第二章金属固态相变基础课件

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1、第一章 金属学基本概念 及固态相变概论,一 金属学基本概念 二 二元合金相图 三 金属固态相变概论,金属 具有不透明、金属光泽、导热和导电性并且其导电能力随温度的增高而减小，富有延展性等特性的物质。金属内部原子具有规律性排列的固体。 原子尺度的结构 主价键：离子键，共价键，金属键 次价键：范德瓦尔斯键（分子键）,一、基本概念,晶体：晶体是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体，即晶体是具有格子构造的固体。 晶格：为了描述晶体的结构，把构成晶体的原子当成一个点，再用假想的线段将这些代表原子的各点连接起来，就绘成了所表示的格架式空间结构。这种用来描述原子在晶体中排列的几何空间格架，称为晶格；排有

2、结构粒子的这些点叫做晶格的结点。 晶胞：由于晶体中原子的排列是有规律的，可以从晶格中拿出一个完全能够表达晶格结构的最小单元，这个最小单元就叫作晶胞。,晶体按其内部结构可分为七大晶系和14种晶格类型。其中常见的有体心立方、面心立方、密排六方等晶体结构。 实际上理想的晶体结构是不存在的，事实上，晶体都总是或多或少存在某些缺陷，可能存在空位、间隙离子、取代离子、位错等缺陷。,表1-1 布拉菲点阵的结构特征（table1-1 the structural feature of Bravais lattice ）,FCC-Fe, Al, Cu, Ag, Au, Ni,BCC Cr, -Fe, W, Mo

3、, V, -Ti,HCP Mg, Zn, Cd, -Ti, -Co,晶向指数的确定：将坐标原点选在OP的任一结点O点，把OP的另一结点P的坐标经等比例化简后按X、Y、Z坐标轴的顺序写在方括号 内，则uvw即为OP的晶向指数。,晶向： 点阵可在任何方向上分解为相互平行的直线组，位于一条直线上的结点构成一个晶向。,晶面：晶体点阵在任何方向上分解为相互平行的结点平面称为晶面，即结晶多面体上的平面。 晶面指数：结晶学中经常用（hkl）来表示一组平行晶面，称为晶面指数。数字hkl是晶面在三个坐标轴（晶轴）上截距的倒数的互质整数比。,晶体缺陷分四类： 点缺陷： 只在某些位置发生，只影响邻近几个原子。 例如

4、空位、间隙原子、杂质原子等。 线缺陷： 集中表现形式是位错，刃型位错和螺型位错，可被 电镜观察到。 面缺陷： 晶界和亚晶界，可被光学显微镜观察到。 体缺陷：如镶嵌块，沉淀相，空洞，气泡等。,合金：由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特性的物质。 相：指金属或合金中化学成分相同、晶格结构相同，或原子聚集状态相同，并与其他部分之间有明确界面的独立均匀组成部分。 组织：组织是指用肉眼可直接观察的，或用放大镜、显微镜能观察分辨的材料内部微观形貌图像。,固溶体：固溶体是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换

5、固溶体两种。 固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。,金属化合物： 合金组元件发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化合物。 机械混合物 机械混合物 由纯金属、固溶体、金属化合物这些合金的基本相按照固定比例构成的组织称为机械混合物。,铁素体 碳在-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙固溶体。,奥氏体晶体结构,奥氏体 碳在-Fe（面心立方结构的铁）中的间隙固溶体。,渗碳体： 碳 和 铁 形成的稳定化合物 Fe3C,珠光体显微组织,珠光体 铁素体和渗碳体组成的机械混合物 （Fe+Fe3C 含碳0.77%）,莱氏体 渗碳

6、体和奥氏体组成的机械混合物（含碳4.3%）。,二、二 元 合 金 相 图,相图:,相图就是表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图，也称为平衡图或状态图。 合金在极其缓慢冷却条件下的结晶过程，一般可认为是平衡结晶过程。 在常压下，二元合金的相状态决定于温度和成分，二元合金相图可用温度-成分坐标系的平面图来表示。,铜镍二元合金相图，,铜镍二元合金相图，是一种最简单的基本相图：。横坐标表示合金成分（溶质的质量百分数），左右端点分别表示纯组元（纯金属）和，其余的为合金系的每一种合金成分，如C点的合金成分为含20,含80。坐标平面上的任一点称为表象点表示一定成分的合金在一定温度时

7、的稳定相状态。,二元合金的杠杆定律,因该式与力学的杠杆定律相同，所以称为二元合金的杠杆定律。杠杆定律只适用于相图中的两相区，即只能在两相平衡状态下使用。,2、匀晶相图 两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶，冷却时发生匀晶反应，称为匀晶系并构成匀晶相图。例如Cu-Ni、Fe-Cr合金相图等。,枝晶偏析示意图,固溶体结晶时成分是变化的，冷却时由于原子的扩散充分进行，形成的是成分均匀的固溶体。如果冷却较快，原子扩散不能充分进行，则形成成分不均匀的固溶体。先结晶的树枝晶轴含高熔点组元（Ni）较多，后结晶的树枝晶枝干含低熔点组元（Cu）较多。结果造成在一个晶粒之内化学成分的分布不均,这种现象称为枝晶偏

8、析. 生产上为了消除其影响，常把合金加热到高温（低于固相线100左右），并进行长时间保温，使原子充分扩散，获得成分均匀的固溶体。这种处理称为扩散退火。,3、共晶相图 两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶，冷却时发生共晶反应的合金系，称为共晶系并构成共晶相图,如Pb-Sn相图。,d点为共晶点，表示此点成分（共晶成分）的合金冷却到此点所对应的温度（共晶温度）时，共同结晶出c点成分的相和e点成分的相。 由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫做共晶反应。所生成的两相混合物（层片相间）叫共晶体。,4、共析相图 如图所示，下半部分为共析相图，形状与共晶相图相似。d点成分（共析成分）的合金（共析合金）

9、从液相经匀晶反应生成相后，继续冷却到d点温度（共析温度）时，发生共析反应，共析反应的形式类似于共晶反应，而区别在于它是由一个固相（相）在恒温下同时析出两个固相（c点成分的相和e点成分的相），两相的混合物称为共析体(层片相间) 。,共析反应是在固态下进行的，所以共析产物比共晶产物要细密的多。,5、铁碳相图,铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图。 铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。 不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，FeFe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。 由于-Fe和-Fe晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。 从某种意义上讲，铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研

10、究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。,在铁碳合金中一共有三个相,即铁素体,奥氏体和渗碳体.但奥氏体一般仅存在于高温下,所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相,就是铁素体和渗碳体.由于铁素体中的含碳量非常少,所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中，这一点是十分重要的。,铁碳相图,1.上半部分-共晶转变 在1148,4.3%C的液相发生共晶转变；转变的产物称为莱氏体,用符号Ld表示。 2.下半部分-共析转变 在727,0.77%的奥氏体发生共析转变: 转变的产物称为珠光体。,水平线ECF为共晶反应线. 水平线PSK为共析反应线，亦称A1线.

11、GS线是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线, 通常称A3线. ES线是碳在A中的固溶线, 通常叫做Acm线.,固态相变理论是是热处理的理论依据和实践基础。例如，马氏体相变可使钢淬火强化；过饱和固溶体分解使合金时效强化等。因此，研究固态相变有重要的实际意义。 本章节将扼要介绍金属固态相变的主要类型、特点以及形核与长大方面的基本知识。,三 金属固态相变概论,相： 体系中具有相同成分、结构和性质的均匀部分 称为相，不同相之间有明显的界面分开。 相变： 随外界条件的变化(温度)，体系中新相取代 旧相的过程。 固态相变： 固态金属及合金在温度及压力改变时， 组织及结构发生的变化,3.1 金属固态相变

12、的主要类型,1.按平衡状态图分类 (1)平衡转变： 固态金属在缓慢加热或冷却时发生的能获得符合相图所示平衡组织的相变。 同素异构转变和多形性转变 平衡脱溶沉淀,固溶体,纯金属,共析相变 如珠光体转变。由一个固相分解为两个固相的转变。 调幅分解 1+ 2 高温合金单相固溶体在冷却到某一温度分解为两个结构相同 成分不同两相 有序化转变 无序 有序 原子在晶体中相对位置由无序到有序转变，使其电、磁、物理、机械性能变化。 如：Cu-Zn,Cu-Au ,Mn-Ni ,Fe-Ni ,Ti-Ni合金等。,(2)不平衡转变,不平衡转变：固态金属在快速加热和冷却时，由于平衡相变受到抑制，可能发生某些不平衡转变而

13、得到在相图上不能反应的不平衡组织。,不平衡转变 伪共析相变 马氏体相变 贝氏体相变 不平衡脱溶转变(时效), + ,2. 按原子迁移情况分类 （1）扩散型相变 温度足够高、原子活动能力足够强、时间足够长情况下发生的相变。 特点： 相变过程有原子扩散，相变速率受原子扩散速度控制； 新、旧相成分不同； 新、旧相比容不同引起体积变化，但宏观形状不变。 如：同素异构转变、脱溶转变、共析转变、调幅分解、 有序化转变、珠光体转变等,（2）非扩散型相变 相变过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子运动是协调一致的。原子只作有规则的迁移以使晶体点阵重组，原子迁移范围有限不超过一个原子间距。 如：淬火马氏体相变

14、 特点： 存在均匀切变引起宏观变形； 相变无扩散，新、旧相化学成分相同； 新、旧相之间存在一定晶体学取向关系； 相变速度快。,3.按相变方式分类 (1)有核相变 形核-长大方式进行相变。 (2)无核相变 条件：可以以成分起伏或能量起伏为开始，直接长大形成新相过程。 如：调幅分解以成分起伏为开始，进行上坡扩散，形成两个成分不同的新相； 马氏体相变以能量起伏为开始，靠共格切变直接长大形成新相过程。,相变的实质：是相结构、成分或有序化程度发生变化， 相变可以兼有上述相变类型的一种或几种。 如：马氏体相变 是非扩散相变、 （新旧相成分相同、结构不相同） 珠光体相变 是扩散相变、 （新旧相成分不相同、结

15、构不相同）,非平衡相变、,无核相变；,小结：,3.2 金属固态相变主要特点 1.相界面特殊（新相和母相间存在不同的界面） (1)共格界面 新、旧相的晶体结构、点阵常数相同；或有差异但存在一组特定晶体学平面可使两相原子之间产生完全匹配。,旧相,新相,特点：界面能小，弹性畸变能大,(2)半共格界面 新、旧相之间存在少量位错，除此之外的晶体结构和点阵常数均能使两相原子之间产生完全匹配。,新、旧相间错配度 =|-|/,小0.05 共格关系,大0.050.25 半共格关系,很大0.25 非共格关系,(3)非共格界面 新、旧相界面处原子排列差别很大,两原子之间匹配关系不再维持,为非共格界面。,特点：界面能

16、大，弹性畸变能小,界面能：非共格半共格共格 弹性畸变能：非共格半共格共格,2. 新旧相之间存在一定取向关系与惯习面 新、旧相之间存在一定取向关系,并且新相往往在旧相的一定晶面上开始形成,这个晶面称为惯习面. 惯习面和取向关系的区别： 惯习面指母相的某一主平面； 取向关系指新相的某些晶面、晶向旧相的某些晶 面、晶向 若两相间为（半）共格界面 但反过来不成立 若无取向关系,有取向关系,必为非共格界面,3. 相变阻力大（弹性应变能作用） 相界面上原子强制匹配引起的共格应变能 共格半共格非共格 新、旧相比容差应变能 弹性应变能和界面能共同构成金属发生固态相变的阻力,新相形状与弹性应变能之间关系,4.晶体缺陷的作用 晶态固体中的空位、位错、晶界等缺陷周围因点阵畸变而储存一定的畸变能。新相极易在这些位置非均匀形核。它们对晶核的长大过程也有一定的影响。 通