固態(tài)相變緒論

固態(tài)相變

授課人：沈冬冬聯(lián)系方式：教六樓6359室

1教學目的

本課程主要講解材料中固態(tài)相變的驅動力、阻力、形核、長大的基礎理論，在此基礎上對各種類型的相變進行分析和討論，主要目的是通過本課程的學習，使學生對各種材料的相變行為有比較系統(tǒng)的認識，并能將相變的基本理論和實際問題有機地聯(lián)系起來，為新材料及材料加工新技術的研究與開發(fā)提供理論依據(jù)。使學生在今后的研究工作中具有較好的理論基礎和較強的分析問題和解決問題的能力。2教學基本要求掌握固態(tài)原子擴散的宏觀規(guī)律及擴散驅動力等基本知識；對于固態(tài)相變中的一般性問題，包括固態(tài)相變的形核、長大、粗化的熱力學和動力學的基本理論，要求掌握；對于具體相變，包括擴散型相變(如脫溶析出、珠光體轉變、塊狀轉變等)及非擴散型相變(馬氏體相變)的基本特征等基本問題，要求深入了解、認識；對于當前爭論頗多、尚不完善的馬氏體、貝氏體相變機理，要做基本了解。

3教材與參考書教材：劉宗昌、任慧平、宋義全編著，《金屬固態(tài)相變教程》，冶金工業(yè)出版社，2003參考書：1.戚正風主編，《固態(tài)金屬中的擴散與相變》，機械工業(yè)出版社，19982.陳景榕、李承基編著,《金屬與合金中的固態(tài)相變》,冶金工業(yè)出版社，19973.D.A.波特、K.E.伊斯特林著，李長海、余永寧譯，《金屬和合金中的相變》，冶金工業(yè)出版社，1988

4教學內(nèi)容緒論第一章擴散理論（簡單復習）第二章固態(tài)相變基本規(guī)律第三章脫溶與時效第四章珠光體轉變第五章馬氏體轉變第六章貝氏體轉變5緒論

INTRODUCTION

金屬材料的價值在于其使用性能的好壞。材料性能除了直接與材料的成分有關外，還與材料的組織和結構有關。對于成分一定的金屬材料而言，可以通過相的轉變使其組織和結構發(fā)生變化從而使性能得到改善。6一、什么是相及相變？

相是成分相同、結構相同、有界面同其他部分分隔的物質均勻組成部分；7

珠光體形貌像光鏡下形貌電鏡下形貌FFe3C相的概念8F晶體結構Fe3C晶體結構9相變相變是當外界約束（溫度或壓強）作連續(xù)變化時，在特定條件（溫度或壓強達到某定值）下，物相所發(fā)生質突變。10奧氏體的形成FFe3C未溶Fe3CA殘余Fe3CAAAA形核A長大殘余Fe3C溶解A均勻化11二、物相的突變體現(xiàn)在那些方面？（1）從一種結構變化為另一種結構，例如：液相——固相；固相中不同晶體結構之間的轉變12奧氏體（A）鐵素體（F）13（2）化學成分的不連續(xù)變化：例如固溶體的脫溶分解（3）某種物理性質的躍變：金屬——非金屬轉變；順磁體——鐵磁體轉變14三、相變解決什么問題？（1）相變?yōu)楹螘l(fā)生？（熱力學、動力學問題）（2）相變是如何進行的？（相變機理——與擴散、切變、位錯等相關的理論）15四、相變科學研究的發(fā)展關于相變科學研究開始于十九世紀的后半期。1、金屬學家利用金相顯微術對鋼鐵材料熱處理中相變前后的各種顯微組織（奧氏體、馬氏體、珠光體）進行組織鑒定，初步掌握了鋼鐵中相變的一些經(jīng)驗規(guī)律。162、礦物學家對于石英等多種晶體進行了研究，發(fā)現(xiàn)同種化學成分可以對應不同的結構，而且他們之間有多形性轉變的跡象。17

金剛石C60碳納米管183、1878年吉布斯（J.W.Gibbs）發(fā)表了題為“論復相物質的平衡”的有名論文，對于復相平衡的熱力學規(guī)律進行了全面的闡述，并且以高度的物理洞察力首次提出了有關相變動力學的一些基本概念。如新相的成核，光滑界面生長，勻相轉變的可能性194、上個世紀初，塔曼（G.Tammann)及其合作者進行了相變的實驗研究，在凝固過程中觀察到成核的現(xiàn)象。5、二、三十年代，福爾默（M.Volmer）等建立完備的成核的經(jīng)典理論6、四十年代末，夫蘭克（F.C.Frank）提出界面微觀形貌控制長大的理論，其中螺型位錯露頭處的臺階扮演重要角色。7、三，四十年代中期，邁爾（R.F.Mehl）等建立了擴散控制的新相長大和等溫轉變曲線理論20相變跨越多種學科領域，因而受到物理學家、化學家、金屬學家、陶瓷學家和地質學家的關注。物理金屬學者重點研究的是金屬和合金中一級相變動力學，主要研究方法為光學和電子顯微術和X射線與電子衍射。21常用措施熱處理

－加熱：溫度、速度，保溫時間－冷卻：速度、方式

--環(huán)境：磁場、電場、力場原理：解決有哪些相變，相變條件、機理、特征工藝：解決如何實現(xiàn)這些相變從而達到預期的性能22掌握金屬材料固態(tài)相變的規(guī)律，就可以采取措施（如特定的加熱和冷卻工藝）控制相變過程以獲得所預期的組織和性能，從而使之具有所預期的性能，最大限度地發(fā)揮現(xiàn)有金屬材料的潛力，并可以根據(jù)性能要求開發(fā)出新型材料。五、23相圖表示了材料的成分、溫度與最終平衡相之間的關系。

成分的變化決定了材料中組成相及其相對數(shù)量。組織取決于材料的組成相，不同的組成相對應的組織自然不相同，決定材料組織的還有這些組成相的數(shù)量、形狀、大小和分布。

六、材料的組織與力學性能的關系24構成材料中的組成相的類型有：固溶體化合物純金屬為基體化合物為基體25固溶體類型ZXY間隙原子間隙固溶體置換固溶體置換原子YXZ26金屬化合物化合物類型合金組元形成晶格類型與任一組元都不相同的新相正常價化合物——按化合價規(guī)律形成，如，Mg2Si間隙化合物——過渡金屬+小半徑非金屬元素電子化合物——按電子濃度規(guī)律形成，如，Cu3Al{間隙相r非/r金0.59，如，WC、TiC、VC復雜結構的間隙化合物r非/r金0.59如，F(xiàn)e3C、Cr23C6間隙化合物熔點高、硬度高，脆性大。27材料的組織與力學性能的關系

應用材料首先要達到必需的強度(硬度)，同時也要考慮相應的塑性。以下總結提高材料強度若干途徑所應用的原理。提高材料的強度本質上是增加材料發(fā)生塑性變形的阻力。（塑性變形方式及滑移的本質？）

28（1）固溶強化：溶質原子進入溶劑的晶格中，無論是處在晶格的間隙，還是處在晶格節(jié)點的異類原子，都會造成一定的晶格畸變。利用溶質原子造成的晶格畸變，提高強度和硬度。

材料的組織與力學性能的關系29晶格畸變小原子置換引起的晶格畸變間隙原子引起的晶格畸變30α-Fe與γ-Fe的置換固溶和C、N在γ-Fe正八面體的間隙固溶造成點陣對稱畸變—均勻強化。間隙溶質原子的應力場具有正應力分量，故與刃位錯產(chǎn)生交互作用；與位錯及其它晶體缺陷作用造成Cottrell氣團等—非均勻強化。固溶強化：311、多晶體金屬的晶粒通常是以大角度晶界相間界的，相鄰的晶粒具有不同的晶體取向。當受拉力而產(chǎn)生塑性變形時，在Schmid（cosλcosφ）因子大的晶粒內(nèi)位錯源先開動，并沿一定晶面產(chǎn)生滑移和增殖。由于相鄰晶粒的晶體取向不相同，以及晶界包含位錯和異類原子，且具有一定的厚度，滑移到晶界前的位錯便被晶界阻擋。故，一個晶粒的塑性變形就無法直接傳播到相鄰的晶粒中去只要進一步增加外力，使得鄰近晶粒的位錯啟動。（2）細晶強化材料的組織與力學性能的關系

32表示屈服強度與晶粒尺寸關系的hell－path公式：33晶界處位錯34晶粒度等級35材料的組織與力學性能的關系（3）第二相硬質點強化

第二相硬質點是指那些在韌性材料中存在的不易發(fā)生塑性變形的化合物，它們一般幾乎不能發(fā)生塑性變形，在大的應力下將脆性斷裂。在外力作用下，運動位錯遇到第二相硬質點時的運動方式有兩種，切割或繞過，都會增加運動阻力，可以提高材料的強度。

3637（4）位錯強化位錯強化也是金屬材料中最有效地強化方式之一。金屬材料流變應力以及屈服強度與位錯密度ρ之間的關系為：式中α為比例系數(shù)。大量的研究工作指出立方金屬多晶體α＝0.5。38加工硬化或形變強化金屬塑性變形以后，流變應力隨變形程度的增加而增加，要繼續(xù)變形只有不斷增加外力，這種現(xiàn)象稱加工硬化或形變強化。產(chǎn)生強化的原因：（1）位錯的交割及增殖3