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1、 金属热处理原理与工艺材料性能：使用性能、工艺性能 决定性能：成分、组织、结构 热处理：固相下加热(包括保温)、冷却，不改变(改 变)成分，改变组织、结构，从而改变性能 热处理原理： 热处理工艺： 热处理的重要意义： 课程内容： 学习：理解概念，理论、实际结合温 度时间保温冷却加热第一编 热处理原理第一章 金属固态相变基础固态相变：固态金属加热、冷却中发生的各种相转变 金属热处理：固态金属通过特定的加热和冷却，使之发生相、组织转变，获得所需组织性能的一种工艺过程 两者关系：金属固态相变是金属热处理的理论基础。第一节 金属固态相变的主要类型原子运动特点：扩散型相变和非扩散型相变 平 衡 状 态：
2、平衡相变和非平衡相变 热 力 学：一级相变和二级相变 一、按相变过程中原子的运动特点分类1. 扩散型相变：相变借助原子热激活运动进行，原子运动大于原子间距。长程扩散：短程扩散： 脱溶分解：由过饱和固溶体中析出新相的过程，( + ) 共析转变：冷却时一个固相()分解为结构不同的两个新相和混合物的相变， ( + ) 钢在冷却时由奥氏体转变为珠光体(铁素体与渗碳体的混合物)即属于共析转变。+ LBA+ BA有序化转变：是指固溶体组元 原子从无序排列到有序排列 的转变过程，(无序)(有序 ) 块状转变：新相的成分与母相 一样，但晶体结构不同。例 如，纯铁或低碳钢在一定的 冷却速度下相可以转变为 与之具
3、有相同成分而形貌呈块状的相。新相的长大 是通过原子的短程扩散而实 现的。 纯铁、铜锌等合金中发 生块状转变。多形性转变：纯金属中晶体结构的转 变，如纯铁中转变。这种转变本身在生产上没有多少实际意义，但以此转变为基础的Fe的固溶体发生的固态相变是钢的热处理的基础。 调幅分解：某些合金在高温下具有均 匀单相固溶体，但冷却到某一温度 范围时可分解成为与原固溶体结构相同但成分不同的两个微区如1+2特点：在转变初期形成的两个微区 之间并无明显界面和成分突变，但通过扩散，最终使原来的单相固溶体分解成两个 共格相。非扩散型相变：相变不需原子扩散，原子的运动不超过一个原子间距。非扩散型相变是在足够快的冷却速度
4、下(即淬火)由于原子没有时间进 行扩散型相变引起的。钢淬火，转变产物称为马氏体，这种非扩散型相变 则称为马氏体转变。许多有色金属，如Ti-Ni、Cu-Zn-Si、Cu-Zn、Cu-Mn、Ni-Mn-Ga等 合金系，也发生马氏体转变半扩散型相变: 贝氏体转变：钢中还有一种介于马氏体转变和珠光体转变之间的转变。此时铁原子扩散已经极其困难，但碳原子还能扩散，其转变产物也是相和碳化物的混合物，称为贝氏体，但形态和分布与珠光体不同。有优异的强度和突出的韧性。二、按平衡状态分类 平衡相变：缓慢加热、冷却，获得符合平衡状态图的平衡组织，多形性转变 、 平衡脱溶转变、共析转变、有序化转变等。 非平衡相变：加热
5、或冷却很快，平衡相变被抑制，发生某些平衡状态图上 不能反映的转变并获得不平衡或亚稳态的组织，马氏体转变、贝氏体转变、非平衡脱溶沉淀，伪共析转变属于非平衡相变。就热处理工艺而言，非平衡相变具有更为重要的意义。，三、按热力学分类根据相变前后热力学函数的变化，可将固态相变分为一级相变 和二级相变 一级相变相变时新旧两相的化学势相等，但一级偏微商不等的相变称 设代表旧相，代表新相，为化学势、T为温度、P为压力，则有已知 所以SS，VV。因此，在一级相变时，熵S和体积V将发生不连续变化，即一 级相变有相变潜热和体积改变。材料的凝固、熔化、升华以及同素 异构转变等均属于一级相变。几乎所有伴随晶体结构变化的
6、金属固 态相变都是一级相变。2，二级相变相变时新旧两相的化学势相等，其一级偏微商也相等，即SS， VV，但二级偏微商不等，说明在二级相变时，无相变潜热和体积改变，但比热、压缩系数和膨胀系 数有突变。材料的部分有序化转变、磁性转变以及超导体转变均属于二级相变。第二节 金属固态相变的基本特征与液态金属结晶一样，其相变驱动力也来自新相与母相的自由能差，也 通过形核与长大过程来完成。但因相变前后均为固态，故有以下几个特点。一、界面和界面能固/固相界面可按结构特点分为： 共格界面：界面两侧的两个相的原子能一一对应，相互保持匹配。 半共格界面：由于界面两侧的原子间距不同，界面上只有部分原子能够依靠弹性畸变
7、保持匹配，在不能匹配的位置将形成刃型位错。 非共格界面：两相的原子间距差别太大，在界面上两侧原子不能保持匹配。 界面能：界面上原子排列的不规则性将导致界面能的升高，因此非共格界 面能最高，半共格界面次之，共格界面能最低。图1-2 固态相变界面结构示意图 （a）共格界面 （b）半共格界面 （c）非共格界面界面能的意义界面能的大小对新相的形核、长大以及转变后的组织形态有很 大影响。若新相具有和母相相同的点阵结构和近似的点阵常数，则新相 可以与母相形成低能量的共格界面。此时，新相将成针状，以保持 共格界面，使界面能保持最低。如新相与母相的晶体结构不同，这时新相与母相之间可能存在 一个共格或半共格界面
8、，其它面则是高能的非共格界面。为了降低 能量，新相的形态将是一个圆盘。圆盘面为共格界面，而圆盘的边 为非共格界面非共格新相，所有的界面都是高能界面，大致为球形，但也不 排除由于不同方向界面能差异而形成多面体。二、惯习面和新、旧两相间的位向关系 惯习面：针状新相的长轴或片状新相的主平面常平行于母相的某一晶面，或者说新相在母相一定晶面族上形成，用母相的晶面指数表示。如高碳钢中透镜马氏体的主平面与奥氏体的225或259平行。 原因：减小两相的界面能 对组织影响：由于一个晶面族包括若干在空间互成一定角度的晶面，故沿惯习面形成的针状及片状新相将成一定角度或相互平行。 位相关系：惯习面存在表明新相与母相存
9、在一定晶体学位向关系。因为两相 的晶体各自相对于惯习面的位向关系是确定的，彼此间位向关系确定：两相的某些低指数晶向和某些低指数晶面相互平行。例如，低碳钢发生马氏体转变时，马氏体总是在奥氏体的111上形成， 110 / 111 ； / 新相与母相间为共格或半共格界面时，两相间必然存在一定的晶体学位向关系； 两相间无一定的位向关系，则其界面必定为非共格的。 存在晶体学位向关系，未必具有共格或半共格界面，因为新相在长大过程中，其界面 的共格性已被破坏。三、弹性应变能 弹性应变能：新相与母相间存在点阵错配和体积错配时引起的应变能 点阵错配：两相在界面上原子间距不同，在共格界面附近产生应变能，称为共格应
10、变能，共格界面最大，半共格界面次之，非共格界面为零。 体积错配：新相和母相的比体积不同，新相受到周围母相的约束以致不能自由胀缩，产生比体积差应变能。(a)、(b)：新相与母相共 格，但点阵常数不同，从而产生点阵错配 (c)、(d)：新相与母相非共格，而比体积不同，产生体积错配非共格界面条件下，比体积差应变能与新相几何形状之间的关系：新相呈球状时应变能最大，圆盘(片)状最小，针(棒)状居中。图1-4 新相形状与比容差应变能(相对值)的关系 固态相变的阻力：界面能和弹性应变能 与结晶相比，增加弹性应变能而变大 固态相变中究竟是界面能为主？还是弹性应变能为主？ 过冷度大：新相临界晶核尺寸很小，单位体
11、积新相的界面积很大，则界面能起主导作用，两相界面易取共格方式以降低界面能，因界面能的降 低可以超过共格应变能的增加，总形核阻力降低。 过冷度小：新相尺寸较大，界面能不起主要作用，易形成非共格界面。两者比体积差大：则弹性应变能(比体积差应变能)起主导作用，新相为圆盘(片)状以降低弹性应变能两相比体积差小：弹性应变能作用不大，则形成球状以降低界面能。四、晶体缺陷 固态金属中存在各种晶体缺陷：如位错、空位、晶界或亚晶界。 新相晶核优先在晶体缺陷处形成：因为晶体缺陷是能量起伏、结构起伏和成分起伏最大的区域。缺陷处形核，原子扩散激活能低，扩散速度快，相变应力易松弛。五、形成过渡相第三节 固态相变中的形核
12、绝大多数相变通过形核和长大过程。 形核：过程往往是先在母相中某些微小区域内形成新相的结构和成分，成为核胚；若核坯尺寸超过一定值，便能稳定存在并自发长大，成为新相的晶核。 均 匀 形核：晶核在母相中无择优地任意均匀分布 非均匀形核：晶核在母相的某些区域不均匀分布一、均匀形核 均匀形核的驱动力为两相自由能差，阻力包括界面能和弹性应变能 系统自由能总变化G = -V GV + S + V Gs V：新相体积， GV ：新相与母相的单位体积自由能差； S：新相表面积； ：新相与母相之间单位面积界面能； Gs：新相单位体积弹性应变能。设界面能各向同性，且晶核是球形，半 径为r：G有极大值存在，此时的核坯
13、半径称为 临界晶核半径r*，对应的自由能称为晶核 的形核功G*。只有核坯的半径大于r* 时，体系自由能才能随晶核的长大而降 低，因此可以进一步长大，称为晶核。 令d(G)/dr=0，则可求得新相的临 界晶核半径r*、临界晶核的形核功G*GSr2-V(GV-GS)r3G*r-VGVr3G固态相变增加弹性应变能，相变阻力增加，临界晶核直径和形核功增大，固态相变中形核比液 固相变困难。临界晶核半径和形核功都是自由能差GV的函数，也 将随过冷度（过热度）而变化。随过冷度（过热度）增大，临界晶核半径和形核功都 减小，即相变容易发生。由于固态相变中存在弹性应变能Gs，因此只有当 GVGs时相变才能发生，亦
14、即过冷度（过热度）必须 大于一定值，固态相变才能发生，这是与液固相变的一 个根本区别。此外，当界面能和弹性应变能Gs增大时，临界晶 核半径r*增大，形核功G*增高，形核困难。临界尺寸晶核的浓度c* k：Boltzmann常数， T：绝对温度 Gm：每个原子的迁移激活能 f=exp ( -Gm /kT ) 均匀形核时的形核率 ：包括原子振动频率与临界晶核面积的因子C0：单位体积的原子数，每个临界晶核的成核速率f 随着温度的下降 ，代表晶核潜在密度 的exp(-G*/kT)升高 很快；而原子迁移激活 能Gm几乎不随温度 变化，所以exp(- Gm/kT)随温度降低 而减小。N均匀随温度 下降先增加
15、后降低， 在某一温度呈现极大 值。温度对形核率的影响 二、非均匀形核：固相中的形核几乎总是非均匀的各种缺陷如空位、位错、晶界、层错、夹杂物和自由表面等 都能提高材料的自由能，如果晶核的形成能使缺陷消失，就会释 放出一定的自由能(Gd)，与GV一样，成为转变的驱动力，各 种缺陷成为合适的形核位置。形核方程为：G = -V GV + S + V Gs - Gd 晶界形核 如果基体和晶核相互适应以形成低能量界面，那么形核功可以进一步减少。如 图1-9所示，晶核与其中的一个晶粒有某种位向关系，形成共格或半共格晶 界，这在固态相变中是极常见的现象。其它面缺陷，如夹杂基体界面、堆 垛层错和自由表面同样可以减小形核功。位错形核 能量：提供畸变能，降低形核功；位错线保留补偿错配，降低总应变能，减小G* 成分：位错线上溶质原子偏聚，成分接近于新相；扩散通道，有利核坯生长 在fcc晶体中：堆垛层错能作为一个hcp析出物的潜在形核位置空位形核 空位提高扩散速度、消除错配应变能，促进形核；空位聚集成位错也促进形核 形核有利位置顺序：均匀形核空位位错堆垛层错晶界或相界自由表面第四节 固态相变中新相
