第十一章 固态相变与材料处理(1)

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二. 相变的热力学
（一）相变时自由能的变化
假设在均匀母相α中形成一个半径为r的球形新 相β，则系统总自由能变化量为： ΔG (ΔG= Gβ-Gα) Gα代表原始相（即母相）的Gibbs自由能 Gβ代表生成相（即新相）的Gibbs自由能
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• 固态相变时形成半径为r的球形晶胚所引起系统自 由能的变化（ΔG）为：
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随碳质量分数增大，组织按下列顺序变化： F 、 F+P 、 P 、 P+Fe3CⅡ 、 P+Fe3CⅡ+Le´ 、 Le´ 、 Le´+Fe3CⅠ、Fe3C
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(2)、含碳量对力学性能的影响：
（1）在亚共析钢中,随含碳量增加,铁素体逐渐 减少,珠光体逐渐增多,故强度、硬度升高,而塑性、 韧性下降。 （2）在过共析钢中,当含碳量不超过1%时,由于 Fe3CⅡ 较少,在晶界上未能连成网状,故钢的硬度 和强度还是增加的,而塑性,韧性却继续下降。当 含碳量大于1%时,由于Fe3CⅡ增多,在晶界上已结成 网状,导致强度降低但硬度仍不断增加。工程上使 用铁碳合金时,为了保证具有一定的塑性,韧性和 足够的强度,含碳量一般不超过1.3%-1.4%。
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第三篇 材料的组织结构与 性能控制基础
第十一章 固态相变与材料处理 第一节 固态相变总论 第八章第三节 铁碳相图 第二节 过饱和固溶体的分解 第三节 钢的加热及组织转变 第四节 钢的冷却及组织转变 第五节 钢的整体热处理 第六节 表面热处理技术
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第一节 固态相变总论
固体材料的组织、结构在温度、压力、 成分改变时所发生的转变统称为固态相变。
• 界面结构对相变时的形核、长大过程以及相变后 的组织形态有很大影响
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2013-7-12
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6. 存在一定的位向关系和惯习面
• 固态相变过程中，为了减少界面能，相邻接的新、 旧两晶体之间的晶面和相对晶向往往形成一定的 晶体学关系 • 固态相变时新相往往沿母相的一定晶面优先形成， 该晶面被称为惯习面 • 在铁基合金和一些有色合金中都可看到沿惯析面 析出的新相
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三.相图分析——重要的点和线
①
②
J：包晶点:L
B
+δ
H
=(1495度)A
J
C：共晶点：L c =(1148度)A e +Fe 碳量为4.3％。
3
C ，含
③
S：共析点：A s =F p +Fe3C ，含碳量0.77％。 温度727度。 ABCD液相线 AHJECF固相线
④ ⑤
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⑧ PSK线:共析反应线:所有含碳量超过0.0218%的 铁碳合金均能发生共析反应。其结果形成铁素体和 渗碳体的共析混合物，称为珠光体(P)。PSK线为共 析线，温度727度，常用A1表示。
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（3）相图中的重要点和线
⑨ GS：表示不同含碳量的合金，由奥氏 体中开始析出铁素体(冷却时)或铁素体全 部溶入奥氏体（加热时）的转变线，常用 A3表示。 ⑩ ES：碳在奥氏体中的固溶线。常用 Acm表示。随温度变化，奥氏体的溶碳量 将沿ES线变化。因此，含碳量大于0.77% 的铁碳合金，自1148度冷至727度的过程 中，必将从奥氏体中析出渗碳体，称为二 次渗碳体(Fe3CⅡ)。
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4．Fe-F3C相图的应用
(3)、在热锻热轧工艺方面的应用：锻造或轧 制选在单相奥氏体区内进行。一般始缎、始 轧温度控制在固相线以下100～200℃范围内， 终缎、终轧温度不能过低。亚共析钢热加工 终止温度多控制在GS线以上一点，过共析钢 变形终止温度应控制在PSK线以上一点，一 般始缎温度为1150～1250℃，终缎温度为 800～850℃。 (4)、在热处理方面的应用：热处理方面更是 离不开Fe-Fe3C相图,如退火,正火,淬火的加 热温度都是根据Fe-Fe3C相图来确定的。
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（11） PQ：是碳在铁素体中的固溶线。铁碳 合金由727度冷却至室温时，将从铁素体中 析出渗碳体。这种渗碳体称为三次渗碳体 (Fe3CⅢ)。 因为渗碳体是一种亚稳定的相，同时在测定 的时候有两种温度（1227℃和1600℃）， 故CD先采用虚线表示。
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四. 铁碳合金及其平衡转变与组织
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结晶过程及组织
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(3) 亚共析钢(0.0218%-0.77%)的结晶过程分析
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(4)过共析钢（0.77%C-2.11%C）的结晶过程分析
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(5) 共晶白口铸铁（4.3%C）结晶过程分析
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(6)亚共晶白口铸铁（2.11%-4.30%C）的结晶过程分析
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2. 原子迁移率低

液态中原子扩散系数为10-7cm2/s，固态中为 10-11~ 10-12cm2/s。熔点附近温度，固态原 子扩散比液态中慢约10万倍。固态更容易过 冷：冷速增加时，可获得更大的过冷度。
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3. 非均匀形核
同液相一样，固相中的形核几乎总是非均匀的。
• 母相中的晶体缺陷对固态相变起促进作用 • 缺陷处存在晶格畸变，自由能较高，晶核容易在 这些地方形成
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（二）相变时临界形核条件
形成临界晶核必须首先克服形核势垒△G*， △G*称为临界晶核的形核功。 γαβ、 △GE减小，晶核临界尺寸减小，均可 降低△G*，有利于新相形核。反之形核困难。
16 G* 3
GV

3
GE

2
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三. 相变的动力学
相变动力学主要设计相变的形核速率和长大速率。


扩散型相变：相变时有原子长距离扩散（超过 原子间距），导致成分变化，大多数相变属于 扩散型； 非扩散型相变：没有原子扩散，相变前后没有 成分变化；（如马氏体相变）
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3. 按相变方式分类： 形核长大型相变：新相与母相间有界面， 大多数相变为此类； 无核相变：新旧相之间无明显界面，如调 幅分解。
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（二）固态相变的分类
1. 按热力学分类

一级相变：有体积变化，有相变潜热（放热或吸 热），大多数相变属于一级相变； 二级相变：二级相变时无体积效应和热效应，材料 的压缩系数、热膨胀系数及比定压热容均有突变。 磁性转变、有序——无序转变多为二级相变。

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2. 按动力学分类： 依据原子运动特征分
一. 固态相变的特点和分类： 固态相变时存在：晶体结构变化等；化学成 分变化；有序度变化。
大多数固态相变是通过形核和长大完成的，驱 动力同样是新相和母相的自由能之差。阻力: 界 面能和应变能，固态相变也符合最小自由能原 理。
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（一）固态相变的特点
1.固态相变阻力大
• 固态相变时相变阻力除界面能外，还增加了一项 应变能（新相与母相比体积不同引起的体积应变） • 固态相变时，新相形成时要受到母相的约束，导 致应变能的额外增加 • 应变能的大小与新、旧两相质量体积差有关外， 还与新相的几何形状有关
△G=(4π/3)r3(△GV+△GE)+4πr2γαβ
ΔGν----形成单位体积晶核时的自由能变化,常为负值； ΔGE----形成单位体积晶核时所产生的应变能； γ----晶核与基体之间交界面的单位面积界面能
化学自由能使系统总自由能的降低是相变的驱动 力，界面能和应变能是相变的阻力，相变发生的 条件是系统总自由能的下降，即△G<0.
• 晶界、位错、层错、空位等缺陷是新相形核的有 利位置
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4. 新相有特定形状
固态相变析出物形状与体积应变能和界面能有关： 新相与母相保持弹性关系时：片状应变能最小，针 状次之，球状最大； 应变能为主要控制因素时：析出物为蝶状或针状。
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5.相界面结构关系
• 固态相变时，新相与母相的界面是不同晶体的界面 • 界面可分为共格、半共格（部分共格）、非共格3 种 （界面能与界面结构有关：共格界面能量最小， 半共格能量居中，非共格能量最高）
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二. 铁碳合金中的相
① 液相L：铁与碳的液溶体 ② δ相：高温铁素体，碳在δ-Fe中的间隙固 溶体，呈体心立方，在1394-1538℃存在， 1495℃时溶碳量最大，质量分数为0.09% ③ α相：α相也称铁素体，用符号F或α表示， 是碳在α—Fe中的间隙固溶体，呈体心立方 晶格。铁素体中碳的固溶度极小，室温时约 为0.0008%，600℃时为0.0057%，在727℃时 碳溶量最大，为0.0218%。铁素体的性能特 点是强度低、硬度低、塑性好。
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第八章第三节 铁碳相图
铁碳相图是研究钢和铸铁的基础， 对应用以及热加工和热处理也有指导意 义。铁与碳可以形成一系列化合物，整 个相图包括Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2CFeC, FeC-C等，当C超过6.69%时合金脆 性很大，无使用价值，因此只研究一部 分。
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（一）形核速率
G Q I k exp( ) exp( ) KT KT
*
k是系数，ΔG*为形核功；Q为扩散激活能；K 为玻尔兹曼常数；T为绝对温度
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（二）长大速率
u=D/λ [1-exp(-Δ G/kT)]
长大速率受相变驱动力Δ G和扩散系 数D两个因素控制。 λ 为原子每次跃迁距离。
⑥ HJB水平线：包晶反应线。包晶反应 仅可能在含碳量0.09-0.53%的铁碳合金中， 其结果生成奥氏体；
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⑦ ECF水平线：共晶反应线，共晶反应可在 含碳量2.11-6.69%的铁碳合金中。其结果形成 奥氏体与渗碳体的共晶混合物，称为莱氏体(L d )。CEF线为共晶线，温度1148度。
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一.
铁碳合金的组元
① Fe 铁是过渡族元素，熔点为1538℃，密度是 7.87g/cm3。 工业纯铁的力学性能特点是强度低、硬度低、塑性好。 纯铁的冷却曲线如下图：
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②
Fe3C
Fe3C是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物， 通常称为渗碳体，用Cm表示。渗碳体的力学性能特点 是硬而脆。
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六．Fe-F3C相图的应用
（1）、在钢铁材料选用方面的应用 建筑结构和各种型钢：需用塑性、韧性好的 材料，选用碳质量分数低的钢材； 机械零件： 强度、塑性和韧性都好，选用C 适中的中碳钢 工具钢：硬度高、耐磨性好，选用高碳钢。 (2)、在铸造工艺方面的应用：铸造生产中,根据 Fe-Fe3C相图可以合理地确定浇注温度一般定 为液相线以上50-100度。
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二. 铁碳合金中的相
④ γ相：奥氏体， 用符号A或γ表示，是碳 在γ—Fe中的间隙固溶体，呈面心立方晶 格。奥氏体中碳的固溶度极大，在1148℃ 时碳溶量最大达2.11%。奥氏体的强度较低， 硬度不高，易于塑性变形。 ⑤ Fe3C相：Fe3C相是一个化合物相，渗碳体 根据生成条件不同有条状、网状、片状、 粒状等形态，对铁碳合金的力学性能有很 大影响。
1以上 1~2
γ P
2~3
Ld
3以下
Ld`
L
γ
L
亚共晶白口铁结晶过程示意图
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(7)过共晶白口铸铁(4.30%-6.69%C)的结晶过程分析
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五. 铁碳合金的成分——组织——性能关系
(1)、含碳量对平衡组织的影响：铁碳合 金的室温平衡组织由铁素体和渗碳体两 相组成 ,其中铁素体是软韧相,而渗碳 体是硬而脆相。随着合金中含碳量的增 加,不仅组织中渗碳体相对量增加,而且 渗碳体的形态和分布都有很大的影响。
根据铁碳相图，铁碳合金分为三类：
（1）工业纯铁：[w（C）≤0.0218%] （2）钢：[0.0218%<w（C）≤2.11%] 亚共析钢[0.0218%<w（C） < 0.77%] 共析钢[w（C）=O.77%] 过共析钢[0.77%<w（C）≤2.11% ] （3）白口铸铁：[2.11%<w（C） < 6.69%] 亚共晶白口铸铁[2.11%<w（C）< 4.3%] 共晶白口铸铁[w（C） =4.3%] 过共晶白口铸铁[4.3%<w（C） < 6.69%]
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典型铁碳合金的平衡结晶过程
现代工程材料 (1)工业纯铁的结晶过程wC=0.01%
L 1以上 γ δ δ L 2—3 α γ α α Fe3 CⅢ 7以下 3—4 δ γ
1—24Βιβλιοθήκη 55—66—7工业纯铁结晶过程示意图
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(2)、共析钢(0.77%)的结晶过程分析
共析钢的室温组织组成物全部是P，而组成相为F和Fe3C。合金在温度 1-2之间按均晶转变相成奥氏体。奥氏体冷至727度(3点)时,将发生共析转 变,即A S →P(F p +Fe 3 C)形成珠光体。当温度由727度继续下降时,铁素 体沿固溶线 PQ改变成分,析出Fe3CⅢ。Fe3CⅢ常与共析渗碳体连在一起,不易 分辨,且数量极少,可忽略不计。