《金属材料及热处理 01 固态相变篇课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属材料及热处理 01 固态相变篇课件（28页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、二、固态相变导论,2. 1 概述 2. 2 新相形核 2. 3 界面结构及其对新相形状的影响 2. 4 相变动力学 2. 5 小结,二、固态相变导论,（1)固态转变是金属材料热处理的依据,2. 1 概述,金属材料及热处理 2. 1 概述,热处理实质上是一个通过改变和控制外部环境来促使金属材料内部原子运动，发生原子聚集状态变化，从而获得所需组织，达到所需性能的过程。因此，热处理过程中材料性能变化的根源是固态转变。,固态转变（广义上）物质中原子或分子的聚集状态的变化过程,对于金属材料而言，主要包括： 晶体结构-Fe-Fe 化学成分原子扩散 有序化程度有序无序转变 能量转化表面能、应变能、界面能之间
2、的转化 ，等等。 通常，兼而有之。, （狭义上）晶体结构发生了变化的相变过程,即，固态相变,（2）固态相变的特点,固态相变的特点(一般规律),相同之处： 满足最小自由能原理； 相变驱动力使体系变化前后的自由能差，靠过冷（热）度获得； 都是一个形核长大过程。,相异之处： 由于发生在固体中，晶体中原子排列紧密，原子结合强，而且晶体中还存在晶体缺陷，固态相变也表现起独有的特征。,固态相变过程中可能出现亚稳定相,与液态金属结晶凝固相比较，有相同之处，也有相异之处, T,相变驱动力 ，但是，T,原子活动能力相变中止或缓慢，无法达到平衡。 相变阻力使之无法进行下去。,(a)过饱和固溶体 (b)GP区, ,
3、 ,金属材料及热处理 2. 1 概述,(c)马氏体,新相/母相相界，类似于晶界，可分共格、部分共格、非共格等三类,除了界面能外，应变能成为相变的主要阻力,比容增大/减小膨胀/缩收新相/母相应力体积应变能,比容不同体积应变能,共格相界 达到良好的配合新相/母相界面附近产生晶格畸变共格应变能,形成共格相界共格应变能,相变沿着阻力最小的途径进行，出现阶次规则,固态相变过程中常先出现形核功小的亚稳相，并且可能出现一系列亚稳相，逐渐演变成稳定相。,固态相变过程中，会以如下顺序逐渐向能量最低方向转化，以减小阻力 母相较不稳定的亚稳相较稳定的亚稳相稳定相 阶次规则,对于固溶体脱溶，称“脱溶序列”，如，Al(
4、Cu) GP区 (Al2Cu),并非固态相变都必须经历一个完整的序列，有时可以直接形成较稳定的相，有时可以永久地停留在较不稳定的相。 改变外界条件，控制相变过程,金属材料及热处理 2. 1 概述,初生新相的相界面多为共格，而后逐渐向非共格界面发展。,非均匀形核，晶核优先于晶体缺陷处形成,形核由难到易：均匀空位位错、层错晶界、相界自由表面 此外，局部应变区，夹杂物表面等都为固态相变易形核位置。,原因：（1）本身为高能结构，可提供能量起伏；（2）缺陷处原子排列混乱，可提供结构起伏；（3） 易产生原子偏聚，可提供成分起伏；（4） 沿着缺陷扩散阻力小，可提供原子运输容易通道 。,在无缺陷处均匀形核的情
5、形几乎没有,可以改变晶体缺陷的分布，来改变新相的分布,晶体生长有两种方式：改组式和移位式,改组式扩散型相变,移位式无扩散型相变,（马氏体相变）,（脱溶、珠光体转变等相变）,金属材料及热处理 2. 1 概述,新相/母相相界面共格程度、界面能和应变能三者与新相几何形状有着密切的关系,新相与母相之间存在一定的位向关系，且常在母相一定晶面上形成,金属材料及热处理 2. 1 概述,通常，表面能大而应变能小新相多呈球状 应变能大而表面能小新相多呈碟片状 表面能和应变能相当新相多呈针棒状,初生新相形状多呈碟片状或针棒状，但也有例外。如Al-Cu, Al-Sc,魏氏组织 (Fe-P、Fe-Ni、Cu-Si、C
6、u-Zn、Cu-Sn、Cu-Al、Al-Cu、Al-Ag、Ti-Cr以及其它许多合金系) 形貌：组织呈有规则的纹理状。新相在某些方向上特别发达，呈片或针，大体平行或呈一定的夹角 原因：新相沿惯习（析）面以共格或半共格界面初生，并沿阻力最小的低能方向茁壮生长，而后虽共格破坏，但组织形貌依然保留下来。 利弊：钢中通常有害，需防止。,相界能量最低，相变阻力最小初生新相/母相共格新相在母相一定晶面上形核，并沿一定的取向生长 位向关系: hkl新相 hkl母相(最(次)密排面); 新相 母相(最(次)密排方向) 惯习（析）面: hkl母相(最(次)密排面),深冲弹簧钢中的魏氏组织,LY12合金均匀化退火
7、铸锭中的魏氏组织,金属材料及热处理 2. 1 概述,分法很多，最常见是按原子迁移的情况来分：,扩散型相变（改组、重构、平民）,非扩散型相变（移位、切变、军队）,本课程中涉及的相变，除了马氏体相变，大多为扩散型相变，如沉淀（脱溶、析出）、珠光体转变、贝氏体转变（介于马氏体相变和珠光体转变之间的中间型相变）,新相生长时，母相中原子需长程扩散，散乱地跳跃通过相界，达到一定浓度，实现新相晶体重构，并通过扩散实现新相调整成分。,在原子无法实现扩散的条件下发生。新相生长时，母相中原子不需扩散，只以小于原子间距的距离相对位移，实现晶体集体切变，新相成分保留母相成分特点。,金属材料及热处理 2. 1 概述,金
8、属材料热及处理 2. 1 概述,2. 2 新相形核,金属材料及热处理 2. 2 新相形核,新相在母相中形核有两种情况：均匀形核（理想情况，任意随机地形核）不均匀形核（实际情况，在一些特别处形核）,均匀形核,（1）思路,过冷均匀母相中存在随机微区，达到能量、成分、结构起伏（涨落），达到一定过冷度后，有的起伏达到新相所要求的水平，则可发展胚芽，胚芽到达一定临界尺寸，可成为晶核，稳定长大。 晶核临界尺寸 临界形核功达到临界尺寸晶核时的能量,（2）能量分析,相变驱动力：体系自由能差-GV（单位体积的, -Gv） 相变阻滞因素： 界面能GS （单位面积的,） 化学界面能，结构界面能 弹性应变能GE（单位
9、体积的,Ge ） 比容应变能，共格应变能 G -GV+GE + GS,（3）晶核临界尺寸与临界形核功,G -GV+GE + GS -VGv+VGe + S -4r3/3Gv+ 4r3/3 Ge + 4r2 （1）,假设晶核呈球形,令 G /r 0，则晶核临界尺寸rC有，,rC 2 /（ Gv -Ge ） （2）,将式（2）代入式（1），则临界形核功GC有，,若Ge和一定， rC 1/Gv 1/T 过冷度越大， rC越小，易形核,在晶体缺陷处不均匀形核，缺陷提供能量Gd ， 则， rC 2 /（ Gv+ Gd - Ge ） （3） 在晶体缺陷处形核， rC越小，易形核,推 论,Gc S /3 1
10、6 3 /(3(Gv- Ge )2 （4）,若Ge和一定， Gc 1/Gv 2 1/T 2 Gc越小，易形核,在晶体缺陷处不均匀形核，缺陷提供能量Gd ， 则， GC 16 3 /（ 3( Gv+ Gd - Ge )2 ） （5） 在晶体缺陷处形核， GC越小，易形核,推 论,金属材料及热处理 2. 2 新相形核,2. 3 界面结构及其对新相形状的影响,（1）相界面结构,相界面类型与能量分析,完全共格相界界面两侧成分有差异（化学项a ），晶格耦合好，结构差别小（结构项0），有晶格畸变（比容项c 、共格项d ）,部分共格相界介于完全共格相界和非 共 格 相 界之间,非 共 格 相 界界面两侧成分
11、有差异（化学项a ），晶格耦合不好，结构差别大（结构项b），有晶格畸变（比容项c 、但共格项0 ）,界面能完全共格 部分共格 非 共 格，以完全共格相界的最小,应变能Ge完全共格 Ge部分共格 Ge非 共 格，以非共格相界最小,推 论,新相以共格相界存在，需重点降低应变能，且重点降低共格项，而以非共格相界存在，需重点降低界面能，且重点降低结构项，,金属材料及热处理 2. 3 界面结构及其对新相形状的影响,（2）新相相界面类型选择,体系能量分析,对比完全共格相界和 共格相界两种情形，根据能量最小原理，确定相界面类型选择。,新相形成时，随着新相长大， GS S，而GE VGe,根据Rusell公式
12、，可知，共格弹性应变能与弹性模量和错配度有如下关系， Ge 3/2（E2）, 而 |a- a |/ a ，这里，a，a为晶格常数。,假设新相为盘状，如图所示, r/t A，A横纵比，=恒量,对比非共格界面，若新相以共格界面存在，化学项 a ，比容项c ，结构项0，只需考察共格项d GE VGe3/ 2 (At)2t（E2）C1t3,若新相以非共格界面存在，只需比较界面能， GS S（2(At)2+2(At) t） C2t2,故，以共格界面形核长大，则能量呈t3变化；,故，以非共格界面形核长大，则能量呈t2变化。,金属材料及热处理 2. 3 界面结构及其对新相形状的影响,因此，存在一个临界尺寸t
13、c，新相初生成时，界面通常为共格的，随着长大，共格破坏，过渡成部分共格的，后期则为非共格的。 有例外，如Al-Sc， tc,界面类型选择,（2）新相形状,新相的基本形状可分为:球、针、盘，（其它可以分解为这三种基本形状）,界面能起主要作用时，球化，以降界面能新相较大，非共格界面，需降界面能，球化； 应变能起主要作用时，呈盘形，以降应变能新相小，共格界面，需降应变能，呈盘，同时也易保持共格关系； 界面能核应变能的作用相当时，呈针形，以降整体能量脱溶时过渡亚稳相生长，部分共格界面，呈针棒形，尤其是在各向异性材料中 。,理论上，新相初生时，多呈盘碟，随后逐渐向球形过渡，但实际上，影响因素复杂；多有例
14、外，Al-Ag （球）， Al-Sc（球）；另外，不同合金系的GP区可能为盘、针、球。,金属材料及热处理 2. 3 界面结构及其对新相形状的影响,2. 4 相变动力学,金属材料及热处理 2. 4 相变动力学,解决相变速率问题，在时间上的可行性和现实性。（热力学从能量角度分析相变的可能性）,通常，影响相转变量的外因很多，这里只考察温度和时间。,（1）恒温条件下相转变量随时间的变化关系,J-M方程相变动力学的基本方程（关系）式,J-M方程的推导：,假设：均匀形核； 恒温下形核率 恒温下生长速率 相变过程中母相浓度不变,这里，时间从孕育期后算起。,金属材料及热处理 2. 4 相变动力学,推导：,在t
15、时刻，,新相晶粒尺寸,若新相为球形，则其体积为，,设母相总体积V0 ，在t时刻，有Vt转变，还剩有V0 Vt， 而在t时刻到t+dt时刻，新相增加dVt ，,两侧同除V0 ，令Xt= Vt / V0 ，则有，,解微分方程 ，,可得，,J-M方程,考虑孕育期 ，,四个假设不合实际，Avrami总结实验，修正，得，,等温相变动力学曲线（S曲线）,J-M-A(-K)方程相变动力学的基本方程（关系）式,由J-M- A(-K)方程可得，,物理解释：（略）,金属材料及热处理 2. 4 相变动力学,（2）相转变速率随相变温度的变化关系,对于冷却转变，,式中Gc形核功； Q 相变激活能,形核率,随着温度升高，形核率先升后降，在某个温度下存在一个极大值。 低温，驱动力大，形核功小，但原子活动能力大；高温，驱动力小，形核功大，但
