第01章金属固态相变概论精.ppt

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1、第01章金属固态相变概论第1页，本讲稿共50页引言n固态相变：固态金属（纯金属、合金）在温度和压力改变时，组织结构发生的变化n掌握固态相变规律，即可采取措施（控制加热、冷却等，即热处理范畴）控制相变过程以获得预期的组织，使其具有预期的性能n注意与我们生活中非常熟悉的和非常直观的液态、气态转变的区别（金属凝固理论）n整容面相改变。n古代媒婆巧语：眼下没有什么。没鼻子。第2页，本讲稿共50页n金属中相是指成分相似、结构相同的物质，可分为固溶体和金属间化合物两种类型。n如钢中奥氏体相就是碳在面心立方铁形成的间隙固溶体，铁素体则是体心立方，从高温到低温奥氏体相向铁素体相转变就是相变。n组织则可以理解是

2、一种结合形态。比如共晶组织，就是共晶转变是同时析出的两种相结合形成的一种形态。（显微镜下观察）n都是人为命名，相以相图为依据，组织以显微镜观察为依据。组织由相组成，相变则组织也改变。而组织改变相有可能没变。第3页，本讲稿共50页铁碳合金相图铁碳合金相图LL+AAF+AFF+PPP+Fe3CIIP+Fe3CII+LdA+Fe3CIIA+Fe3CII+LdLdLdL+Fe3CILd+Fe3CILd+Fe3CI第4页，本讲稿共50页n钢在冷却时的转变：A组织在冷却过程中，由于冷却的剧烈程度不同会发生不同的转变，得到不同的组织，从而获得不同的力学性能。通常情况下，A组织在比较缓和的冷却条件下会转变成P

3、组织S组织或T组织，而在剧烈冷却条件下会转变成M组织，在比较适中的冷却条件下会转变成B组织。n但是P、S、T、B都是由铁素体和渗碳体两个相组成。第5页，本讲稿共50页n问题：两个相相同为什么组织不同，性能也不同。（金属的强化理论）n为什么土木堡之变时明朝50万军队都赢不了瓦剌，但北京保卫战时仅有22万人却击退了瓦剌？王振于谦n石灰吟石灰吟n千锤万击出深山，烈火焚烧若等闲。n粉骨碎身全不怕，要留清白在人间。第6页，本讲稿共50页1-1 金属固态相变的主要类型n一、平衡转变缓慢加热或冷却时所发生的能获得平衡组织的相变（可用相图分析）n纯金属的同素异构转变n多形性转变（固溶体的同素异构转变）n平衡脱

4、溶沉淀n共析转变n包析转变n调幅分解n有序化转变第7页，本讲稿共50页第一章第一章 固态相变概论固态相变概论平衡转变平衡转变(1)同素异晶转变同素异晶转变n纯金属纯金属在一定的温度和压力下，由一种结构转变为在一定的温度和压力下，由一种结构转变为另一种结构的现象称为同素异晶转变。另一种结构的现象称为同素异晶转变。n若在若在固溶体固溶体中发生这种结构的转变，则称为多形性中发生这种结构的转变，则称为多形性转变。如转变。如钢在冷却时由奥氏体中析出先共析铁素体的钢在冷却时由奥氏体中析出先共析铁素体的过程过程。n结合结合Fe-Fe3C讲解讲解。第8页，本讲稿共50页铁碳合金相图铁碳合金相图LL+AAF+A

5、FF+PPP+Fe3CIIP+Fe3CII+LdA+Fe3CIIA+Fe3CII+LdLdLdL+Fe3CILd+Fe3CILd+Fe3CI第9页，本讲稿共50页(2)平衡脱溶转变平衡脱溶转变n 高温过饱和固溶体高温过饱和固溶体缓慢冷缓慢冷却却过程中析出第二相的过程过程中析出第二相的过程n 特点：特点：(a)新相的成分和结构始终新相的成分和结构始终 与母相的不同；与母相的不同；(b)母相不会消失。母相不会消失。n 钢在冷却时，由奥氏体析钢在冷却时，由奥氏体析出二次渗碳体的过程；由铁出二次渗碳体的过程；由铁素体素体析出三次渗碳体的过程。析出三次渗碳体的过程。图图1-1 可发生脱溶转变的合金可发生

6、脱溶转变的合金第10页，本讲稿共50页（3）共析转变）共析转变n 合金冷却时，由一个固相同时析出两个不同固合金冷却时，由一个固相同时析出两个不同固相的过程称为共析转变相的过程称为共析转变n 钢中的珠光体相变钢中的珠光体相变（4）调幅分解）调幅分解n 由一种高温固溶体，冷至某一温度范围，分解由一种高温固溶体，冷至某一温度范围，分解为两种与原固溶体为两种与原固溶体结构相同结构相同，而，而成分不同成分不同的微区的微区的转变称为调幅分解的转变称为调幅分解 1 +2 第11页，本讲稿共50页(5)有序化转变有序化转变n 固溶体中，各组元的相对位置从无序过渡到固溶体中，各组元的相对位置从无序过渡到有序的过

7、程，称为有序化转变。有序的过程，称为有序化转变。n Cu-Zn、Au-Cu等合金中均可发生这种转变等合金中均可发生这种转变n 特点特点：(a)新新形形成成的的微微区区之之间间无无明明显显的的界界面面和和成成分分的突变；的突变；(b)通通过过上上坡坡扩扩散散，最最终终使使均均匀匀固固溶溶体体变变为为不均匀固溶体。不均匀固溶体。第12页，本讲稿共50页n二、不平衡转变加热、冷却速度过快，平衡转变受抑制，发生不平衡转变，得到亚稳组织铁碳合金中的不平衡转变n伪共析转变n马氏体转变n贝氏体转变n块状转变n不平衡脱溶沉淀第13页，本讲稿共50页1.1.2 不平衡转变不平衡转变(1)伪共析转变伪共析转变 n

8、接接近近共共析析点点成成分分的的合合金金，过过冷冷到到共共析析点点以以下下发发生生共析转变的过程共析转变的过程 n铁铁素素体体和和渗渗碳碳体体的的相相对对量量随随奥奥氏氏体体的的含含碳碳量量而而变，故称为伪共析体变，故称为伪共析体图图1-2 Fe-Fe3C相图的伪共析区相图的伪共析区第14页，本讲稿共50页(2)马氏体相变马氏体相变n 钢钢在在快快冷冷时时，若若能能避避免免其其发发生生扩扩散散型型转转变变，则则将将无无需需原原子子的的扩扩散散，以以一一种种切切变变共共格格的的方方式式实现点阵的改组，而转变为马氏体实现点阵的改组，而转变为马氏体(3)块状转变块状转变n 在在一一定定的的冷冷速速下

9、下奥奥氏氏体体转转变变为为与与母母相相成成分分相相同而形貌呈块状的同而形貌呈块状的相的过程相的过程第15页，本讲稿共50页(4)贝氏体相变贝氏体相变n在在珠珠光光体体转转变变与与马马氏氏体体转转变变温温度度范范围围之之间间（中中温），铁原子不能扩散，碳原子可以扩散温），铁原子不能扩散，碳原子可以扩散n过过冷冷奥奥氏氏体体转转变变为为由由铁铁素素体体和和渗渗碳碳体体组组成成的的非非层片状组织层片状组织 贝氏体贝氏体(5)不平衡脱溶转变不平衡脱溶转变n在在等等温温条条件件下下，由由过过饱饱和和固固溶溶体体中中析析出出第第二二相相的过程的过程n析出相为非平衡亚稳相析出相为非平衡亚稳相n马氏体回火析出

10、碳化物马氏体回火析出碳化物第16页，本讲稿共50页时效合金：能够发生时效现象的合金称为时效型合金或简时效合金：能够发生时效现象的合金称为时效型合金或简称为时效合金。称为时效合金。成为这种合金的基本条件：一是能形成有限固溶体；二是成为这种合金的基本条件：一是能形成有限固溶体；二是其固溶度随着温度的降低而减小。其固溶度随着温度的降低而减小。速冷速冷第17页，本讲稿共50页n三、固态相变的特征n结构变化同素异构转变、多形性转变、马氏体转变n成分变化调幅分解n有序程度变化有序化转变一般为结构与成分均变化一般为结构与成分均变化 共析转变、贝氏体转变共析转变、贝氏体转变第18页，本讲稿共50页1-2 金属

11、固态相变的分类n按热力学分类：一级相变一级相变（有热效应、体积效应。大多为一级相变）、二级相变（无明显热、体积效应，如磁性转变）n按原子迁移情况分类：扩散型相变扩散型相变、无扩散型相变（马氏体转变）n按相变方式分类：有核转变有核转变（成核、长大）、无核转变（调幅分解）n匀晶相图问题：成分变化丁紫玉、方沈第19页，本讲稿共50页1-3 金属固态相变的一般特征n一、界面及惯习面新、旧固相之间存在界面，按错位度分为共格、半共格和非共格液相、固相之间也有界面。0.05：共格0.05 0.25：非共格错配度第20页，本讲稿共50页反映了新旧相之间的适应性共格半共格非共格第21页，本讲稿共50页（1）共格

12、界面）共格界面n 两两相相界界面面上上的的原原子子排排列列完完全全匹匹配配，即即界界面面上上的的原子为两相所共有，孪晶面原子为两相所共有，孪晶面n 特点：特点：界面能很小，弹性应变能大界面能很小，弹性应变能大n 错配度错配度=a/a 越大，弹性应变能越大越大，弹性应变能越大n奥运会入场式：中国、美国奥运会入场式：中国、美国1984洛杉矶。洛杉矶。第22页，本讲稿共50页(2)半半共共格格界界面面：相相界界面面上上分分布布若若干干位位错错，界界面面上上的的两两相相原原子子部部分分地地保保持持匹匹配配，弹弹性性应应变能降低。变能降低。(3)非非共共格格界界面面：两两相相界界面面完完全全不不匹匹配配

13、，即即存存在在大大量量缺缺陷陷的的界界面面，为为很很薄薄的的原原子子层层不不规规则则排排列列的的过过渡渡层层，界界面面能能较较高高，弹弹性性应应变能低。变能低。注意：重要的是理解能量的比较。注意：重要的是理解能量的比较。相变形核时界面类型也是从能量角度分析。相变形核时界面类型也是从能量角度分析。第23页，本讲稿共50页n单相有无界面？n单晶有无界面？n多晶有无界面？n多相有无界面？n分清：相不同，n相一致但晶体取向不同。第24页，本讲稿共50页惯习面：为降低界面能，新相在母相一定晶面上形成，该晶面称为惯习面，用母相的晶面指数表示。如共析钢中马氏体的主平面恒与奥氏体的225或259面平行新相与母

14、相间的继承性。n二、位向关系为了减小界面能，新旧相的低指数晶向、低指数晶面彼此平行。n新旧相共格（半共格）：必然存在一定晶体学位相关系n新旧相存在位相关系：不一定共格（半共格）n新旧相不存在位相关系：必然不共格（半共格）第25页，本讲稿共50页n位向关系：低指数、原子密度大、匹配较好的晶面、晶向相互平行。norientationrelationshipnAustenite(FCC)n111/110n/n理解FCC、BCC结构的密排面与密排方向。nMartensite(Body-Centredtetragonal)第26页，本讲稿共50页n三、原子的迁移率固态相变：原子迁移率低（10-1210-

15、11cm/s)（液体：10-7cm/s）n四、亚稳过渡相有时并不直接形成稳定的平衡相（减少表面能）国共谈判，朝鲜三八线。不稳亚稳稳定第27页，本讲稿共50页固固态态相相变变阻阻力力大大，直直接接转转变变困困难难，协协调调性性中中间产物（过渡相）间产物（过渡相）Fe3C +(3Fe+C)例例 M +Fe3C第28页，本讲稿共50页五、弹性应变能1、体积应变能、体积应变能：固态相变比容变化体积变化旧相约束新相不能自由胀缩弹性应变能（比容：单位质量的物质所占有的容积称为比容，用符号“V”表示。其数值是密度的倒数。）2、强行匹配达成的弹性应变能Es大小共格 半共格 非共格界面能如何变化？第29页，本讲

16、稿共50页新相形状与应变能的关系新相形状与应变能的关系马氏体转变及其类型，奥氏体转变为马氏体时比容马氏体转变及其类型，奥氏体转变为马氏体时比容变化最大。变化最大。第30页，本讲稿共50页1.2.3 弹性应变能弹性应变能 图图1-4 新相形状与应变能的关系新相形状与应变能的关系由纳巴罗由纳巴罗(Nabarro)计算计算n 非非共共格格相相界界面面的的体体积积（比比容容）应应变变能能（由由于于比比容容不不同同）：球球状状最最大大，针针状次之，盘状最小。状次之，盘状最小。n 两两相相界界面面上上不不匹匹配配也也引引起起弹弹性性应应变变能能，共共格格界界面面最最大大，半半共共格格界界面面次次之之，非共

17、格界面最小。非共格界面最小。第31页，本讲稿共50页n六、晶体缺陷的影响晶体内存在不同缺陷：空位、位错、晶界缺陷附近点阵畸变储存畸变能提供形核的额外能量加速转变缺陷对固态相变起促进作用（动力）固态相变阻力：界面能、弹性应变能第32页，本讲稿共50页1-4 固态相变的形核n一、均匀形核驱动力：新旧相自由能差值阻力：界面能、应变能系统自由焓总增值：临界形核功：推导过程。从表达式中理解均匀形核的动力与阻力。n代表晶核中的原子数。第33页，本讲稿共50页n固态下，原子扩散激活能Q较大，相变应变能进一步加大了形核所需功，所以I十分小（与凝固转变相比）n均匀形核一般形核率低，不为固态相变形核的主要形式n固

18、态中存在大量缺陷储存畸变能提供形核能量能促进形核形核率：非均匀形核为固态相变的主要形核方式第34页，本讲稿共50页禅语曰：“善心如水”。n水利万象万物，“善心”备焉。水凭渗透性强而滋润生物；水靠浮力大而可行舟船；水凭流动不息而改善环境，让地球充满生机；水可降温，水可去污；水可驱动机器，水可以发电生能水的作用无数，水之善心无边。n人生处世当如水，善待一切，灵活、善变，不妄求环境适应自己，而善使自己适应环境。人在世上不顺多，当学水之能潜、能涌、能流、能奔、能升能降，适境而生，适境而居。让心永远呈现如“宁静的森林池水”第35页，本讲稿共50页孔子曰：“智者乐音:yo水”。n“智者”的智慧当如水之灵活

19、。若藏于地下则含而不露，若喷涌而上则清而为泉；少则叮咚作乐，多则奔腾豪壮。水处天地之间，或动或静；动则为涧、为溪、为江河；静则为池、为潭、为湖海。水遇不同境地，显各异风采；经沙土则渗流，碰岩石则溅花；遭断崖则下垂为瀑，遇高山则绕道而行。水，可由滴滴雨水雪水而成涓涓细流，而成滔滔江河，而成茫茫海洋。第36页，本讲稿共50页老子曰：“上善若水”。n“道德经”中说：“上善若水。水善利万物而不争，处众人之所恶，故几于道”n通俗地讲：最有力量的人就像水一样，因水能够与万物融合甚至常常妥协，所以不会强硬地跟万物相争，还能处在大家都不注意，不明显，甚至人人都不愿意去的低下地方，所以才能“海纳百川”，这样的人

20、因为像水一样的谦虚，所以行动就会像水，能随形变化以柔克刚地顺应时势，这就是一位可称为“得道而有德”的人了。第37页，本讲稿共50页n“善心”的智慧当“如水”之文化。“流水不腐”莫不是暗示人要想身心健康就得常运动？“饮水思源”；岂不是暗示人们不要忘本？“顺水推舟”是昭示人们要善于顺情吧？“高山流水”是知音，“行云流水”为妙境。让我们“如鱼得水”。领略人生的“山青水秀”，“行到水穷处，坐看云起时。”第38页，本讲稿共50页1.3 固态相变的形核固态相变的形核均匀形核均匀形核与凝固过程相比，增加了一项应变能与凝固过程相比，增加了一项应变能G=-V Gv+S+V其中其中Gv-新旧相新旧相间单位体位体积

21、自由能差自由能差 -单位面积界面能单位面积界面能 -单位体积应变能单位体积应变能相变驱动力：相变驱动力：-V Gv，新旧相间自由能差新旧相间自由能差相变阻力：相变阻力：S+V，界面能界面能+应变能应变能学生推导公式的由来。学生推导公式的由来。第39页，本讲稿共50页设形成的新相晶核为设形成的新相晶核为球形球形对于对于 r 求导：求导：图图1-5 球形晶核的自由能变化球形晶核的自由能变化可得临界晶核尺寸：可得临界晶核尺寸：形成临界晶核的形核功形成临界晶核的形核功形核功形核功：晶核长大到：晶核长大到 r*所需克服的能垒，或所做的功所需克服的能垒，或所做的功注意：几个起伏的概念，注意：几个起伏的概念

22、，能量起伏、结构起伏、成分起伏能量起伏、结构起伏、成分起伏。第40页，本讲稿共50页二、非均匀形核非均匀形核晶体缺陷储存的能量可使形核功降低，促进形核晶体缺陷储存的能量可使形核功降低，促进形核G=-V Gv+S+V-Gd-Gd-由于由于晶体缺陷消失所降低的能量晶体缺陷消失所降低的能量晶体缺陷：空位、位错、晶界晶体缺陷：空位、位错、晶界（1）空位）空位n 空位通过促进溶质原子扩散或利用本身能量提供形空位通过促进溶质原子扩散或利用本身能量提供形核驱动力而促进形核核驱动力而促进形核n 空位团可凝聚成位错而促进形核空位团可凝聚成位错而促进形核第41页，本讲稿共50页（2）位错）位错n 位错从三方面促进

23、形核：位错从三方面促进形核：围绕位错形核后，位错消失，释放出畸变能。围绕位错形核后，位错消失，释放出畸变能。对于半共格晶核，原有的位错成为界面位错，补对于半共格晶核，原有的位错成为界面位错，补偿了错配，降低了形核功。偿了错配，降低了形核功。溶质原子常在位错线上偏聚，容易满足新相成分溶质原子常在位错线上偏聚，容易满足新相成分上的要求。上的要求。第42页，本讲稿共50页（3）晶界）晶界n 大大角角晶晶界界具具有有较较高高的的界界面面能能，在在晶晶界界上上形形核核可可利利用用晶晶界界能量，使形核功降低。能量，使形核功降低。n 有三种位置：有三种位置：a)晶界面晶界面 b)棱边棱边 c)隅角隅角图图1

24、-6 晶界形核时三种位置晶界形核时三种位置第43页，本讲稿共50页影响优先形核位置的因素n从能量障碍分析界隅界棱界面n从过冷度T影响分析TGvG*nTGvG*所有位置均无障碍，从贡献的角度看，界面界棱界隅（晶界多）nTGvG*先界隅、次界棱，后界面第44页，本讲稿共50页1-5 晶核的长大n一、长大过程n传质过程：满足成分条件n界面过程：满足结构条件（协同型长大、非协同型长大）n二、界面长大的控制因素n成分不变协同型长大长大速度快n成分不变非协同型长大取决于界面过程n成分改变协同型长大取决于传质过程n成分改变非协同型长大取决于两者第45页，本讲稿共50页n长大机制长大机制n 半共格界面的迁移半

25、共格界面的迁移n半共格界面上存在位错列半共格界面上存在位错列n要随界面移动，位错要攀移（困难）要随界面移动，位错要攀移（困难）n台阶侧向移动，位错可滑移（容易）台阶侧向移动，位错可滑移（容易）第46页，本讲稿共50页图图 1-7 台阶长大机制台阶长大机制第47页，本讲稿共50页n协同型长大机制协同型长大机制n 无扩散型相变，原子通过切变方式协同运无扩散型相变，原子通过切变方式协同运动，相邻原子的相对位置不变动，相邻原子的相对位置不变n 如马氏体相变，会发生外形变化，出现表如马氏体相变，会发生外形变化，出现表面浮凸面浮凸n 新相和母相间有一定的位向关系新相和母相间有一定的位向关系第48页，本讲稿共50页图图1-8马氏体相变表面浮凸马氏体相变表面浮凸第49页，本讲稿共50页思考题n1、P、S、T代表什么含义，其组成相是什么？性能是否相同？n2、什么是相，什么是组织，举例说明n3、平衡脱溶和不平衡脱溶的区别n4、第50页，本讲稿共50页