中欧固态相变精.ppt
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1、中欧固态相变第1页,本讲稿共47页第二章作业(10)试述球化过程中试述球化过程中,由片状向粒状转变的机制由片状向粒状转变的机制1由片状向粒状转变,可降低表面能,属自发过程。2不同半径粒子,溶解度不同。粒子半径r越小,溶解度越大。小半径粒子中(呈尖角处)碳的溶解度高,大半径粒子(呈平面处)的溶解度低。这就在与其接触的F内形成碳的浓度梯度,使尖角附近的碳原子向平面附近扩散。这种扩散破坏了界面平衡,使尖角进一步溶解,而平面处形成堆积和析出。最终各处都形成曲率半径相近的球粒形状的碳化物。3亚晶界使片状渗碳体断裂由于亚晶界的存在,在渗碳体内将产生界面张力,为了平衡此张力,渗碳体出现了沟槽。由于沟槽处曲率
2、半径小,溶解度大,使曲率半径加大,半径加大后,破坏了界面张力平衡,为达到平衡,沟槽进一步加深,最终导致渗碳体断裂。4破坏的渗碳体球化第2页,本讲稿共47页(11)试述块状试述块状,网状和片状先共析铁素体的析出原理网状和片状先共析铁素体的析出原理1.块状F的析出当P转变温度高,Fe原子自扩散便利,且晶粒较细时,F在晶界形核后,由于CA-F CA,引起碳的扩散,为保持相界面平衡,即CA-F的高浓度,只有继续析出F,以至长成块状F.2.网状F的析出当转变温度较高,或冷速较大、A晶粒粗大时,Fe自扩散能力下降,F易沿晶界析出并连成网状。此时晶内碳浓度不断升高,达伪共析成分时转变为P。3.片状F的析出当
3、转变温度较低,A中成分均匀,晶粒粗大时,F向与其有位向关系的A中长大,就使得同一晶粒中F呈片状且相互平行。通常将这种先共析铁素体称为魏氏组织铁素体第3页,本讲稿共47页(11)派登处理在高碳钢强韧化方面的应用派登处理在高碳钢强韧化方面的应用具体步骤如下:高碳钢奥氏体化铅浴等温(560)得到珠光体冷拉(使F内位错密度提高,强度上升,片间距P下降,而使Fe3C不致脆断)。最终得到强烈变形后的细珠光体(索氏体),具有极好的强度与塑性的配合。第4页,本讲稿共47页第三章第三章 马氏体相变马氏体相变Martensitic Transformation前前 言言 早在战国时代,人们已经知道可以用淬火,即将
4、钢加热到高温后淬入水或油中急冷的方法,提高钢的硬度。用经过淬火的钢制成的宝剑可以“削铁如泥”,但在当时,对于淬火能提高钢的硬度的本质还并不清楚.十九世纪末期,人们才知道:钢在加热与冷却过程中,内部相组成发生了变化,因而引起了钢的性能的改变。1895年,为了纪念著名的德国冶金学家Adolph Martens,法国著名冶金学家Osmond建议:将钢经淬火所得的高硬度相称为马氏体马氏体;将母相向马氏体转变的相变统称为马氏体相变马氏体相变。但并不清楚马氏体究竟是什么组织。第5页,本讲稿共47页1926-1927年,Fink Campbell用X射线结构分析方法测得钢中的马氏体是体心正方结构,马氏体中的
5、固溶碳即原奥氏体中的固溶碳。因此,曾一度认为所谓的马氏体就是碳在-Fe中的过饱和间隙固溶体。开创了马氏体相变研究的先河。1924年,Bain切变模型1929年,周志宏发现马氏体也可以是bcc结构,不是过饱和固溶体。1930年,Kurdjumov和Sacks测得马氏体与母相奥氏体保持K-S关系;提出 K-S切变模型。1934年,西山关系。1948年,Kurdjumov提出马氏体相变也是形核长大的过程,但不发生组元扩散的切变相变。第6页,本讲稿共47页1949年,Greniger,Troiano提出马氏体相变是无扩散切变相变,无需形核和长大过程;提出马氏体转变的G-T关系;G-T切变模型。1950
6、年,Morris Cohen开始倡议马氏体相变热力学研究,一直延续至二十世纪80年代。1960年,Kelly等人,透射电镜观察将马氏体的形态区分为高碳型的透镜状(片状和针状)以及低碳型的条状为马氏体形态学奠定了基础。1964年,Wayman,“马氏体相变晶体学导论”阐述了晶体学表象理论,较好地解释了马氏体转变晶体学机制。至此,马氏体研究大致包括二部分:相变机制,热力学,动力学;马氏体形态学,晶体学。第7页,本讲稿共47页1979年,Thomas以高分辨率电子显微镜指出M相变可能扩散1981年,再以场离子电镜和原子探针给予证实。1983年,徐祖耀以理论计算确认低碳钢在马氏体相变时,由于MS温度较
7、高,间隙原子碳的扩散率较大,可能存在碳的扩散。马氏体相变不是“完全”无扩散过程,间隙原子(离子)可能扩散,这种扩散并不是马氏体相变的主要或必需的过程徐提出了一个对M简单的定义“替换(置换)原子无扩散切变(原子沿相界面做协作运动),使其形状改变的相变”目前主要方向建立马氏体相变热力学和动力学模型,进行组织形态的计算机模拟 建立马氏体晶体学、能量学的统一模型此外,研究纳米晶体的马氏体相变也是一个值得关注的方向。第8页,本讲稿共47页第一节第一节 马氏体马氏体(M)相变的主要特征相变的主要特征一.马氏体转变的非恒温性马氏体转变的非恒温性奥氏体以大于某一临界速度V的临界速度冷却到某一温度,不需孕育,转
8、变立即发生.并且以极大速度进行,但很快停止.这一温度称为马氏体转变开始温度,用Ms代表.马氏体转变在不断降温的条件下才能进行.马氏体转变量是温度的函数,与等温时间无关(如图所示).第9页,本讲稿共47页实验测定出母相与新相成分一致.在钢中,曾测出奥氏体的含碳量马氏体含碳量,转变前后碳含量没有变化。而且,马氏体形成速度极快,一片马氏体在 510-5510-7秒内生成.即使在-20-196以下也是同样快速,而C原子在-60以上才能进行有效扩散,此温度远高于相变温度的下限-196,故转变时不会有扩散发生.二.无扩散性无扩散性第10页,本讲稿共47页近年来,一些实验和计算结果对上述观点提出了疑问:a)
9、Thomas发现在含碳0.27%的碳钢中,条间奥氏体内含C量达0.4%1.04%,远远大于钢的平均含碳量,说明碳原子有可能从马氏体扩散到奥氏体,与多数实验测定的结果不同.b)上海交大徐祖耀计算出马氏体内C原子扩散需时间为 7.310-310-7s,而条状M形成时间为10-3-10-6s,比较两者时间,说明扩散跟得上马氏体转变的速度,即转变时可能有扩散发生.虽然这二个结果不足以推翻过去的马氏体相变无扩散的结论,但至少表明尚存有不同的观点.第11页,本讲稿共47页三.马氏体转变的切变共格和表面浮突马氏体转变的切变共格和表面浮突预先磨光表面的试样,在马氏体相变后表面产生突起,这种现象称之为表面浮突现
10、象。宏观现象表明,M相变为切变 在上述相变时,相界面宏观上不转动,也不变形,所以相界面称为不变平面;当相界面为不变平面时,界面上原子既属于新相,又属于母相,这种界面称为共格界面.不变平面也可以不是相界面,为中脊面.第12页,本讲稿共47页四.位向关系及惯习面位向关系及惯习面惯习面:与新相主平面或主轴平行的旧相晶面惯习面:与新相主平面或主轴平行的旧相晶面位向关系:新相、旧相某些低指数晶面、晶向的对应平行关位向关系:新相、旧相某些低指数晶面、晶向的对应平行关系。系。(1)相变时,整体相互移动一段距离,相邻原子的相对位置无变化,做小于一个原子间距位置的位移,因此A与M保持一定的严格的晶体学位向关系.
11、(2)不变平面又称为惯习面,马氏体即在此平面上形成,如中脊面.五.马氏体转变的可逆性马氏体转变的可逆性由MA的转变称为马氏体的逆转变,逆转变开始的温度称为As,结束的温度称为Af.第13页,本讲稿共47页思考题:钢铁材料中观察不到马氏体逆转变的原因.因为FeC合金中的马氏体是碳溶于-Fe形成的过饱和固溶体,极不稳定,加热时极易析出碳化物而发生分解,马氏体被加热到高温以前就已经分解了,因此,也就观察不到由马氏体向奥氏体的逆转变。有科学家以5000/S的速度加热进行研究,观察到了含碳马氏体的逆转变。第14页,本讲稿共47页第二节马氏体转变的晶体学第二节马氏体转变的晶体学一.马氏体的晶体结构奥氏体具
12、有面心立方点阵,溶入的碳原子位于铁原子所组成的正八面体中心,即:M转变时,面心立方的A通过切变转变为体心立方的-Fe,C原子溶入后,c/a不再等于1,称为正方度。(c,a为点阵参数)第15页,本讲稿共47页C含量对c,a的影响可见式(3-1).c=0+(3-1a)a=0-(3-1b)c/a=1+(3-1c)式中:00.2861 nm(-Fe点阵参数);=0.1160.002;=0.0460.001;=0.0130.002;马氏体碳含量(重量%).第16页,本讲稿共47页二.马氏体的异常正方度有些钢的马氏体的正方度远偏离式(3-1)的数值,测试表明,是由于C原子在间隙点阵中的有序与无序分布造成的
13、.C原子在-Fe中有三组可能的位置,依其短轴所在方向而定。当其短轴平行于a轴方向时,称为X位置,如图a所示;当其短轴平行于c轴或b轴方向时,则分别称为Z位置和Y位置,如图b、图c所示.第17页,本讲稿共47页当大于80%的C原子位于Z位置时,测试得到的正方度要高于式(3-1)给出的数值,称为异常高异常高;当小于80%的C原子位于Z位置时,测试得到的正方度要低于式(3-1)给出的数值,称为异常低;且有当80%的C原子位于Z位置,剩下的C原子均匀分布在X、Y二个位置时,才会出现正常的正方度。当碳含量小于0.2%时,C原子偏聚于马氏体的位错线或是均匀地分布在X、Y和Z三个位置上,即处于完全无序状态.
14、C原子的存在虽然引起点阵常数的增加,但不会改变正方度。第18页,本讲稿共47页三.惯习面与位向关系(1)惯习面即马氏体转变的不变平面,总是平行或接近A的某一晶面,并随A中含碳量及马氏体形成温度而变化.当C含量 0.6%时,惯习面为111A;当C含量处于0.6%1.4%时,惯习面为225A;当C含量处于1.4%2.0%时,惯习面为259A。惯习面也可因马氏体形成温度而变化.对于C量较高的钢,先形成的M的惯习面为225A,后形成的M的惯习面为259A。第19页,本讲稿共47页2)位向关系(a)K-S关系关系1930年,库尔鸠莫夫与Sachs在1.4%C的碳钢中发现,M与A有下述关系:110M/11
15、1A;M/A。(b)西山关系西山关系1934年,西山在铁镍合金中发现,在室温以上形成的M与A之间存在K-S关系,而在-70以下形成的M与A呈下列关系:110M/111A;M/A。(c)G-T关系关系1949年,Grenigen与Troiano 在Fe-Ni-C合金中发现,M与A的位向接近K-S关系,但略有偏差,其中晶面差1度,晶向差2度,称为G-T关系。第20页,本讲稿共47页采用Bain模型可说明马氏体相变惯习面和位向关系K-S关系 110M/111A;M/A第21页,本讲稿共47页第三节第三节 马氏体的组织形态马氏体的组织形态P97-100一 马氏体的形态1.板条马氏体板条马氏体出现于低、
16、中碳钢中,其形貌可见图A 板条群板条群:尺寸为2035m,由若干个尺寸大致相同的板条在空间位向大致平行排列组成。通常一个奥氏体晶粒内由35个板条群。B 板条群又可以分为几个平行的区域,称同位向同位向束束C 一个板条群又可以只由一种同位向束组成D 同位向束由若干个平行板条组成,每个板条为一个马氏体单晶马氏体单晶:0.55.020 m另外,实验证实:稠密的M板条多被连续的高度变形的残余奥氏体薄膜残余奥氏体薄膜(20 m厚度)隔开,该薄膜碳含量较高,在室温下稳定。第22页,本讲稿共47页板条M的亚结构为位错密度高达(0.30.9)1012/cm2,故称位错M.2.透镜片状马氏体透镜片状马氏体(简称片
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