第五章合金钢中的相变
钢的相变
组成FCC。
2、奥氏体的长大
相界面上的碳浓度及扩散
∵Gγ→α﹥Gγ→C ∴铁素体先消失，而渗碳体有剩余
奥氏体形成的四个阶段
珠光体向奥氏体转变动力学曲线
1、奥氏体转变开始线 (以0.5%奥氏体转变量表示) 2、奥氏体转变完成线 (以99.5%奥氏体转变量表示) 3、碳化物完全溶解线 4、奥氏体中碳浓度梯度消失线
碳在α-Fe中 的过饱和固溶体 （非扩散型） 只结构发生变化
Fe、C原子均可扩散
Fe、C原子均不发生扩散
奥氏体的冷却方式：
1）连续冷却
“奥氏体等温连续曲线”
P226 图9.13
2）等温冷却
“奥氏体等温转变曲线”
一、过冷奥氏体的等温转变
过冷奥氏体等温转变动力学图 (TTT曲线;C曲线;IT曲线) 孕育期
孕育期 转变开始
转变开始线与纵坐标轴之 间的距离，表示在各不同 温度下过冷奥氏体等温分 解所需的准备时间。 鼻 子 ----C 曲 线 上 转 变 开始线的突出部，孕育期 最短的部位。
共析钢
鼻子
转变终了
过冷度对相变驱动力和 原子扩散的作用相矛盾 而导致C曲线！
TTT 图的特点分析：
1、珠光体的与贝氏体的转变曲线部分重叠，在上半部分，珠光
伪共析钢
以0.125℃/min加热和冷却时， Fe-C相图中临界点的移动
加热时临界点加注c ： Ac1 Ac3 Accm
冷却时临界点加注r ： Ar1 Ar3 Arcm
钢中典型的相变可归类为：
1、加热过程中的奥氏体转变； 2、冷却过程中的珠光体、贝氏体及马氏体转变； 3、发生马氏体转变后的再加热(回火)转变。
（4）钢的化学成分
金属与合金中的固态相变
金属与合金中的固态相变金属与合金是人类社会中不可或缺的材料，它们广泛应用于各个领域，如建筑、交通、电子、医疗等。
在金属与合金的制备和应用过程中，固态相变是一个重要的现象。
本文将从金属与合金的角度出发，介绍固态相变的基本概念、分类和应用。
一、基本概念固态相变是指物质在固态下，由于温度、压力等条件的改变，发生晶体结构、晶格常数、原子排列等方面的变化。
固态相变可以分为两类：一类是一级相变，即物质在相变时伴随着热量的吸收或释放，如冰的融化和凝固；另一类是二级相变，即物质在相变时不伴随着热量的吸收或释放，如铁的铁磁相变。
二、金属中的固态相变金属是一类具有良好导电性、导热性和延展性的材料，其固态相变主要包括晶格常数的变化、晶体结构的变化和相变温度的变化。
晶格常数的变化是指金属在相变时晶格常数的改变。
例如，铁在加热至910℃时，其晶格常数由室温下的2.87Å增加至3.64Å，发生了由体心立方晶系向面心立方晶系的相变。
晶体结构的变化是指金属在相变时晶体结构的改变。
例如，铝在加热至660℃时，从面心立方晶系转变为体心立方晶系。
相变温度的变化是指金属在相变时相变温度的改变。
例如，铜在加热至1083℃时，发生由面心立方晶系向液态的相变。
三、合金中的固态相变合金是由两种或两种以上金属或非金属元素组成的材料，其固态相变主要包括共晶反应、共析反应和析出反应。
共晶反应是指两种或两种以上金属或非金属元素在一定比例下，同时熔化并形成共晶组织。
例如，铜和锡的共晶温度为227℃，共晶组织为铜锡共晶。
共析反应是指合金中的一种元素在一定温度下先于其他元素析出。
例如，铝和铜的共析温度为548℃，共析组织为铝铜共析。
析出反应是指合金中的一种元素在一定温度下从固溶体中析出。
例如，钢中的碳在加热至一定温度时，从固溶体中析出形成铁素体。
四、应用固态相变在金属与合金的制备和应用中具有重要的作用。
例如，通过控制金属的固态相变，可以改变其力学性能、磁性能、导电性能等，从而满足不同领域的需求。
钢铁材料的相变行为
钢铁材料的相变行为引言：钢铁是一种被广泛应用于建筑和制造领域的重要材料，其卓越的力学性能和耐久性使得它成为现代社会中不可或缺的材料之一。
然而，要理解钢铁的性质和特点，就需要对其相变行为进行深入研究。
本文将探讨钢铁材料的相变过程及其在材料性能中的影响。
1. 钢铁的晶体结构钢铁的基本成分是铁和碳，它们以及其他合金元素共同影响了钢铁的晶体结构。
在常温和正常压力下，钢铁处于体心立方(fcc)或面心立方(hcp)的晶格结构中。
具体而言，α-铁是一种体心立方结构，而γ-铁是一种面心立方结构。
2. 钢铁的相变过程钢铁的相变过程通常包括固态相变和液态相变两个阶段。
固态相变主要发生在加热或冷却过程中，而液态相变则发生在熔化和凝固的过程中。
2.1 固态相变随着温度升高，钢铁中的碳原子会从体心立方(fcc)结构到面心立方(hcp)结构的相变，这个过程被称为渗碳相变。
在渗碳相变过程中，钢铁的晶格结构会发生变化，从而影响了材料的性能，如硬度、韧性和变形能力。
2.2 液态相变当钢铁加热至一定温度，其会熔化成液态，这个过程被称为熔化相变。
相较于固态相变，熔化相变对钢铁的性质影响较小，主要体现在液态阶段的流动性和热导性上。
在冷却过程中，液态钢铁会再次凝固形成固态，并在此过程中经历凝固相变。
3. 相变对钢铁性能的影响钢铁的相变行为对其力学性能和热处理特性有着重要的影响。
3.1 力学性能在渗碳相变过程中，钢铁的晶体结构变得更加致密和有序，从而提高了钢铁的硬度和抗拉强度。
此外，相变还能改善钢铁的韧性和可塑性，使其具备更好的变形能力和抗冲击性。
因此，了解相变过程对钢铁性能的影响，有助于提高钢铁制品的质量和性能。
3.2 热处理特性钢铁的相变行为也影响着其热处理过程。
通过加热和冷却过程中的相变实现对钢铁材料的处理和调控。
例如，通过控制温度和冷却速率，可以使钢铁材料经历不同的相变过程，如奥氏体相变和贝氏体相变，从而调节钢铁的硬度和组织结构。
金属材料学教学大纲-金属专业
金属材料学AScience of Metal Materials课程编号：07310410学分：3学时： 45 （其中：讲课学时：41 实验学时：4 上机学时：0 ）先修课程：金属学、金属组织控制原理、金属材料强韧化、材料力学性能适用专业：金属材料工程。
教材：《金属材料学》，戴起勋主编，化学工业出版社，2012 年9月第2版开课学院：材料科学与工程学院一、课程的性质与任务：《金属材料学》是一门综合性应用性较强的专业主干课，是金属材料工程专业的核心课程。
在金属学、金属组织控制原理及工艺和力学性能等课程的基础上，系统介绍金属材料合金化的一般规律及金属材料的成分、工艺、组织、性能及应用的关系。
通过课堂讲授、实验等教学环节，使学生系统掌握有关金属材料学方面的知识，培养学生研究开发和合理应用金属材料的初步能力。
二、课程的基本内容及要求绪论（金属材料的过去、现在和将来）：1．教学内容（1）金属材料发展简史（2）现代金属材料（3）金属材料的可持续发展与趋势2．基本要求了解金属材料在国民经济中的地位与作用、金属材料的发展概况和本课程的性质、地位和任务。
第一章钢的合金化原理1．教学内容（1）钢中的合金元素：合金元素和铁基二元相图；合金元素对Fe-C相图的影响；合金钢中的相组成；合金元素在钢中的分布；（2）合金钢中的相变：合金钢加热奥氏体化，合金过冷奥氏体分解；合金钢回火转变；（3）金元素对强度、韧度的影响及其强韧化；（4）合金元素对钢工艺性能的影响；（5）微量元素在钢中的作用（6）金属材料的环境协调性设计基本概念；（7）钢的分类、编号方法。
2．基本要求（1）掌握钢中合金元素与铁和碳的作用；铁基固溶体、碳（氮）化合物的形成规律；合金元素在钢中的分布；合金元素对铁-碳状态图的影响（2）了解钢的分类、编号方法（3）掌握合金元素对合金钢工艺过程的影响（4）掌握合金元素对合金钢力学性能的影响规律（5）理解微量元素在钢中的作用（6）了解材料的环境协调性设计基本概念第二章工程构件用钢1.教学内容（1）工程构件用钢的服役条件及性能要求（2）普通碳素工程构件用钢、低合金（含微合金化）钢的合金化原则和有关的低合金钢，双相钢（3）提高高低碳工程构件用钢性能的途径：控轧、控冷、合金化等，了解工程构件用钢的发展趋势2.基本要求（1）了解工程构件用钢的服役条件及性能要求（2）掌握普通碳素工程构件用钢、低合金（含微合金化）钢的合金化原则和有关的低合金钢，双相钢（3）理解提高高低碳工程构件用钢性能的途径：控轧、控冷、合金化等，了解工程构件用钢的发展趋势第三章机器零用钢1．教学内容（1）机器零件用钢一般性能要求（2）机器零件用钢：调质钢、弹簧钢、低碳马氏体钢、轴承钢、高锰耐磨钢、渗碳钢、氮化钢、非调质钢等合金化原则和性能及其典型钢种（3）（超高强度钢简介）（4）理解典型机器零件用钢的选材思路和发展2．基本要求（1）掌握机器零件用钢一般服役条件及性能要求（2）掌握常用机器零件用钢的合金化原则和性能及其典型钢种（3）了解超强度钢（4）理解典型机器零件用钢的选材思路和发展第四章工具用钢1．教学内容（1）工具用钢的合金化、组织性能的特点及分类（2）低合金刃具钢的合金化，热处理特点，典型钢种。
合金钢相变与轧制冶金缺陷
由轴承钢修磨炸裂联想到的
• 棒线材轧机控轧控冷的必要性 • —不仅仅是为了KBGCr15 !
GCr15 5.5 非控轧
GCr15 5.5 控轧
四，高速工具钢的校直脆断
高速工具钢的校直脆断
• 1992年2月起，M2高速钢出现批量校直
脆断：
• 当期杂质元素含量偏高； • 对应表面严重脱碳； • 脱碳区域内有晶界网状析出相。
马氏体合金钢轧后处理
• 可以解释： • 为什么有时快速冷却不开裂； • 为什么有时很好的缓冷还会开裂； • 工具厂的热处理问题。
不理想的控制冷却方式：
理想的控制冷却方式：
棒线材马氏体不锈钢的在线处理
• 思路： • 轧后过早的入罐或入坑并不好。 • 高温区快冷； • 600C以下缓慢冷却。
60Si2Mn 22mm
高速工具钢的校直脆断
• 分析： • 杂质元素含量偏高增加脆性； • 寒冷天气增加脆性； • 表层晶界析出相增加脆性。
高速工具钢的校直脆断
• 关于表层晶界析出相：
• 脱碳层内晶界析出炭化物？ • W,Mo,Cr,V合金元素的行为； • M2高速钢相图中析出相。
b s
T2
T0 T1
• 生产25mm棒材，合格； • 生产12mm线材，废品。
棒线材各钢种出现上述的同样问题 • 经济损失几百万元； • 技术中心没有一份总结或论文； • 没有保留金相照片； • 没有保留试料。
三，轴承钢坯的修磨炸裂问题
轴承钢坯的修磨炸裂问题
• 棒线材投产时，初轧150方坯空冷； • 为解决白点和钢坯脆断，98年起钢坯保温； • 2001年4月，为解决缓冷能力不足，试验空冷； • 试验刚开始，即出现1600吨钢坯修磨炸裂。
低合金钢中小型型钢的相变行为及其与力学性能的关系
低合金钢中小型型钢的相变行为及其与力学性能的关系引言：低合金钢是一种广泛应用于工程领域的金属材料，而其中的中小型型钢在机械制造、汽车零部件等领域有着重要的应用。
在了解低合金钢中小型型钢的相变行为以及与力学性能的关系之前，有必要先了解相变行为的概念和力学性能的基本原理。
一、相变行为的概念及分类相变行为是指物质在一定条件下由一种相态转变为另一种相态的过程。
相变行为包括固态相变、液态相变和气态相变。
低合金钢中小型型钢的相变行为主要集中在固态相变上。
低合金钢中小型型钢的固态相变行为可以被分为两个部分：亚共析相变和回火相变。
亚共析相变是指钢中的某些元素在固态下从固溶体中析出形成新的相，并改变材料的力学性能，如冷却过程中的贝氏体形成。
回火相变则是在亚共析后，通过加热过程使得贝氏体转变为其他相态的过程。
二、低合金钢中小型型钢的相变行为对力学性能的影响1. 亚共析相变对力学性能的影响亚共析相变的存在对低合金钢中小型型钢的力学性能具有重要影响。
贝氏体的形成过程中会出现超细析出相，在材料的晶界和晶内形成强化相，从而提高材料的抗拉强度、硬度和耐冲击性能。
此外，贝氏体还可以提高材料的耐磨性和疲劳寿命。
2. 回火相变对力学性能的影响回火相变主要指贝氏体的转变过程。
适当的回火可以改善贝氏体的强度和韧性，提高材料的综合性能。
回火时，贝氏体中的碳和其他合金元素会重新扩散到溶质固溶体中，使得贝氏体变脆度减小，增加材料的韧性和可塑性。
三、相变行为与力学性能的关系研究方法1. 金相显微镜观察金相显微镜作为一种常见的材料分析方法，可以直接观察和分析材料的相变行为。
通过对低合金钢中小型型钢在不同处理条件下的组织结构进行观察和比较，可以了解相变行为对材料微观结构的影响。
2. X射线衍射分析X射线衍射是一种直接观察晶体结构的方法，可以用于分析材料中相的类型、形貌和分数。
通过X射线衍射分析，可以深入了解低合金钢中小型型钢中贝氏体的相变行为。
3. 力学性能测试力学性能测试是评价材料性能的重要方法之一。
1.4合金钢的相变
半扩散型 （只有C 扩散）
4、非共析成分碳钢的等温转变 非共析钢的C曲线与共析钢的C曲线不同。区别在 于：亚共析钢曲线左移，在其上方多了一条过冷奥氏体
转变为铁素体
的转变开始线； 过共析钢曲 线右移，在其上 方多了一条过冷
奥氏体析出二次
渗碳体的开始线。
亚共析钢的等温转变图
22
5、共析钢的连续冷却转变 C曲线（TTT图）
马氏体而不发生其它转变的最小冷却速度，即临界淬火 速度。
24
合金元素对过冷奥氏体转变的影响概述
合金元素对过冷奥氏体转变的影响集中表现在恒温转
变曲线上。
强和中强碳化物形成 元素的影响
1） Ti、V、Nb、W、Mo等元 素显著推迟珠光体转变，推 迟贝氏体转变较少； 2） 升高珠光体转变温度范 围，降低贝氏体转变温度范
12
2、合金元素对碳化物溶解的影响 A、强碳化物形成元素（Ti、Zr、Nb、 V）提高碳化物的溶解温度，减慢碳化物 的溶解 B、弱碳化物形成元素（Mn、Fe）可加 速碳化物的溶解。
3、合金元素对γ相中元素均匀化的影响
合金元素扩散慢，影响γ相的均匀性。用 提高淬火温度或延长保温时间的方式改 善γ相的均匀性。 4.合金元素对溶质元素的晶界偏聚的影 响 合金元素易产生晶界偏聚，延缓奥氏形 成过程。
9
4）奥氏体均匀化： 渗碳体全部溶解完毕时，奥氏体的 成分是不均匀的，只有延长保温时间，通过碳原子的扩 散才能获得均匀化的奥氏体。 亚共析钢的加热过程：
F P F A A
AC1 AC3
过共析钢的加热过程：
P Fe3CⅡ A Fe3CⅡ A
AC1 ACcm
结构： 体心立方 （复杂斜方）正交晶格 面心立方
合金钢中的相变
第三章合金钢中的相变第一节合金元素对相变基本因素的影响钢的相变与母相、新相自由能之差、溶质原子的扩散以及碳在铁中的活度有关。
自由能差越小，临界晶核越难形成，因而γ相越稳定，相变驱动力越小。
因此这里讨论合金元素对上述基本因素的影响。
一、合金元素对α、γ相自由能的影响从热力学来看，合金元素对α-Fe、γ-Fe自由能的影响如图3-1所示。
包括三种情况：1、降低两相自由能差的，如C、Mn、Cr、Ni，降低相变驱动力。
2、对两相自由能差影响甚微，如Mo、W等，对相变驱动力影响不大。
3、增大两相自由能差自由能的，如Co、Al。
增加相变驱动力。
（和增加钢的淬透性之间存在的关系）二、合金钢中的扩散和碳在铁中的活度（一）合金钢中的扩散问题C、N在α-Fe中的扩散能力如表3-1所示。
可知：（1）扩散能力与温度有关。
（2）置换原子扩散比间隙原子慢几个数量级。
（3）在特定温度下，间隙原子和置换原子在铁素体中的扩散比在奥氏体中快。
这是由于γ-Fe的密排结构，而α-Fe排列比较松弛，原子相应更快的热激活并易于通过点阵中的空位和相邻的溶质原子。
（4）在所有情况下，对每一种元素，在α-Fe中的扩散激活能必低于同一元素在γ-Fe中的扩散激活能。
合金元素对C 在奥氏体中的扩散激活能和扩散系数的影响如图3-2、3-3所示。
可知：（1） 碳化物形成元素使扩散激活能升高，扩散系数降低；非碳化物形成元素降低扩散激活能，升高扩散系数。
Si 例外，它升高Q 值，降低D 。
这是由于形成碳化物元素降低了C 的活度，即提高了C 在奥氏体中结合力，因而使Q 值升高，D 下降。
非碳化物形成元素提高了C 的活度，即降低了C 在奥氏体中的结合力，因而使Q 值下降，D 升高。
而Si 则是由其提高C 的活度，但同时降低了铁的活动性，即增加了铁在固溶体中的结合能，因而得到与Ni 、Co 相反的结果。
（2） 合金元素Cr 、Mn 、Mo 、Ti 、Nb 等均减慢γ-Fe 的自扩散速度。
第5章 钢中马氏体相变(3学时)
定 义
特 点
7、准马氏体相变
准M相变（Quasimartensitic Transformation）和M相 变一样，也是以切变形变为主，但其切变量不大，因此 它的动力学和形态基本上不受应变能所控制。 这种转变也是位移式无扩散相变，位移也是以切变为 主的。和M相变的根本区别是轴比c/a是连续变化的，即 意味着正方结构是从母相连续形成的，不需要形核。
2 能量和形貌的关系
设马氏体为扁球形，半径为r ，厚度为c ，则其体积和表 面积可求得 。采用变温长大理论, 所以，该马氏体片的非化 学自由能变化为：
4 4 2 2 Ac 2 g N 2r cr 2r c r A 3 r 3
2
那么，单位体积马氏体的非化学自由能变化为：
例如：超导化合物V3Si 的转变特征。V3Si从高温冷却 到很低温度时，具有立方结构、点阵常数为a的母相会转 变为正方结构相。如图6.4所示，转变临界温度为Tm ， 正方结构的c 增长，而a 则减小。
6.2 马氏体相变形核 1 均匀形核
分析讨论相变晶核的临界尺寸，一般有两种方法： 经典均匀 形核方法 相变变温 长大理论 设 ΔG=ΔGV+ΔGE+ΔGS → 求ΔG*
特 点
形状变化有两个分量：切变分量和膨胀分量， 其共同作用使相变产生了整体的宏观变形。 表面浮凸现象就是由于形状变化造成的。
3 点阵不变形变
原理 最小自由能原理,尽可能↓相变体系的能量
特点
又称不均匀切变。M相变在第一次切变 后，→产生滑移或孪生。滑移留下位错、 层错，孪生形成了共格孪晶界面。
这不改变已形成的点阵结构，也不改变体积，却改 变了应变能 ，使体系的能量↓。对一般马氏体相变， 点阵不变形变是第二次切变
第七讲-钢铁中的合金相
铁碳二元相图
2.碳钢中的相及组织
钢铁中的相及组织
铁碳合金中的 Fe 和 C 可形成铁素体（F）、奥氏体（A）、渗 碳体（Fe3C）三个基本相。这些基本相以机械混合物的形式结 合还可形成珠光体（P）和莱氏体（Ld）组织。
铁碳合金中的固态相：铁素体，渗碳体，奥氏体 室温组织组成物：铁素体，渗碳体，珠光体，莱氏体
1.纯铁及钢简介
纯铁的基本性质
Fe是元素周期表中第26号元素，分子量56、密度7.8g/cm3、熔点 1538℃。 Fe有三种不同的晶型，随温度的变化会发生同素异晶转变。同素 异晶转变也称同素异构转变或重结晶，是一种固态相变。
1.纯铁及钢简介
纯铁的同素异构转变
纯铁同素异构转变
912 ℃
1394℃
下贝氏体金相组织 100 ×
电子显微组织1000 ×
2.碳钢中的相及组织
马氏体(金相组织)
钢从奥氏体状态快速冷却，抑制其扩散性分解，在较低温度（Ms点） 下发生的转变为马氏体转变。转变产物为马氏体，它是碳在铁素体中 的过饱和固溶体，具有较高的强度和硬度。 马氏体转变是钢件热处理强化的主要手段，马氏体转变过程中的Fe的 晶格改组是通过切变方式完成的，因此马氏体转变是典型的非扩散型 转变。
纯铁的同素异构转变77091213941538时间min有磁性的fe体心立方无磁性的fe体心立方fe面心立方fe立方液态纯铁同素异构转变钢铁是铁基合金黑色金属的总称是现代工业中应用最广泛的材料
合金相与相变
易丹青 教授
材料科学与工程学院 danqing@
第七讲 钢铁中的相 1. 纯铁及钢简介 2. 碳钢中的相及组织 3. 合金钢中的相
α-Fe
γ-Fe
δ-Fe
合金钢中的相变
第一节 合金元素对奥氏体形成的影响
一、合金钢的加热A化（Austeniting of alloy steel） 一、K在A中的溶解规律( Rule of K dissolution ) K溶解影响到钢热处理工艺的制定，决定了钢的组织与性能。基 本规律：
12、W、Mo等元素对贝氏体转变影响不大，而对珠光体 转变的推迟作用大，如何理解?
13、对一般结构钢的成分设计时，要考虑其MS点不能太 低，为什么?
第三节 合金元素对淬火钢回火转变的影响
一、M分解 二、回火时K的形成 三、AR的转变 四、对铁素体回复再结晶的影响
回火温度的升高－回火组织发生变化、体积发生变化、硬度 （马氏体比容最大）
1）非 K形成元素 Ni、Si和弱 K形成元素 Mn，大致保持 C钢的“C”曲线形状，只是使“ C”曲线向右作不 同程度的移动；
2）非K形成元素，不改变“ C”曲线，但使“ C”曲线 左移；
3）K形成元素，不仅使“C”曲线右移，并且改变了“C” 曲线形状。Me的不同作用，使“C”曲线出现了不同 形状，大致有五种（Ni、Mn，不锈钢1Cr18Ni9；图5e)
? 过冷A体稳定性实际上有两个意义：孕育期 （incubation period ）和相变速度。即“ C” 曲线中恒温下开始转变前的时间和转变开始和 终了的水平距离（时间）。一般生产中主要关 心的是孕育期。孕育期的物理本质是新相形核 的难易程度，转变速度主要涉及新相晶粒的长 大。
第三章合金钢中的相变第一节合金元素对奥氏体形成的影响第二节合金元素对过冷奥氏体转变的影响第三节合金元素对淬火钢回火转变的影响一合金钢的加热a化austenitingalloysteel第一节合金元素对奥氏体形成的影响一k在a中的溶解规律rulek溶解影响到钢热处理工艺的制定决定了钢的组织与性能
合金钢中的相变
含碳量为0.4-0.5%的结构钢；d图对应于含碳量较高的工具钢。 c）CrNiMo和CrNiW含碳量在0.15-0.25%。
特点：珠光体转变区，过冷奥氏体十分稳定，图上不出现珠 光体转变区，而在贝氏体转变区，稳定性很小。 e）高Cr钢
2. Mo、W、V对贝氏体转变的滞缓作用较弱。（如下图b所 示）
原因：1.虽然这三种元素升高γ－α转变温度，而且还加大 γ和α间的自由差；
非 碳 化 物 形 成 元 素 属 于 这 种 类 型 ： Ni、Al、Si、Cu、 Co
2．合金元素加入后，不仅使C曲线位置移动，而且 使C曲线的形状改变。
碳化物形成元素属于这种类型：Cr、Mo、W、V等。
过冷奥氏体的等温分解曲线可分为六种基本类型：
a）碳素钢以及不含碳化物形成元素的低合金钢。 特点：珠光体和贝氏体转变没有分开。
特点：只有珠光体转变，不出现贝氏体转变。 f）高合金奥氏体钢
特点：不出现珠光体和贝氏体转变。
二、合金元素对珠光体转变的影响
珠光体转变是典型的形核和长大过程。不同的合金元素可 以对形核率N和长大速率G产生不同的影响。例如：Mo和Ni同 时降低N和G；而Co和Al同时提高N和G。
为了完成合金奥氏体的共析分解，除了C的扩散以外，还需 要合金元素的扩散再分配。也就是在渗碳体和铁素体与奥氏 体之间的界面上，合金元素产生再分配。
即在渗碳体中固溶度高的那些合金元素将扩散到渗碳体 中去，而非碳化物形成元素不存在此情况。
说明：
1．当合金元素的成分达到临界含量，渗碳体将被其合 金碳化物所取代。
2．强碳化物形成元素Nb、Ti、V当其含量低于0.1%时也 可能优先形成合金碳化物。
钢铁材料的相变行为研究
钢铁材料的相变行为研究钢铁是人类历史上最重要的材料之一，其广泛应用于建筑、制造业和交通运输等领域。
而钢铁材料的性能则直接影响着产品的质量和可靠性。
在工程实践中，为了充分发挥钢铁材料的潜力，需要深入研究其内部的相变行为。
相变是指物质从一个相态转变为另一个相态的过程。
在钢铁中，常见的相变包括固溶体的形成与析出、奥氏体向马氏体的转变等。
这些相变过程与钢铁材料的力学性能、电磁性能、热学性能等密切相关。
一种常见的钢铁相变行为是固溶体的形成与析出。
当钢铁中存在着过饱和的固溶体时，固溶体中的溶质原子会聚集起来形成新的相。
这种相变过程在钢铁的热处理等工艺中经常发生。
研究固溶体的形成与析出规律，能够帮助我们控制钢铁材料的相组成和微观结构，从而改善其力学性能和耐久性。
另一种重要的相变行为是奥氏体向马氏体的转变。
奥氏体是钢铁中常见的一种组织形态，它具有良好的延展性和韧性。
然而，在某些条件下，奥氏体会发生相变，转变为马氏体。
马氏体具有高硬度和脆性，从而增加了钢铁材料的强度和硬度。
但是，由于马氏体的脆性，也使得钢铁材料易于发生断裂。
因此，研究奥氏体向马氏体的相变行为，对于提高钢铁材料的强度和韧性非常重要。
相变行为的研究需要借助于现代材料科学中的一系列研究方法和手段。
其中，传统的金相显微镜观测和扫描电子显微镜技术能够直接观察和分析钢铁材料中的相组成和形貌。
这些观测结果可以提供相变过程的定性和定量信息，为相变行为的研究提供基础数据。
此外，X射线衍射和中子衍射等技术可以通过分析材料的衍射图样，获得相变过程中的晶格参数和晶体结构信息。
这些结构参数的变化能够揭示相变过程中的原子移动和排列方式，从而为相变机制的解析提供线索。
相变行为的研究还需要结合热力学分析和模拟计算等手段。
通过测定钢铁材料体系中的相平衡关系，可以计算出不同温度、压力和成分条件下的相稳定区域。
而分子动力学模拟和相场理论等计算方法，则可以模拟和预测相变过程的微观机制和宏观行为，为实验研究提供理论指导和解释。
金属与合金中的固态相变
金属与合金中的固态相变引言：金属与合金是人类社会中广泛应用的材料，其固态相变是其性能和结构变化的重要因素。
本文将从金属与合金的固态相变的定义、分类、原因以及应用等方面进行阐述，以期帮助读者更好地理解和应用金属与合金材料。
一、固态相变的定义和分类固态相变是指物质在固态下由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。
金属与合金的固态相变主要包括晶体相变和磁相变两类。
1. 晶体相变晶体相变是指金属或合金在温度或外界条件变化下，晶体结构发生改变的过程。
晶体相变可以分为一级相变和二级相变。
一级相变是指在相变温度下，物质的晶体结构发生突变，伴随着热力学性质的突变，例如金属的熔化和凝固过程。
二级相变是指在相变温度下，物质的晶体结构发生变化，但没有热力学性质的突变，例如金属的铁磁-顺磁相变和反铁磁-顺磁相变等。
2. 磁相变磁相变是指金属或合金在外界磁场或温度变化下，磁性发生改变的过程。
磁相变可以分为一级相变和二级相变。
一级相变是指在相变温度下，磁性发生突变，例如铁磁-顺磁相变和反铁磁-顺磁相变。
二级相变是指在相变温度下，磁性发生变化，但没有突变。
二、固态相变的原因固态相变的原因主要包括温度变化、压力变化、外界磁场变化等。
1. 温度变化温度是影响固态相变的主要因素。
当温度升高或降低到一定程度时，金属或合金的晶体结构会发生变化。
2. 压力变化压力是影响固态相变的另一个重要因素。
当压力增大或减小到一定程度时，金属或合金的晶体结构也会发生变化。
3. 外界磁场变化对于磁性材料来说，外界磁场的变化也会引起固态相变。
当外界磁场强度改变时，磁性材料的磁性特性也会发生相应的变化。
三、金属与合金固态相变的应用金属与合金的固态相变在材料科学和工程中有着广泛的应用。
1. 超弹性材料金属合金中的固态相变可以使材料具有超弹性特性。
例如，钛镍合金在相变过程中可以发生大变形，具有良好的形状记忆和回弹性能，广泛应用于医疗器械、航空航天等领域。
2. 铁磁形状记忆合金铁磁形状记忆合金是一种具有形状记忆和磁性记忆双重特性的材料。
钢的固态相变
λν0
exp(
−∆G kT
V
)(1 −
exp(
−V∆G kT
V
))
从上式中可看出，当过冷度较小时，长大速度随过冷度的增大而增加；
到达某一极限值后，长大速度又随着过冷度的增大而降低。
当新相的形成有成分变化时，由于新相的成分与母相不同，在母相内存在
着浓度差。新相的长大过程需要原子由远离相界的地区扩散到相界处，或者由
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变。
1、转变的现象
如果把共析成分的单相奥氏体试样迅速放入温度在 727～550℃间的某一
温度下介质中，随着时间的延长珠光体转变开始进行，如果测定转变量与时间
的关系，可以得到如图所示的一条分解曲线。分解曲线表明，珠光体
的分解过程包括一个转变的孕育
期，一个转变的加速阶段以及一 100
的形成速度。
对于扩散型相变，新相的长大时界面的移动依靠原子的扩散来进行。这时
长大的速度与过冷度、原子的扩散系数等有关。
当新相的形成没有成分的变化时，新相的长大是由原子的短程扩散来控制
的，即母相的原子跨越相界扩散到新相上去，这时新相的长大速度与纯金属结
晶时的长大速度规律相似，长大速度的表达式可为：
V
=
固态相变时，母相中的各种晶体缺陷，如晶界、相界、位错等对相变有着 比较明显的促进作用。因为在缺陷周围晶格畸变，具有较高的能量，在这些区 域形核比较容易，因而可以促进新相的形成。 4、固态相变过程中会出现较稳定的过渡相
过渡相是一种亚稳定相，其成分和结构往往界于母相和新相之间。由于固 态相变阻力大，转变温度比较低，原子扩散困难，新相与母相成分相差较大时， 难以形成稳定相。相变的进行过程中，先形成一种协调性的中间转变产物（过 渡相），然后在进一步转变成为稳定相。当温度等条件较差时，形成的过渡相 可以具有较好的稳定相而保留下来。 四、固态相变的类型
第5章-马氏体相变
二、影响钢中Ms点的主要因素
1、化学成分的影响
Ms点主要取决于钢 的化学成分。
碳含量的影响最显 著，随钢中碳含量 的增加，Ms点和Mf点 的变化并不完全一 致。
N和C一样在钢中形 成间隙固溶体，对 相均有固溶强化作 用，所以使马氏体 相变阻力增大，且C、 N还是稳定相的元 素，所以强烈地降 低Ms点。
第5章 马氏体相变
主要内容：马氏体相变的主要特征； 马氏体的组织结构及其力学性能； 马氏体相变的热力学、动力学；
重点内容：影响Ms点的因素、马氏体相变动力学、 马氏体的组织结构、力学性能
前言
马氏体（M, Martensite）相变特点： 相变过程中，晶体点阵的重组是通过基体原子的集 体有规律近程迁移——切变，由一种晶体结构转 变为另一种晶体结构，而没有原子长距离的迁移， 且新相与母相保持共格关系。
钢中M相变：钢经奥氏体化后快速冷却，抑制其扩 散型分解，在较低温度下发生的无扩散型相变。
在纯金属（Zr,Li,Co），合金（Fe-Ni,Ni-Ti,Cu-Zn）,陶瓷 （ZrO2）中也有M转变。
钢中马氏体：C原子在-Fe中形成的过饱和固溶体。
马氏体定义：凡相变的基本特性属于马氏体型的转变 产物都称为马氏体。
的原子是共有的，整个界面是互相牵制的，且是以母相切变来 维持共格的。
表面浮凸：由相变过程中均匀应变而导致的形状改变，是切变 位移的特征。
相界面：在相变中未发生转动，将此不应变平面称之为M相变 的惯习面(habit plan)，说明M相的产生是通过母相的切变而获 得的。
亚结构：位错、孪晶、层错等，是M相变时局部切变的产物。
一个板条群可分成几个呈 大角晶界的平行的区域— 同位向束(B)
一个板条群也可只由一种 同位向束组成(C)
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C、B的溶入显著地降低了γ－Fe点阵的结合力，增加了Fe原子的 自扩散系数，所以促进奥氏体晶粒的长大。
3．碳化物形成元素（Ti V Zr Nb W Mo）
碳化物形成元素与碳结合成碳化物，使碳保持在固溶体之外，从 而削弱了C降低点阵结合力的影响，所以阻碍奥氏体晶粒的粗化。
含碳量为0.4-0.5%的结构钢；d图对应于含碳量较高的工具钢。 c）CrNiMo和CrNiW含碳量在0.15-0.25%。
特点：珠光体转变区，过冷奥氏体十分稳定，图上不出现珠 光体转变区，而在贝氏体转变区，稳定性很小。 e）高Cr钢
特点：只有珠光体转变，不出现贝氏体转变。 f）高合金奥氏体钢
特点：不出现珠光体和贝氏体转变。
VC等只有在高温下才溶于奥氏体。 2．碳化物的溶解度随温度的降低而下降，因此，如果有
足够数量的合金元素存在的话，合金碳化物将在随后的冷却 过程中发生沉淀。
弱的碳化物形成元素可降低强碳化物的稳定性，加速其 溶解，如锰加入含Nd、V、Ti的钢中，能促进强碳化物的溶 解。
第五章合金钢中的相变
奥氏体晶粒长大 合金元素对奥氏体晶粒的影响如下：
第五章合金钢中的相变
二、合金元素对珠光体转变的影响
珠光体转变是典型的形核和长大过程。不同的合金元素可 以对形核率N和长大速率G产生不同的影响。例如：Mo和Ni同 时降低N和G；而Co和Al同时提高N和G。
为了完成合金奥氏体的共析分解，除了C的扩散以外，还需 要合金元素的扩散再分配。也就是在渗碳体和铁素体与奥氏 体之间的界面上，合金元素产生再分配。
3．合金元素对原子间结合强度的影响
合金元素溶入奥氏体后改变了原子间的结合强度，从而引起了 激活能和铁的自扩散系数的变化。
综合上述三个理论，则能够较好地解释下列事实：
1．单相的α晶粒比γ晶粒易于长大。
α－Fe原子结合强度小于γ－Fe，因而α－Fe的自扩散系数大于 γ－Fe的自扩散系数，因此单相的α相晶粒比γ相晶粒易于长大。
使C曲线的形状改变。 碳化物形成元素属于这种类型：Cr、Mo、W、V等。
第五章合金钢中的相变
过冷奥氏体的等温分解曲线可分为六种基本类型：
第五章合金钢中的相变
a）碳素钢以及不含碳化物形成元素的低合金钢。 特点：珠光体和贝氏体转变没有分开。
b，d）含碳化物形成元素的合金钢。 特点：分解曲线分成珠光体和贝氏体转变两部分。b图对应于
即在渗碳体中固溶度高的那些合金元素将扩散到渗碳体 中去，而非碳化物形成元素不存在此情况。
说明：
1．当合金元素的成分达到临界含量，渗碳体将被其合 金碳化物所取代。
2．强碳化物形成元素Nb、Ti、V当其含量低于0.1%时也 可能优先形成合金碳化物第。五章合金钢中的相变
三、合金元素对贝氏体转变的影响
合金钢中贝氏体组织中的碳化物是合金碳化物，而且其合 金元素的平均含量接近于奥氏体中合金元素的含量，所以， 贝氏体转变时只有碳原子的扩散，而没有合金元素的扩散。
α→γ过渡之前，不会出现组织遗传性。这时α→γ的过 渡与再结晶过程重合，晶粒得到细化。
3．当加热温度高于Tp，发生再结晶，此时奥氏体晶 粒形态发生变化。
第五章合金钢中的相变
碳化物和氮化物在奥氏体中的溶解规律 各种碳化物和氮化物在奥氏体中的溶解度与1/T的关系
如图所示：
第五章合金钢中的相变
最稳定的化合物的溶解度最低。由图可知： 1．强碳化物形成元素组成的稳定碳化物，如TiC、NdC、
1．机械阻碍论 由于晶界上有众多的高度弥散的化合物质点，这些质点机
械地阻碍了奥氏体晶粒的长大。 这些高度弥散的化合物可以是一些稳定的碳化物、也可以
是一些氮化物、或者是非金属夹杂物。 2．合金元素对奥氏体界面能的影响
合金元素溶入奥氏体之后，改变了奥氏体的界面能，因而 改变了奥氏体的长大倾向。
第五章合金钢中的相变
Chapter 5 合金元素对钢加热时转变的影响 第二节 合金元素对过冷奥氏体分解的影响 第三节 合金元素对淬火钢回火转变的影响
第五章合金钢中的相变
第五章合金钢中的相变
第一节 合金元素对钢在加热时转变的影响 合金钢加热时奥氏体化过程包括： 1．α→γ转变； 2．碳化物、氮化物或金属间化合物在奥氏体中的溶解； 3．奥氏体晶粒的再结晶。 奥氏体的形成可以按两种相互竞争的相变机制进行： 1．晶体学无序机制：
第五章合金钢中的相变
二、原始有序组织（马氏体、贝氏体）——钢中的组织遗 传性
对原始有序组织加热高于Ac3，可能导致形成的奥氏体 晶粒与原始晶粒具有相同的形状、大小和取向，称为钢的 组织遗传性。
第五章合金钢中的相变
合金化和加热速度对出现组织遗传性的影响如下：
高合金钢 合金钢 低合金钢和碳钢
快速加热 √ √ －
第五章合金钢中的相变
第二节 合金元素对过冷奥氏体分解的影响
第五章合金钢中的相变
一、合金元素对过冷奥氏体稳定性的影响 合金元素对C曲线的影响分为以下两种： 1．合金元素加入后，C曲线仍然保持与碳钢相同的
形式，只是位置有所改变。 非碳化物形成元素属于这种类型：Ni、Al、Si、Cu、Co 2．合金元素加入后，不仅使C曲线位置移动，而且
合金元素对贝氏体转变的影响主要通过以下两个途径：
1．对碳原子扩散速度的影响。
2．对γ－α转变速度的影响。
γ相新晶粒的形成相对于原始α相来说，改变了大小和取向。 2．晶体学有序机制：
α相以切变的方式转变为γ相，所以两相的大小和取向有一 定的关系。
第五章合金钢中的相变
决定相变机制的主要因素是： 原始组织的类型以及它们之间精确的晶体学有序性。
一、原始无序组织（铁素体＋碳化物）
原始无序的 组织发生无序的 重结晶机制。奥 氏体形成的无序 机制如图所示。
中速加热 √ － －
缓慢加热 √ √ －
第五章合金钢中的相变
钢的合金化程 度越高，加热速度 越快，越容易在钢 中出现组织遗传性。
原始有序组织 在加热和冷却时， 钢的重结晶示意图 如图所示。
第五章合金钢中的相变
由图可见： 1．当足够快地加热淬火钢时，将按晶体学有序机制
形成奥氏体，得到粗晶组织。 2．在中等加热速度下，马氏体完全分解发生在