原理固态相变动力学

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1、第四节 固态相变动力学 1、固态相变的速率 相变动力学通常是讨论相变的速率问题，即描述在恒温条件下相变量与时 间的关系。相变动力学决定于新相的形核率和长大速率。在新相彼此接触之前，新相晶核的长大线速率往往是恒定的，因此新相晶 核半径R与时间t之间近似为直线关系，可用下式表示： R = G(t ) 若能确定新相晶核的数目，可计算在 t时间内新相的转变量。设I为新相晶 核的形核率，V0为试样的总体积，V为已转变的新相体积，（V0V）则为未转 变的体积。显然，在dt时间内形成的新相晶核数目n为：n = I (V0 V ) dt 在dt时间内已转变的新相体积 V为： 第四节 固态相变动力学 由于未转变

2、的体积（V 0V）是随时间变化的，难以确定，所以无法采用 上式进行直接计算。一般用试样的总体积V 0来取代上式中的未转变体积（V 0 V），则得到在 dt 时间内形成的新相公称晶核数目 ne为：ne = I V 0 dt 同样，在dt时间内已转变的新相公称体积Ve为：为方便起见，可改用已转变的新相公称体积分数 X e来表述，即： 第四节 固态相变动力学 采用数学方法可将新相公称体积分数Xe与新相实际体积分数X 联系起来。由于在任一dt时间内，不管是实际晶核或是公称晶核，每一个晶核的体积是相 同的，设新相晶核在整个基体中任意形成，晶核长大线速率G 和形核率I 均为常数，而 小至可忽略不计，则有：

3、（公式1） 上式常称为 Johnson-Mehl方程，可应用于服从四个约束条件（即任意形核 、I为常数、G 为常数和 很小）的所有相变。 第四节 固态相变动力学 针对公式 1中不同 G 和 I 值（实际是不同温度）而绘出的新相转变体积分数与时间的关系曲线（相变动力学曲线）如下图a 所示。这些相变动力学曲线 均呈 S 形，即相变初期和后期的转变速度较小，而相变中期的转变速度最大，具有形核和长大过程的所有相变均具有此特征。应当指出，固态相变时尽管长大速率可以看作常数，但形核率并不是常数 （因为许多固态相变往往是晶界等处优先形核，而不是任意形核，故形核率是 变化的），因此，公式1是不严格的，而应改用

4、如下由 Avrami提出的经验方程 式。式中K和 n 均为系数，K决定于相变温度、母相成分和晶粒大小；n决定于相变的类型（其数值一般在1至4之间），大多数固态相变的实验数据均与 Avrami方程式符合较好。 第四节 固态相变动力学 第四节 固态相变动力学 将上图 a中的实验数据改绘成时间（Time）-温度（Temperature）-转变量 （Transformation）的关系曲线，则如上图 b 所示，得到一般常用的“等温转 变曲线”，亦称“TTT 曲线”或称等温转变图、TTT 图） 由于该图中的曲线常 呈“C”字 形，所以又称为“C 曲线”。这是扩散型相变典型的等温转变曲线 。由曲线可清楚地

5、看出： 某相过冷到临界点以下某一温度保温时，相变何时开始？何时转变量达 50？何时转变终止？ 相变速率最初是随温度下降而逐渐增大，达到一最大值后又逐渐减小。 第四节 固态相变动力学 2、钢中过冷奥氏体转变动力学 奥氏体是高温稳定相，若冷却至临界点（A3或A1）以下就不再稳定，一般称为过冷奥氏体。钢的过冷奥氏体转变就是一个与温度和时间（或冷却速度）相关的过程。1）过冷奥氏体等温转变动力学将奥氏体迅速冷却到临界点以下某一温度等温保持，在等温过程中发生的相变称为过冷奥氏体的等温转变。过冷奥氏体等温转变图（TTT 曲线）可以综合反映过冷奥氏体在不同过冷度下的等温转变过程：转变开始和终了时间、转变产物的

6、类型以及转变量与温度和时间的关系等等。 第四节 固态相变动力学 第四节 固态相变动力学 奥氏体等温转变图的形状象英文字母C，因此称“C”曲线或“TTT”图。 “C”曲线有、五条线：三个转变区即珠光体、贝氏体和马氏体转变区；五条线即A1线、第一条“C”曲线（奥氏体转变(P、B)开始线）、第二条“C”曲线（奥氏体转变(P、B)终了线）、Ms线和 Mf线。a)过冷奥氏体等温转变图的建立膨胀法、磁性法、电阻法、热分析法、金相法。第四节 固态相变动力学 b)奥氏体等温转变图的基本类型由于各种合金元素的不同影响，TTT曲线的形状是多种多样的。一般“C” 曲线的类型有六种，它们分别为：第一种类型：具有单一的

7、“C”形曲线。碳钢以及含有 Si、Ni、Cu、Co等合金 元素的钢均属于此种，其鼻尖温度约为 500 600。实际上是由两个邻近的 C 曲线合并而成（如图中虚线所示），在鼻尖以上等温时，形成珠光体，在鼻 尖以下等温时，形成贝氏体。 第四节 固态相变动力学 第一种类型：具有单一的“C”形曲线（两个C 曲线合并为一个C曲线） 第四节 固态相变动力学 第二种类型和第三种类型：曲线呈双“C”形。若钢中加入能使贝氏体转变温度范围下降，使珠光体转变温度范围上升的 合金元素（如Cr、Mo、W，V等）时，则随合金元素含量增加，珠光体转变曲线 与贝氏体转变曲线逐渐分离。当合金元素含量足够高时，两曲线将完全分开，

8、在珠光体转变和贝氏体转变之间出现一个过冷奥氏体稳定区。若加入的合金元素不仅能使珠光体转变与贝氏体转变分离，而且能使珠光体转变速度显著减慢，但对贝氏体转变速度影响较小时，则得到第二种等温转 变图；反之，若加入的合金元素能使贝氏体转变速度显著减慢，而对珠光体转变速度影响不大时，则得到第三种等温转变图。 第四节 固态相变动力学 第二种类型C曲线 第三种类型C曲线 第四节 固态相变动力学 第四种类型：只有贝氏体转变的 C曲线。在含 Mn、Cr、Ni、W、Mo量高的低碳钢中， 扩散型的珠光体转变受到极大 阻碍，因而只出现贝氏体转变的 C曲线 。第五种类型：只有珠光体转变的 C曲线。常出现于中碳高铬钢中。

9、 第六种类型：在 MS点以上整个温度区间内不出现 C曲线。这类钢通常为奥氏体 钢，高温下稳定的奥氏体组织能全部过冷至室温。 第四节 固态相变动力学 第四种类型C曲线 第五种类型C曲线第四节 固态相变动力学 C)TTT 曲线的影响因素 (1)合金元素的影响 合金元素对 TTT曲线的影响最大。一般来说，除 Co和 Al以外的合金元素 均使 TTT曲线右移，即增加过冷奥氏体的稳定性。各种合金元素对 TTT曲线的 影响于下图所示。但是，合金元素的作用大小还与其在奥氏体中的溶解状态、 形成的碳化物状态、奥氏体化温度、合金元素含量以及多种合金元素的相互作 用等因素有关。（2)奥氏体晶粒尺寸的影响由于珠光体

10、转变的形核位置主要是奥氏体晶界，奥氏体晶粒细小时，其晶 界总面积增大，有利于形核，从而促进转变，使珠光体转变曲线左移。而贝氏 体转变时形核位置可以在晶界，也可以在晶内，所以奥氏体晶粒尺寸对贝氏体 转变的影响较小。 第四节 固态相变动力学 合金元素对过冷奥氏体等温转变图的影响 第四节 固态相变动力学 （3）原始组织、加热温度和保温时间的影响 工业用钢在相同加热条件下，原始组织越细小，所得到的奥氏体成分越均 匀，冷却时新相形核及长大过程中所需的扩散时间越长，TTT曲线因此右移，并 且 Ms点下降。当原始组织相同时，提高奥氏体化温度、延长奥氏体化时间，将 促使碳化物溶解、奥氏体成分均匀和奥氏体晶粒长

11、大，导致 TTT曲线右移。 （4）奥氏体塑性变形的影响 奥氏体的塑性变形会显著影响珠光体转变动力学。一般来说，形变量越大 ，珠光体转变孕育期就越短，即加速珠光体转变。形变加速珠光体转变的原因可分为三种情况： 相变前形变奥氏体处于 完全再结晶状态时，其原因是再结晶细化了奥氏体晶粒；相变前形变奥氏体 处于加工硬化状态时，其原因是形变促进了晶界与晶内（如滑移带、孪晶）形 核；相变前形变奥氏体中析出大量细小的形变诱发碳化物时，其原因是形变 诱发碳化物促进了珠光体的晶内形核。 第四节 固态相变动力学 3、过冷奥氏体连续冷却转变图TTT 曲线可以直接用来指导等温热处理工艺的制订。但是实际热处理常常 是在连

12、续冷却条件下进行的，此时过冷奥氏体的转变规律与TTT曲线差别很大。 连续冷却时，过冷奥氏体是在一个温度范围内进行转变的，几种转变往往相互重叠，得到不均匀的混合组织。过冷奥氏体的连续冷却转变图CCT曲线 (Continuous Coo1ing Transformation) 则是分析连续冷却过程中奥氏体的转 变过程以及转变产物的组织和性能的重要依据。 第四节 固态相变动力学 第四节 固态相变动力学 a) CCT曲线的建立 测定 CCT曲线一般较测定 TTT曲线困难，其原因有： 维持恒定冷却速度十分困难。在任何一种均匀介质中都难以维持恒定的 冷却速度，并且过冷奥氏体在转变过程中还要释放相变潜热，使

13、冷却速度发生 改变。由于冷却速度改变，曲线的形状、位置均会改变； 在连续冷却时，转变产物往往是混合的，各种组织的精确定量也比较困 难； 在快速冷却时，保证测量时间、温度的精度也很困难。因此，目前仍有 许多钢的 CCT 曲线有待进一步精确测定。 通常综合应用膨胀法、端淬法、金相硬度法、热分析法和磁性法来测定 CCT曲线。端淬法是以往应用较多的方法之一，而快速膨胀仪的问世为 CCT曲线 的测定提供了许多方便。 第四节 固态相变动力学 末端淬火法示意图第四节 固态相变动力学 b)冷却速度对转变产物的影响 下图为 0.46C钢的 CCT曲线，图中标注的符号意义与 TTT曲线相同。自 左上方至右下方的若

14、干曲线代表不同冷速的冷却曲线。这些冷却曲线依次与铁 素体、珠光体和贝氏体转变终止线相交处所标注的数字，分别代表以该速度冷 却至室温后组织中铁素体、珠光体和贝氏体所占的体积百分数。冷却曲线下端 的数字代表以该速度冷却所获组织的室温维氏硬度。常在图的右上角注明奥氏 体化温度和时间。第四节 固态相变动力学 第四节 固态相变动力学 c) CCT曲线与 TTT 曲线的比较与等温转变 TTT曲线相比，过冷奥氏体的连续冷却转变 CCT曲线有如下特点：（1）连续冷却转变 CCT 曲线都处于同种材料的等温转变 TTT 曲线的右下方。这是由 于连续冷却转变时转变温度较低、孕育期较长所致。（2）从形状上看，连续冷却

15、转变 CCT曲线不论是珠光体转变区还是贝氏体转变区都只 有相当于等温转变 TTT 曲线的上半部。（3）碳钢连续冷却时可使中温的贝氏体转变被抑制。共析碳钢的 CCT曲线只有高温的 珠光体转变区和低温的马氏体转变区，而无中温的贝氏体转变区。这是由于贝氏体转变 的孕育期较长所致。同时还可看到，CCT 曲线的 PS曲线和 Pf曲线（珠光体转变开始线和终了线）均向右下方移动。 （4）合金钢连续冷却时可以有珠光体转变而无贝氏体转变，也可以有贝氏体转变而 无珠光体转变，或者两者兼而有之。具体图形由加入钢中合金元素的种类和含量而定。 合金元素对连续冷却转变 CCT曲线的影响规律与对等温转变 TTT曲线的影响相

16、似。 第四节 固态相变动力学 第四节 固态相变动力学 共析碳钢的 CCT 图第四节 固态相变动力学 过、亚共析碳钢的 CCT 图第四节 固态相变动力学 d)钢的临界冷却速度 在连续冷却中，使过冷奥氏体不析出先共析铁素体（亚共析钢）或先共析 碳化物（过共析钢高于 Acm点奥氏体化）以及不转变为珠光体或贝氏体的最低 冷却速度分别称为抑制先共析铁素体或先共析碳化物析出以及抑制珠光体或贝氏体转变的临界冷却速度。它们可以分别用与 CCT曲线中先共析铁素体析出线、先共析碳化物析出线 以及珠光体或贝氏体转变开始线相切的冷却曲线所对应的冷却速度来表示。 第四节 固态相变动力学 为获得完全的马氏体组织，冷却速度应大于某一临界值而使过冷奥氏体在 冷却过程中不发生分解。在连续冷却时，使过冷奥氏体不发生分解，完全转变 为马氏体（包括残余奥氏体）的最低冷却速度称为临界淬火速度。 临界淬火速度代表钢件淬火冷却形成马氏体的能力，是决定钢件