貴州大學(xué)-18級-冶金工程專業(yè)-熱處理原理及工藝期末復(fù)習(xí)

————————————————熱處理原理及應(yīng)用——————————————-金屬固態(tài)相變概論第一節(jié)固態(tài)相變概論一、熱處理的作用熱處理：定義：固態(tài)金屬通過特定方式加熱、保溫、冷卻以獲得工程技術(shù)上所需組織、結(jié)構(gòu)和性能的工藝過程。作用：1、提高鋼的力學(xué)性能，充分發(fā)揮鋼材潛能；2、消除毛胚中缺陷，改善工藝性能；3、機(jī)械零件加工工藝過程中的重要工藝；4、改善工件表面抗磨性、耐腐蝕性等特殊物理化學(xué)性能。根據(jù)固態(tài)相變類型隨外界條件不同而引起的變化分為：1、平衡轉(zhuǎn)變：緩慢加熱或冷卻，獲得相圖所示平衡組織。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純金屬（有確定的轉(zhuǎn)變溫度）多型性轉(zhuǎn)變合金（固溶體）el：F轉(zhuǎn)變A新相的結(jié)構(gòu)始終與母相不同平衡脫溶沉淀隨新相的析出，母相成分和體積分?jǐn)?shù)變化但母相不會消失共析轉(zhuǎn)變冷卻時由一固相分解為兩固相調(diào)幅分解高溫下的單一固溶體冷卻(在某一溫度范圍內(nèi))分解為兩種成分不同、結(jié)構(gòu)相同的微區(qū)有序化轉(zhuǎn)變固溶體各組元原子相對位置從無序到有序的轉(zhuǎn)變不平衡轉(zhuǎn)變：快速加熱或冷卻，平衡轉(zhuǎn)變受到抑制，發(fā)生不平衡轉(zhuǎn)變而得到不平衡組織。轉(zhuǎn)變過程和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組成相與共析轉(zhuǎn)變相同偽共析轉(zhuǎn)變：組成相相對量非定值，依A碳含量而變馬氏體轉(zhuǎn)變A快冷后發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變塊狀轉(zhuǎn)變純鐵或低碳鋼在一定冷速下γ相或A變?yōu)榕c之相同成分而形貌呈塊狀的α相貝氏體轉(zhuǎn)變不平衡脫溶沉淀相變實質(zhì)結(jié)構(gòu)變化：同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、多型性轉(zhuǎn)變、馬氏體轉(zhuǎn)變、塊狀轉(zhuǎn)變成分變化：調(diào)幅分解有序化程度變化：有序化轉(zhuǎn)變注：共析轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變、脫溶沉淀兼有結(jié)構(gòu)、成分的變化。、固態(tài)相變特點相界面共格界面錯配度δ彈性應(yīng)變能半共格界面形成半原子面的刃型位錯非共格界面δ很大時形成界面能的大?。合嘧冏枇?彈性應(yīng)變能)大1、固態(tài)相變時，體積變化界面產(chǎn)生彈性畸變彈性應(yīng)變能額外增加；液態(tài)金屬結(jié)晶只有表面能。固態(tài)相變時，總自由能：臨界形核半徑：臨界形核功：原子擴(kuò)散困難為固態(tài)相變阻力大的又一原因。形成一定質(zhì)量新相時，有上述原因產(chǎn)生的新相形狀與應(yīng)變能的大小有關(guān)。c<<a為圓盤；c=a為球；c>>a為圓棒或針狀(c為兩極間距，a為赤道半徑)由于比容差造成的應(yīng)變能為比容差應(yīng)變能新相形狀與應(yīng)變能關(guān)系應(yīng)變能由共格造成：球應(yīng)變能由比容差造成：針盤c/a過冷度大：形成共格或半共格界面，新相呈盤狀(或薄片狀);過冷度小：形成非共格界面，以降低應(yīng)變能。若比容差小，新相呈球狀以降低界面能；否則，形成針狀，以兼顧降低界面能和比容差應(yīng)變能。新相晶核與母相間存在著一定的晶體學(xué)位相關(guān)系即：通常以低指數(shù)、原子密度大且匹配較好的晶體和晶向相互平衡。新相往往在與母相某一特定晶面上形成，母相的該面稱慣習(xí)面。母相晶體缺陷對固態(tài)相變起促進(jìn)作用(促進(jìn)轉(zhuǎn)變速度)易出現(xiàn)過渡相過渡相：亞穩(wěn)定相，成分結(jié)構(gòu)介于新、舊相間，為克服相變阻力形成的中間產(chǎn)物。固態(tài)相應(yīng)遵循的規(guī)律：1、力求使自由能進(jìn)一步降低；2、力求沿阻力最小、做工最少的途徑進(jìn)行。、固態(tài)相變形核均勻形核(可能性很小)——原子擴(kuò)散激活能大，相應(yīng)應(yīng)變激活能大非均勻形核(主要形核方式)——晶體缺陷儲存的能量減小了形核所需能量晶界形核界面、界棱、界隅在多晶體中所占體積分?jǐn)?shù)為：、、，其提供所儲的畸變能用于形核。從能量角度看：界隅提供能量最大、界面最?。粡男魏宋恢盟俭w積分?jǐn)?shù)看：界面最大、界隅最小。1）、非共格形核晶核和各界面均呈球冠狀(以減小界面能)界面：雙凸透鏡狀界棱：曲面三棱柱體界隅：球面四面體、共格、半共格形核界面一般呈平面狀、大角度晶界形核一側(cè)為球冠狀，另一側(cè)為平面狀位錯形核1）、圍繞位錯形核后，位錯消失，釋放出畸變能；促進(jìn)形核促進(jìn)形核3）、溶質(zhì)原子常在位錯線上偏聚，當(dāng)新相中溶質(zhì)含量較高時，這里易滿足成分上的要求；4）、位錯線可作為擴(kuò)散短路通道，降低擴(kuò)散激活能，加速形核過程；5）、位錯分解為兩個分為錯及其間的層錯帶，層錯帶部分作為新相核胚。空位及空位集團(tuán)——促進(jìn)形核、晶核長大新相晶核長大實質(zhì)：界面向母相方向遷移長大機(jī)理相變時只要有結(jié)構(gòu)變化，相界面附近原子就必須調(diào)整位置才能使晶核長大。界面過程：界面附近原子調(diào)整位置使晶核長大的過程。半共格界面的遷移位錯攀移、臺階機(jī)制非共格界面遷移按非協(xié)調(diào)型長大——無規(guī)律擴(kuò)散新相臺階發(fā)生側(cè)向長大四、新相長大速度(界面遷移速度決定新相長大速度)、無成分變化擴(kuò)散長大、有成分變化的新相長大(長大速度受界面擴(kuò)散控制)即：如圖：CβCααc∞Cβαβc∞Cαβ無成分變化擴(kuò)散長大有成分變化的新相長大、固態(tài)相變動力學(xué)其中：為轉(zhuǎn)變量；b為常數(shù).若形核率隨時間t減少，；若形核率隨時間t增加，.IT圖特點：T轉(zhuǎn)變開始前有孕育期；轉(zhuǎn)變溫度由高到低，孕育期先縮短，轉(zhuǎn)變加速；孕育期隨后孕育期增長，轉(zhuǎn)變減慢；轉(zhuǎn)變結(jié)束當(dāng)溫度很低時，擴(kuò)散型相變可能被抑制，而轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變區(qū)為無擴(kuò)散型相變；轉(zhuǎn)變開始在孕育期內(nèi)只形核，不轉(zhuǎn)變.t鋼的加熱、奧氏體(A)的結(jié)構(gòu)、組織和性能A的結(jié)構(gòu)、組織組織：由等軸狀多邊形晶粒組成，晶內(nèi)常出現(xiàn)相變孿晶結(jié)構(gòu)：碳在γ-Fe中的固溶體，碳原子在γ-Fe點陣中處于由鐵原子組成的八面體中心間隙位置，即面心立方晶胞的中心或棱邊中點實質(zhì)：1、2-3個晶胞中只含一個碳原子；2、碳原子存在，使A點陣發(fā)生等膨脹變形，隨碳的百分含量增加，膨脹加大，點陣常數(shù)增大；3、A中碳原子分布不均勻，有濃度起伏；4、在γ-Fe中加入大量Mn、Ni，可使A在室溫下成為穩(wěn)定相Fe-C合金中的A只能在高溫下存在力學(xué)性能：1、強(qiáng)度、硬度不高；2、塑性好易變形A區(qū)為鍛造加工的良好區(qū)域物理性能：致密度高，比容最??；導(dǎo)熱性差A(yù)鋼加熱時，不宜過快加熱，以免引起工件變形；線膨脹系數(shù)大制作熱膨脹靈敏儀表元件；具有順磁性(不會使磁場強(qiáng)度發(fā)生變化)可作為無磁性鋼；單相A具有耐腐蝕性；A中鐵原子的子擴(kuò)散激活能大，擴(kuò)散系數(shù)小，即熱強(qiáng)性好可作為高溫用鋼.、A的形成A的形成過程：鐵晶格改組和鐵碳原子的擴(kuò)散熱力學(xué)條件在A1線以上P轉(zhuǎn)變A，亞、過共析鋼分別加熱到A3、Acm線以上，才得到均勻單相A組織.(需要有過熱度)A形成過程A形核A晶核先在F和Fe3C兩相界面處或在P團(tuán)的邊界上形成.注：相界面處于晶界處形成粒狀A(yù)形成片層狀A(yù)原因：1)、F和Fe3C兩相界面處碳原子濃度差大，利于獲得形成A晶核所需的碳濃度；2)、在該區(qū)域原子排列不規(guī)則，鐵原子可通過短程擴(kuò)散由舊相點陣向新相點陣轉(zhuǎn)移，促使A易于形成.注：A也可在F內(nèi)的亞晶界上形核A長大A形核后靠逐漸吞噬其兩邊的F和Fe3C而長大剩余Fe3C的溶解A成分的均勻化亞共析鋼、過共析鋼的A形成與共析鋼基本相同、A形成動力學(xué)A等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)研究方法組織轉(zhuǎn)變量測量方法：金相法、膨脹法、磁性法A等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線(TTT曲線或IT曲線)共析碳鋼A等溫形成圖(金相法)A等溫形成特點：1)、A形成需一定的孕育期，溫度越高孕育期越短；2)、A形成速度呈慢-快-慢變化，在轉(zhuǎn)變量達(dá)到50%時，轉(zhuǎn)變速度達(dá)到極大；3)、隨溫度升高，A形成始終是加速的；4)、A剛形成后，還需一段時間使殘留碳化物溶解和A成分均勻化奧氏體的形核率與長大速率奧氏體的形核率I0為形核常數(shù)奧氏體線長大速度四、影響珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的因素1、加熱溫度TΔTI，vA形成溫度越高，獲得的起始晶粒度越細(xì)小含碳量含碳量越高，原子擴(kuò)散系數(shù)越大，A均勻化時間延長原始組織的影響片狀P比粒狀P易溶解而形成A合金元素對A的形核、長大及碳化