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1、0 绪论,第1章 原子结构与结合键 Atomic Structure and binding bond 第2章 晶体学基础 Basis of Crystallography 第3章 晶体结构 Crystal Structure 第4章 晶体缺陷 Crystal defects 第5章 非晶体与准晶结构 Amorphous and Quasicrystal Structure 第6章 相图 Phase Diagram 第7章 固体扩散 Solid Diffusion 第8章 凝固与结晶 Solidification and Crystallization 第9章 烧结与聚合 Sintering
2、and Polymerization 第10章 固态 相变 Solid Phase Transformation,第10章 固态相变 Solid Phase Transformation,10.1 固态相变的分类和特点 10.2 马氏体相变（Martensitic transformation） 1 马氏体相变的特点 2 马氏体的晶体结构 3 马氏体的组织形态与亚结构 4 马氏体转变的切变机制 5 马氏体的特殊性能与应用 6 无机非金属材料中的马氏体转变 7 高分子材料中的马氏体相变,10.3贝氏体转变（Bainitic transformation） 1 贝氏体转变的特点 2 贝氏体的组织形
3、态 3 贝氏体转变机制 4 贝氏体的性能 5 贝氏体在钢铁中的应用 10.4 钢的过冷奥氏体转变 1 过冷奥氏体等温转变图 TTT 2 过冷奥氏体连续冷却转变图 CCT 3 过冷奥氏体转变图的应用,10.1 固态相变的分类和特点,固态相变与液-固相变的比较,固态相变与液-固相变的比较,10.2 马氏体相变 （Martensitic transformation）,1 马氏体相变的特点 2 马氏体的晶体结构 3 马氏体的组织形态与亚结构 4 马氏体转变的切变机制 5 马氏体的特殊性能与应用 6 无机非金属材料中的马氏体转变 7 高分子材料中的马氏体相变,1 马氏体相变的特点,马氏体相变驱动力是：
4、新相与母相的自由能之差；母相晶体缺陷提供的非均匀形核能量。,马氏体相变阻力是：马氏体相变产生界面所引起的界面能；马氏体相变时形状和比容变化产生的应变能；马氏体相变时克服切变抗力所消耗的功；形成马氏体时产生大量位错、孪晶所需的能量；邻近马氏体的母相中产生塑性变形所消耗的能量。,1 马氏体相变的特点,1 马氏体相变的特点,2 马氏体的晶体结构,不同材料的马氏体晶体结构可能不同，最具代表性并且应用最为广泛的是钢和有色金属中的马氏体。,部分金属和合金中马氏体的晶体结构,3 马氏体的组织形态与亚结构,板条马氏体示意图,3 马氏体的组织形态与亚结构,片状马氏体示意图,片状马氏体的亚结构为孪晶，所以又称为孪
5、晶马氏体。在铁基合金中这些孪晶很细，需在电镜下才能观察到，但在Au-Cd及In-Tl等合金中，马氏体中的孪晶较宽，在光学显微镜下可看到。,4 马氏体转变的切变机制,马氏体转变不但包括微观的点阵改组及特定的晶体学位向关系，还产生了由于宏观变形引起的表面浮凸。关于马氏体转变机制主要有Bain模型、K-S模型、G-T模型、晶体学表象理论等，但还没有哪一种机制能完全解释马氏体相变特征。,Bain模型,4 马氏体转变的切变机制,Bain模型,G-T模型切变过程,4 马氏体转变的切变机制,晶体学表象理论,表象理论把马氏体转变的整个变形看成三种变形的组合。 。基于Bain机制的晶格变形。这种变形使母相的点阵
6、改造为马氏体所需要的晶体结构，并引起转变区域宏观的形状变化，在晶体表面产生浮凸现象 点阵不变应变。这是一种晶格不变的切变，是在保持第一个动作所产生的新点阵不再改变的前提下，通过马氏体内部微区中的滑移或孪生来实现的，由此可得到不畸变平面。 晶格的整体刚性转动。这种转动使不畸变平面恢复到原始的位置，从而得到既不旋转又无畸变的惯析面。,5 马氏体的特殊性能与应用,钢的硬化,钢中马氏体最主要的特性就是高硬度、高强度。通过淬火得到马氏体是强化钢制工件的重要手段。,淬火钢的最大硬度与含碳量的关系,含碳0.4%钢中马氏体的强化效应,5 马氏体的特殊性能与应用,热弹性马氏体与伪弹性,在Ms以上对母相施加外力可
7、诱发马氏体的形成，称为应力诱发马氏体。,在冷却转变时呈弹性长大、加热逆转变时呈弹性缩小的马氏体称为热弹性马氏体。,伪弹性是指由马氏体相变引起的非线性弹性变形，也叫相变伪弹性。,Fe-Ni和Au-Cd合金马氏体相变热滞的比较,Ag-Cd合金的伪弹性应力-应变曲线,5 马氏体的特殊性能与应用,形状记忆效应,形状记忆效应的原因：由于形变所引起的组织上的变化在逆转变时完全消除，形成合金的记忆效应。,形状记忆效,形状记忆效合金制品,6 无机非金属材料中的马氏体转变,在无机非金属材料研究中最早使用“马氏体转变”一词的是在陶瓷领域，主要涉及ZrO2的晶体结构及晶型转变。,6 无机非金属材料中的马氏体转变,Z
8、rO2的晶体结构,ZrO2晶体的单斜晶胞(a)四方晶胞(b)和立方晶胞(c),ZrO2的晶型转变,ZrO2的马氏体相变对陶瓷材料性能的影响：近年来陶瓷界对于“马氏体转变”一词已经普遍接受，并对含ZrO2陶瓷中的马氏体转变进行了大量研究，在利用马氏体转变来改善陶瓷韧性（相变增韧）方面取得了很大进展。,6 无机非金属材料中的马氏体转变,相变增韧的ZrO2陶瓷的类型：根据ZrO2的相变增韧原理，现已开发出三种增韧的ZrO2陶瓷： 含有立方相及四方相的部分稳定氧化锆(Partially Stablized Zirconia，PSZ)； 仅含四方相的多晶体氧化锆(Tetragonal Zirconia
9、Polycrystal，TZP)； 氧化锆增韧陶瓷：在其他陶瓷(如A12O3)基础上弥散分布增韧氧化锆的复合型陶瓷（Zirconia Toughened Ceramics，ZTC）。,7 高分子材料中的马氏体相变,在某些晶态聚合物材料中会出现同素异构转变。 聚四氟乙烯（PTFE）中的马氏体转变：在聚四氟乙烯中，满足没有或弱热激活条件的转变，是一种无扩散型转变或马氏体转变。,生物材料中的马氏体转变：由结晶蛋白质构成的生物材料，在完成其生命功能的过程中也经历一些马氏体转变。,10.3贝氏体转变 （Bainitic transformation）,1 贝氏体转变的特点 2 贝氏体的组织形态 3 贝氏
10、体转变机制 4 贝氏体的性能 5 贝氏体在钢铁中的应用,1 贝氏体转变的特点,中温转变：贝氏体转变是在介于珠光体转变和马氏体转变之间的一个温度区间进行的，又称为中温转变。 贝氏体转变属于过渡型转变。贝氏体转变时铁原子难以扩散，碳原子可以扩散，但扩散能力降低。 贝氏体转变是形核和长大的过程。转变需要孕育期，形核后再长大。 贝氏体中铁素体F以切变方式长大，奥氏体A/F界面保持切变共格关系。产生表面浮凸现象，转变速度远比马氏体转变低。 惯析面：贝氏体中铁素体沿母相奥氏体特定的晶面长大。 中/高碳钢中：上贝氏体（B上）中铁素体的惯析面近于111，下贝氏体中的（B下）的惯析面近于225，分别与低碳马氏体
11、和高碳马氏体的惯析面相同。,1 贝氏体转变的特点,位向关系：贝氏体中铁素体与母相奥氏体保持严格的晶体学取向关系。 K-S关系：111011 ，；下贝氏体中。 西山关系：111011 ，；上贝氏体中。 上贝氏体中渗碳体与母相奥氏体、下贝氏体中渗碳体与铁素体之间有一定的结晶学位向关系。 贝氏体转变的不完全性： 在Bs（贝氏体转变开始温度）以下的一定温度范围内保温，通常等温转变到一定程度即停止。 随等温温度的降低，贝氏体转变的不完全度减小。,2 贝氏体的组织形态,.1上贝氏体 上贝氏体是过冷奥氏体大约在350-550之间形成的。,上贝氏体的形成,典型上贝氏体,2 贝氏体的组织形态,.2 下贝氏体 转
12、变温度区间：下贝氏体是过冷奥氏体大约在350Ms之间形成的。,下贝氏体的形成,典型下贝氏体,3 贝氏体转变机制,贝氏体转变属于中温转变，具有珠光体形核长大型和马氏体切变型转变的双重特征，但究竟哪一个在相变过程中占主导地位长期以来一直是学术界争论的焦点问题。,贝氏体转变的扩散机制：该观点认为贝氏体转变是一种非片层共析反应，贝氏体就是一种非片层状的珠光体。这些人认为贝氏体中铁素体呈台阶式长大，即铁素体台阶的非共格阶面沿/界面运动，而这种台阶运动受控于碳原子的扩散。 贝氏体转变的切变机制：其主要依据是贝氏体和马氏体之间在形态上及晶体学方面有很多相似之处。然而，仅由这些相似之处还不能得出贝氏体转变机制
13、肯定是切变的结论。同样，从非片层共析反应的观点出发，也不能很好地解释这些相似性。,4 贝氏体的性能,贝氏体的性能主要取决于其组织形态。贝氏体混合组织中铁素体、渗碳体及其他相的相对含量、形态、大小和分布，以及铁素体的过饱和度、位错密度等都会影响贝氏体的性能。 上贝氏体的性能特点：铁素体和碳化物分布有明显的方向性。这种组织形态使铁素体条间易产生脆断，因此上贝氏体强度较低、韧性也较差。 下贝氏体的性能特点：这种组织状态使得下贝氏体不仅强度高，而且韧性好，即具有良好的综合力学性能。生产上广泛采用等温淬火工艺就是为了得到下贝氏体组织。,5 贝氏体在钢铁中的应用,发动机曲轴,海军舰艇,10.4 钢的过冷奥
14、氏体转变,1 过冷奥氏体等温转变图 (TTT图） 2 过冷奥氏体连续冷却转变图（ CCT图） 3 过冷奥氏体转变图的应用,过冷奥氏体等温转变图 (TTT图）,.1 过冷奥氏体等温转变动力学图的建立TTT图,依据所测不同温度的等温转变动力学曲线，可以得到描述转变体积分数与等温时间和等温温度的关系图，称为等温转变动力学图(Time-Temperature-Transformation curve)，简称为TTT图，或IT(Iisothermal Transformation)图。,共析钢过冷奥氏体等温转变TTT图,过冷奥氏体等温转变图 (TTT图）,共析钢过冷奥氏体等温转变区及产物,过冷奥氏体等温
15、转变图 (TTT图）,C曲线的形状和位置变化,2 过冷奥氏体连续冷却转变图（ CCT图）,共析钢的TTT和CCT曲线比较,2 过冷奥氏体连续冷却转变图（ CCT图）,共析钢的TTT和CCT曲线比较,2 过冷奥氏体连续冷却转变图（ CCT图）,共析钢过冷奥氏体不同冷速下连续冷却转变组织,2 过冷奥氏体连续冷却转变图（ CCT图）,3 过冷奥氏体转变图的应用,“一个相图，两条曲线，四把火”是进行材料设计与选用、工艺制定、组织和性能分析、材料失效与破坏分析的基础。其中，“一个相图”指的是Fe-C相图，“四把火”指的是退火、正火、淬火和回火这四种常规热处理工艺，而“两条曲线”指的就是TTT曲线和CCT
16、曲线。,正确制定淬火的冷却制度和选择淬火剂。,制定分级淬火规范。,制定等温淬火制度。,制定经济合理的退火工艺制度。,识别实际淬火过程中产生的转变分解产物的类型并粗略估计其性能。,谢谢！,贝氏体 Bainite,贝氏体Bainite，命名自美国化学家E. C. Bain。 20世纪30年代，在首先进行的“等温转变曲线”的试验中发现了一种针状或羽毛状的新组织，这种组织随后被以他的名字命名。,索氏体Sorbite,1863 年英国的H.C.Sorby (索氏) 首次用显微镜观察经抛光并腐刻的钢铁试片, 从而揭开了金相学的序幕。 1826 年出生于英国钢城Sheffield 中的一个钢铁世家中, 他的祖先开了两家刀具厂, 他继承了其中之一。 生性酷爱自然, 很少过问他的产业, 从事地质与金属研究的自由研究工作者。 晚年热心教育, 任Sheffield 大学的第一任校长。 终生未婚, 以探讨自然奥秘为乐, 共发表论文230 篇, 其中地质方面约100 篇, 金属方面仅15 篇
