第一章金屬固態(tài)相變概論

金屬固態(tài)相變原理

Principleofsolid-statephase

transformationofmetals

授課教師：

緒論一、本課程研究的對(duì)象及任務(wù)1、研究金屬在固態(tài)下相變（加熱，保溫，冷卻時(shí)的相變）的基本規(guī)律（原理）及相變產(chǎn)物的組織形態(tài)與性能間的關(guān)系。2、本課程研究的線索

成分→熱處理→組織形態(tài)→性能→應(yīng)用3、任務(wù)⑴正確選材和合理制定熱處理工藝⑵重視理論研究，初步掌握材料相變的基本規(guī)律⑶初步掌握組織與性能的關(guān)系⑷培養(yǎng)初步的科研能力二、本課程的基本內(nèi)容

熱處理相變研究:奧氏體相變、珠光體相變、馬氏體相變、貝氏體相變、回火相變、脫溶沉淀與時(shí)效TTT、CCT圖研究三、熱處理是古老的技術(shù)又是尖端的技術(shù)制陶----人類自覺進(jìn)行熱處理的最早事例銅及其合金的中間退火----人類金屬熱處理的開端甘肅永靖秦魏家遺址出土約公元前1700年的青銅椎分析：基體組織－－再結(jié)晶固溶體，晶粒粗大，共析組織沿加工方向變形再結(jié)晶退火隕石加工中的退火----人類最早的鋼鐵熱處理退火在自然金加工中的應(yīng)用----金箔西漢時(shí)司馬遷所鑄的《史記·天官書》中就有“水與火合為（火卒）東漢班固所著《漢書王褒傳》中有“…….巧冶干將之樸，清水（火卒）其鋒”戰(zhàn)國中晚期出土的鋼鐵兵器是目前我國看到的最早淬火器件（1974年在河北易縣燕下都出土）。從遼陽三道壕出土的西漢鋼劍，經(jīng)金相檢查，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部組織完全符合現(xiàn)代的淬火馬氏體組織；從河北滿城出土的西漢佩劍及書刀，檢驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)其心部為低碳鋼，表層為明顯的高碳層。表明早在二千年前，我國已采用了淬火工藝和滲碳工藝。古代鑄鐵柔化處理技術(shù)：早在春秋（公元前770～前476年），戰(zhàn)國（公元前475～前221年）時(shí)代，用生鐵鑄造生產(chǎn)工具和生活工具。這些鐵器一般是白口鑄鐵，性硬而脆。故進(jìn)行柔化處理。蒲元三國時(shí)蜀國人，長于淬鋼。所制造的刀特別鋒利。傳說可將裝滿鐵珠的竹筒砍斷，故曰神刀。蒲元提出：用漢江之水淬火不行，必須用蜀江之水（“漢中的水鈍弱，不任淬；蜀水爽烈”）。三點(diǎn)：１）蜀地冶煉業(yè)的發(fā)達(dá)；２）前人制刀技巧和經(jīng)驗(yàn)的繼承；３）高超的熱處理技術(shù)－－淬火工藝綦毋懷文南北朝著名冶金家，曾用熔態(tài)的生鐵灌注到未經(jīng)鍛打的熟鐵中，使鐵滲碳而成鋼；并以熟鐵為刀背，使刀富于彈性和韌性；用牲畜的溺和脂來浴淬，使刀鋒剛利，稱為“宿鐵刀”。－－灌鋼法塊煉法－塊煉滲碳鋼－百煉鋼－炒鋼－灌鋼淬火介質(zhì)的選用－－雙液淬火法《天工開物》－－宋應(yīng)星18卷：乃粒（五谷）、乃服（紡織）、彰施（染色）、粹精（糧食加工）、作咸（制鹽）、甘嗜（制糖）、陶埏（陶瓷）、冶鑄（鑄造）、舟車（車船）、錘鍛（鍛造）、燔石（燒造）、膏液（油脂）、殺青（造紙）、五金（冶金）、佳兵（兵器）、丹青（朱墨）、曲蘗（制酒）、珠玉等《天工開物》中記載：“凡熟鐵、鋼鐵，已經(jīng)爐錘，水火未濟(jì)，其質(zhì)未堅(jiān)。乘其出火之時(shí)，入清水淬之，名曰健鋼健鐵。言乎未健之時(shí)，為鋼為鐵，弱性尤存也。”由此可看出最早的熱處理工藝是在鍛造過程中結(jié)合起來的，很可能就是原始狀態(tài)的形變熱處理。首次記述了今俗稱為“燜鋼法”的箱式滲碳制鋼工藝熱處理的作用和地位熱處理作用：提高和控制材料性能消除或降低各種鑄、鍛、焊等熱加工工藝造成的缺陷、細(xì)化晶粒、消除偏析、降低內(nèi)應(yīng)力。減輕產(chǎn)品重量提高產(chǎn)品可靠性和使用壽命沒有“萬能”的材料，只有“最好”的材料！熱處理是達(dá)到材料使用效能的重要技術(shù)與工藝手段！熱處理與材料強(qiáng)化關(guān)系材料微觀強(qiáng)化機(jī)制：

晶界強(qiáng)化固溶強(qiáng)化位錯(cuò)強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化調(diào)幅分解強(qiáng)化有序強(qiáng)化強(qiáng)化原理----基本途徑----熱處理技術(shù)熱處理區(qū)別于其他加工工藝如鑄造、壓力加工等的特點(diǎn)是只通過改變工件的組織來改變性能，而不改變其形狀。鑄造軋制熱處理的作用和地位國際工業(yè)界公認(rèn)：“熱處理技術(shù)的先進(jìn)程度是保證機(jī)械制造技術(shù)先進(jìn)與否和保證產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)鍵因素?！痹跈C(jī)床制造中約60-70%的零件要經(jīng)過熱處理。在汽車、拖拉機(jī)制造業(yè)中需熱處理的零件達(dá)70-80%。至于模具、滾動(dòng)軸承則要100%經(jīng)過熱處理。熱處理的作用和地位熱處理的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢熱處理可以決定產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量熱處理技術(shù)是通過控制材料原子的排列方式來控制材料的使用性能高科技提高了熱處理的內(nèi)涵：激光熱處理電子束熱處理等離子熱處理真空熱處理形變熱處理化學(xué)熱處理美國熱處理技術(shù)發(fā)展線路圖美國熱處理技術(shù)發(fā)展線路圖遠(yuǎn)景目標(biāo)：減少能源消耗80%縮短工藝周期50%降低生產(chǎn)成本75%實(shí)現(xiàn)熱處理件零畸變實(shí)現(xiàn)熱處理件質(zhì)量零分散度（相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)）提高熱處理爐壽命10倍降低熱處理爐價(jià)格50%實(shí)現(xiàn)熱處理生產(chǎn)零排放四、主要參考資料劉云旭，《金屬熱處理原理》，機(jī)械工業(yè)出版社劉永銓，《鋼的熱處理》，冶金工業(yè)出版社戚正風(fēng)，《金屬熱處理原理》，機(jī)械工業(yè)出版社趙連城，《金屬熱處理原理》，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社G.克勞斯著，謝希文等譯，《鋼的熱處理原理》，冶金工業(yè)出版社胡光立謝希文《鋼的熱處理（原理和工藝）》，西工大出版社第一章金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)固態(tài)金屬溫度、壓力變化組織、結(jié)構(gòu)改變固態(tài)相變理論是金屬熱處理的理論依據(jù)和實(shí)踐基礎(chǔ)。1.1金屬固態(tài)相變概論1.1.1主要分類一、按熱力學(xué)分類1、一級(jí)相變：相變時(shí)新舊兩相的化學(xué)勢相等，但化學(xué)勢一級(jí)偏微商不等的相變。最常見的相變。2、二級(jí)相變：相變時(shí)新舊兩相的化學(xué)勢相等，化學(xué)勢一級(jí)偏微商也相等，但化學(xué)勢二級(jí)偏微商不等的相變。有序化轉(zhuǎn)變、磁性轉(zhuǎn)變二、按平衡狀態(tài)圖分類分類：平衡轉(zhuǎn)變、不平衡轉(zhuǎn)變1、平衡相變(equilibriumtransformation)固態(tài)金屬----緩慢加熱或冷卻----獲得符合相圖的平衡組織1）同素異構(gòu)（allotropic）轉(zhuǎn)變純金屬：溫度和壓力改變時(shí)----有一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)的過程------Fe、Ti、Co、Sn2）多形性轉(zhuǎn)變固溶體中一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)的過程FA注意這兩者之間的區(qū)別！3）平衡脫溶(precipitation)轉(zhuǎn)變緩慢冷卻----由過飽和固溶體析出過剩相的過程Fe3CⅡ從A中析出特點(diǎn)：新相的成分與結(jié)構(gòu)與母相不同；隨新相析出，母相的成分和體積分?jǐn)?shù)不斷變化，但母相不會(huì)消失。4）共析（eutectoid）轉(zhuǎn)變一個(gè)固相分解為兩個(gè)不同的固相γ→特點(diǎn)：生成的兩個(gè)相的成分和結(jié)構(gòu)與原母相不同共析與逆共析5）調(diào)幅（spinodal)分解一種固溶體分解為結(jié)構(gòu)相同，而成分明顯不同的微區(qū)→12上坡擴(kuò)散富溶質(zhì)原子1與貧溶質(zhì)原子26）有序化轉(zhuǎn)變各組元的相對(duì)位置從無序→有序二、不平衡轉(zhuǎn)變

(non-equilibriumtransformation)快速加熱或冷卻----平衡轉(zhuǎn)變受到抑制----發(fā)生某些在相圖上不能反映的不平衡（亞穩(wěn)）組織1.偽共析(pseudo-eutectoid)轉(zhuǎn)變

由成分偏離共析成分的過冷固溶體形成的貌似共析體的組織轉(zhuǎn)變。組成相的相對(duì)量由A的碳含量而變。2.馬氏體(martensite)轉(zhuǎn)變無擴(kuò)散的共格切變型相變。結(jié)構(gòu)：成分與A相同3.塊狀(massive)轉(zhuǎn)變冷卻速度不夠快-----形成相的形狀是不規(guī)則的塊，與母相的成分相同、與母相的界面是非共格的、無擴(kuò)散相變。4.貝氏體(bainite)轉(zhuǎn)變有碳原子擴(kuò)散而鐵原子不擴(kuò)散的不平衡轉(zhuǎn)變5.不平衡脫溶沉淀(non-equilibriumpricipitation)在不平衡狀態(tài)下，過飽和固溶體中析出新相的轉(zhuǎn)變。（時(shí)效）三、按原子遷移情況分類1、擴(kuò)散型相變：非協(xié)同型轉(zhuǎn)變相變時(shí)，相界面的移動(dòng)是通過原子近程或遠(yuǎn)程擴(kuò)散而進(jìn)行的相變?；咎攸c(diǎn)：①相變過程依賴原子的擴(kuò)散；②新相與母相成分不同；③只有體積變化無宏觀形狀的改變2、非擴(kuò)散型相變：協(xié)同型轉(zhuǎn)變相變過程中原子不發(fā)生擴(kuò)散，參與轉(zhuǎn)變的所有原子的運(yùn)動(dòng)是協(xié)調(diào)一致的相變。特征：①②③④四、按相變方式分類1、有核相變：形核+長大2、無核相變小結(jié)相變過程的實(shí)質(zhì)：1、結(jié)構(gòu)：同素異構(gòu)、多形性、馬氏體、塊狀2、成分：調(diào)幅分解3、有序化程度：有序化轉(zhuǎn)變B、共析、脫溶沉淀1.1.2金屬固態(tài)相變的主要特點(diǎn)相變驅(qū)動(dòng)力：新相與母相間的自由能差形核+長大一、相界面(interphaseboundary)1.共格(coherent)界面兩相在界面上的原子可以一對(duì)一的相互匹配。2.半共格(semi-coherent)界面兩相原子在界面上部分地保持匹配。刃型位錯(cuò)3.非共格(incoherent)界面兩相的原子在界面上不再保持匹配關(guān)系。二、兩相間的晶體學(xué)關(guān)系新相與母相之間往往存在一定的取向關(guān)系慣習(xí)面（habitplane）-----新相往往是在母相一定的晶面族上形成的，這些晶面或晶面族稱之為慣習(xí)面。取向關(guān)系與慣習(xí)面的關(guān)系？三、彈性應(yīng)變能(elasticstrainenergy)界面原子強(qiáng)制匹配共格應(yīng)變能：共格半共格

非共格（0）依次降低比容差應(yīng)變能：新、舊相比容不同體積發(fā)生變化新相與舊相之間必將產(chǎn)生彈性應(yīng)變和應(yīng)力與新相幾何形狀有關(guān)應(yīng)變能=比容應(yīng)變能+共格應(yīng)變能彈性應(yīng)變能與界面能一樣，對(duì)相變起阻礙作用。

（討論）固態(tài)阻力中，應(yīng)變能與界面能以何者為主？界面能：非共格>半共格>共格彈性應(yīng)變能：非共格<半共格<共格新相形狀與彈性應(yīng)變能之間關(guān)系四、過渡相(transitionphase)的形成過渡相（中間亞穩(wěn)相）：指成分或結(jié)構(gòu)，或者成分和結(jié)構(gòu)二者都處于新相與母相之間的一種亞穩(wěn)狀態(tài)的相。過渡相介于新相與母相之間-----減小相變阻力的重要途徑例如：馬氏體回火時(shí)先形成與M基本保持共格的碳化物五、晶體缺陷(crystaldefect)的影響晶體缺陷的存在對(duì)固態(tài)相變起促進(jìn)作用？缺陷-----點(diǎn)陣有畸變-----畸變能釋放-----易于形核六、原子的擴(kuò)散

固態(tài)相變中，成分的改變必須通過組元的擴(kuò)散才能完成，此時(shí)擴(kuò)散成為相變的控制因素，而固態(tài)金屬中原子的擴(kuò)散系，即使在熔點(diǎn)附近也僅為液態(tài)的十萬分之一，所以固態(tài)相變的轉(zhuǎn)變速率很慢，可以有很大的過冷度。隨著溫度降低，過冷度增大，形核率增高，相變驅(qū)動(dòng)力增大，但同時(shí)原子擴(kuò)散系數(shù)降低。這一對(duì)矛盾運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，就有可能使相變后得到的組織變細(xì)。1.2金屬固態(tài)相變熱力學(xué)一、熱力學(xué)條件1、相變驅(qū)動(dòng)力γ→α轉(zhuǎn)變，只有在T＜T0時(shí)才能夠進(jìn)行，即過冷。（問題，α→γ相變在何條件下方可進(jìn)行？）GT℃T0GαGγGγ→α>0Gγ→α<0αγ∵Gγ→α=Gα-Gγ

＜0過熱二、相變勢壘要使γ向α轉(zhuǎn)變能夠進(jìn)行還必須越過△g的勢壘

因此相變條件：

△G＜0克服△g的勢壘（能量起伏)G狀態(tài)Ⅰ狀態(tài)ⅡΔgγαGγ→α——原子間的引力二、金屬固態(tài)相變的形核1、均勻形核金屬結(jié)晶均勻形核＞＞形核自由能變化臨界晶核半徑：臨界形核功形核率假設(shè)晶核為球形自由能差界面能應(yīng)變能二、金屬固態(tài)相變的形核2、非均勻形核①界面形核②位錯(cuò)形核③空位形核缺陷提供的相變驅(qū)動(dòng)力固態(tài)相變中均勻形核幾乎不可能，大多為非均勻形核。（1）晶界形核晶界類型：界面、界棱、界隅晶界形核時(shí)的能量變化提供的能量：需要的形核功：界隅形核的最容易，但界隅占的體積分?jǐn)?shù)最小，數(shù)量最多的界面形核的貢獻(xiàn)最大。2、非均勻形核界面<界棱<界隅界隅<界棱<界面<均勻形核

（2）位錯(cuò)形核--促進(jìn)位錯(cuò)線上形核，位錯(cuò)線消失釋放能量，降低形核功。位錯(cuò)線不消失，成為半共格界面中的位錯(cuò)部分，降低形核功。溶質(zhì)原子在位錯(cuò)上偏聚，滿足新相形核的成分起伏。擴(kuò)散的短路通道，↘Q，加速形核。位錯(cuò)分解----擴(kuò)展位錯(cuò)-----層錯(cuò)部分作為新相的核胚2、非均勻形核（3）空位及空位集團(tuán)形核空位及空位集團(tuán)促進(jìn)形核。釋放能量提供成核驅(qū)動(dòng)力凝聚成位錯(cuò)加速擴(kuò)散過程（空位機(jī)制）2、非均勻形核三、金屬固態(tài)相變的晶核長大1、長大機(jī)制

新相晶核的長大，實(shí)質(zhì)是界面向母相方向的遷移。成分變化結(jié)構(gòu)變化——擴(kuò)散——界面過程γαα/γ——界面附近原子調(diào)整位置，