固态相变原理及应用

温度：奥氏体化温度越高，起始 晶粒越细小，奥氏体中平均碳含 量越低。
加热速度：起始晶粒度 保温时间：实际晶粒度
• 奥氏体晶粒长大的驱动力与阻力 驱动力：体积自由能，界面能 阻力：第二相粒子
3. 珠光体转变 片状和粒状珠光体形成机理； 影响珠光体转变动力学（速度）的 因素； 珠光体的力学性能。
• 片状和粒状珠光体形成机理 片状：横向与纵向。同素异构造成碳溶解
固态相变原理及应用
变
• 变化的条件？ • 如何变化或变化的规律？ • 变化的结果？
专业基础课 专业课
• 一个中心：性能 • 两个基本点
基本点一：开发新材料 基本点二：最大限度地挖掘现 有材料的潜力
材料性能的决定因素
材料的性能由内因和外因共同决 定，外因是变化的条件，内因是 变化的依据，外因通过内因而起 作用。
加速P转变
外因：奥氏体化工艺，奥氏体晶粒度，塑性 变形
• 珠光体的力学性能（片状和粒状珠光体性 能的差异） 层间距，珠光体团的影响 在相同成分条件下，粒状珠光体的强度、 硬度稍低，塑性、韧性较高；相同强度条 件下，粒状珠光体的疲劳强度更高。 形变珠光体性能（派敦处理）：除晶须 外的最强金属。
4. 马氏体相变
新相长大速度与扩散系数成正比， 与相界面附近母相中的浓度梯度成 正比，与相界面上两相的平衡浓度 差成反比。
扩散型相变新相长大速度，受驱动 力和扩散系数所控制。降温时，相 变速度与温度的关系存在极大值 ； 升温时，相变速度随温度单调增加。
相变动力学曲线绘制原理 新相转变体积分数与时间的关系曲线呈 “S”形； 相变过程包括：晶体结构、化学成分和某种 物理性质的跃变。通过各种现代分析测试手 段，很容易确定上述变化是什么时候开始， 进行到什么程度，以及什么时候结束。从而 获得在某一外界条件下，新相转变量与转变 时间之间的关系。
3. 相变的结果？（相变晶体学） 方向——途径——结果
1. 能量降低的方向 2. 阻力最小的路径 3. 最适合的结构环境，适者生存！
一、基本概念
1. 相，固态相变，相变势垒，激活 能, 形核功；起始晶粒度，实际 晶粒度，本质晶粒度；珠光体， 珠光体团，粒状珠光体，派敦处 理, 珠光体型组织；马氏体，奥 氏体（热，机械）稳定化，临界 冷却速度，临界淬火速度；
马氏体相变特点 组织特点（板条和片状）， Ms点的物理意义及影响因素 奥氏体稳定化产生的原因 马氏体具有高强度硬度的原因
• 马氏体相变特点
非扩散性 ，切变共格和表面浮凸 ， 位向关系和惯习面 ，马氏体相变的 不彻底性 ，马氏体相变的可逆性 。 切变共格和无扩散性
• 组织特点（板条和片状）， 板条马氏体：形态示意图，亚
结构，显微组织特点； 片状马氏体：形态示意图，亚结
构，显微组织特点。
• 形态及亚结构的影响因素 化学成分：高碳低碳，扩大缩小奥氏
体区 马氏体形成温度：Ms点 奥氏体层错能：低层错能是形成ε-M的必要条件 奥氏体与马氏体的强度：切变阻力 滑移与孪生变形的临界分切应力
阿累尼乌斯方程：K = K0exp（-Q/kT）
• 相界面：共格→半共格→ 非共格， 弹性应变能逐渐减小、界面能逐渐 增大；相变阻力：弹性应变能和界 面能；弹性应变能起主导作用，界 面趋于非共格，界面能起主导作用， 新相趋于形成共格界面。
• 热力学条件（必要） 充分条件：三大起伏
• 阻力和驱动力
C曲线的影响因素
两个“凡是”：凡是扩大A区的元 素（Mn，Ni）都使C曲线下移；凡 是稳定过冷A的元素（Co除外）， 都使C曲线右移 a）内因：碳：亚共析钢“右”；过 共析钢“左”，贝氏体“右下”
合元：贝氏体相变速度取决于基 体相变和碳的扩散：Co, Al“左移”
外因：A化：A不均匀和晶粒细小， “左移”。 塑变：提供缺陷，加速；提供切 变阻力，减速。
度的变化，排碳与吸碳相辅相成。 片状→粒状：胶态平衡理论，第二相粒子
的溶解度与其曲率半径有关；片状渗碳 体内不可能存在亚晶界。
• 影响珠光体转变动力学（速度）的因 素 凡是稳定过冷奥氏体的因素都使C 曲线右移。 内因：化学成分，原始组织； 外因：奥氏体化工艺，奥氏体晶粒 度，塑性变形
内因：化学成分 C:亚共析减速，过共析加速，共析钢最稳定 合元：Co除外，减速 原始组织：A化前的组织粗大，A化不充分，
2. 奥氏体化
奥氏体晶粒度测量原理和方法，奥 氏体化过程及影响因素；奥氏体 晶粒长大的驱动力与阻力。
• 奥氏体化过程及影响因素：奥氏 体形核，奥氏体晶粒长大，剩余 碳化物的溶解，奥氏体均匀化。
碳化物的溶解需要更长时间。
• 影响奥氏体晶粒大小的因素 内因：化学成分，原始组织，冶炼方法 外因：加热温度，加热速度，保温时间 成分： C%（非单一），合金元素 （与碳的亲和力及改变相变点） 原始组织（平衡与否，晶粒大小）： 影响起始晶粒度 冶炼方法：本质晶粒度
上贝氏体，下贝氏体，等温淬火； 二次硬化，二次淬火，自回火，回 火脆（第一类，第二类），抗回火 性；淬火，回火，退火（球化退 火），正火，淬透性，淬硬性，调 质；脱溶沉淀，（自然，人工）时 效，时效硬化，调幅分解。
二、需掌握的Hale Waihona Puke Baidu点
1. 固态相变的特点：相界面，弹性 应变能，位相关系与惯习面，亚稳 过渡相，原子迁移率
驱动力：体积自由能，晶格缺陷； 阻力：界面能，弹性应变能 形核功：均匀形核，点缺陷，线缺 陷，面缺陷（界面，界棱，界隅）
• 相变动力学： 形核率
N = C*f C*——临界晶胚体积分数（△G*） f ——晶胚成为晶核的频率（Q）
• 相变动力学： 无成分变化新相长大速度？ 切变和台阶长大
有成分变化的新相长大速度与什么 有关？
外因：材料所处的外部环境； 内因：材料内部的结构。
（1）组成物质的化学键
（2）组成物质最基本的独立单元（组 元）及其排列和运动方式；
（3）由组元构成方式所确定的相； （4）由相的种类、形状、大小和 分布的总和构成的组织
本课程要解决的核心问题 1.相变能否发生，朝着什么方向发 生？（相变热力学） 2. 相变时如何进行的，它的途径 和速度如何？（相变动力学）