第一章金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)-2013

1、第一章第一章 金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)概述 固態(tài)相變是熱處理的基礎(chǔ)固態(tài)相變是熱處理的基礎(chǔ) 相變相變：構(gòu)成物質(zhì)的原子（分子）的聚合狀態(tài)（相狀態(tài)）發(fā)：構(gòu)成物質(zhì)的原子（分子）的聚合狀態(tài)（相狀態(tài)）發(fā)生變化的過程。生變化的過程。 固態(tài)相變固態(tài)相變：固態(tài)材料在溫度和壓力改變時，其內(nèi)部組織或：固態(tài)材料在溫度和壓力改變時，其內(nèi)部組織或結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，即發(fā)生從一種相狀態(tài)到另一種相狀態(tài)的結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，即發(fā)生從一種相狀態(tài)到另一種相狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變。 母相或舊相：母相或舊相：相變前的相狀態(tài)相變前的相狀態(tài) 新相：新相：相變后的相狀態(tài)相變后的相狀態(tài)1.1固態(tài)相變的分類1.按熱力學分類 一級相變和二級相變一級相變

2、和二級相變（1）一級相變：）一級相變：TTPPPPTT*熵和體積發(fā)生不連續(xù)變化，有相變潛熱和體積改變；熵和體積發(fā)生不連續(xù)變化，有相變潛熱和體積改變；*一級相變包括：凝固、熔化、升華、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變；一級相變包括：凝固、熔化、升華、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變；*幾乎所有伴隨晶體結(jié)構(gòu)改動的金屬固態(tài)相變都是一級相幾乎所有伴隨晶體結(jié)構(gòu)改動的金屬固態(tài)相變都是一級相變。變?；瘜W勢 ：舊相：舊相 ：新相：新相熵體積VP-STTPVVSS化學勢：吉布斯自由能對成分的偏微分（2）二級相變）二級相變：T22T22P22P22TTPPPPTTPPTT*無相變潛熱和體積改變，只有比熱無相變潛熱和體積改變，只有比熱Cp，壓縮系數(shù)，壓縮

3、系數(shù)K，膨，膨脹系數(shù)脹系數(shù) 的不連續(xù)變化。的不連續(xù)變化。*二級相變包括：部分有序轉(zhuǎn)變、磁性轉(zhuǎn)變、超導體轉(zhuǎn)變。二級相變包括：部分有序轉(zhuǎn)變、磁性轉(zhuǎn)變、超導體轉(zhuǎn)變。比熱壓縮系數(shù)膨脹系數(shù)PTPT222. 按平衡狀態(tài)圖分類 平衡相變和非平衡相變平衡相變和非平衡相變 平衡相變平衡相變 緩慢加熱或冷卻時發(fā)生的能獲得符合平衡緩慢加熱或冷卻時發(fā)生的能獲得符合平衡狀態(tài)圖的平衡組織的相變狀態(tài)圖的平衡組織的相變 非平衡相變非平衡相變 加熱或冷卻速度很快，上述平衡相將被抑加熱或冷卻速度很快，上述平衡相將被抑制，固態(tài)材料可能發(fā)生某些平衡狀態(tài)圖上不制，固態(tài)材料可能發(fā)生某些平衡狀態(tài)圖上不能反映的轉(zhuǎn)變并獲得被稱為不平衡或亞穩(wěn)的

4、能反映的轉(zhuǎn)變并獲得被稱為不平衡或亞穩(wěn)的組織組織平衡相變平衡相變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變/多形性轉(zhuǎn)變多形性轉(zhuǎn)變 純金屬在溫度和壓力改變純金屬在溫度和壓力改變時，由一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變時，由一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)的過程為另一種晶體結(jié)構(gòu)的過程稱為稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。 在固溶體中發(fā)生的同素異在固溶體中發(fā)生的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變稱為構(gòu)轉(zhuǎn)變稱為多形性轉(zhuǎn)變多形性轉(zhuǎn)變。鋼中鐵素體奧氏體的轉(zhuǎn)變奧氏體鐵素體的轉(zhuǎn)變平衡相變平衡相變平衡脫溶沉淀平衡脫溶沉淀 在緩慢冷卻條件下，由過在緩慢冷卻條件下，由過飽和固溶體中析出過剩相飽和固溶體中析出過剩相的過程稱為的過程稱為平衡脫溶沉淀平衡脫溶沉淀 特點：母相特點：母相

5、 不消失，隨著不消失，隨著新相新相 析出，母相的成分和析出，母相的成分和體積分數(shù)不斷變化（結(jié)構(gòu)體積分數(shù)不斷變化（結(jié)構(gòu)不變），新相的結(jié)構(gòu)和成不變），新相的結(jié)構(gòu)和成分與舊相不同分與舊相不同平衡相變平衡相變共析相變共析相變 合金在冷卻時由一個固合金在冷卻時由一個固相分解為兩個不同固相相分解為兩個不同固相的轉(zhuǎn)變稱為共析相變的轉(zhuǎn)變稱為共析相變(或珠光體型轉(zhuǎn)變或珠光體型轉(zhuǎn)變) 其兩個生成相的結(jié)構(gòu)和其兩個生成相的結(jié)構(gòu)和成分均與母相不同成分均與母相不同 加熱時也可發(fā)生加熱時也可發(fā)生+ 轉(zhuǎn)變，稱為逆轉(zhuǎn)變，稱為逆共析相變共析相變平衡相變平衡相變調(diào)幅分解調(diào)幅分解 某些合金在高溫下具有均勻單相固溶體，但冷卻到某些合金

6、在高溫下具有均勻單相固溶體，但冷卻到某一溫度范圍時可分解成為與原固溶體結(jié)構(gòu)相同但某一溫度范圍時可分解成為與原固溶體結(jié)構(gòu)相同但成分不同的兩個微區(qū)，這種轉(zhuǎn)變稱為成分不同的兩個微區(qū)，這種轉(zhuǎn)變稱為調(diào)幅分解調(diào)幅分解。特點：一個自發(fā)分解過程；特點：一個自發(fā)分解過程； 通過上坡擴散實現(xiàn)成分變化；通過上坡擴散實現(xiàn)成分變化； 不經(jīng)歷形核階段；不經(jīng)歷形核階段； 不存在明顯的相界面；不存在明顯的相界面； 分解速度快分解速度快平衡相變平衡相變有序化轉(zhuǎn)變有序化轉(zhuǎn)變 固溶體中，各組元原子在晶體點陣中的相對位固溶體中，各組元原子在晶體點陣中的相對位置由無序到有序置由無序到有序(指長程有序指長程有序)的轉(zhuǎn)變稱為有序化的轉(zhuǎn)變稱

7、為有序化轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變。如如Cu-Zn，Cu-Au，Mn-Ni，Ti-Ni等合金。等合金。非平衡相變非平衡相變 （2）非平衡相變非平衡相變 非平衡相變：加熱或冷卻速度很快，非平衡相變：加熱或冷卻速度很快，上述平衡相將被抑制，固態(tài)材料可上述平衡相將被抑制，固態(tài)材料可能發(fā)生某些平衡狀態(tài)圖上不能反映能發(fā)生某些平衡狀態(tài)圖上不能反映的轉(zhuǎn)變并獲得被稱為非平衡或亞穩(wěn)的轉(zhuǎn)變并獲得被稱為非平衡或亞穩(wěn)的組織的組織 偽共析相變偽共析相變： 由成分偏離共析成分的過冷固溶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)變體形成的貌似共析體的組織轉(zhuǎn)變 組成相的相對量由組成相的相對量由A的碳含量而的碳含量而變。變。非平衡

8、相變非平衡相變 馬氏體相變馬氏體相變 進一步提高冷卻速度，使進一步提高冷卻速度，使偽共析相變也來不及進行偽共析相變也來不及進行而將奧氏體過冷到更低溫而將奧氏體過冷到更低溫度，則由于在低溫下鐵原度，則由于在低溫下鐵原子和碳原子都己不能或不子和碳原子都己不能或不易擴散，故奧氏體只能以易擴散，故奧氏體只能以不發(fā)生原子擴散、不引起不發(fā)生原子擴散、不引起成分改變的方式，通過切成分改變的方式，通過切變由變由 點陣改組為點陣改組為點陣，點陣，這種轉(zhuǎn)變稱為馬氏體相變這種轉(zhuǎn)變稱為馬氏體相變Fe-C合金合金非平衡相變非平衡相變 貝氏體相變貝氏體相變 當奧氏體被冷卻至珠光體轉(zhuǎn)變和馬氏體相變之間的溫度范圍時，由于溫度

9、較低，鐵原子已不能擴散，但碳原子尚具有一定的擴散能力，因此出現(xiàn)了一種獨特的碳原子擴散而鐵原子不擴散的非平衡相變，這種相變稱為貝氏體相變(或稱為中溫轉(zhuǎn)變)。 其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也是相相與碳化物碳化物的混合物，但相相的碳含量和形態(tài)的碳含量和形態(tài)以及碳化物的形態(tài)和分布碳化物的形態(tài)和分布均與珠光體不同，稱其為貝氏體貝氏體。非平衡相變非平衡相變非平衡脫溶沉淀非平衡脫溶沉淀 若b成分的合金自T1溫度快冷時，相在冷卻過程中來不及析出，則冷到室溫時便得到過飽和的固溶體。 若在室溫或低于固溶度曲線MN的某一溫度下溶質(zhì)原子尚具有一定的擴散能力，則在上述溫度等溫時，過飽和固溶體仍可能發(fā)生分解，逐漸析出新相。但在析出的初期階

10、段，新相的成分和結(jié)構(gòu)均與平衡脫溶沉淀相有所不同，這一過程稱為非平衡脫溶沉淀(或時效)。3. 按原子遷移特征分類相變時原子遷移特征相變時原子遷移特征擴散型相變擴散型相變非擴散型相變非擴散型相變3. 按原子遷移特征分類（1）擴散型相變）擴散型相變u相變時，相界面的移動是通過原子近程或遠程擴散而進行的相變。相變時，相界面的移動是通過原子近程或遠程擴散而進行的相變。 如：脫溶型相變、共析型相變?nèi)纾好撊苄拖嘧?、共析型相? (珠光體型轉(zhuǎn)變）、調(diào)幅分解和有序珠光體型轉(zhuǎn)變）、調(diào)幅分解和有序化轉(zhuǎn)變等等?；D(zhuǎn)變等等。u特點：特點：（1 1）有原子擴散運動，相變速率受原子擴散速度所控制；）有原子擴散運動，相變速率

11、受原子擴散速度所控制；（2 2）新相和母相的成分往往不同；）新相和母相的成分往往不同；（3 3）只有因新相和母相比容不同而引起的體積變化，沒有宏觀形狀）只有因新相和母相比容不同而引起的體積變化，沒有宏觀形狀改變改變。3. 按原子遷移特征分類(2)(2)非擴散型相變非擴散型相變u相變過程中原子不發(fā)生擴散，參與轉(zhuǎn)變的所有原子的運動是協(xié)調(diào)一致相變過程中原子不發(fā)生擴散，參與轉(zhuǎn)變的所有原子的運動是協(xié)調(diào)一致的相變稱為的相變稱為非擴散型相變非擴散型相變，也稱為，也稱為“協(xié)同型協(xié)同型”轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變。非擴散型相變時。非擴散型相變時原子僅作有規(guī)則的遷移以使點陣發(fā)生改組。遷移時，相鄰原子相對移原子僅作有規(guī)則的遷移以使點

12、陣發(fā)生改組。遷移時，相鄰原子相對移動距離不超過一個原子間距，相鄰原子的相對位置保持不變。動距離不超過一個原子間距，相鄰原子的相對位置保持不變。 如：馬氏體相變?nèi)纾厚R氏體相變u特點：特點：（1 1）存在由于均勻切變引起的）存在由于均勻切變引起的宏觀形狀改變宏觀形狀改變，可在預先制備的拋光試樣，可在預先制備的拋光試樣表面上出現(xiàn)浮突現(xiàn)象。表面上出現(xiàn)浮突現(xiàn)象。（2 2）相變不需要通過擴散，）相變不需要通過擴散，新相和母相的化學成分相同新相和母相的化學成分相同。（3 3）新相和母相之間存在一定的）新相和母相之間存在一定的晶體學位向關(guān)系晶體學位向關(guān)系。（4 4）某些材料發(fā)生非擴散相變時，）某些材料發(fā)生非擴

13、散相變時，相界面移動速度極快相界面移動速度極快，可接近聲速。，可接近聲速。4. 按相變方式分類有核相變有核相變：通過形核形核- -長大方式長大方式進行的。 新相晶核可以在母相中均勻形核，或在母相中某些有利部位優(yōu)先形成（非均勻形核）。大部分的固態(tài)相變均屬于有核相變。無核相變無核相變：相變時沒有形核階段,以固溶體中的成分起伏為開端，通過成分起伏形成高濃度區(qū)和低濃度區(qū)，但兩者之間沒有明顯的界限，成分由高濃度區(qū)連續(xù)過渡到低濃度區(qū)。以后依靠上坡擴散使?jié)舛炔钪饾u增大，最后導致由一個單相固溶體分解成為成分不同而點陣結(jié)構(gòu)相同的以共格界面相聯(lián)系的兩個相。如調(diào)幅分解。（珠光體轉(zhuǎn)變）（珠光體轉(zhuǎn)變）小 結(jié)小 結(jié)相變過

14、程的實質(zhì)相變過程的實質(zhì)：1 1、結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：同素異構(gòu)、多形性、馬氏體：同素異構(gòu)、多形性、馬氏體2 2、成分成分：調(diào)幅分解：調(diào)幅分解3 3、有序化程度有序化程度：有序化轉(zhuǎn)變：有序化轉(zhuǎn)變相變：一種、兩種或兩種以上的變化相變：一種、兩種或兩種以上的變化結(jié)構(gòu)和成分結(jié)構(gòu)和成分：貝氏體轉(zhuǎn)變、共析、脫溶沉淀：貝氏體轉(zhuǎn)變、共析、脫溶沉淀小 結(jié)同一種材料在不同條件下可發(fā)生不同的相變，同一種材料在不同條件下可發(fā)生不同的相變，從而獲得不同的組織和性能。從而獲得不同的組織和性能。共析碳鋼共析碳鋼 平衡轉(zhuǎn)變平衡轉(zhuǎn)變: :珠光體組織，硬度約為珠光體組織，硬度約為HRC23HRC23； 快速冷卻快速冷卻: :馬氏體組織，硬度

15、達馬氏體組織，硬度達HRC60HRC60以上。以上。1.2 固態(tài)相變的主要特點概 述 形核形核+ +長大（大多數(shù)）長大（大多數(shù)） 相變驅(qū)動力：新相與母相間的自由能差相變驅(qū)動力：新相與母相間的自由能差 主要特點：（固態(tài)相變與金屬液態(tài)結(jié)晶過程）主要特點：（固態(tài)相變與金屬液態(tài)結(jié)晶過程）（1 1）相界面）相界面（2 2）位向關(guān)系與慣習面）位向關(guān)系與慣習面（3 3）彈性應變能）彈性應變能（4 4）晶體缺陷）晶體缺陷（5 5）形成過渡相）形成過渡相（6 6）原子的遷移率）原子的遷移率1. 相界面 新舊相在晶體學上匹配程度：新舊相在晶體學上匹配程度：共格界面共格界面半共格界面半共格界面非共格界面非共格界面

16、1. 相界面(1) (1) 共格共格(coherent)(coherent)界面界面 兩相在界面上的原子可以一對一的相兩相在界面上的原子可以一對一的相互匹配?；テヅ?。 在理想的共格界面條件下（如孿在理想的共格界面條件下（如孿晶界），其彈性應變能和界面能都接晶界），其彈性應變能和界面能都接近于零。近于零。 實際上，兩相點陣總有一定的差實際上，兩相點陣總有一定的差別，或者點陣類型不同，或者點陣參別，或者點陣類型不同，或者點陣參數(shù)不同，因此兩相界面完全共格時，數(shù)不同，因此兩相界面完全共格時，相界面附近必將產(chǎn)生相界面附近必將產(chǎn)生彈性應變彈性應變。第一類共格和第二類共格 u兩相之間的共格關(guān)系依靠正應變來

17、維持時，兩相之間的共格關(guān)系依靠正應變來維持時，稱為第一類共格稱為第一類共格（圖（圖a a）。）。u兩相之間的共格關(guān)系以切應變來維持時，兩相之間的共格關(guān)系以切應變來維持時，稱為第二類共格稱為第二類共格（圖（圖b b）。）。晶面彎曲共格界面的特點共格界面的特點 一般來說，共格界面的特點是界面能較小界面能較小，但因界面附近有畸變，所以彈性應變能較大彈性應變能較大。共格界面必須依靠彈性畸變來維持，當新相不斷長大而使共格界面的彈性應變能增大到一定程度時，可能超過母相的屈服極限而產(chǎn)生塑性變形，使共格關(guān)系遭到破壞。 界面能界面能：界面處原子排列混亂而使系統(tǒng)升高的能量彈性應變能彈性應變能：固體在外力作用下，因

18、變形而儲存能量稱為變形能或應變能。錯配度錯配度 若以a 和a 分別表示兩相沿平行于界面的晶向上的原子間距，在此方向上的兩相原子間距之差以a=|a-a|表示，則錯配度為: ，彈性應變NoImageNoImage共格界面上的彈性應變?nèi)」哺窠缑嫔系膹椥詰內(nèi)Q于錯配度決于錯配度(2)半共格界面半共格界面 當錯配度增大到一定程度時，便難以繼續(xù)維持完全的共格關(guān)系，于是在界面上將產(chǎn)生一些刃型位錯，以補償原子間距差別過大的影響，使界面彈性應變能降低。此時，界面上的兩相原子變成部分保持匹配，故稱為半共格（或部分共格）界面。 aD (3)非共格界面非共格界面 當兩相界面處的原子排列差異很大，即錯配度很大時，兩相

19、原子之間的匹配關(guān)系便不再維持，這種界面稱為非共格界面。非共格界面結(jié)構(gòu)與大角晶界相似，系由原子不規(guī)則排列的很薄的過渡層所構(gòu)成。NoImage錯配度與界面的關(guān)系錯配度與界面的關(guān)系 一般認為：一般認為：(1)(1) 0.050.05時兩相可以構(gòu)成完全的時兩相可以構(gòu)成完全的共格界面共格界面(2) (2) 0.05 0.05 0.25 0.250.25時易形成時易形成非共格界面非共格界面新相與母相之間往往存在一定的取向關(guān)系。新相與母相之間往往存在一定的取向關(guān)系。慣習面慣習面：新相往往是在母相一定的晶面族上形成的，：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面。這些晶面或晶面族稱之為

20、慣習面。例如，鋼中發(fā)生由奧氏體（例如，鋼中發(fā)生由奧氏體（ ）到馬氏體（）到馬氏體（ ）的）的轉(zhuǎn)變時轉(zhuǎn)變時慣習面：慣習面：111111 、225 225 、259 259 （與（與C C，T T有關(guān)）有關(guān)）K-SK-S關(guān)系：關(guān)系：111111 110 110 2. 位向關(guān)系與慣習面一般來說，當新相與母相之間為一般來說，當新相與母相之間為共格或半共格共格或半共格界面界面時必然存在一定的位向關(guān)系時必然存在一定的位向關(guān)系;若無一定的位向關(guān)系，則兩相界面必定為非共若無一定的位向關(guān)系，則兩相界面必定為非共格界面。格界面。但反過來，有時兩相之間雖然存在一定的位向但反過來，有時兩相之間雖然存在一定的位向關(guān)系，

21、但也未必都具有共格或半共格界面，這關(guān)系，但也未必都具有共格或半共格界面，這可能是在新相長大過程中其界面的共格或半共可能是在新相長大過程中其界面的共格或半共格性已遭破壞所致。格性已遭破壞所致。 2. 位向關(guān)系與慣習面3. 彈性應變能 固態(tài)相變時，因新相和母相的比容不同可能固態(tài)相變時，因新相和母相的比容不同可能發(fā)生體積變化。但由于受到周圍母相的約束，新發(fā)生體積變化。但由于受到周圍母相的約束，新相不能自由脹縮，新相與周圍母相之間必將產(chǎn)生相不能自由脹縮，新相與周圍母相之間必將產(chǎn)生彈性應變和應力，使系統(tǒng)額外增加了一項彈性應變和應力，使系統(tǒng)額外增加了一項彈性應彈性應變能變能。比容比容：單位質(zhì)量的物質(zhì)所占有

22、的容積彈性應變能彈性應變能 = = 比容差產(chǎn)生應變能比容差產(chǎn)生應變能 + + 共格應變能共格應變能界面原子強制匹配界面原子強制匹配共格應變能：共格應變能： 共格共格半共格半共格 非共格非共格 依次降低依次降低比容差應變能比容差應變能：與比容差、彈性模量、新相幾何形狀有關(guān)：與比容差、彈性模量、新相幾何形狀有關(guān)3. 彈性應變能新相形狀與相對應變能的關(guān)系新相形狀與相對應變能的關(guān)系 新相：圓盤（片）新相：圓盤（片） ca 應變能居中應變能居中 球狀球狀 c=a 應變能最大應變能最大 NoImage 相變阻力：彈性應變能、界面能相變阻力：彈性應變能、界面能 界面類型界面類型對界面能和彈性應變能的影響是不

23、同的對界面能和彈性應變能的影響是不同的 共格界面：可以降低界面能，但使彈性應變能增大。共格界面：可以降低界面能，但使彈性應變能增大。 非共格界面：非共格界面：盤（片）狀新相的彈性應變能最低，但界面能較高；盤（片）狀新相的彈性應變能最低，但界面能較高；球狀新相的彈性應變能卻最大，但界面能最低。球狀新相的彈性應變能卻最大，但界面能最低。 3. 彈性應變能3. 彈性應變能固態(tài)相變時，應變能與界面能何為主導作用？固態(tài)相變時，應變能與界面能何為主導作用？TT大大、新相臨界晶核、新相臨界晶核r rk k、單位體積新相的表面積、單位體積新相的表面積SS界面能界面能（居主要地位）（居主要地位）兩相傾向形成共格

24、或半共格界面兩相傾向形成共格或半共格界面界面能界面能（前提：（前提：使界面能的降低足以超過由于形成共格或半共格界面所引起的應變能使界面能的降低足以超過由于形成共格或半共格界面所引起的應變能）TT小小新相臨界晶核新相臨界晶核r rk k單位體積新相的表面積單位體積新相的表面積SS界面能界面能（居次要地位）（居次要地位）傾向形成非共格界面傾向形成非共格界面 比容差較小比容差較小 彈性應變（非主導）彈性應變（非主導） 形成球狀形成球狀 界面能界面能 比容差較大比容差較大 彈性應變（主導）彈性應變（主導） 形成盤狀（彈性應變能形成盤狀（彈性應變能 ）4. 過渡相的形成過渡相的形成過渡相（中間亞穩(wěn)相）：

25、指成分或結(jié)構(gòu)，或者成分和過渡相（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。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過渡相介于新相與母相之間-減小相變阻力的重減小相變阻力的重要途徑要途徑 例如：馬氏體（例如：馬氏體（M M）回火時先形成與）回火時先形成與M M基本保持基本保持共格共格的的 碳化物碳化物，最后形成更穩(wěn)定，最后形成更穩(wěn)定非共格非共格的的滲碳體滲碳體。母相過渡相新相自由能高自由能高自由能低自由能低自由能最低自由能最低界面能小界面能小共格界面共格界面/半共格界面半共格界面晶體結(jié)構(gòu)或成分相近晶體結(jié)構(gòu)或成分相近自由能

26、稍低，亞穩(wěn)自由能稍低，亞穩(wěn)非共格界面晶體結(jié)構(gòu)差異大Xrc小, S大，界面能高，界面能對形核的阻礙大；非共格界面的界面能、形核功大，相變不易發(fā)生。5. 晶體缺陷的影響晶體缺陷（晶界、亞晶界、位錯及空位等）能量起伏、結(jié)構(gòu)起伏、成分起伏最大原子擴散激活能低、擴散速度快、相變應力容易被松弛晶界：形核功低，易于形核點陣畸變畸變能晶界對形核有催化作用晶界對形核有催化作用5. 晶體缺陷的影響 位錯的催化作用 在位錯上形核時，位錯線消失，位錯中心的畸變能系統(tǒng)自由能；克服了界面能和應變能的阻力，加速了相變 在位錯上形核時， 位錯線不消失，依附在新相界面上，構(gòu)成半共格界面中位錯的一部分，降低系統(tǒng)自由能形核功的大小

27、形核功的大小均勻形核均勻形核空位形核空位形核位錯形核位錯形核晶界形核晶界形核最大最大最小最小非均勻形核非均勻形核6. 原子的擴散擴散是相變的控制因素（擴散型相變）擴散是相變的控制因素（擴散型相變）固態(tài)中原子的擴散速度遠遠低于液體原子，所以，原子擴散速度固態(tài)中原子的擴散速度遠遠低于液體原子，所以，原子擴散速度對固態(tài)相變影響很大。對固態(tài)相變影響很大。隨著過冷度的增大，相變驅(qū)動力增大，相變速度也增大。但是，隨著過冷度的增大，相變驅(qū)動力增大，相變速度也增大。但是，當過冷度增大到一定程度后，由于原子擴散能力下降，相變速度當過冷度增大到一定程度后，由于原子擴散能力下降，相變速度反而隨過冷度增大而減慢。若進

28、一步增大過冷度，也可使擴散型反而隨過冷度增大而減慢。若進一步增大過冷度，也可使擴散型相變被抑制，在低溫下發(fā)生無擴散型相變，形成亞穩(wěn)定的過渡相。相變被抑制，在低溫下發(fā)生無擴散型相變，形成亞穩(wěn)定的過渡相。1.3 金屬固態(tài)相變熱力學相變熱力學：研究相變及相平衡規(guī)律的科學1.相變的熱力學條件(1)相變的驅(qū)動力相變的驅(qū)動力 相的穩(wěn)定性取決于其自由能的高低。 一切系統(tǒng)都有降低自由能以達到穩(wěn)定狀態(tài)的自發(fā)趨勢。 如果具備引起系統(tǒng)自由能降低的條件，系統(tǒng)將自發(fā)地從高能狀態(tài)向低能狀態(tài)轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變稱為自發(fā)轉(zhuǎn)變。 金屬固態(tài)相變是自發(fā)轉(zhuǎn)變 新舊兩相的自由能差且新相自由能較低是舊相新舊兩相的自由能差且新相自由能較低是舊相

29、自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)樾孪嗟尿?qū)動力自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)樾孪嗟尿?qū)動力，這就是所謂的相變熱力學條件。1.相變的熱力學條件(1)相變的驅(qū)動力相變的驅(qū)動力自由能與溫度的關(guān)系理論轉(zhuǎn)變溫度TTG = H - TS T: 過冷過冷/熱度熱度1.相變的熱力學條件 相變：除了相變驅(qū)動力，克服相變勢壘。 相變時改組晶格所必須克服的原子間引力 。 附加能量： （1）熱振動的不均勻性 （2）機械應力 勢壘大小的表示： 激活能QQ，勢壘；T ，Q 自擴散系數(shù)D D ，克服勢壘能力強，相變易于進行固態(tài)相變勢壘示意圖固態(tài)相變勢壘示意圖(2) 相變勢壘相變勢壘激活能：使晶體原子離開平衡位置遷移到另一個新的平衡或非平衡位置所需的能量2.金屬固態(tài)相變

30、的形核 絕大多數(shù)固態(tài)相變（除調(diào)幅分解外）：形核與長大 核胚：形核過程往往是先在母相中某些微小區(qū)域內(nèi)形成新相所必需的成分和結(jié)構(gòu)； 晶核：若核胚尺寸超過臨界尺寸，便能穩(wěn)定存在并自發(fā)長大； 均勻形核：若晶核在母相中無擇優(yōu)地任意均勻分布；*（很少發(fā)生） 非均勻形核：若晶核在母相中某些區(qū)域擇優(yōu)地不均勻分布。*（新相主要在母相的晶界、層錯、位錯等晶體缺陷處非均勻形核）(1) (1) 均勻形核均勻形核 固態(tài)相變均勻形核時系統(tǒng)自由能的總變化固態(tài)相變均勻形核時系統(tǒng)自由能的總變化G G為：為： G = G = V VGGv v + S + V + S + V Gv Gv 新舊相間單位體積自由能差新舊相間單位體積自

31、由能差 單位面積界面能單位面積界面能 單位體積彈單位體積彈性應變能性應變能 V V 新相的體積新相的體積 S S 新相表面積新相表面積 G0, G0, 新相才能形核；需要一定過冷（熱）度新相才能形核；需要一定過冷（熱）度相變驅(qū)動力相變阻力設(shè)形成的新相晶核為球形設(shè)形成的新相晶核為球形對于對于 r r 求導：求導：0)(drGd可得可得臨界晶核尺寸臨界晶核尺寸：VGr2c形成臨界晶核的形成臨界晶核的形核功：形核功：23*)(316WVGG形核功形核功：晶核長大到：晶核長大到 rc 所需克服的能壘，或所做的功所需克服的能壘，或所做的功(1) (1) 均勻形核均勻形核33423344-GrrGrv 和

32、和 rc , W 過冷（熱）過冷（熱）T Gv rc , W ，新相的形核幾率，新相的形核幾率增大，新相的晶核數(shù)增多，即相變?nèi)菀装l(fā)生。增大，新相的晶核數(shù)增多，即相變?nèi)菀装l(fā)生。(1) (1) 均勻形核均勻形核 形核功所需能量： 依靠母相內(nèi)存在的能量起伏提供 依靠變形等因素引起的內(nèi)應力提供n - 單位體積母相中的原子數(shù)單位體積母相中的原子數(shù)- 原子振動頻率原子振動頻率W - 形核功形核功Q - 原子擴散激活能原子擴散激活能K-波爾茲曼常數(shù)波爾茲曼常數(shù)T-相變溫度相變溫度kTWQexpnI均勻形核時形核率均勻形核時形核率：(1) (1) 均勻形核均勻形核相對液態(tài)金屬結(jié)晶：相對液態(tài)金屬結(jié)晶：Q大，大，

33、 存在，增加了存在，增加了W固態(tài)相變的均勻形核率低得多固態(tài)相變的均勻形核率低得多(2) (2) 非均勻形核非均勻形核在母相內(nèi)的擇優(yōu)地點上發(fā)生的形核過程。在母相內(nèi)的擇優(yōu)地點上發(fā)生的形核過程。如擇優(yōu)在如擇優(yōu)在晶體缺陷（晶界、層錯、位錯）晶體缺陷（晶界、層錯、位錯）處形核處形核 -固態(tài)相變的主要形核手段固態(tài)相變的主要形核手段晶體缺陷儲存的能量可使形核功降低，促進形核晶體缺陷儲存的能量可使形核功降低，促進形核 G = -G = -V V Gv + S + V Gv + S + V - - G Gd d其中，其中，- -G Gd d - - 由于晶體缺陷消失或減少所釋放的能量由于晶體缺陷消失或減少所釋放

34、的能量I. 晶界形核晶界形核界面：兩個相鄰晶粒的邊界界面：兩個相鄰晶粒的邊界 界棱：三個晶粒共同交界的一條線界棱：三個晶粒共同交界的一條線界隅：四個晶粒交于一點處界隅：四個晶粒交于一點處(a)界面形核界面形核 (b)界棱形核界棱形核(c)界隅形核界隅形核I. 晶界形核晶界形核界面界面界棱界棱界隅界隅能量能量最小最小次之次之最大最大體積分數(shù)體積分數(shù)最大最大次之次之最小最小晶界不同位置非均勻形核率：i=0,1,2,3代表界隅形核、界棱形核、界面形核、均勻形核Ai: 晶界不同位置形核的形核功與均勻形核功之比值，A0A1A2 kTkTkTGVgexpu0exp隨溫度降低，新相長大速率按指數(shù)函數(shù)減小。隨

35、溫度降低，新相長大速率按指數(shù)函數(shù)減小。I.I.無成分變化的新相長大無成分變化的新相長大kTGexp1kTgexpuV新相長大速度與過冷度的關(guān)系新相長大速度與過冷度的關(guān)系I.I.無成分變化的新相長大無成分變化的新相長大新相的長大速度新相的長大速度過冷度很大過冷度很大過冷度很小過冷度很小II.II.有成分變化的新相長大有成分變化的新相長大 當新相當新相和母相和母相的成分不同時，新相的長大必須通的成分不同時，新相的長大必須通過溶質(zhì)原子的長程擴散來實現(xiàn)，故其長大速度受擴散所控過溶質(zhì)原子的長程擴散來實現(xiàn)，故其長大速度受擴散所控制。制。生成新相時的成分變化有兩種情況：一種是新相生成新相時的成分變化有兩種情

36、況：一種是新相中中溶質(zhì)原子的濃度溶質(zhì)原子的濃度C C低于母相低于母相中的濃度中的濃度C C；另一種則相；另一種則相反，新相反，新相中溶質(zhì)原子的濃度中溶質(zhì)原子的濃度C C高于母相高于母相中的濃度中的濃度C C. . 以降溫轉(zhuǎn)變?yōu)槔越禍剞D(zhuǎn)變?yōu)槔?在某一轉(zhuǎn)變溫度下，相界面上新相在某一轉(zhuǎn)變溫度下，相界面上新相和母相和母相的成分由平衡狀的成分由平衡狀態(tài)圖所確定，設(shè)其分別為態(tài)圖所確定，設(shè)其分別為C C和和C C。由于。由于C C大于或小于母相大于或小于母相的原始濃度的原始濃度C C，故在界面附近的母相，故在界面附近的母相中存在一定的濃度梯度中存在一定的濃度梯度C C-C-C或或C C-C-C。 在這個

37、濃度梯度的推動下，將引起溶質(zhì)原子在母相在這個濃度梯度的推動下，將引起溶質(zhì)原子在母相內(nèi)的擴散，內(nèi)的擴散，以降低其濃度差，結(jié)果便破壞了相界面上的濃度平衡（以降低其濃度差，結(jié)果便破壞了相界面上的濃度平衡（C C和和C C）。為了）。為了恢復相界面上的濃度平衡，就必須通過相間擴散，使新相長大?；謴拖嘟缑嫔系臐舛绕胶?，就必須通過相間擴散，使新相長大。 因此，新相長大過程需要溶質(zhì)原子由相界處擴散到母相內(nèi)遠離因此，新相長大過程需要溶質(zhì)原子由相界處擴散到母相內(nèi)遠離相界的區(qū)域（圖相界的區(qū)域（圖 (a)(a)），或者由母相內(nèi)遠離相界的區(qū)域擴散到相界處），或者由母相內(nèi)遠離相界的區(qū)域擴散到相界處（圖（圖 (b)(b)

38、）。在這種情況下，）。在這種情況下，相界面的移動速度將由溶質(zhì)原子的擴散速相界面的移動速度將由溶質(zhì)原子的擴散速度所控度所控制，即制，即新相長大速度取決于原子的擴散速度。新相長大速度取決于原子的擴散速度。 以圖以圖 (b)(b)為例，假定為例，假定和和的相界面為一平面，的相界面為一平面，設(shè)在設(shè)在dtdt時間內(nèi)相界面向時間內(nèi)相界面向相一側(cè)推移相一側(cè)推移dxdx距離，則新增距離，則新增加的加的相單位界面面積所占體積內(nèi)所需的溶質(zhì)量為相單位界面面積所占體積內(nèi)所需的溶質(zhì)量為|C|CC C|dx|dx。這部分新增加的溶質(zhì)量是依靠溶質(zhì)原子在。這部分新增加的溶質(zhì)量是依靠溶質(zhì)原子在相中的擴散所提供的。設(shè)溶質(zhì)原子在相

39、中的擴散所提供的。設(shè)溶質(zhì)原子在相中的擴散系相中的擴散系數(shù)為數(shù)為D D，并假定其不隨位置、時間和濃度而變化，相界，并假定其不隨位置、時間和濃度而變化，相界面附近面附近相中的濃度梯度為（相中的濃度梯度為（ C C/ /xx）x0 x0 。新相生長過程中新相生長過程中溶質(zhì)原子的濃度分布溶質(zhì)原子的濃度分布根據(jù)根據(jù)Fick第一定律，擴散通量為第一定律，擴散通量為n 新相的長大速度與新相的長大速度與擴散系數(shù)擴散系數(shù)D D和和界面附近母相界面附近母相中濃度梯度中濃度梯度成正比，而與兩相在界面上的成正比，而與兩相在界面上的平衡濃平衡濃度之差度之差成反比。成反比。n T T ,D,D ,u,u II. II.

40、有成分變化的新相長大有成分變化的新相長大t0dxCDx 00u)(xxxxCCCDdtdxdtxCDdxCC1.4 1.4 固態(tài)相變動力學固態(tài)相變動力學 1. 金屬固態(tài)相變的速率 相變動力學相變動力學：從動力學的角度研究相變速從動力學的角度研究相變速度，研究新相形成量度，研究新相形成量(體積分數(shù)體積分數(shù))與時間、溫與時間、溫度關(guān)系的學科度關(guān)系的學科 相變動力學取決于新相的相變動力學取決于新相的形核率形核率I和和長大速長大速率率G 約翰遜約翰遜-邁爾方程（邁爾方程（Johnson-Mehl方程方程)n均勻形核，形核率均勻形核，形核率I和長大速度和長大速度G恒定，恒溫恒定，恒溫轉(zhuǎn)變動力學：轉(zhuǎn)變動力

41、學：時間形核率長大速度形成的新相體積分數(shù)tIGftIGf3exp1431. 金屬固態(tài)相變的速率阿佛瑞米方程阿佛瑞米方程 ( Avrami方程方程)n 非均勻形核，形核率非均勻形核，形核率I隨時間而變化隨時間而變化nfKtexp1 K,n K,n是系數(shù)。是系數(shù)。K(T,K(T,母相成分，晶粒大?。?；母相成分，晶粒大?。?；n n取取決于相變類型，若形核率隨時間而減小，決于相變類型，若形核率隨時間而減小，3n43n4，如形核率隨時間而增大，如形核率隨時間而增大，n n4 41. 金屬固態(tài)相變的速率大多數(shù)固態(tài)相變的實驗與大多數(shù)固態(tài)相變的實驗與Avrami方程符合較好方程符合較好2. 鋼中過冷奧氏體轉(zhuǎn)變

42、動力學 奧氏體是高溫穩(wěn)定相，若冷卻至臨界點(A3或A1)以下就不再穩(wěn)定，一般稱為過冷奧氏體。 由于轉(zhuǎn)變溫度或冷卻速度不同，過冷奧氏體可以通過不同的相變機制進行轉(zhuǎn)變而獲得不同的組織，導致鋼件具有不同的性能。 奧氏體珠光體 奧氏體貝氏體 奧氏體馬氏體2. 鋼中過冷奧氏體轉(zhuǎn)變動力學 過冷奧氏體轉(zhuǎn)變圖（TTT曲線、CCT曲線）：反映了在臨界點以下溫度等溫或以一定冷卻速度冷卻時過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變規(guī)律，綜合顯示了合金元素等因素對轉(zhuǎn)變動力學的影響以及等溫溫度或冷卻速度對轉(zhuǎn)變產(chǎn)物和性能的影響。 作用：過冷奧氏體轉(zhuǎn)變圖可以為正確選擇熱處理工藝、分析熱處理后的組織和性能以及合理選材等提供依據(jù) 。2. 鋼中過冷奧氏體

43、轉(zhuǎn)變動力學 將奧氏體迅速冷卻到臨界點以下某一溫度等溫保持，在等溫過程中發(fā)生的相變稱為過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變。 TTT曲線曲線：過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖，過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖， 綜合反映過冷奧氏體在不同過冷度下的等溫轉(zhuǎn)變過程: 轉(zhuǎn)變開始和終了時間、轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的類型以及轉(zhuǎn)變量與溫度和時間的關(guān)系等。 TTT：Time，Temperature, TransformationTTTTTT曲線的建立曲線的建立. .金相硬度法金相硬度法 方法：方法：1 1）加熱奧氏體化，保溫加熱奧氏體化，保溫10-10-15min15min； 2 2）T T1 1( (Ac1Ac1，加熱時珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度。加熱時珠光體

44、向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度。 )-t)-t1 1t t2 2t t3 3t t4 4.，迅速淬入鹽水中；迅速淬入鹽水中； 3 )3 )確定轉(zhuǎn)變開始時間（確定轉(zhuǎn)變開始時間（2%2%）和轉(zhuǎn)變終了時間）和轉(zhuǎn)變終了時間(98%),(98%),繪出繪出T T1 1下以下以A A 轉(zhuǎn)變量轉(zhuǎn)變量時間為坐標的等溫轉(zhuǎn)變動力學曲線；時間為坐標的等溫轉(zhuǎn)變動力學曲線； 4 4）同樣方法繪出不同溫度下的動力學曲線；）同樣方法繪出不同溫度下的動力學曲線； 5 5）將各個溫度下的等溫轉(zhuǎn)變開始和終了時間繪在）將各個溫度下的等溫轉(zhuǎn)變開始和終了時間繪在T Tt t坐標圖上坐標圖上 （時間用對數(shù)表示），（時間用對數(shù)表示），轉(zhuǎn)變開始線、

45、轉(zhuǎn)變終了線。轉(zhuǎn)變開始線、轉(zhuǎn)變終了線。C C曲線曲線優(yōu)缺點優(yōu)缺點-直觀、結(jié)果不連續(xù)、費時直觀、結(jié)果不連續(xù)、費時TTT曲線的建立曲線的建立TTT曲線的建立曲線的建立C曲線孕育期孕育期鼻尖鼻尖相變動力學曲線相變動力學曲線等溫轉(zhuǎn)變圖等溫轉(zhuǎn)變圖.膨脹法：膨脹法：利用鋼在相變時發(fā)生的比容變化。利用鋼在相變時發(fā)生的比容變化。A F P B M優(yōu)點優(yōu)點測量時間短，需要試樣少；測量時間短，需要試樣少；缺點缺點拐點的確定。拐點的確定。.磁性法：磁性法：利用奧氏體為順磁性，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物利用奧氏體為順磁性，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物F、B、M為鐵磁性的特為鐵磁性的特點。點。優(yōu)點優(yōu)點試樣少、測試時間短和易確定各轉(zhuǎn)變產(chǎn)物達到一定百分數(shù)所需

46、時間。試樣少、測試時間短和易確定各轉(zhuǎn)變產(chǎn)物達到一定百分數(shù)所需時間。缺點缺點無法測出過共析鋼的先共析產(chǎn)物的析出線、無法測出過共析鋼的先共析產(chǎn)物的析出線、 亞共析鋼珠光體轉(zhuǎn)變的亞共析鋼珠光體轉(zhuǎn)變的開始線。開始線。. .熱分析法熱分析法：利用鋼相變時的熱效應。：利用鋼相變時的熱效應。優(yōu)點優(yōu)點適用于潛熱大、轉(zhuǎn)變速率快的過程，如熔化、適用于潛熱大、轉(zhuǎn)變速率快的過程，如熔化、凝固凝固缺點缺點不適用潛熱小、轉(zhuǎn)變速率慢的過程，如大部不適用潛熱小、轉(zhuǎn)變速率慢的過程，如大部分擴散分擴散 型固態(tài)相變型固態(tài)相變. .電阻法電阻法: :利用相變時電阻值的變化利用相變時電阻值的變化缺點：精度不高缺點：精度不高TTT曲線的

47、基本類型曲線的基本類型第一種類型“C”曲線： 碳鋼及含Si、Ni、Cu、Co等合金元素的鋼 鼻尖以上等溫時P 鼻尖以下等溫時B第一種類型C曲線單一的“C”形曲線TTT曲線的基本類型曲線的基本類型第二種和第三種類型“C”曲線 鋼中含有使B轉(zhuǎn)變溫度范圍下降，或是P轉(zhuǎn)變溫度范圍上升的合金元素（如Cr、Mo、W、V 等），隨合金元素含量增加， P曲線和B曲線分離。 當合金元素含量足夠高時，兩曲線將完全分開，在珠光體轉(zhuǎn)變和貝氏體轉(zhuǎn)變之間出現(xiàn)一個過冷奧氏體穩(wěn)定區(qū)。TTT曲線的基本類型曲線的基本類型第二種類型C曲線第三種類型C曲線雙“C”形曲線TTT曲線的基本類型曲線的基本類型第四種類型“C”曲線- 在含M

48、n、Cr、Ni、W、Mo量高的低碳鋼，珠光體轉(zhuǎn)變受到極大阻礙第四種類型C曲線TTT曲線的基本類型曲線的基本類型第五種類型“C”曲線-只有珠光體轉(zhuǎn)變的C曲線 常出現(xiàn)于中碳高鉻鋼中第五種類型C曲線TTT曲線的基本類型曲線的基本類型第六種情況 -在Ms點以上整個溫度區(qū)間內(nèi)不出現(xiàn)C曲線 通常為奧氏體鋼，高溫下穩(wěn)定的奧氏體組織能全部過冷至室溫。TTT曲線的影響因素曲線的影響因素合金元素的影響合金元素的影響 合金元素對TTT曲線的影響最大 除Co，Al外，其他合金因素均使TTT曲線右移，即增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性。 合金元素的作用大小還與其在奧氏體中的溶解狀態(tài)、形成的碳化物狀態(tài)、奧氏體化溫度、合金元素含量以

49、及多種合金元素的相互作用等因素有關(guān)。 TTT曲線的影響因素曲線的影響因素奧氏體晶粒尺寸的影響奧氏體晶粒尺寸的影響 由于由于珠光體轉(zhuǎn)變珠光體轉(zhuǎn)變的形核位置主要是奧氏體晶的形核位置主要是奧氏體晶界，奧氏體晶粒細小時，其晶界總面積增大，界，奧氏體晶粒細小時，其晶界總面積增大，有利于形核，從而促進轉(zhuǎn)變，使珠光體轉(zhuǎn)變有利于形核，從而促進轉(zhuǎn)變，使珠光體轉(zhuǎn)變曲線左移。曲線左移。 而而貝氏體轉(zhuǎn)變貝氏體轉(zhuǎn)變中中相的形核位置可以是晶界，相的形核位置可以是晶界，也可以在晶內(nèi)，所以奧氏體晶粒尺寸對貝氏也可以在晶內(nèi)，所以奧氏體晶粒尺寸對貝氏體轉(zhuǎn)變的影響較小。體轉(zhuǎn)變的影響較小。TTT曲線的影響因素曲線的影響因素原始組織、加熱溫度和保溫時間的影響原始組織、加熱溫度和保溫時間的影響 相同加熱（奧氏體化）條件下，原始組織越相同加熱（奧氏體化）條件下，原始組織越細小，所得到的奧氏體成分越均勻，冷卻時細小，所得到的奧氏體成分越均勻，冷卻時新相形核及長大過程中所需的擴散時間就越新相形核及長大過程中所需的擴散時間就越長，長， TT