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1、材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用 固态相变原理及应用固态相变原理及应用 黄冈秘笈黄冈秘笈 张贵锋张贵锋 大连理工大学材料科学与工程学院大连理工大学材料科学与工程学院 材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用 固态相变原理及应用固态相变原理及应用 张贵锋，黄昊主编张贵锋，黄昊主编 冶金工业出版社，冶金工业出版社，2011.112011.11 特点：简明扼要，通俗易懂，思路特点：简明扼要，通俗易懂，思路 清晰，层次分明，重点突出清晰，层次分明，重点突出 材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用 变变 变化的条件？变化的条件？ 如何变化或变化的规律？
2、如何变化或变化的规律？ 变化的结果？变化的结果？ 材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用 专业基础课专业基础课专业课专业课 两个基本点两个基本点 一个中心：性能一个中心：性能 基本点一：开发新材料基本点一：开发新材料 基本点二：最大限度地挖掘现基本点二：最大限度地挖掘现 有材料的潜力有材料的潜力 材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用 材料性能的决定因素材料性能的决定因素 材料的性能由内因和外因共同决材料的性能由内因和外因共同决 定，外因是变化的条件，内因是定，外因是变化的条件，内因是 变化的依据，外因通过内因而起变化的依据，外因通过内因而起 作用。作用。 外因
3、：材料所处的外部环境；外因：材料所处的外部环境； 内因：材料内部的结构。内因：材料内部的结构。 材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用 （1 1）组成物质的化学键）组成物质的化学键 （2 2）组成物质最基本的独立单元（组）组成物质最基本的独立单元（组 元）及其排列和运动方式；元）及其排列和运动方式； （3 3）由组元构成方式所确定的相；）由组元构成方式所确定的相； （4 4）由相的种类、形状、大小和）由相的种类、形状、大小和 分布的总和构成的组织分布的总和构成的组织 材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用 本课程要解决的核心问题本课程要解决的核心问题 1. 1.
4、相变能否发生，朝着什么方向发相变能否发生，朝着什么方向发 生？（相变热力学）生？（相变热力学） 2. 2. 相变时如何进行的，它的途径相变时如何进行的，它的途径 和速度如何？（相变动力学）和速度如何？（相变动力学） 3. 3. 相变的结果？（相变晶体学）相变的结果？（相变晶体学） 方向方向途径途径结果结果 材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用 1. 1. 能量降低的方向能量降低的方向 2. 2. 阻力最小的路径阻力最小的路径 3. 3. 最适合的结构环境，适者生存！最适合的结构环境，适者生存！ 材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用 1.1. 相，固态相变，相
5、变势垒，激活相，固态相变，相变势垒，激活 能能, , 形核功；起始晶粒度，实际形核功；起始晶粒度，实际 晶粒度，本质晶粒度；珠光体，晶粒度，本质晶粒度；珠光体， 珠光体团，粒状珠光体，派敦处珠光体团，粒状珠光体，派敦处 理理, , 珠光体型组织；马氏体，奥珠光体型组织；马氏体，奥 氏体（热，机械）稳定化，临界氏体（热，机械）稳定化，临界 冷却速度，临界淬火速度；冷却速度，临界淬火速度； 一、基本概念一、基本概念 材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用 上贝氏体，下贝氏体，等温淬火；上贝氏体，下贝氏体，等温淬火； 二次硬化，二次淬火，自回火，回二次硬化，二次淬火，自回火，回 火脆
6、（第一类，第二类），抗回火火脆（第一类，第二类），抗回火 性；淬火，回火，退火（球化退火性；淬火，回火，退火（球化退火 ），正火，淬透性，淬硬性，调质），正火，淬透性，淬硬性，调质 ；脱溶沉淀，（自然，人工）时效；脱溶沉淀，（自然，人工）时效 ，时效硬化，调幅分解。，时效硬化，调幅分解。 材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用 1. 1. 固态相变的特点：相界面，弹性固态相变的特点：相界面，弹性 应变能，位相关系与惯习面，亚稳应变能，位相关系与惯习面，亚稳 过渡相，原子迁移率过渡相，原子迁移率 二、需掌握的要点二、需掌握的要点 阿累尼乌斯方程：阿累尼乌斯方程：K K = = K
7、 K 0 0 expexp（- -Q Q/ /k kT T） 材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用 相界面：共格相界面：共格半共格半共格 非共格非共格 ，弹性应变能逐渐减小、界面能逐，弹性应变能逐渐减小、界面能逐 渐增大；相变阻力：弹性应变能和渐增大；相变阻力：弹性应变能和 界面能；弹性应变能起主导作用，界面能；弹性应变能起主导作用， 界面趋于非共格，界面能起主导作界面趋于非共格，界面能起主导作 用，新相趋于形成共格界面。用，新相趋于形成共格界面。 材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用 热力学条件（必要）热力学条件（必要） 充分条件：三大起伏充分条件：三大起
8、伏 材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用 阻力和驱动力阻力和驱动力 驱动力驱动力：体积自由能，晶格缺陷；：体积自由能，晶格缺陷； 阻力阻力：界面能，弹性应变能：界面能，弹性应变能 形核功：均匀形核，点缺陷，线缺形核功：均匀形核，点缺陷，线缺 陷，面缺陷（界面，界棱，界隅）陷，面缺陷（界面，界棱，界隅） 材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用 相变动力学：相变动力学： 形核率形核率 N N = = C C* *f f C C*临界晶胚体积分数（临界晶胚体积分数（G G* *） f f 晶胚成为晶核的频率（晶胚成为晶核的频率（Q Q） 材料科学与工程学院 固 态
9、相 变 原 理 与 应 用 相变动力学：相变动力学： 无成分变化新相长大速度？无成分变化新相长大速度？ 切变和台阶长大切变和台阶长大 材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用 有成分变化的新相长大速度与什么有成分变化的新相长大速度与什么 有关？有关？ 新相长大速度与扩散系数成新相长大速度与扩散系数成正比正比 ，与相界面附近母相中的浓度梯度，与相界面附近母相中的浓度梯度 成成正比正比，与相界面上两相的平衡浓，与相界面上两相的平衡浓 度差成度差成反比反比。 材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用 扩散型相变新相长大速度，受驱动扩散型相变新相长大速度，受驱动 力和扩散系
10、数所控制。降温时，相力和扩散系数所控制。降温时，相 变速度与温度的关系存在极大值变速度与温度的关系存在极大值 ；升温时，相变速度随温度单调增；升温时，相变速度随温度单调增 加。加。 材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用 相变动力学曲线绘制原理相变动力学曲线绘制原理 新相转变体积分数与时间的关系曲线呈新相转变体积分数与时间的关系曲线呈 “ “S”S”形；形； 相变过程包括：晶体结构、化学成分和某种相变过程包括：晶体结构、化学成分和某种 物理性质的跃变。通过各种现代分析测试手物理性质的跃变。通过各种现代分析测试手 段，很容易确定上述变化是什么时候开始，段，很容易确定上述变化是什么
11、时候开始， 进行到什么程度，以及什么时候结束。从而进行到什么程度，以及什么时候结束。从而 获得在某一外界条件下，新相转变量与转变获得在某一外界条件下，新相转变量与转变 时间之间的关系。时间之间的关系。 材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用 C C曲线的影响因素曲线的影响因素 两个两个“ “凡是凡是” ”：凡是扩大：凡是扩大A A区的元素区的元素 （MnMn，NiNi）都使）都使C C曲线下移；凡是曲线下移；凡是 稳定过冷稳定过冷A A的元素（的元素（CoCo除外），都除外），都 使使C C曲线右移曲线右移 a a）内因：碳：亚共析钢）内因：碳：亚共析钢“ “右右” ”；过共；
12、过共 析钢析钢“ “左左” ”，贝氏体，贝氏体“ “右下右下” ” 材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用 合元：贝氏体相变速度取决于基合元：贝氏体相变速度取决于基 体相变和碳的扩散：体相变和碳的扩散：Co, Al“Co, Al“左移左移” ” 外因：外因：A A化：化：A A不均匀和晶粒细小不均匀和晶粒细小 ，“ “左移左移” ”。 塑变：提供缺陷，加速；提供切塑变：提供缺陷，加速；提供切 变阻力，减速。变阻力，减速。 材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用 奥氏体晶粒度测量原理和方法，奥奥氏体晶粒度测量原理和方法，奥 氏体化过程及影响因素；奥氏体氏体化过程及
13、影响因素；奥氏体 晶粒长大的驱动力与阻力。晶粒长大的驱动力与阻力。 2. 2. 奥氏体化奥氏体化 材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用 奥氏体化过程及影响因素：奥氏奥氏体化过程及影响因素：奥氏 体形核，奥氏体晶粒长大，剩余体形核，奥氏体晶粒长大，剩余 碳化物的溶解，奥氏体均匀化。碳化物的溶解，奥氏体均匀化。 碳化物的溶解需要更长时间碳化物的溶解需要更长时间 。 材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用 影响奥氏体晶粒大小的因素影响奥氏体晶粒大小的因素 内因内因：化学成分，原始组织，冶炼方法化学成分，原始组织，冶炼方法 外因外因：加热温度，加热速度，保温时间加热温
14、度，加热速度，保温时间 成分：成分： C%C%（非单一），合金元素（非单一），合金元素（ 与碳的亲和力及改变相变点）与碳的亲和力及改变相变点） 原始组织（平衡与否，晶粒大小）：原始组织（平衡与否，晶粒大小）： 影响起始晶粒度影响起始晶粒度 冶炼方法：本质晶粒度冶炼方法：本质晶粒度 材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用 温度：奥氏体化温度越高，起始温度：奥氏体化温度越高，起始 晶粒越细小，奥氏体中平均碳含晶粒越细小，奥氏体中平均碳含 量越低。量越低。 加热速度：起始晶粒度加热速度：起始晶粒度 保温时间：实际晶粒度保温时间：实际晶粒度 材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理
15、与 应 用 奥氏体晶粒长大的驱动力与阻力奥氏体晶粒长大的驱动力与阻力 驱动力：体积自由能，界面能驱动力：体积自由能，界面能 阻力：第二相粒子阻力：第二相粒子 材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用 3. 3. 珠光体转变珠光体转变 片状和粒状珠光体形成机理；片状和粒状珠光体形成机理； 影响珠光体转变动力学（速度）的影响珠光体转变动力学（速度）的 因素；因素； 珠光体的力学性能。珠光体的力学性能。 材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用 片状和粒状珠光体形成机理片状和粒状珠光体形成机理 片状：横向与纵向。同素异构造成碳溶解片状：横向与纵向。同素异构造成碳溶解 度的变化，排碳与吸碳相辅相成。度的变化，排碳与吸碳相辅相成。 片状片状粒状：胶态平衡理论，第二相粒子粒状：胶态平衡理论，第二相粒子 的溶解度与其曲率半径有关；片状渗碳的溶解度与其曲率半径有关；片状渗碳 体内不可能存在亚晶界。体内不可能存在亚晶界。 材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应
