材料热处理原理第一章金属固态相变基础

(2)半共格界面
当错配度δ增大到一定程度时， 便难以继续维持完全的共格关系， 于是在界面上将产生一些刃型位错， 以补偿原子间距差别过大的影响， 使界面弹性应变能降低。此时，界 面上的两相原子变成部分保持匹配， 故称为半共格（或部分共格）界面。
D a
(3)非共格界面
当两相界面处的原子排 列差异很大，即错配度δ很 大时，两相原子之间的匹配 关系便不再维持，这种界面 称为非共格界面。非共格界 面结构与大角晶界相似，系 由原子不规则排列的很薄的 过渡层所构成。
• 其两个生成相的结构和 成分均与母相不同
• 加热时也可发生 α+→转变，称为逆 共析相变
平衡相变
④调幅分解
• 某些合金在高温下具有均匀单相固溶体，但冷却到 某一温度范围时可分解成为与原固溶体结构相同但 成分不同的两个微区，这种转变称为调幅分解。
特点：转变初期不存在明显的相界面和成分突变； 通过上坡扩散实现成分变化； 一个自发分解过程； 不经历形核阶段； 分解速度快
热处理原理
• 第一章 金属固态相变基础 • 第二章 钢中奥氏体的形成 • 第三章 珠光体转变 • 第四章 马氏体相变 • 第五章 贝氏体相变 • 第六章 钢中的回火转变 • 第七章 合金的脱溶沉淀与时效
第一章 金属固态相变基础
概述
• 固态相变是热处理的基础
• 相变：构成物质的原子（分子）的聚合状态（相状态）发 生变化的过程。
Fe-C合金
非平衡相变
– ③贝氏体相变
• 当奥氏体被冷却至珠光体转变和马氏体相变之 间的温度范围时，由于温度较低，铁原子已不 能扩散，但碳原子尚具有一定的扩散能力，因 此出现了一种独特的碳原子扩散而铁原子不扩 散的非平衡相变，这种相变称为贝氏体相变(或 称为中温转变)。
• 其转变产物也是α相与碳化物的混合物，但α相 的碳含量和形态以及碳化物的形态和分布均与 珠光体不同，称其为贝氏体。
小结
➢ 相变过程的实质：
1、结构：同素异构、多形性、马氏体 2、成分：调幅分解 3、有序化程度：有序化转变 相变：一种、两种或两种以上的变化 结构和成分：贝氏体转变、共析、脱溶沉淀
小结
➢同一种材料在不同条件下可发生不同的相变，
从而获得不同的组织和性能。
➢共析碳钢
平衡转变:珠光体组织，硬度约为HRC23； 快速冷却:马氏体组织，硬度达HRC60以上。
钢中铁素体奥氏体的转变 奥氏体铁素体的转变
平衡相变
②平衡脱溶沉淀 • 在缓慢冷却条件下，由过
饱和固溶体中析出过剩相 的过程称为平衡脱溶沉淀 • 特点：母相不消失，随着 新相析出，母相的成分和 体积分数不断变化（结构 不变），新相的结构和成 分与旧相不同
平衡相变
③共析相变
• 合金在冷却时由一个固 相分解为两个不同固相 的转变称为共析相变 (或珠光体型转变)
比容：单位质量的物质所占有的容积
3. 弹性应变能
➢弹性应变能 = 比容差产生应变能 + 共格应变能 ➢ 共格应变能：界面原子强制匹配
共格半共格 非共格 依次降低
➢ 比容差应变能：与比容差、弹性模量、新相几何形状有关
新相形状与相对应变能的关系
新相：圆盘（片） c<<a 应变能最小
棒(针）状 c>>a 应变能居中
改变。
3. 按原子迁移特征分类
(2)非扩散型相变
相变过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子的运动是协调一致
的相变称为非扩散型相变，也称为“协同型”转变。非扩散型相变时 原子仅作有规则的迁移以使点阵发生改组。迁移时，相邻原子相对移 动距离不超过一个原子间距，相邻原子的相对位置保持不变。 如：马氏体相变
平衡相变
⑤有序化转变
• 固溶体中，各组元原子在晶体点阵中的相对位 置由无序到有序(指长程有序)的转变称为有序化 转变。如Cu-Zn，Cu-Au，Mn-Ni，Ti-Ni等合金。
非平衡相变
• （2）非平衡相变
– 非平衡相变：加热或冷却速度很快，上述平衡相 将被抑制，固态材料可能发生某些平衡状态图上 不能反映的转变并获得被称为非平衡或亚稳的组 织
弹性应变能：固体在外力作用下，因 变形而储存能量称为变形能或应变能。
3. 弹性应变能
固态相变时，应变能与界面能何为主导作用？
①ΔT大、新相临界晶核rk↓、单位体积新相的表面积S↑→界面能↑（居主 要地位）→两相倾向形成共格或半共格界面→界面能↓（前提：使界面能 的降低足以超过由于形成共格或半共格界面所引起的应变能↑） ②ΔT小→新相临界晶核rk↑→单位体积新相的表面积S↓→界面能↓（居 次要地位）→倾向形成非共格界面
3. 按原子迁移特征分类
扩散型相变
相变时原子迁移特征
非扩散型相变
3. 按原子迁移特征分类
（1）扩散型相变
相变时，相界面的移动是通过原子近程或远程扩散而进行的相变。
如：脱溶型相变、共析型相变(珠光体型转变）、调幅分解和有序化 转变等。
特点：
（1）有原子扩散运动，相变速率受原子扩散速度所控制； （2）新相和母相的成分往往不同； （3）只有因新相和母相比容不同而引起的体积变化，没有宏观形状
格界面。
➢但反过来，有时两相之间虽然存在一定的位向
关系，但也未必都具有共格或半共格界面，这 可能是在新相长大过程中其界面的共格或半共 格性已遭破坏所致。
3. 弹性应变能
固态相变时，因新相和母相的比容不同可能发生 体积变化。但由于受到周围母相的约束，新相不 能自由胀缩，新相与周围母相之间必将产生弹性 应变和应力，使系统额外增加了一项弹性应变能。
面附近必将产生弹性应变。
ODS钢中富Y-Ti-O纳米团簇的STEM-HAADF像
第一类共格和第二类共格
两相之间的共格关系依靠正应变来维持时，称为第一类共格（图a）。 两相之间的共格关系以切应变来维持时，称为第二类共格（图b）。
拉伸
晶格畸变
晶面弯曲
压缩
共格界面的特点
一般来说，共格界面的特点是界面能较小，但 因界面附近有畸变，所以弹性应变能较大。共格 界面必须依靠弹性畸变来维持，当新相不断长大 而使共格界面的弹性应变能增大到一定程度时， 可能超过母相的屈服极限而产生塑性变形，使共 格关系遭到破坏。
– 共格界面
– 半共格界面
– 非共格界面
1. 相界面
(1) 共格(coherent)界面
两相在界面上的原子可以一对一的相 互匹配。
在理想的共格界面条件下（如孪晶 界），其弹性应变能和界面能都接近 于零。
实际上，两相点阵总有一定的差别， 或者点阵类型不同，或者点阵参数不 同，因此两相界面完全共格时，相界
特点：
（1）存在由于均匀切变引起的宏观形状改变，可在预先制备的抛光试样 表面上出现浮突现象。
（2）相变不需要通过扩散，新相和母相的化学成分相同。 （3）新相和母相之间存在一定的晶体学位向关系。 （4）某些材料发生非扩散相变时，相界面移动速度极快，可接近声速。
4. 按相变方式分类
➢ 有核相变：通过形核-长大方式进行的。
新相晶核可以在母相中均匀形核，或在母相中某些有利部 位优先形成（非均匀形核）。大部分的固态相变均属于有 核相变。
➢ 无核相变：相变时没有形核阶段,以固溶体中的成分起伏为
开端，通过成分起伏形成高浓度区和低浓度区，但两者之 间没有明显的界限，成分由高浓度区连续过渡到低浓度区。 以后依靠上坡扩散使浓度差逐渐增大，最后导致由一个单 相固溶体分解成为成分不同而点阵结构相同的以共格界面 相联系的两个相。如调幅分解。
• 固态相变：固态材料在T(温度)和P(压力)改变时，其内部 组织或结构会发生变化，即发生从一种相状态到另一种相 状态的转变。
• 母相或旧相：相变前的相状态 • 新相：相变后的相状态
1.1固态相变的分类
1.按热力学分类
• 一级相变和二级相变 （1）一级相变：
：旧相
化学势
：新相
熵
T
P
T
P
界面能：界面处原子排列混乱 而使系统升高的能量
弹性应变能：固体在外力作用下，因 变形而储存能量称为变形能或应变能。
错配度
共格界面上的弹性应变取 决于错配度
若以aα 和aβ 分别表示两相沿平行于界面的 晶向上的原子间距，在此方向上的两相原子间 距之差以Δa=|aβ-aα|表示，则错配度δ为:
，弹性应变
球状
c=a 应变能最大
3. 弹性应变能
➢ 相变阻力：弹性应变能、界面能
➢ 界面类型对界面能和弹性应变能的影响是不同的
➢ 共格界面： 可以降低界面能，但使弹性应变能增大。
➢ 非共格界面：
➢ 盘（片）状新相的弹性应变能最低，但界面能较高；
➢ 球状新相的弹性应变能却最大，但界面能最低。
界面能：界面处原子排列混乱 而使系统升高的能量
P
T
P
T
化学势：T 吉P 布 -斯S 自由体积能对成S分 的偏S微分
V
P T
V V
*熵和体积发生不连续变化，有相变潜热和体积改变； *一级相变包括：凝固、熔化、升华、同素异构转变； *几乎所有伴随晶体结构改动的金属固态相变都是一级相 变。
（2）二级相变： 比热
T
P
T
P
压缩系数
非平衡相变
④非平衡脱溶沉淀
• 若b成分的合金自T1温度快冷 时，相在冷却过程中来不及 析出，则冷ຫໍສະໝຸດ Baidu室温时便得到 过饱和的α固溶体。
• 若在室温或低于固溶度曲线 MN的某一温度下溶质原子尚 具有一定的扩散能力，则在 上述温度等温时，过饱和α固 溶体仍可能发生分解，逐渐 析出新相。但在析出的初期 阶段，新相的成分和结构均 与平衡脱溶沉淀相有所不同， 这一过程称为非平衡脱溶沉 淀(或时效)。
材料热处理原理
1#楼203 周二 5-6节 周四 1-2节
热处理
热处理原理与工艺
• 热处理：将金属或工件放在一定的介质中，通 过加热、保温和冷却的方法，使金属或合金的 内部组织结构发生变化，从而获得所需性能的 技术。
• 金属材料生产和机械制造过程的重要组成部分 之一。
• 热处理的特点：
– 一般不改变材料或工件的形状和整体的化学成分 – 改变材料或工件的微观组织和结构，或表面的化学成
HRC：洛氏硬度
1.2 固态相变的主要特点
概述
➢ 形核+长大（大多数） ➢ 相变驱动力：新相与母相间的自由能差 ➢ 主要特点：（固态相变与金属液态结晶过程） （1）相界面 （2）位向关系与惯习面 （3）弹性应变能 （4）晶体缺陷 （5）形成过渡相 （6）原子的迁移率
1. 相界面
• 新旧相在晶体学上匹配程度：
• 非平衡相变 加热或冷却速度很快，上述平衡相将被抑
制，固态材料可能发生某些平衡状态图上不 能反映的转变并获得被称为不平衡或亚稳的 组织
平衡相变
①同素异构转变/多形性转变 – 纯金属在温度和压力改变
时，由一种晶体结构转变 为另一种晶体结构的过程 称为同素异构转变。
– 在固溶体中发生的同素异 构转变称为多形性转变。
分 – 改善使用性能
热处理原理与工艺
• 热处理原理：金属材料在热处理（在一定的介质 内，加热、保温、冷却）过程中，会发生一系列 的组织变化，这些变化具有严格的规律性。金属 材料中组织转变的规律，就是热处理原理（固态 相变原理）
• 热处理工艺：根据热处理原理制定的热处理温度、 时间、介质等参数，就是热处理工艺。
错配度与界面的关系
一般认为： (1)<0.05时两相可以构成完全的共格界面 (2) 0.05< <0.25之间，易形成半共格界面 (3) >0.25时易形成非共格界面
2. 位向关系与惯习面
➢新相与母相之间往往存在一定的取向关系。 ➢惯习面：新相往往是在母相一定的晶面族上形成的，
这些晶面或晶面族称之为惯习面。
P
T
P
T
2
T 2
P
2
T 2
P
膨胀系数
2
P 2
T
2
P2
T
2 2
TP TP
*无相变潜热和体积改变，只有比热Cp，压缩系数K，膨
胀系数的不连续变化。
*二级相变包括：部分有序转变、磁性转变、超导体转变。
2. 按平衡状态图分类
• 平衡相变和非平衡相变
• 平衡相变
缓慢加热或冷却时发生的能获得符合平衡 状态图的平衡组织的相变
➢例如，钢中发生由奥氏体（）到马氏体（′）的
转变时
惯习面：{111} 、{225} 、{259} （与C，T有关） K-S关系：{111} ∥{110}α′<110> ∥<111>α′
2. 位向关系与惯习面
➢一般来说，当新相与母相之间为共格或半共格
界面时必然存在一定的位向关系;
➢若无一定的位向关系，则两相界面必定为非共
非平衡相变
– ①伪共析相变：
• 由成分偏离共析成分的过冷固溶 体形成的貌似共析体的组织转变
• 组成相的相对量由A的碳含量而 变。
非平衡相变
– ②马氏体相变
• 进一步提高冷却速度，使 伪共析相变也来不及进行 而将奥氏体过冷到更低温 度，则由于在低温下铁原 子和碳原子都己不能或不 易扩散，故奥氏体只能以 不发生原子扩散、不引起 成分改变的方式，通过切 变由点阵改组为α点阵， 这种转变称为马氏体相变