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1、金属材料组织控制原理教案金属材料组织控制原理教案第一章 金属固态相变概论固态相变：固态下晶体由于温度和压力的改变，导致组织和结构的改变，这种变化称之为固态相变。(1) 温度：敏感，易控制，成为控制固态相变的主要因素（热处理炉）；压力：不易控制，不敏感（等压）。(2) 组织和结构的改变，包含有成分的变化（局部成分）(3) 固态相变具体表现 ：a. 结构； b. 成分 ； c. 有序性有些转变仅具有一种变化；而有些转变兼有二种或三种变化。作用：大多数工程材料，如金属及其合金、陶瓷等晶体材料都存在着固态相变，固态相变的存在为工程材料提供了丰富的组织和性能，满足加工及不同工况下使用的性能要求：（以钢为

2、例）最常见组织特性适用场合奥氏体(A)滑移系多，较软压力加工成型球光体(P)硬度低切削加工回火马氏体高强度，低塑性高耐磨，高强度回火屈氏体具有高的强度和韧性耐疲劳，冲击回火索氏体高韧性和抗回火性能高温600，冲击研究历史：始于矿物学家对万英等矿物的相变研究（陶瓷）石英SiO2不同温度下，存在不同相结构随后金属学家开始对钢的相变进行研究：如P相变，马氏体相变，B相变等等。下面仅介绍固态相变的普遍规律：1.1 金属固态相变的主要类型一、平衡转变定义：在缓慢加热或冷却时发生获得符合状态图平衡组织的相变为平衡转变。(一) 纯金属的同素异构转变（无成分变化）在纯金属中，发生由一种晶体结构转变为另一种晶体

3、结构的过程。如Fe Co Ti Sn等。纯铁 -(二) 多形性转变（局部成分发生变化）固溶体在固溶体中发生的由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。如钢中 铁素体奥氏体（C在Fe中固溶体）(三) 平衡脱溶沉淀在缓慢冷却条件下，由过饱合固溶体析出过剩相的过程称为_。特点：随着新相析出，旧相成分、体积分数不断变化，但旧相不消失，新相结构、成分始终与旧相不同。固溶度随温度降低而降低(四) 共析转变冷却时，由一个固相分解为二个不同固相的转变。r+Fe3C（珠光体转变）(五) 包析转变冷却时，由两个固相合并成一个固相的转变。+ r（钢中没有该转变）(六) 调幅分解高温下具有均匀单相固溶体组织的合金，冷

4、却到某一温度范围内可分解为两种结构与原固溶体相同，但成分有明显差别微区的转变。1+2 即通过上坡扩散使均匀固溶体变成不均匀固溶体。(七) 有序化转变固溶体中各组元原子的相对位置由无序到有序的转变过程。如Cn-Zn, AuCu中间相为基固溶体。二、不平衡转变由于加热或冷却速度过快，平衡转变受到抑制，固态金属可发生某些状态图上未能反映转变，获得不平衡组织或亚稳组织。实际金属的强韧化均通过不平衡转变，获得不平衡组织达到的，原因有二，一是实际热处理加热、冷却速度均很快难以按平衡转变；二是不平衡转变往往获得高强韧化效果的不平衡组织。(一) 伪共析转变（以钢为例）当奥氏体以较快速度冷却到ES与GS延长线以

5、下时，将从奥氏体中同时析出比值不定的铁素体与渗碳体。这一转变类似于共析转变（铁素体、与渗碳体比值一定），不同的是转变产物中铁素体量与渗碳体易比值不是定值，而随奥氏体的碳含量而变。(二) 马氏体转变当奥氏体以更快冷速过冷到MS点以下，r点阵通过切变改组为过饱含点阵的转变。进一步提高冷速，使奥氏体来不及进行伪共析转变，而过冷到更低的温度，这时Fe、c均难以扩散，通过点阵切变从点阵改组为点阵，成分不发生变化。除FeC合金外，Cu合金，Ti合金，也发生马氏体相变。(三) 块状转变纯Fe或低碳钢在一定冷速下，相可以转变为与之具有相同成分，形态呈块状的相，这种块状新相的长大是通过原子短程扩散使新、旧两相间

6、非共格界面推移而实现的。这种转变在CuZn、CnGa合金中也存在。(四) 贝氏体转变在珠光体和马氏体转变温度之间，存在一个Fe原子已不能扩散而碳原子尚能扩散的一种特殊的不平衡转变。即具有珠光体转变，又具有马氏体转变的某些特征。是一种复杂的不平衡转变。转变产物贝氏体为相与碳化物混合物，但相碳含量、形态以及碳化物形态分布与P不同。以扩散角度(五) 不平衡脱溶沉淀（时效）过饱合固溶体在室温或室温以上某一温度下，将自固溶体中析出成分与结构均与平衡沉淀相不同的新相的过程。当成分为b的合金加热到t1时，相将全部溶于相中，形成单一固溶体。如自t1缓冷，相将沿固溶度曲线MN不断析出，发生平衡脱溶沉淀。若自t1

7、快冷，在冷却过程中相来不及析出，到室温获得过饱合的固溶体，在室温或低于固溶体曲线MN某一温度下等温将 相中析出，在成分和结构上不同于平衡沉淀相的新相。应用：在低碳钢、铝、镁合金通过时效来强化。综上转变：均在结构、成分、有序化上的变化，有些转变只具有一种变化，而有些转变则同时兼有两种或三种变化。同素异构转变、多形性转变、马氏体转变、块状转变只有结构上转变调幅分解 只有成分上的变化有序化转变 只有有序化程度的变化共析转变、脱溶沉淀，兼有结构和成分变化1.2 金属固态相变的分类一、按热力学分类根据相变前后热力学函数变化，可将固态相变分为一级相变和二级相变。一级相变：相变时新旧两相化学位相等，但化学位

8、的一级偏微离不等的相变。新相 旧相特点：即 一级相变有热效应和体积效应。除部分有序化转变外，固态金属相变均为一级相变。二级相变：相变时新、旧两相化学位相等，且化学位一级偏微商也相等，但二级偏微商不相等。特点：无明显热效应和体积效应部分有序化转变、磁性转变属于二级相变。二、按原子迁移情况分类扩散相变：相变是依靠原子或离子扩散来进行的无规则的迁移。要求转变温度足够高，原子或离子具有足够活动能力。如钢的加热转变（奥氏体转变）和珠光体转变（转变温度较高）。无扩散相变：相变过程中原子（或离子）不发生扩散，仅作有规则的迁移，使点阵发生改组。如马氏体相变。三、按相变方式分类有核相变：新相的核在旧相中形成，并

9、通过不断长大完成相变。绝大多数相变属于有核相变，相变过程包括形核及长大两个阶段。无核相变：（调幅分解）无形核阶段，以固溶体中成分起伏为开端，通过上坡扩散，形成点阵结构相同，而成分不同，并以共格界面相联系的高浓度和低浓度两个相。1.3 金属固态相变的一般特征固态相变不同于凝固过程（固 液两相是在液相中形核并长大）是在固相中形核并长大，因此具有一系列的自身的特点。一、相界面（由于均为晶体，不同于固液界面）根据界面上两相原子在晶体学上匹配程度的不同，分为：(一) 共格界面：两相在界面上的原子可以一对一地相互匹配（即界面上的原子所占位置恰好是两相点阵共有位置）。只有对称孪晶界是理想的共格界面。实际上两

10、相点阵总有一定差别，或是点阵结构不同，或是点阵参数不同。因此，两相界面要完全共格在界面附近必将产生弹性应变。特点：界面能低，应变能高。(二) 半共格界面：两相在界面上的原子部分地保持匹配。错配度 举例：当由于点阵长度差别引起错配度提高，要保证完全共格，使弹性应变能提高；当错配度达到一定程度，难以维持完全共格，在界面上产生一些刃型位错，来补偿两相原子间差距，变成部分匹配。特点：界面能提高，应变能降低。(三) 非共格界面：两相在界面上由于错配度大，无匹配关系。特点：界面能高，应变能低。四、晶体缺陷的作用与液态金属不同，固态金属存在各种晶体缺陷，如空位、位错、晶界等。在缺陷周围有点阵畸变，储存畸变能

11、，在固态相变时，释放出来作为相交的驱动力，对固态相变起促进作用。具体作用：(1) 新相往往在缺陷处形核，提高形核率。(2) 促进扩散过程，促进晶核生长。(五) 形成过渡相过渡相：指成分或结构，或二者都处于新相与母相之间的一种亚稳状态的相。在固态相变中，有时新相与每相在成分、结构上差别较大，形成困难，而形成过渡相成为减少相变阻力重要途径。因为过渡相在成分、结构上更接近于每相，两相间易于形成共格成半共格界面，以减少界面能，从而降低形核功，使形核易于进行。但过渡相由于自由能高于平衡相，在一定条件下，继续转变为平衡相。二、惯习面与取向关系（两相间晶体学关系）固态相变时新相与母相往往存在一定的晶体学关系

12、。惯习面：新相往往在母相一定的晶面族上形成，这种晶面称为_。特征：(1) 惯习面上新相和母相的原子排列很相近，能较好地匹配，有助于减少两相间界面能。(2) 惯习面往往为新相主平面或主轴所平行的母相晶面。取向关系：新相、母相某些低指数晶面和晶向的对应平行关系。举例：马氏体总是在奥氏体111晶面上形成，则111r为惯习面 密排面011与奥氏体密排面111r相平行 密排方向111与奥氏体密排方向011r相平行则取向关系为：011|111r；|r取向关系与相界面的关系：当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取向关系；若两相间无一定取向关系，则其界面必定为非共格界面；但有时两相间

13、虽然存在一定的晶体学取向关系，也未必都具有共格或半共格界面，生长时共格或半共格界面破坏。三、应变能1共格应变能：相界面上原子由于强制性的匹配，以形成共格或半共格界面，在界面附近产生弹性应变能。共格界面半共格界面非共格界面（应变能为零）2比容差应变能：由于新相与母相比容不同，新相形成时体积变化受到周围母相约束而产生的弹性应变能。比容差应变能与新相几何形状的关系：Nabarro通过理论计算，把不同形状新相看作旋转椭球体。ca 园棒（针状）新相形态和界面取决于：（1）相变驱动力G （T）（2） 与液态金属凝固同比，相变阻力增大界面能取决于界面匹配程度（球针盘）和面积（非共格半共格共格）；应变能主要取

14、决于比容差，盘针S+EV G727，GA0，转变即可进行。但实际上热处理加热，加热或冷却速度较快，相变是在不平衡条件下进行，使相变在偏离相图上的临界温度，才能发生转变的现象叫相变滞后；加热时偏向高温，冷却时偏向低温。习惯上，将一定加热速度或冷却速度（0.125/min）下实际测得的临界点：二、奥氏体的形核从结构、成分、能量三方面考虑，确定形核位置。1结构：体心立方 面心立方 Fe3C复杂的正交点阵从结构的相似性 形成应通过F上形核，并改组，即体心立方面正立方但目前机制不清楚2成分：铁素体F碳含量极低0.02% 渗碳体 碳含量极高6.67%奥氏体碳含量介于两者之间，略高于A1时，0.77%，随转

15、变温度升高，奥氏体溶碳范围扩大，使奥氏体晶粒更宜形成。奥氏体核只能在F和Fe3C 交界面上，通过碳原子扩散，造成铁素体碳浓度起伏，使局部地区铁素体碳含量达到奥氏体形成所需碳含量。奥氏体核形成后可以依靠渗碳体的溶解所提供碳原子，保证奥氏体的不断长大。3能量：界面可能提供形核所需的额外能量，奥氏体核最易在F和Fe3C交界处形成。通过以上分析和实验观察，得到如下结论：(1) 对于片状P：奥氏体优先在珠光体团界面上形核；同时也可在/Fe3C层界面上形核。(2) 对于粒状P：奥氏体优先在与晶界相连/Fe3C界面上形核，而在晶内/Fe3C界面上形核是次要的。三、奥氏体核的长大奥氏体核的长大是通过渗碳体的溶解、碳原子在奥氏体中扩散，以及奥氏体两侧界面向铁素体及渗碳体的推移来进行的。奥氏体内碳的分布不均匀，与铁素体交界处，而与渗碳体交界处碳为，由于，故在奥氏体内碳原子将向铁素体一侧扩散，扩散的结果破坏了界面碳的平衡，为了恢复平衡，低碳F将转变为A而使碳含量降为，高碳Fe3C也将溶入奥氏体，而使碳增加为，亦即，奥氏体分别向铁素体与渗碳体推移，不断长大。可见，奥氏体晶核长大过程受碳在奥氏体中的扩散所控制。四、渗碳体的溶解在PA转变过程中，P中F全部消失时，渗碳体还未完全溶解，即铁素体消失时，奥氏体的平均含量低于共析成分。转变温度愈高，低的愈多，随着时间延长，与渗碳体接壤处奥氏体中碳继续