02-金属固态相变基础

1第二章金属固态相变基础2金属热处理是将固态金属通过特定的加热和冷却方法，使之得到工程技术上所需要性能的一种工艺过程的总称。主要类型、主要特点、形核长大金属热处理?热处理为什么能够改变材料的性能?组织和结构会发生变化固态相变固态金属在温度和压力改变时其组织和结构会发生变化的通称32.1金属固态相变的主要类型固态相变同素异晶转变多形性转变平衡脱溶转变共析转变调幅分解有序化转变平衡相变非平衡相变伪共析转变马氏体转变贝氏体转变不平衡脱溶沉淀4α-Fe←→γ-Fe←→δ-Fe⑴同素异晶转变和多形性转变F←→A㈠平衡相变同素异晶转变多形性转变纯金属在一定的温度和压力下由一种结构转变为另一种结构的现象固溶体在一定的温度和压力下由一种结构转变为另一种结构的现象5纯铁的冷却曲线和晶格转变6⑵平衡脱溶转变高温过饱和固溶体在缓慢冷却过程中析出第二相的过程。如：三次渗碳体的析出新相的成分和结构始终与母相的不同；母相不会消失。7⑶共析转变合金冷却时，由一个固相分解为两个不同固相的过程称为共析转变。如：珠光体转变A0.77%c727℃F0.02%c+Fe3C6.69%c8⑷调幅分解高温下均匀的单相固溶体较低温度下的不均匀固溶体21调幅分解可用反应式表示为转变初期形成的微区之间无明显的界面和成分的突变，但通过上坡扩散，最终使均匀固溶体变为不均匀固溶体通过扩散，成为两种与原固溶体结构相同而成分不同的微区9⑸有序化转变固溶体中，各组元原子在晶体点阵中的相对位置从无序到有序的转变过程，称为有序化转变。㈡非平衡相变伪共析转变马氏体转变贝氏体转变非平衡脱溶转变10⑴伪共析转变转变过程和转变产物类似于共析转变非共析成分的奥氏体同时析出铁素体和渗碳体被过冷到GS和ES的延长线以下温度时11⑵马氏体相变在加热时也可以发生马氏体相变－马氏体逆转变高温下的奥氏体马氏体进一步提高冷却速度使伪共析相变来不及进行切变方式Ms点下的过冷奥氏体12高温下的奥氏体贝氏体提高冷却速度使伪共析相变来不及进行碳原子扩散铁原子不扩散过冷到P转变和M转变之间的温度范围⑶贝氏体相变中温转变13⑷非平衡脱溶转变α固溶体快冷到MN线以下温度抑制β相析出α的过饱和固溶体在室温或低于MN线以下某温度等温若溶质原子还具有一定的扩散能力析出新相14非平衡脱溶转变平衡脱溶转变冷却速度快慢析出初期新相的成分和结构均与最终产物不同新相的成分和结构均与最终产物一样最终产物完全相同152.2金属固态相变的主要特点相变驱动力相变方式金属固态相变液态金属结晶金属固态相变由于在固态条件下进行，相较于液态金属结晶，又具有其自身的特点。相界面应变能取向关系与惯习面形成过渡相晶体缺陷的作用16㈠相界面新、旧固相之间存在界面。根据界面上新旧两相原子在晶体学上的匹配程度(错位度δ表示)不同，界面可分为共格、半共格和非共格三种。若以aα和aβ分别表示新旧固相沿平行于界面的晶向上的原子间距，则错位度δ为：aaaaaδ0.05：共格0.05δ0.25：半共格δ0.25：非共格17δ反映了新旧相之间的适应性，也反应了界面能大小共格半共格非共格18㈡位向关系和惯习面金属固态相变时，新相往往在母相一定晶面上开始形成，这个晶面称为惯习面，通常以母相的晶面指数表示金属固态相变时新相与母相之间往往存在一定的位向关系也存在一定的惯习面惯习面的存在意味着该晶面上新相和母相的原子排列相近、匹配较好，有助于减少界面能新相与母相间必然存在一定的位向关系19共格与位向的关系新相与母相之间为共格或半共格界面新相与母相之间存在一定的位向关系必然未必两相界面无一定的位向关系两相界面为非共格界面{011}αˊ∥{111}γ；111αˊ∥011γ如K-S关系：必然20㈢弹性应变能与新相的形状有关固态相变比容变化体积变化旧相约束新相弹性应变能与新相和母相的弹性模量有关与新相和母相的比容差有关21新相形状对比容差应变能的影响22固态相变的阻力界面能应变能共格应变能比容差应变能共格最小半共格中等非共格最大共格最大半共格中等非共格最小23㈣晶体缺陷的影响缺陷附近→点阵畸变→储存畸变能→提供形核的额外能量→加速转变晶体内存在不同缺陷：晶界、亚晶界、空位、位错等在固态相变中，从能量观点来看形核功大小均匀形核空位形核位错形核晶界非均匀形核缺陷对固态相变起促进作用24㈤形成过渡相如果新相与母相的成分、结构差异比较大母相新相过渡相新相与母相之间只能形成高能量的非共格界面晶体结构或成分与母相比较接近的、自由能比母相稍低的、亚稳定的可能形成过渡相成为减少相变阻力的重要途径之一251.相变阻力大，相变的发生需要较大的过冷度。2.新相与母相之间存在一定的晶体学位向关系，导致新相的组织对母相有一定的遗传性。3.母相的晶体缺陷可增加形核能量，同时可加快扩散过程，有利于新相晶体的生长，对相变起促进作用。4.扩散过程对相变的影响较大，扩散不但成为固态相变的控制因素，在温度较低时还可能改变转变的类型，如从扩散型改变为协同型。5.易出现过渡相，有些反应不能进行到底，过渡相可以长期保留。综合上述，固态相变具有以下5个共同特点262.3固态相变的形核绝大多数固态相变（除调幅分解外）都是通过成核与长大过程完成的。在母相基体的某些微小区域内，形成新相所必须的成分与结构，即晶胚若晶胚的尺寸超过某一临界尺寸，便能稳定地存在并自发长大，成为新相的晶核形核过程晶胚的形成晶核的形成27如果晶核在母相基体中某些区域择优地不均匀分布，则称为非均匀形核如果晶核在母相基体中无择优地任意均匀分布，称为均匀形核形核均匀形核非均匀形核在固态相变中均匀形核的可能性非常小，但有关均匀形核的理论却是讨论非均匀形核的基础，因此两者均做简要介绍。28㈠均匀形核液态金属的结晶金属固态相变新旧两相的自由能差新旧两相的自由能差界面能界面能应变能＋形核驱动力形核的阻力29按照经典形核理论，金属固态相变均匀形核时系统自由能的总变化ΔG为：VGVGsV式中：V——新相体积；ΔGV——新旧相的单位体积自由能差；s——新相表面积；σ——新相与母相间的比界面能；ε——新相单位体积的弹性应变能。只有当体系的自由能变化△G＜0时，形核才成为可能。30假设新相晶核为半径为r的球形，则上式可改写为：32344433VGrGrr令dΔG/dr＝0，则可以得到新相的临界晶核半径rc为0dGdr2cVrG3max2163()VWGG形成临界晶核的形核功W为310dGdr2cVrG3max2163()VWGG由此可见，当表面能σ和弹性应变能ε增大时，临界晶核半径rc增大，形核功W增大。具有低界面能和高弹性应变能的共格新相晶胚，倾向于呈盘状或片状具有高界面能和低弹性应变能的非共格新相晶胚，倾向于呈等轴状32expQWInvkT与液态金属结晶相似，金属固态相变均匀形核时的形核率I可用下式表示式中：n——单位体积母相中的原子数；v——原子的振动频率；Q——原子的扩散激活能；W————形核功；k——波尔兹曼常数；T——相变温度。33固态下，原子扩散激活能Q较大，相变的弹性应变能进一步加大了形核功W，所以形核率I非常小。expQWInvkT均匀形核的形核率一般非常小，不太可能成为固态相变形核的主要形式固态中存在大量缺陷→储存畸变能→提供形核能量→能促进形核非均匀形核为固态相变的主要形核方式34㈡非均匀形核因此，各种晶体缺陷的存在将大大促进形核过程。VdGVGSVGVGVGsV系统自由能变化均匀形核：非均匀形核：新相核胚在母相晶体缺陷处形成时，晶体缺陷消失或减少所降低的能量。35⑴空位促进形核的方式空位促进形核加速溶质原子扩散凝聚成位错利用自身的能量为形核提供驱动力⑵晶界促进形核的方式利用自身的能量为形核提供驱动力，从而促进形核36⑶位错促进形核的方式位错促进形核位错线消失所释放能量成为形核驱动力位错线本身作为短程扩散的通道而促进形核位错通过分解形成扩散位错而促进形核溶质原子在位错线上偏聚，达到新相形成所需的成分起伏位错线不消失，通过降低界面的应变能而促进形核372.4固态相变的晶核长大新相晶核长大的实质是界面向母相方向的迁移㈠新相长大机制新相成分母相成分新相成分母相成分需结构改变无需原子迁移需原子迁移需结构改变38实际合金中，新相晶核与母相形成完全共格界面的情况极少，通常所见的是形成半共格和非共格界面半共格界面切变长大台阶式长大不同界面结构具有不同的长大机制靠近母相一侧的大量原子有规则地沿某一方向作小于一个原子间距的迁移，并保持原子间原有的相邻关系不变。通过阶梯状晶界面上位错的滑移运动，使晶界的台阶发生侧向迁移，从而使界面沿其法线方向推进。39非共格界面非协同型长大台阶式非共格界面：母相原子从母相台阶端部向新相台阶上转移，致使新相台阶发生侧向移动。界面上的原子形成一个无规则排列的过渡层，母相原子不断地以非协同方式向新相转移。㈡新相长大速度新相的长大速度取决于相界面的移动速度。40相界面的迁移通过点阵切变方式完成，不需要原子的扩散，故新相的长大速度很高。其相界面的迁移需要借助于原子的扩散，故其新相的长大速度较低。扩散型相变中的新相长大又分为两种情况：无成分变化的新相长大（晶界控制型长大）；有成分变化的新相长大（扩散控制型长大）。无扩散型相变扩散型相变41exp()[1exp()]VGQkTkT界面迁移速率：⑴晶界控制型长大δ———原子跳动一次的距离在整个相变温度范围内，新相长大速度随温度降低呈现先增大后减小的规律。42长大速率与原子的扩散系数、新相/母相界面上母相一侧的浓度梯度成正比，而与新相与母相间的浓度差成反比。温度下降，溶质在母相中的扩散系数急剧减小，故新相的长大速率降低。0xxdxDCGdCCx⑵扩散控制型长大432.5固态相变动力学对于扩散型固态相变，若形核率和长大速度都随时间而变，在一定过冷度下的等温转变动力学可用Avrami方程来描述1exp()nVFbt若形核率随时间而减小，取3≤n≤4；若形核率随时间而增加，取n﹥4。相变动力学就是研究新相形成量与时间、温度关系的学科44