所以 S SSS

3、,V,VVV一级相变有体积和熵的突变，一级相变有体积和熵的突变，V0V0，S0S0二级相变：二级相变：若相变时，若相变时，GG，i=i，并且自由能的一阶偏并且自由能的一阶偏导数也相等，但自由能的二阶偏导数不相等，称为二级导数也相等，但自由能的二阶偏导数不相等，称为二级相变。相变。由于由于其中其中K为材料的压缩系数，为材料的压缩系数，为材料的热膨胀系数为材料的热膨胀系数 二级相变时无体积效应和热效应，材料的压缩系数、热二级相变时无体积效应和热效应，材料的压缩系数、热膨胀系数及比定压热容均有突变。膨胀系数及比定压热容均有突变。磁性转变、有序无序转变多为二级相变。磁性转变、有序无序转变多为二级相变。

4、2.按结构变化分类按结构变化分类重构型相变重构型相变 伴随原化合键的破坏，新键的形成，原子重新排伴随原化合键的破坏，新键的形成，原子重新排列，所以这类相变要克服较高的能垒，相变潜热很大，列，所以这类相变要克服较高的能垒，相变潜热很大，相变进行缓慢，如金属材料中，过饱和固溶体的脱溶相变进行缓慢，如金属材料中，过饱和固溶体的脱溶分解、共析转变等。分解、共析转变等。位移型相变位移型相变 前后不需要破坏化学键或改变其基本结构，相变前后不需要破坏化学键或改变其基本结构，相变时所发生的原子位移很小，且新相和母相之间存在一时所发生的原子位移很小，且新相和母相之间存在一定晶体学位向关系，如金属材料中的马氏体相

5、变等。定晶体学位向关系，如金属材料中的马氏体相变等。3.按相变方式分类按相变方式分类 形核形核-长大型相变长大型相变 在很小范围内，发生原子相当激烈的重排，生成了在很小范围内，发生原子相当激烈的重排，生成了新相的核心，新相和母相之间产生了相界，靠不断的新相的核心，新相和母相之间产生了相界，靠不断的生核和晶核的长大实现相转变，如脱溶沉淀、共析转生核和晶核的长大实现相转变，如脱溶沉淀、共析转变等。变等。连续型相变连续型相变 在很大范围内原子发生轻微的重排，转变的起始状在很大范围内原子发生轻微的重排，转变的起始状态和最终状态之间存在一系列连续状态，不需形核，态和最终状态之间存在一系列连续状态，不需形

6、核，靠连续涨落形成新相，如调幅分解。靠连续涨落形成新相，如调幅分解。4.其它相变分类其它相变分类 按相变时能否获得符合状态图的平衡组织：按相变时能否获得符合状态图的平衡组织：平衡转变与非平衡转变平衡转变与非平衡转变按相变过程中有无原子的扩散：按相变过程中有无原子的扩散：扩散相变、半扩散相变和非扩散相变扩散相变、半扩散相变和非扩散相变按形核方式：按形核方式：扩散形核相变、无扩散形核相变扩散形核相变、无扩散形核相变9.1.2 固态相变的特点固态相变的特点大多数固态相变是通过形核和长大完成的大多数固态相变是通过形核和长大完成的驱动力：同样是新相和母相的自由焓之差。驱动力：同样是新相和母相的自由焓之差

7、。1.相变阻力大相变阻力大:包括界面能和应变能两项，故相变阻包括界面能和应变能两项，故相变阻力大力大。界面能界面能：包括结构界面能（化学键的变化）和化学界面能：包括结构界面能（化学键的变化）和化学界面能（表面能）。（表面能）。界面能依共格界面、半共格界面、非共格界面而递增。界面能依共格界面、半共格界面、非共格界面而递增。应变能应变能：由新旧两相比容（：由新旧两相比容（体积应变能体积应变能）不同和界面上原不同和界面上原子的不匹配（子的不匹配（共格应变能共格应变能）所引起。所引起。比容不同所引起的应变能与新相粒子的几何形状有关：比容不同所引起的应变能与新相粒子的几何形状有关：盘盘状最低，针状次之，

8、球状最高。状最低，针状次之，球状最高。界面上原子的不匹配所引起的应变能以界面上原子的不匹配所引起的应变能以共格晶面最大共格晶面最大，且，且随错配度的增大而增大。随错配度的增大而增大。2.惯惯析析析析面和位向关系面和位向关系 3.新新相相往往往往沿沿母母相相的的一一定定晶晶面面优优先先形形成成，该该晶晶面面被被称称为为4.惯析面。惯析面。相邻的新旧两晶体之间的晶面和相对于的晶向往往具相邻的新旧两晶体之间的晶面和相对于的晶向往往具有确定的晶体学位向关系。有确定的晶体学位向关系。3.晶体缺陷的影响：晶体缺陷的影响：对相变起促进作用对相变起促进作用4.原子扩散的影响原子扩散的影响5.过渡相过渡相 是指

9、成分和结构，或两者都处于新旧两相之间的亚稳相。是指成分和结构，或两者都处于新旧两相之间的亚稳相。9.1.3、固态相变的形核、固态相变的形核1.均匀形核均匀形核形成半径为形成半径为r r的球形晶核时，系统自由能变为的球形晶核时，系统自由能变为:n n为晶胚中的原子数，为晶胚中的原子数，GV V为新旧两相每个原子的自由能之为新旧两相每个原子的自由能之差，差，为比表面能，为比表面能，为晶核中的为晶核中的每个原子的平均应变能，每个原子的平均应变能，为形状因子，为形状因子，n2/32/3为晶核的表面积。为晶核的表面积。或或G=(4/3)rG=(4/3)r3 3GGV V+4r+4r2 2+(4/3)r+

10、(4/3)r3 3GGE E =(4/3)r =(4/3)r3 3(G(GV V+G+GE E)+4r)+4r2 2(9.4)G G在在r rr*r*时达到极大值，这里时达到极大值，这里 r*r*-2-2/(G/(GV V+G+GE E)G G与与r r的关系曲线的关系曲线GG04r2 rG*r*4r3(GV+GE)/3G临界晶核原子数：临界晶核原子数：对式（对式（9.4）求导，并令其为零，可得）求导，并令其为零，可得临界晶核形核功临界晶核形核功临界晶核表面能增加值临界晶核表面能增加值A*故故（9.5）（9.6）（9.7）（9.8）二、非均匀形核二、非均匀形核非均匀形核通常是固态相变的主要形核

11、方式。非均匀形核通常是固态相变的主要形核方式。r界面形核示意图界面形核示意图设设为母相，为母相，为新相，两相为新相，两相邻邻晶粒间界面能为晶粒间界面能为，-界面为非共格界面，界面为非共格界面，界面能界面能为为。球面半径为球面半径为r r，界面形界面形核时自由能的变化为：核时自由能的变化为：（1）晶界形核）晶界形核n 为缺陷向晶核提供的原子数，为缺陷向晶核提供的原子数，GD为为晶体缺陷内每个原子自由能的增加值晶体缺陷内每个原子自由能的增加值界面张力平衡时界面张力平衡时 =2 cos令令 得临界晶核大小和临界晶核形核功为得临界晶核大小和临界晶核形核功为 非非均均匀匀形形核核时时，形形核核功功G*G

12、*取取决决于于，当当时时很很小小，G很小，很小，0 0时，时，G G降为降为0 0。在在界界棱棱或或界界隅隅处处形形核核还还可可以以进进一一步步降降低低形形核核势势垒垒。晶晶核最易在界隅形成，其次在界棱，最后是界面。核最易在界隅形成，其次在界棱，最后是界面。但但界界面面提提供供的的形形核核位位置置多多，所所以以故故态态相相变变以以界界面面形形核核为主。为主。新相新相非共格界面非共格界面晶界晶界共格或半共格界面共格或半共格界面晶粒晶粒1晶粒晶粒2晶界形核示意图晶界形核示意图 只有晶界两侧界面都不共格只有晶界两侧界面都不共格时，晶核才类似球形。通常新相时，晶核才类似球形。通常新相在大角度晶界形核时

13、，一侧可能在大角度晶界形核时，一侧可能与母相具有一定的取向关系形成与母相具有一定的取向关系形成平直的共格或半共格界面平直的共格或半共格界面，以降，以降低界面能、减少形核功；另一侧低界面能、减少形核功；另一侧必为必为非共格界面非共格界面，为减少相界面，为减少相界面面积，故呈面积，故呈球冠状球冠状。（2）位错形核）位错形核三种形式：三种形式：(1)位错线上形核，位错消失，降低形核功。位错线上形核，位错消失，降低形核功。(2)位错不消失，依附于新相晶界，补偿失配。位错不消失，依附于新相晶界，补偿失配。(3)溶质原子在位错线上偏聚，促进形核。溶质原子在位错线上偏聚，促进形核。若在位错线若在位错线L上形

14、成上形成一个单位长度一个单位长度的圆柱形晶核，假的圆柱形晶核，假定新旧两相为非共格界面，忽略体积变化引起的弹性应变定新旧两相为非共格界面，忽略体积变化引起的弹性应变能，则自由能变和圆柱晶核半径能，则自由能变和圆柱晶核半径r的关系为的关系为Alnr为单位位错线所释放的应变能为单位位错线所释放的应变能（3）层错形核）层错形核 新相与旧相易形成共格或半共格界面，使形核易于在新相与旧相易形成共格或半共格界面，使形核易于在层错区发生层错区发生（4）空位形核）空位形核 空位促进溶质原子扩散，提供形核驱动力，空位群空位促进溶质原子扩散，提供形核驱动力，空位群凝聚成位错促进形核。凝聚成位错促进形核。9.1.4

15、 新相的长大新相的长大1.界面过程控制的新相长大界面过程控制的新相长大 新旧相成分相同，新相的长大只涉及界面最近邻原子新旧相成分相同，新相的长大只涉及界面最近邻原子的迁移的迁移（1）非热激活界面过程控制的新相长大）非热激活界面过程控制的新相长大 新相长大即界面迁移时，不需要原子跳离原来的位置，新相长大即界面迁移时，不需要原子跳离原来的位置，也不改变相邻的排列次序，而是靠也不改变相邻的排列次序，而是靠切变方式切变方式使原子做微小使原子做微小的移动，使母相转变为新相。的移动，使母相转变为新相。对于某些半共格界面，可通过对于某些半共格界面，可通过界面位错的滑动界面位错的滑动引起界引起界面向母相中迁移

16、，这种界面称为滑动界面。面向母相中迁移，这种界面称为滑动界面。（2）热激活界面过程控制的新相长大）热激活界面过程控制的新相长大 新相的长大靠原子随机独立新相的长大靠原子随机独立跳跃过相界面跳跃过相界面实现，需克服一定的实现，需克服一定的能垒，需要热激活，可分为连续长大机制和台阶长大机制。能垒，需要热激活，可分为连续长大机制和台阶长大机制。对于台阶长大机制，新相长大速率：对于台阶长大机制，新相长大速率：a.过冷度很小时过冷度很小时b过冷度很大时过冷度很大时Q Q为原子由母相转移到新相的位垒（激活能），为原子由母相转移到新相的位垒（激活能），为原子振动频率，为原子振动频率，为新为新相界面向母相推进

17、的距离相界面向母相推进的距离2.扩散控制的新相长大扩散控制的新相长大 新相与母相成分不同时，新相的长大除受界面过程新相与母相成分不同时，新相的长大除受界面过程控制外，还受原子扩散过程控制。控制外，还受原子扩散过程控制。对于扩散控制的新相长大对于扩散控制的新相长大的界面移动速率与扩散系数的界面移动速率与扩散系数D和和界面附近母相的浓度梯度成正界面附近母相的浓度梯度成正比，与两相浓度差成反比，如比，与两相浓度差成反比，如右图的在右图的在T1进行的脱溶转变进行的脱溶转变T1 对对于于冷冷却却过过程程中中发发生生的的相相变变，当当相相变变温温度度较较高高时时原原子子扩扩散散速速率率较较快快，但但过过冷

18、冷度度和和相相变变驱驱动动力力较较小小，晶晶核核长长大大速速率率的的控控制制因因素素是是相相变变驱驱动动力力；相相变变温温度度较较低低时时，过过冷冷度度和和相相变变驱驱动力较大，原子的扩散速率将成为晶核长大的控制因素。动力较大，原子的扩散速率将成为晶核长大的控制因素。界面过程控制的新相长大界面过程控制的新相长大 过冷度较小时，新相长大速率过冷度较小时，新相长大速率u与驱动力与驱动力G成正比；过成正比；过冷度冷度 大时，长大速率随温度下降而单调下降。大时，长大速率随温度下降而单调下降。扩散控制的新相长大扩散控制的新相长大 相半径相半径r随时间随时间按抛物线规律长大。按抛物线规律长大。晶核长大控制

19、因素晶核长大控制因素9.1.5 相变动力学相变动力学固态相变速率决定于新相的形成速率和长大速率。固态相变速率决定于新相的形成速率和长大速率。1.形核率形核率f为靠近临界晶核的原子能够跳到该晶核的频率，为靠近临界晶核的原子能够跳到该晶核的频率，c0为单位体积母相中为单位体积母相中可供形核的位置数，可供形核的位置数，c*为单位体积母相中临界核胚的数目，为单位体积母相中临界核胚的数目，G*为为临临界晶核形核功，界晶核形核功，s为为在在临界晶核附近母相的原子数，临界晶核附近母相的原子数，0 0为为原子的振原子的振动动频频率，率，p p为进为进入入该临该临界晶核的几率，界晶核的几率，Q Q为为母相原子越

20、母相原子越过过界面界面进进入新相晶入新相晶核所需越核所需越过过的能的能垒垒假定形核是无规的，转变过程中母相成分保持不变，假定形核是无规的，转变过程中母相成分保持不变，生成相的转变速率生成相的转变速率u与形核率与形核率N为常数，则固态相变为常数，则固态相变的转变量为（的转变量为（Johnson-Johnson-MehlMehl方程）：方程）：2.相变动力学曲线和等温转变曲线相变动力学曲线和等温转变曲线等温转变动力学图等温转变动力学图100%转转变变体体积积分分数数温温度度50%0T1T2T3T1T2T3时间时间时间时间T1T2T3下面的图为温度下面的图为温度-时间时间-转变量曲线，即等温转变曲线

21、，转变量曲线，即等温转变曲线，也叫也叫TTT曲线曲线转变完成转变完成9.2.1 9.2.1 调幅分解调幅分解 在具有两相分离形式相图的体系在具有两相分离形式相图的体系中，处于热力学不稳定状态下的中，处于热力学不稳定状态下的母相，母相，不需形核过程不需形核过程，自发分解，自发分解为结构相同而成分不同的两相，为结构相同而成分不同的两相，这便是这便是调幅分解。调幅分解。成分为成分为c0的温度为的温度为t1的合金由的合金由均匀固溶体均匀固溶体相快冷至相快冷至t t2 2，产生，产生c的成分起伏时的自由能的成分起伏时的自由能变为：变为：9.2 扩散型相变扩散型相变pqG21.调幅分解：拐点调幅分解：拐点

22、p和和q之间的之间的合金满足合金满足 G G1 1 G G0 0，G G2 2 G G0 0，无需形核，自发分解为成分为无需形核，自发分解为成分为x1和和x2的的1 1和和2 2相，为上坡相，为上坡扩散。扩散。2.形核分解：形核分解：x1和和p p、x2和和q之之间的合金间的合金G G1 G G0 0 不能自发分不能自发分解，但解，但G G2 2 G G0 0，可通过形核方，可通过形核方式分解为成分为式分解为成分为x1和和x2的的1 1和和2 2相，为下坡扩散。相，为下坡扩散。9.2.2 过饱和固溶体的脱溶过饱和固溶体的脱溶 从过饱和固溶体内沉淀出稳定或亚稳定的沉淀相从过饱和固溶体内沉淀出稳定

23、或亚稳定的沉淀相后，基体成为接近平衡浓度的固溶体的转变。后，基体成为接近平衡浓度的固溶体的转变。1.脱溶的分类脱溶的分类（1）根据母相成分的变化情况：连续脱溶、不连续脱溶）根据母相成分的变化情况：连续脱溶、不连续脱溶（两相式脱溶或胞状式脱溶）（两相式脱溶或胞状式脱溶）（2）根据脱溶相与母相之间的界面性质：共格脱溶、非）根据脱溶相与母相之间的界面性质：共格脱溶、非共格脱溶共格脱溶（3）根据脱溶相的分布状况：普遍脱溶和局部脱溶）根据脱溶相的分布状况：普遍脱溶和局部脱溶2.连续脱溶连续脱溶 往往先形成一系列过渡往往先形成一系列过渡相，形成脱溶序列，在一相，形成脱溶序列，在一定条件下逐渐转变为自由定条

24、件下逐渐转变为自由能最低的稳定相。能最低的稳定相。（1）脱溶序列）脱溶序列将将WCu=4.5 在在550保温保温一定时间后经水冷得到的一定时间后经水冷得到的过饱和固溶体再加热到一过饱和固溶体再加热到一定温度并保温，脱溶相出定温度并保温，脱溶相出现序列为现序列为G.P.区区 随着合金含铜量增加，时效硬化效果更明显，硬度的随着合金含铜量增加，时效硬化效果更明显，硬度的峰值总是与峰值总是与+并存的并存的组织组织相相对应对应，一旦消失硬度将，一旦消失硬度将明明显显下降。下降。一般说来，时效过程中既无一般说来，时效过程中既无G.P.区又无过渡相，析出的区又无过渡相，析出的合金的时效强化效果都比较弱。合金

25、的时效强化效果都比较弱。（2）脱溶物粗化（）脱溶物粗化（Ostwald熟化熟化）颗粒大小不均匀导致母相内部产生浓度梯度，且与小颗粒处于亚平颗粒大小不均匀导致母相内部产生浓度梯度，且与小颗粒处于亚平衡的周围母相的浓度大，通过原子扩散使小颗粒不断溶解、大颗粒不断衡的周围母相的浓度大，通过原子扩散使小颗粒不断溶解、大颗粒不断长大。长大。设在设在相中存在脱溶相相中存在脱溶相的粒子，的粒子，脱溶颗粒的平均尺寸与时效时间脱溶颗粒的平均尺寸与时效时间t的关系为的关系为 c和和c分别为溶质在分别为溶质在相和相和相中的平衡浓度，相中的平衡浓度，为粗化开始时为粗化开始时c的的相粒子的平均半径，相粒子的平均半径，为

26、经过为经过 t时间时间后粗化了的后粗化了的相粒子的平均半径，相粒子的平均半径，D为为溶溶质质原子原子B在在相中的相中的扩扩散系数，散系数，为为比界面能，比界面能，c c()为为颗粒半颗粒半径为径为（平界面）时的固溶度。（平界面）时的固溶度。3.不连续脱溶不连续脱溶(两相式脱溶或胞状式脱溶两相式脱溶或胞状式脱溶)通常在母相界面上通常在母相界面上形核形核，然后呈胞，然后呈胞状向某一相邻晶粒内生长，胞状脱状向某一相邻晶粒内生长，胞状脱溶物与母相有明显界面溶物与母相有明显界面胞状脱溶物在晶界形核时，它与相胞状脱溶物在晶界形核时，它与相邻晶粒之中的一个形成不易移动的邻晶粒之中的一个形成不易移动的共格晶面

27、，而与另一晶粒间形成可共格晶面，而与另一晶粒间形成可动的非共格晶面，因此胞状脱溶物动的非共格晶面，因此胞状脱溶物仅向一侧长大。仅向一侧长大。不连续脱溶可妨碍有益强化合金的不连续脱溶可妨碍有益强化合金的连续脱溶过程的进行，一般应避免，连续脱溶过程的进行，一般应避免，但可获得比共晶组织细得多的层片但可获得比共晶组织细得多的层片组织。组织。9.2.3 共析转变共析转变 是指由单一固态母相分解为两个是指由单一固态母相分解为两个(或多个或多个)结构与成结构与成分分不同不同的新相过程，反应可表示为的新相过程，反应可表示为+1.共析共析转变转变的形核与的形核与长长大大 新相常在母相晶界新相常在母相晶界处处形

28、核，形核，并以两相交替形成的方式并以两相交替形成的方式进进行，形成一个行，形成一个细细的的层层片状的共片状的共析析领领域。域。退火共析钢显微组织退火共析钢显微组织2.共析体的片间距共析体的片间距共析体的片间距共析体的片间距为相邻两片为相邻两片（或（或）之）之间间的距离，在的距离，在恒温恒温转变时转变时，片间距片间距基本保持不基本保持不变变，片间距片间距越小，共析越小，共析体体强强度越高，塑性也越好。度越高，塑性也越好。形成形成单单位体位体积积共析体的自由能共析体的自由能变为变为:GV为转变前后单位体积自由能的下降，为转变前后单位体积自由能的下降，A为单位体积为单位体积-界面总面积，界面总面积，

29、为-相界的界面能相界的界面能,TE为平衡条件下共析温度，为平衡条件下共析温度，T为过冷度。为过冷度。，当，当G=0时，共析领域停止生长，此时片间距为时，共析领域停止生长，此时片间距为m m 9.3 无扩散相变无扩散相变相变前后只是晶体结构发生变化而成分不改变的相变，相变前后只是晶体结构发生变化而成分不改变的相变，以切变方式进行，又称以切变方式进行，又称协同型相变协同型相变9.3.1 陶瓷的同质异构转变陶瓷的同质异构转变代表性的分为两种：代表性的分为两种：1.重构型相变：重构型相变：伴随原化学键的破坏与新键的形成，伴随原化学键的破坏与新键的形成，原子靠近程扩散重新排列，相变所需激活能高，故原子靠

30、近程扩散重新排列，相变所需激活能高，故重构型相变较难发生，转变速度缓慢，常常有高温重构型相变较难发生，转变速度缓慢，常常有高温相残留到低温的倾向。相残留到低温的倾向。2.位移型相变：位移型相变：无需破坏原子的化学键，只需构成晶无需破坏原子的化学键，只需构成晶体的离子沿特定的晶面晶向整体地产生有规律的位体的离子沿特定的晶面晶向整体地产生有规律的位移，使结构发生畸变就可完成相变。移，使结构发生畸变就可完成相变。9.3.2 块型转变块型转变由于相呈现不规则块状外形，因此叫由于相呈现不规则块状外形，因此叫块型转变块型转变 如将如将38 的的Cu-Zn合金由合金由相快相快速冷却，速冷却，经过经过+两相时

31、，由两相时，由相转变为与母相成分相同的相转变为与母相成分相同的相。块状的相。块状的相在相在相晶界上形相晶界上形核，速度快，因此原子来不及长核，速度快，因此原子来不及长程扩散，致使新相与母相具有相程扩散，致使新相与母相具有相同成分，因此可将其看成无扩散同成分，因此可将其看成无扩散相变。相变。相的转变靠非共格晶界相的转变靠非共格晶界的热激活迁移完成，原子的迁移的热激活迁移完成，原子的迁移靠短扩散，新相与母相间无一定靠短扩散，新相与母相间无一定晶体学取向关系，相变无浮凸效晶体学取向关系，相变无浮凸效应。应。9.3.3 马氏体相变马氏体相变 马氏体马氏体定义定义：母相无：母相无扩散的，以扩散的，以惯习

32、面为不变平面的切变共格惯习面为不变平面的切变共格相变的产物。相变的产物。发生在很大过冷度状态下，属于无发生在很大过冷度状态下，属于无扩散的位移型相变。扩散的位移型相变。1.马氏体相变特点马氏体相变特点（1）马氏体相变的无扩散性）马氏体相变的无扩散性（2）切变共格性与表面浮凸现象）切变共格性与表面浮凸现象 相变以切变方式进行，母相与新相马氏体的界面为切变共格界面相变以切变方式进行，母相与新相马氏体的界面为切变共格界面（3）位向关系及惯习面）位向关系及惯习面（4）马氏体相变的可逆性与形状记忆效应）马氏体相变的可逆性与形状记忆效应 热弹性马氏体：热弹性马氏体：加热和冷却时很容易发生逆转变，使马氏体呈

33、加热和冷却时很容易发生逆转变，使马氏体呈现弹性似的长大和缩小。现弹性似的长大和缩小。形状记忆效应：形状记忆效应：将具有热弹性马氏体转变的合金在将具有热弹性马氏体转变的合金在Ms点以下进点以下进行塑性变形，当发生逆转变时，原来的变形可以被取消的效应。行塑性变形，当发生逆转变时，原来的变形可以被取消的效应。（5）马氏体相变的不完全性）马氏体相变的不完全性马氏体相变引起的的表面倾动马氏体相变引起的的表面倾动2.钢中马氏体的结构、形态及性能钢中马氏体的结构、形态及性能（1）马氏体的晶体结构）马氏体的晶体结构 不同材料中的马氏体的晶体结构不尽相同。钢中马氏体不同材料中的马氏体的晶体结构不尽相同。钢中马氏

34、体的晶体结构随合金和碳质量分数的变化，可存在体心立方、的晶体结构随合金和碳质量分数的变化，可存在体心立方、体心正方和密排六方三种晶体结构。体心正方和密排六方三种晶体结构。（2）马氏体形态及亚结构）马氏体形态及亚结构 形态各异，有片状、板条状、针状、蝶状等，形态不形态各异，有片状、板条状、针状、蝶状等，形态不同，亚结构也不同。钢中主要有片状和板条状。同，亚结构也不同。钢中主要有片状和板条状。（3）马氏体的性能）马氏体的性能 强度和硬度高。强度和硬度高。板条马氏体板条马氏体常见于低碳钢中，也叫常见于低碳钢中，也叫低碳马氏体低碳马氏体或或位错马氏体位错马氏体片状马氏体片状马氏体也叫也叫高碳马氏体高碳

35、马氏体或或孪晶马氏体孪晶马氏体，透镜状马氏体的亚结构主要为孪晶，在边，透镜状马氏体的亚结构主要为孪晶，在边缘区存在着高密度的位错，中脊为高密度微细孪晶缘区存在着高密度的位错，中脊为高密度微细孪晶铁碳相图铁合金组分铁合金组分1.纯铁纯铁铁铁(-Fe):体心立方，体心立方，1394-熔点熔点1354铁铁(-Fe):面向立方，面向立方，912-1394 铁铁(-Fe):体心立方，体心立方，912以下以下2.铁的固溶体铁的固溶体铁素体铁素体(或或或或F)：碳溶于：碳溶于铁铁或或铁铁中形成的固溶物，碳最大溶解度中形成的固溶物，碳最大溶解度0.0218 奥氏体奥氏体(或或A)：碳溶于碳溶于铁铁中形成的固溶

36、物，碳最大溶解度中形成的固溶物，碳最大溶解度2.11。渗碳体渗碳体(Fe3C)：复：复杂杂的斜方的斜方结结构，硬度很高，几乎无塑性构，硬度很高，几乎无塑性3.其它其它莱氏体莱氏体(Ld)：为为奥氏体和渗碳体的的机械混合物，在奥氏体和渗碳体的的机械混合物，在1148 发发生共晶生共晶转转变变形成，形成，Lc E+Fe3C珠光体珠光体(P)：为铁为铁素体和渗碳体的的机械混合物，由素体和渗碳体的的机械混合物，由铁铁在在727 发生共析发生共析转变形成，转变形成，s +Fe3C9.4 贝氏体相变贝氏体相变钢中贝氏体钢中贝氏体定义定义：贝氏体是过冷奥氏体的中温转变产：贝氏体是过冷奥氏体的中温转变产物，以

37、贝氏体铁素体为基，同时可能存在物，以贝氏体铁素体为基，同时可能存在-渗碳体或渗碳体或-碳化物或残余奥氏体等相碳化物或残余奥氏体等相组组成的整合成的整合组织组织。钢中的贝氏体转变发生在珠光体转变和马氏体转变温钢中的贝氏体转变发生在珠光体转变和马氏体转变温度范围之间，故称度范围之间，故称中温相变中温相变。由于转变温度较低，铁。由于转变温度较低，铁原子和置换型的溶质原子难以扩散，但间隙原子碳可原子和置换型的溶质原子难以扩散，但间隙原子碳可以扩散，故为以扩散，故为半扩散相变半扩散相变。9.4.1 钢中贝氏体类型和形成过程钢中贝氏体类型和形成过程类型类型：上贝氏体、下贝氏体、无碳贝氏体、粒状贝氏体：上贝

38、氏体、下贝氏体、无碳贝氏体、粒状贝氏体等。等。形成过程形成过程：形核长大过程。贝氏体铁素体首先在奥氏体：形核长大过程。贝氏体铁素体首先在奥氏体晶界处形核，然后长大。晶界处形核，然后长大。9.4.2 贝氏体的组织形态贝氏体的组织形态1.上贝氏体上贝氏体 上贝氏体在贝氏体转变温度范围的较高温度区域形成，典型的光学显上贝氏体在贝氏体转变温度范围的较高温度区域形成，典型的光学显微组织呈现微组织呈现羽毛状羽毛状。铁素体板条优先在原奥氏体晶界上形核，然后向一侧奥氏体中长大，铁素体板条优先在原奥氏体晶界上形核，然后向一侧奥氏体中长大，铁素体板条互相平行排列，条间分布着断续短杆状渗碳体，渗碳体为铁素体板条互相

39、平行排列，条间分布着断续短杆状渗碳体，渗碳体为脆性，会使上贝氏体塑性和韧性降低。脆性，会使上贝氏体塑性和韧性降低。光学显微组织，光学显微组织，400 透射电镜组织，透射电镜组织，4000 上贝氏体显微组织上贝氏体显微组织2.下贝氏体下贝氏体 下贝氏体在贝氏体转变温度范围的较低温度区域形成，典型的光下贝氏体在贝氏体转变温度范围的较低温度区域形成，典型的光学显微组织呈现学显微组织呈现片状片状。在电镜下可观察到片状铁素体内沿一定惯习。在电镜下可观察到片状铁素体内沿一定惯习面析出的微细面析出的微细-碳化物，其排列方向一般与片状铁素体长轴成碳化物，其排列方向一般与片状铁素体长轴成55-60，片状，片状铁

40、铁素体的素体的亚结亚结构构为为高密度位高密度位错错和微和微细孪细孪晶，可推晶，可推测测下下贝贝氏氏体是以位体是以位错错滑移切滑移切变变或或孪孪生切生切变变方式形成的。方式形成的。下贝氏体有高的强度与硬度，同时具有良好的塑性和下贝氏体有高的强度与硬度，同时具有良好的塑性和韧韧性，性，综综合合性能性能优优于片状于片状马马氏体。氏体。光学显微组织光学显微组织 透射电镜组织透射电镜组织 下贝氏体显微组织下贝氏体显微组织3.其它类型的贝氏体其它类型的贝氏体无碳贝氏体无碳贝氏体：在低碳合金钢中出现几率较高，在贝氏体转变温度区：在低碳合金钢中出现几率较高，在贝氏体转变温度区间的较高温度范围内形成。在间的较高

41、温度范围内形成。在无碳贝氏体中，尺寸和排列距离较宽无碳贝氏体中，尺寸和排列距离较宽的贝氏体铁素体片条平行排列，片条间是富碳的奥氏体或其随后分的贝氏体铁素体片条平行排列，片条间是富碳的奥氏体或其随后分解的产物。解的产物。粒状贝氏体粒状贝氏体：低中碳贝氏体钢热轧后空冷至贝氏体转变区间的较高低中碳贝氏体钢热轧后空冷至贝氏体转变区间的较高温度范围时，可形成粒状贝氏体。粒状贝氏体为富碳的孤岛状的奥温度范围时，可形成粒状贝氏体。粒状贝氏体为富碳的孤岛状的奥氏体分布在块状铁素体基体中，其孤岛状的奥氏体在随后的冷却过氏体分布在块状铁素体基体中，其孤岛状的奥氏体在随后的冷却过程中还可转变为其它产物。程中还可转变为其它产物。9.4.3 贝氏体钢的应用贝氏体钢的应用 贝氏体钢贝氏体钢指热轧后空冷能得到全部贝氏体组织，或仅需正指热轧后空冷能得到全部贝氏体组织，或仅需正火就可以得到全部贝氏体组织的钢。火就可以得到全部贝氏体组织的钢。贝氏体钢具有高的强韧性，与淬回火钢相比其设备、工艺贝氏体钢具有高的强韧性，与淬回火钢相比其设备、工艺简单，价格低廉。简单，价格低廉。