金属固态相变原理

金属固态相变原理夏鹏成山东科技大学材料科学与工程学院教材及其参考书目n教 材：胡光立主编 钢的热处理（原理和工艺），西工大出版社，1996 n参考书：康煜平主编 金属固态相变及应用，化学工业出版社，2007徐洲等主编 金属固态相变原理，科学出版社，2004崔忠圻主编 金属学与热处理，机械工业出版社，1983赵连成主编 金属热处理原理，哈尔滨工业大学出版社，1987夏立芳主编 热处理工艺学，哈尔滨工业大学出版社，1996刘宗昌主编 金属固态相变教程，冶金工业出版社，2004戚正风主编 金属热处理原理，机械工业出版社，1987 安运铮主编 热处理工艺学，机械工业出版社，1988G.克劳斯主编 钢的热处理原理，冶金工业出版社，1987 实验名称与学时安排 序 号章目名称学时 分配序 号章目名称学时 分配1奥氏体组织的观察26综合热处理实验22P、B、M的组织观察273常规热处理工艺284末端淬火法295表面渗碳2合计12第 一 篇热处理原理Principle of Heat Treatment第一章 金属固态相变概论Generality of Solid-State Transformation固态相变：金属或陶瓷等固态材料在温度和压力改变时，其内部组织或结构会发生变化，即发生从一种相状态到另一种相状态的改变。相变前的相状态称为旧相或母相，相变后的相状态称为新相。固态相变分类§1-1 金属固态相变的主要类型按照转变条件，分为：平衡转变、非平衡转变一、平衡相变(equilibrium transformation)固态金属-缓慢加热或冷却-获得符合相图的平衡组织1. 同素异构（allotropic）转变纯金属：温度和压力改变时-有一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程-Fe、Ti、Co、Sn2. 多形性转变固溶体中一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程- FA(3)平衡脱溶转变 Ø高温过饱和固溶体缓慢冷 却过程中析出第二相的过 程 Ø特点：(a) 新相的成分和结构始 终与母相的不同；(b)母相不会消失。 Ø钢在冷却时，由奥氏体析 出二次渗碳体的过程 可发生脱溶转变的合金平衡相变4.共析（eutectoid）转变一个固相分解为两个不同的固相 特点：生成的两个相的成分和结构与原母相不同5.调幅（spinodal)分解一种固溶体分解为结构相同，而成分明显不同的微区，12 特点：转变初期，无明显界面和成分突变，随后通过上坡扩散溶质再分配，富溶质原子1与贫溶质原子2 。如Al-Zn、Fe-Cr、高碳M在80C回火时也发生调幅分解。6.有序化转变固溶体中，各组元的相对位置从无序有序转变过程。如Cu-Zn，Cu-Au，Mn-Ni，Ti-Ni等合金。平衡相变含碳含碳 1.4%1.4%的马氏体回火后点阵常数、正方度与含碳量的变化的马氏体回火后点阵常数、正方度与含碳量的变化回火温度 回火时间时间 acc/a碳含量(%) 室 温 10d2.846 2.880 3.02 1.012 1.062 0.27 1.4 1001h2.846 2.882 3.02 1.013 1.062 0.29 1.21251h2.846 2.886 1.013 0.291501h2.852 2.886 1.0120.271751h2.8572.8841.0090.212001h2.8592.878 1.0060.14 2251h2.861 2.8741.0040.082501h2.8632.8721.0030.067.包析转变：两个固相合并转变为一个固相的转变过程。 。如Fe-B，Mg-Zn，Cu-Sn系合金。平衡相变1： + 2： + 二、非平衡转变 (non-equilibrium transformation)快速加热或冷却-平衡转变受到抑制-发生某些在相图上不能反映的不平衡（亚稳）组织。1.伪共析(pseudo-eutectoid)转变由成分偏离共析成分的过冷固溶体形成的貌似共析体的组织转变。组成相的相对量由A的碳含量而变。Fe-C相图的伪共析区2. 马氏体(martensite)转变：无扩散的共格切变型相变。结构：成分与A相同。在Cu合金，Ti合金及其无机非金属材料中发现了马氏体转变。3. 块状(massive)转变冷却速度不够快-形成相的形状是不规则的块，与母相的成分相同、 与母相的界面是非共格的、无扩散相变。在 Fe-C，Cu-Zn，Cu-Ga合金中存在。 二、非平衡转变 (non-equilibrium transformation)4.贝氏体(bainite)转变有碳原子扩散而铁原子不扩散的不平衡转变。5.不平衡脱溶沉淀(non-equilibrium pricipitation )在不平衡状态下，过饱和固溶体中析出新相的转变。二、非平衡转变 (non-equilibrium transformation)三、固态相变的其他分类相变时原子迁移特征扩散型相变非扩散型相变扩散型相变u相变时，相界面的移动是通过原子近程或远程扩散而进行的相变。如同素异构转变、多晶型转变，脱溶型相变、共析型相变、调幅分解和有序化转变等等。 u特点：（1）相变过程中有原子扩散运动，相变速率受原子扩散速度所控制；（2）新相和母相的成分往往不同；（3）只有因新相和母相比容不同而引起的体积变化，没有宏观形状改变。 非扩散型相变u相变过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子的运动是协调一致的相变称为非扩散型相变，也称为“协同型”转变。非扩散型相变时原子仅作有规则的迁移以使点阵发生改组。迁移时，相邻原子相对移动距离不超过一个原子间距，相邻原子的相对位置保持不变。 u特点：（1）存在由于均匀切变引起的宏观形状改变，可在预先制备的抛光试样表面上出现浮突现象。（2）相变不需要通过扩散，新相和母相的化学成分相同。（3）新相和母相之间存在一定的晶体学位向关系。（4）某些材料发生非扩散相变时，相界面移动速度极快，可接近声速。按相变热力学（一级相变、二级相变 ）Ø一级相变：相变时新旧两相的化学势相等，但化学势的一级偏微商不等。设代表旧相，代表新相，为化学势、T为温度、P为压力，则有：Ø在一级相变时，熵S和体积V将发生不连续变化，即一级相变有相变潜热和体积改变。 Ø材料的凝固、熔化、升华以及同素异构转变等均属于一级相变。几乎所有伴随晶体结构变化的固态相变都是一级相变。二级相变Ø 相变时新旧两相的化学势相等，且化学势的一级偏微商也相等 ，但化学势的二级偏微商不等的相变称为二级相变。Ø 相变时，SS；VV；CPCP；KK；即在二级相变时，无相变潜热和体积改变，只有比热CP、压缩系数K和膨胀系数 的不连续变化。 Ø 材料的部分有序化转变、磁性转变以及超导体转变均属于二级相变。 按相变方式分类Ø有核相变：通过形核-长大方式进行的。新相晶核可以在 母相中均匀形成，也可以在母相中某些有利部位优先形成。大部分的固态相变均属于有核相变 Ø无核相变：相变时没有形核阶段,以固溶体中的成分起伏 为开端，通过成分起伏形成高浓度区和低浓度区，但两者之 间没有明显的界限，成分由高浓度区连续过渡到低浓度区。 以后依靠上坡扩散使浓度差逐渐增大，最后导致由一个单相 固溶体分解成为成分不同而点阵结构相同的以共格界面相联 系的两个相。如调幅分解小结Ø相变过程的实质：1、结构：同素异构、多形性、马氏体、块状转变、2、成分：调幅分解3、有序化程度：有序化转变4、结构和成分：贝氏体转变、共析、脱溶沉淀小结Ø同一种材料在不同条件下可发生不同的相变，从而获得不同的组织和性能。Ø共析碳钢平衡转变:珠光体组织，硬度约为HRC23；快速冷却:马氏体组织，硬度达HRC60以上。小结ØA1-4%Cu合金平衡组织:抗拉强度仅为150MPa；不平衡脱溶沉淀:抗拉强度可达350MPa。Ø由此可见，通过改变加热与冷却条件，使之发生某种转变继而获得某种组织，则可在很大程度上改变材料的性能。 §1-2 金属固态相变的主要特点大多数固态相变（除调幅分解）都是通过形核和长大过程完成的。因此，液态结晶理论及其基本概念原则上仍适用于固态相变。但是，由于相变是在“固态”这一特定条件下进行的，固态晶体的原子呈有规则排列，并具有许多晶体缺陷，因此，固态相变具有许多不同于液态结晶过程的特点。 §1-2 金属固态相变的主要特点Ø 相变驱动力：新相与母相间的自由能差Ø 形核+长大Ø 主要特点：（1）相界面（2）两相间的晶体学关系（惯习面和取向关系） （3）应变能（4）晶体缺陷（5）形成过渡相（6）原子的迁移率一、相界面 (interphase boundary)(1) 共格(coherent)界面两相在界面上的原子可以一对一的相互匹配。在理想的共格界面条件下（如孪晶界），其弹性应变能和界面能都接近 于零。实际上，两相点阵总有一定的差别，或者点阵类型不同，或者点阵参数 不同，因此两相界面完全共格时，相界 面附近必将产生弹性应变。第一类共格和第二类共格 u两相之间的共格关系依靠正应变来维持时，称为第一类共格（图a）。 u两相之间的共格关系以切应变来维持时，称为第二类共格（图b）。 u两者的晶界两侧都有一定的晶格畸变。 共格界面的特点一般来说，共格界面的特点是界面能较小，但因界面附近有畸变，所以弹性应变能较大。共格界面必须依靠弹性畸变来维持，当新相不断长大而使共格界面的弹性应变能增大到一定程度时，可能超过母相的屈服极限而产生塑性变形，使共格关系遭到破坏。 错配度若以a 和a 分别表示两相沿平行于界面的晶向上的原子间距，在此方向上的两相原子间距之差以a=|a-a|表示，则错配度为:(2)半共格(semi-coherent)界面当错配度增大到一定程度时，便难以继续维持完全的共格关系 ，于是在界面上将产生一些刃型位 错，以补偿原子间距差别过大的影 响，使界面弹性应变能降低。此时 ，界面上的两相原子变成部分保持 匹配，故称为半共格（或部分共格 ）界面。 两相原子在界面上部分地保持匹配。刃型位错(3)非共格(incoherent )界面当两相界面处的原子排列差异很大，即错配度很大时，两相原子之间的匹配关系便不再维持，这种界面称为非共格界面。非共格界面结构与大角晶界相似，系由原子不规则排列的很薄的过渡层所构成。错配度与界面的关系一般认为：(1)错配度小于0.05时两相可以构成完全的共格界面(2)错配度大于0.25时易形成非共格界面(3)错配度介于0.050.25之间，易形成半共格界面一、相界面 (interphase boundary)二、两相间的晶体学关系Ø新相与母相之间往往存在一定的取向关系 惯习面（habit plane）-新相往往是在母相一定的 晶面族上形成的，这些晶面或晶面族称之为惯习面。 Ø例如，钢中发生由奥氏体（）到 马氏体（a）的转 变时，奥氏体的密排面 111 与马氏体的密排面 110相平行；奥氏体的密排方向 与马氏体的密排方向 相平行，这种位向关系称为K-S关 系，可记为： 111 110 取向关系与惯习面的关系？(000)(020)(200)M23C6(200)(020)M23C6镍基高温合金碳化物选区电子衍射M23C6碳化物与基体在晶体学上有取向关系，即： 100M23C6/100 M23C6/三、应变能(elastic strain energy)固态相变时，因新相和母相的比容不同可能发生体积变化。但由于受到周围母相的约束，新相不能自由胀缩，新相与周围母相之间必将产生弹性应变和应力，使系统额外增加了一项弹性应变能。另外，两相界面上的不匹配也产生