第一章金属固态相变概论.

金属固态相变原理Principleofsolid-statephasetransformationofmetals授课教师：绪论一、本课程研究的对象及任务1、研究金属在固态下相变（加热，保温，冷却时的相变）的基本规律（原理）及相变产物的组织形态与性能间的关系。2、本课程研究的线索成分→热处理→组织形态→性能→应用3、任务⑴正确选材和合理制定热处理工艺⑵重视理论研究，初步掌握材料相变的基本规律⑶初步掌握组织与性能的关系⑷培养初步的科研能力二、本课程的基本内容热处理相变研究:奥氏体相变、珠光体相变、马氏体相变、贝氏体相变、回火相变、脱溶沉淀与时效TTT、CCT图研究三、热处理是古老的技术又是尖端的技术制陶----人类自觉进行热处理的最早事例铜及其合金的中间退火----人类金属热处理的开端甘肃永靖秦魏家遗址出土约公元前1700年的青铜椎分析：基体组织－－再结晶固溶体，晶粒粗大，共析组织沿加工方向变形再结晶退火陨石加工中的退火----人类最早的钢铁热处理退火在自然金加工中的应用----金箔西汉时司马迁所铸的《史记·天官书》中就有“水与火合为（火卒）东汉班固所著《汉书王褒传》中有“…….巧冶干将之朴，清水（火卒）其锋”战国中晚期出土的钢铁兵器是目前我国看到的最早淬火器件（1974年在河北易县燕下都出土）。从辽阳三道壕出土的西汉钢剑，经金相检查，发现其内部组织完全符合现代的淬火马氏体组织；从河北满城出土的西汉佩剑及书刀，检验结果发现其心部为低碳钢，表层为明显的高碳层。表明早在二千年前，我国已采用了淬火工艺和渗碳工艺。古代铸铁柔化处理技术：早在春秋（公元前770～前476年），战国（公元前475～前221年）时代，用生铁铸造生产工具和生活工具。这些铁器一般是白口铸铁，性硬而脆。故进行柔化处理。蒲元三国时蜀国人，长于淬钢。所制造的刀特别锋利。传说可将装满铁珠的竹筒砍断，故曰神刀。蒲元提出：用汉江之水淬火不行，必须用蜀江之水（“汉中的水钝弱，不任淬；蜀水爽烈”）。三点：１）蜀地冶炼业的发达；２）前人制刀技巧和经验的继承；３）高超的热处理技术－－淬火工艺綦毋怀文南北朝著名冶金家，曾用熔态的生铁灌注到未经锻打的熟铁中，使铁渗碳而成钢；并以熟铁为刀背，使刀富于弹性和韧性；用牲畜的溺和脂来浴淬，使刀锋刚利，称为“宿铁刀”。－－灌钢法块炼法－块炼渗碳钢－百炼钢－炒钢－灌钢淬火介质的选用－－双液淬火法《天工开物》－－宋应星18卷：乃粒（五谷）、乃服（纺织）、彰施（染色）、粹精（粮食加工）、作咸（制盐）、甘嗜（制糖）、陶埏（陶瓷）、冶铸（铸造）、舟车（车船）、锤锻（锻造）、燔石（烧造）、膏液（油脂）、杀青（造纸）、五金（冶金）、佳兵（兵器）、丹青（朱墨）、曲蘖（制酒）、珠玉等《天工开物》中记载：“凡熟铁、钢铁，已经炉锤，水火未济，其质未坚。乘其出火之时，入清水淬之，名曰健钢健铁。言乎未健之时，为钢为铁，弱性尤存也。”由此可看出最早的热处理工艺是在锻造过程中结合起来的，很可能就是原始状态的形变热处理。首次记述了今俗称为“焖钢法”的箱式渗碳制钢工艺热处理的作用和地位热处理作用：•提高和控制材料性能•消除或降低各种铸、锻、焊等热加工工艺造成的缺陷、细化晶粒、消除偏析、降低内应力。•减轻产品重量•提高产品可靠性和使用寿命没有“万能”的材料，只有“最好”的材料！热处理是达到材料使用效能的重要技术与工艺手段！热处理与材料强化关系材料微观强化机制：晶界强化固溶强化位错强化沉淀强化和弥散强化调幅分解强化有序强化强化原理----基本途径----热处理技术热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。铸造轧制热处理的作用和地位国际工业界公认：“热处理技术的先进程度是保证机械制造技术先进与否和保证产品质量关键因素。”在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%。至于模具、滚动轴承则要100%经过热处理。热处理的作用和地位热处理的发展现状及趋势热处理可以决定产品的内在质量热处理技术是通过控制材料原子的排列方式来控制材料的使用性能高科技提高了热处理的内涵：激光热处理电子束热处理等离子热处理真空热处理形变热处理化学热处理美国热处理技术发展线路图美国热处理技术发展线路图远景目标：减少能源消耗80%缩短工艺周期50%降低生产成本75%实现热处理件零畸变实现热处理件质量零分散度（相对于标准）提高热处理炉寿命10倍降低热处理炉价格50%实现热处理生产零排放四、主要参考资料刘云旭，《金属热处理原理》，机械工业出版社刘永铨，《钢的热处理》，冶金工业出版社戚正风，《金属热处理原理》，机械工业出版社赵连城，《金属热处理原理》，哈尔滨工业大学出版社G.克劳斯著，谢希文等译，《钢的热处理原理》，冶金工业出版社胡光立谢希文《钢的热处理（原理和工艺）》，西工大出版社第一章金属固态相变基础固态金属温度、压力变化组织、结构改变固态相变理论是金属热处理的理论依据和实践基础。1.1金属固态相变概论1.1.1主要分类一、按热力学分类1、一级相变：相变时新旧两相的化学势相等，但化学势一级偏微商不等的相变。最常见的相变。2、二级相变：相变时新旧两相的化学势相等，化学势一级偏微商也相等，但化学势二级偏微商不等的相变。有序化转变、磁性转变二、按平衡状态图分类分类：平衡转变、不平衡转变1、平衡相变(equilibriumtransformation)固态金属----缓慢加热或冷却----获得符合相图的平衡组织1）同素异构（allotropic）转变纯金属：温度和压力改变时----有一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程------Fe、Ti、Co、Sn2）多形性转变固溶体中一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程FA注意这两者之间的区别！3）平衡脱溶(precipitation)转变缓慢冷却----由过饱和固溶体析出过剩相的过程Fe3CⅡ从A中析出特点：新相的成分与结构与母相不同；随新相析出，母相的成分和体积分数不断变化，但母相不会消失。4）共析（eutectoid）转变一个固相分解为两个不同的固相γ→特点：生成的两个相的成分和结构与原母相不同共析与逆共析5）调幅（spinodal)分解一种固溶体分解为结构相同，而成分明显不同的微区→12上坡扩散富溶质原子1与贫溶质原子26）有序化转变各组元的相对位置从无序→有序二、不平衡转变(non-equilibriumtransformation)快速加热或冷却----平衡转变受到抑制----发生某些在相图上不能反映的不平衡（亚稳）组织1.伪共析(pseudo-eutectoid)转变由成分偏离共析成分的过冷固溶体形成的貌似共析体的组织转变。组成相的相对量由A的碳含量而变。2.马氏体(martensite)转变无扩散的共格切变型相变。结构：成分与A相同3.块状(massive)转变冷却速度不够快-----形成相的形状是不规则的块，与母相的成分相同、与母相的界面是非共格的、无扩散相变。4.贝氏体(bainite)转变有碳原子扩散而铁原子不扩散的不平衡转变5.不平衡脱溶沉淀(non-equilibriumpricipitation)在不平衡状态下，过饱和固溶体中析出新相的转变。（时效）三、按原子迁移情况分类1、扩散型相变：非协同型转变相变时，相界面的移动是通过原子近程或远程扩散而进行的相变。基本特点：①相变过程依赖原子的扩散；②新相与母相成分不同；③只有体积变化无宏观形状的改变2、非扩散型相变：协同型转变相变过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子的运动是协调一致的相变。特征：①②③④四、按相变方式分类1、有核相变：形核+长大2、无核相变小结相变过程的实质：1、结构：同素异构、多形性、马氏体、块状2、成分：调幅分解3、有序化程度：有序化转变B、共析、脱溶沉淀1.1.2金属固态相变的主要特点相变驱动力：新相与母相间的自由能差形核+长大一、相界面(interphaseboundary)1.共格(coherent)界面两相在界面上的原子可以一对一的相互匹配。2.半共格(semi-coherent)界面两相原子在界面上部分地保持匹配。刃型位错3.非共格(incoherent)界面两相的原子在界面上不再保持匹配关系。二、两相间的晶体学关系新相与母相之间往往存在一定的取向关系惯习面（habitplane）-----新相往往是在母相一定的晶面族上形成的，这些晶面或晶面族称之为惯习面。取向关系与惯习面的关系？三、弹性应变能(elasticstrainenergy)界面原子强制匹配共格应变能：共格半共格非共格（0）依次降低比容差应变能：新、旧相比容不同体积发生变化新相与旧相之间必将产生弹性应变和应力与新相几何形状有关应变能=比容应变能+共格应变能弹性应变能与界面能一样，对相变起阻碍作用。（讨论）固态阻力中，应变能与界面能以何者为主？界面能：非共格半共格共格弹性应变能：非共格半共格共格新相形状与弹性应变能之间关系四、过渡相(transitionphase)的形成过渡相（中间亚稳相）：指成分或结构，或者成分和结构二者都处于新相与母相之间的一种亚稳状态的相。过渡相介于新相与母相之间-----减小相变阻力的重要途径例如：马氏体回火时先形成与M基本保持共格的碳化物五、晶体缺陷(crystaldefect)的影响晶体缺陷的存在对固态相变起促进作用？缺陷-----点阵有畸变-----畸变能释放-----易于形核六、原子的扩散固态相变中，成分的改变必须通过组元的扩散才能完成，此时扩散成为相变的控制因素，而固态金属中原子的扩散系，即使在熔点附近也仅为液态的十万分之一，所以固态相变的转变速率很慢，可以有很大的过冷度。随着温度降低，过冷度增大，形核率增高，相变驱动力增大，但同时原子扩散系数降低。这一对矛盾运动的结果，就有可能使相变后得到的组织变细。1.2金属固态相变热力学一、热力学条件1、相变驱动力γ→α转变，只有在T＜T0时才能够进行，即过冷。（问题，α→γ相变在何条件下方可进行？）GT℃T0GαGγGγ→α0Gγ→α0αγ∵Gγ→α=Gα-Gγ＜0过热二、相变势垒要使γ向α转变能够进行还必须越过△g的势垒因此相变条件：△G＜0克服△g的势垒（能量起伏)G状态Ⅰ状态ⅡΔgγαGγ→α——原子间的引力VSGVGv二、金属固态相变的形核1、均匀形核23*)(316vGG32334434rrGrv23*316vGG2*VGr2*VGr金属结晶均匀形核＞＞)exp(*RTQGCN形核自由能变化临界晶核半径：临界形核功形核率假设晶核为球形自由能差界面能应变能二、金属固态相变的形核2、非均匀形核dvGVSGVG①界面形核②位错形核③空位形核缺陷提供的相变驱动力固态相变中均匀形核几乎不可能，大多为非均匀形核。（1）晶界形核晶界类型：界面、界棱、界隅晶界形核时的能量变化提供的能量：需要的形核功：界隅形核的最容易，但界隅占的体积分数最小，数量最多的界面形核的贡献最大。2、非均匀形核界面界棱界隅界隅界棱界面均匀形核（2）位错形核--促进位错线上形核，位错线消失释放能量，降低形核功。位错线不消失，成为半共格界面中的位错部分，降低形核功。溶质原子在位错上偏聚，满足新相形核的成分起伏。扩散的短路通道，↘Q，加速形核。位错分解----扩展位错-----层错部分作为新相的核胚2、非均匀形核（3）空位及空位集团形核空位及空位集团促进形核。释放能量提供成核驱动力凝聚成位错加速扩散过程（空位机制）2、非均匀形核三、金属固态相变的晶核长大1、长大机制新相晶核的长大，实质是界面向母相方向的迁移。成分变化结构变化——扩散——界面过程γαα/γ——界面附近原