固态相变课件1-中欧学院

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1、固 态 相 变 Solid Phase Transformation“金属固态相变教程”第一章 钢中奥氏体形成 3学时 第二章 珠光体转变 6学时 第三章 马氏体转变 6学时 第四章 贝氏体转变 6学时 第五章 过冷奥氏体相变动力学 3学时 第六章 淬火钢在回火时的转变 6学时刘宗昌等编著，冶金工业出版社，2003http:/202.121.199.249/netcourse/ptss绪 论 Introduction 一、固态相变的概念 固态金属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，这种改变称为固态相变。 旧相或母相 新相 差别在于：晶体结构

2、、化学成分、界面能、应变能二、学习固态相变课程的意义 固态相变理论是金属材料工程专业的必修内容，极为重要，是从事金属 材料工程的科技人员手中的一把钥匙。 “不懂金属固态相变，就等于不懂金属材料”， 金属固态相变理论课是金属材料工程专业的核心课程之一，是从基础课 学习过渡到专业课学习的桥梁。 三、金属固态相变的分类1、按热力学分类 p4-5. 一级相变：在相变温度下，两相的自由能及化学位 均相等。 二级相变：相变时，化学位的一级偏导数相等，但二级偏导数不等，则称为二级相变。2、按平衡状态分类 p1. 平衡相变：在极为缓慢的加热或冷却的条件下形成 符合状态图的平衡组织的相的转变，属于平衡转变。 同

3、素异构转变（纯金属）和多型性转变（固溶体 ） 平衡脱溶沉淀 在高温相中固溶了一定量合金元素,当温度降低时 溶解度下降,在缓慢冷却的条件下,过饱和固溶体将 析出新相,此过程称为平衡脱溶. 共析转变和包析转变 调幅分解 有序化转变 “平衡状态图” Fe-Fe3C相图 GSE线以下 室温组织 相变点非平衡相变 在非平衡加热或冷却条件下,平衡转变受到抑制,将 发生平衡图上不能反映的转变类型,获得不平衡组 织或亚稳状态的组织. 伪共析（珠光体转变） 马氏体转变 贝氏体转变 不平衡脱溶沉淀 块状转变3、按原子迁移情况分类 扩散型转变 无扩散型转变4、按相变方式分类：有核相变，无核相变同一种金属材料在不同条

4、件下可以发生不同的相变，从而 获得不同的组织和性能。 共析钢平衡转变后具有珠光体组织，硬度约为HRC23；若 快冷转变为马氏体，则硬度可达到HRC60以上 具有平衡组织的Al4Cu合金，抗拉强度仅为150Mpa；若 使之发生不平衡脱溶沉淀后，抗拉强度可达到350Mpa。 改变加热或冷却条件，使材料组织发生某种转变，可在很大 程度上改变性能四、金属固态相变的特点1、概念界面：共格、半共格、非共格（界面原子错配度） 惯习面：与新相主平面或主轴平行的旧相晶面 位向关系：新、旧相某些低指数晶面、晶向的对应平行关系。弹性应变能：金属发生固态相变时，新、旧相的比容一般不会 相同，故转变时必将发生体积变化，

5、由于受到周围旧相约束， 新相不能自由胀缩，因此，新相与周围的旧相之间必将产生弹 性应变和应力，使系统额外地添加了弹性应变能。晶内缺陷：空位、位错、晶界促进固态相变2、固态相变的形核与长大p12a 均匀形核 若晶核在母相内无择优地任意均匀分布，称为均匀形核。b 非均匀形核 晶界形核；位错形核；空位形核 总之，母相中存在的各种晶体缺陷均可作为形核位置，晶体缺陷所储存 的能量可使形核功降低，形核容易。 形核三大条件：浓度起伏，能量起伏，结构起伏c 晶核长大 成分不变协同型转变长大；成分不变非协同型转变长大无扩散 成分改变的非协同型转变的长大体扩散控制；界面控制第一章 钢中的奥氏体 Transform

6、ing Mechanism of Austenite第一节 奥氏体(A)的结构，组织与性能 P.36 1.结构:为碳溶解在-Fe中的间隙固溶体(如图1-1-1)，碳原子位于-Fe八面体中, 即面心立方点阵晶胞的中心或棱边的中心。 2.组织: 通常情况下为多边形等轴晶粒。这种形态也称为颗粒状。 3.性能: 奥氏体硬度低，比容小，塑性好，具有顺磁性.第二节 奥氏体的形成(原始组织为平衡态组织时的加热转变)一、奥氏体形成的热力学条件Gv = GA -GP A1(727)， A1即奥氏体转变临界点；实际转变温度与临界 点A1之差称为过热度；过热度越大，驱动力也越大，转变也越快。二、奥氏体核的形成 以共

7、析碳钢的等温形成奥氏体为例，可用下列式子表示(括号 中F为铁素体): 珠光体 P ( F + Fe3C )奥氏体A , 含碳量: 0.02% ， 6.67% 0.77 结构: 体心立方，复杂斜方1、形核位置 （a）F/Fe3C界面； （b）珠光体团交界处； （c）先共析F/珠光体团交界处。2、在上述位置满足三个起伏 （a）界面上存在浓度和结构起伏； （b）界面存在缺陷，能量高，提供能量起伏； （c）有Fe3C溶解后的碳原子补充。3、有时在铁素体内部也能形核，只要满足: （a）温度高，提供足够的相变驱动力； （b）有嵌镶块，提供足够的浓度条件和晶核尺寸。三、奥氏体核的长大奥氏体核的长大是依靠碳原

8、子的扩散、奥氏体(A) 两侧界面向铁素体(F)及渗碳体(Cm)推移来进行的。1、碳原子在奥氏体中的扩散 由图中所示, 设在温度t1,在F与Cm交界面形成A核。由于A晶核中与F交界处 C含量CA-F AC1 及 TAC3 ： F + P F + A A实验得到的动力学如图。. 3、影响奥氏体转变速度的因素(1) 温度T, I, V，形核与长大速度均增大，转变速度均增大。相界面愈多, 形核部位多, 易于形核。(2) 原始组织愈细，片层薄, 扩散距离小, A中浓度梯度大, 易于扩散转变，速度加快。2. 过共析钢过共析钢的原始组织为Fe3C +P，加热后的转变如下: TAC1 及 TAcm：Fe3C

9、+ P Fe3C + AA 实验得到的动力学图如图。3. 在AC3(Acm)以上, 亚(过)共析钢中的先共析组织转变（a）通过碳原子在A中扩散而进行的.（b）不形成新核，是通过原有奥氏体向先共析组织长 大而完成.第四节 奥氏体晶粒长大及其控制一、奥氏体晶粒度 可用晶粒直径、单位面积中的晶粒数等方法来表示晶粒大 小。生产上用晶粒度N表示晶粒大小，可由下式求出:n = 2N - 1其中: n为放大100倍时，1平方英寸上的晶粒数。晶粒越细，n越大, N越大。1平方英寸=0.00064516平方米加热转变终了时所得A晶粒度称为起始晶粒度；(一般，分等级晶粒度, 14为粗, 58为细, 8级以上为超细

10、.)。冷却开始时A晶粒度称为实际晶粒度。二. A晶粒长大1.长大现象 在加热转变中, 保温时间一定 时，随保温温度升高，A晶粒 不断长大，称为正常长大。 如图中曲线1。在加热转变中, 保温时间一定 时，随保温温度升高，A晶粒 长大不明显,必须当温度超过 某一定值后,晶粒才随温度升 高而急剧长大，称为异常长 大，如图中曲线2。2.长大驱动力 A晶粒的长大是通过晶界的迁移而实行的，晶界迁移的驱 动力来自界面自由能的降低。对于球面晶界，当其曲率半 径为R，界面能为，指向曲率中心的驱动力P为: P = 2/R 可见: R, P; R = , P = 0. 也即晶粒曲率半径越小 , 长 大驱动力越大.

11、当半径无穷大或为平直界面时, 驱动力为零。 曲率半径：曲线上某一点找到与它内切的圆，这个圆的半径 即为曲率半径。3.正常长大 晶界在驱动力P推动下匀速前进，由经典力学可导出: DA = K exp(-Q/KT) 其中，DA 为长大中A晶粒平均直径，K为常数, 为时 间，Q为Fe的自扩散激活能. 可见在一定温度T, 随时间 , DA.4. 异常长大(1)第二相小颗粒的晶界钉扎作用 用Al脱氧或含Nb、Ti、V的钢，在晶界上会存在这些元素的碳氮 化合物粒子，一个粒子可使A晶界面积减少 r2 ( r 为小粒子半 径)。当晶界在驱动力作用下移动时，将使A晶界与这些粒子脱 离从而使A晶界面积增大,界面能

12、增高。 粒子对晶界有钉扎作用，当粒子半径r愈小，体积分数f愈大，对 晶界移动的阻力就愈大。（本质细晶粒钢、本质粗晶粒钢）(2)异常长大的原因 由于温度T升高，第二相颗粒(碳氮化合物)的溶解，使阻力F =0，而此时驱动力P却很大，故晶粒急剧长大。三.影响A晶粒长大的因素 凡提高扩散的因素，如温度、时间，均能加快A长大。 第二相颗粒体积分数f增大；提高起始晶粒度的均匀性与促使晶 界平直化均能降低驱动力，阻碍A长大。第一章习题(1) 奥氏体是碳溶解在_中的间隙固溶体. (a)-Fe (b)-Fe (c)Fe (d)立方晶系 (2) 奥氏体形成的热力学条件为奥氏体的自由能_珠光体的自由能. （a）小于

13、 （b）等于 （c）大于 （d）小于等于 (3) 奥氏体的形核位置为F/Fe3C界面, 珠光体团交界处及_交界处. （a）F/F （b）Fe3C/F （c）Fe3C/Fe3C （d）先共析F/珠光体团 (4) 奥氏体核的长大是依靠_的扩散, 奥氏体(A)两侧界面向铁素体(F)及渗碳体(C)推移来进 行的. （a）铁原子 （b）碳原子 （c）铁碳原子 （d）溶质原子 (5) 由铁碳相图可知, CA-F_CA-C, 碳原子向F一侧扩散, 有利于A的长大. (a) (c) (d) = (6) 渗碳体转变结束后, 奥氏体中碳浓度不均匀, 要继续保温通过碳扩散可以使奥氏体_. (a) 长大 (b) 转变

14、 (c) 均匀化 (d) 溶解 (7) 碳钢奥氏体的形核与形核功_的扩散激活能有关. (a) 碳 (b) 铁 (c) 溶质原子 (d) 溶剂原子 (8) 奥氏体的长大速度随温度升高而_. (a) 减小 (b) 不变 (c) 增大 (d) 无规律 (9) 影响奥氏体转变速度的因素为_ (a)温度 (b)原始组织转变 (c)奥氏体晶粒度 (d)温度及原始组织粒度. (10) 亚共析钢在AC3下加热后的转变产物为_. (a) F (b) A (c) F+A (d) P+F (11) 过共析钢在ACm下加热后的转变产物为_. (a) Fe3C (b) Fe3CII (c) Fe3CII+A (d) A

15、 (12) 亚共析钢的先共析铁素体是在_以上向奥氏体转变的. (a) AC1 (b) T0 (c) A1 (d) AC3(13) 连续加热的奥氏体转变温度与加热速度有关.加热速度逾大, 转变温度_, 转变温度 范围越大, 奥氏体_. (a)愈低, 愈均匀 (b)愈高, 愈不均匀 (c)愈低, 愈不均匀 (d) 愈高, 愈均匀 (14) 加热转变终了时所得A晶粒度为_. (a)实际晶粒度 (b)本质晶粒度 (c)加热晶粒度 (d).起始晶粒度 (15) 在加热转变中, 保温时间一定时, 随保温温度升高, A晶粒不断长大, 称为_. (a)正常长大 (b)异常长大 (c)均匀长大 (d)不均匀长大 (16) 在加热转变中, 保温时间一定时,必须当温度超过某定值后, 晶粒才随温度升高而急剧长 大, 称为_. (a)正常长大 (b)异常长大 (c)均匀长大 (d)不均匀长大 (17) 温度一定时, 随时间延长,