材料热处理原理第一章金属固态相变基础

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
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。
• 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
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
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
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。
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源自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。
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
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
➢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
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：
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
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
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。
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)
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。
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
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。
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。
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，则冷到室温时便得到 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)。
• 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