材料科学基础讲义第十章

第十章目录第一节固态相变的特点及分类第二节相变热力学第三节相变动力学第四节过饱和固溶体的分解转变第五节钢的加热转变第六节钢在冷却时的转变第七节钢的退火与正火处理第八节钢的淬火第九节钢的回火第十节钢的表面热处理小结第十章固态相变及材料热处理固态相变—固态物质内部发生的组织结构变化。

1.晶体结构的变化,如纯金属的同素异构转变、马氏体相变。

2.化学成分的变化,如单相固溶体的调幅分解,其特点是只有成分转变而无相结构的变化。

3.有序程度的变化,如合金的有序化转变,即点阵中原子的配位发生变化,以及与电子结构变化相关的转变(磁性转变、超导转变等）。

固态相变是材料热处理的基础。

第一节固态相变的特点及分类一、固态相变的特点1、相界面按其结构特点可分为共格界面、半共格（部分共格）界面和非共格界面三种，如图10-13．位向关系2．应变能固态相变时，由于新相与母相的比体积不同，使新相形成时发生的体积变化受母相的约束而引起弹性畸变，产生应变能.3.位向关系为了减少界面能,新相与母相之间往往存在一定的晶体学关系.通常是以原子密度大而彼此匹配较好的低指数晶面互相平行.4．惯析面固态相变时,新相往往在母相的一定晶面开始形成,这个晶面称为惯析面.6．原子扩散5.晶体缺陷的影响晶体缺陷对固态相变有促进作用（非均匀形核）。

新相晶核常常优先在母相的晶体缺陷(晶界、位错、空位)处形成。

6.原子扩散在很多情况下，新相与母相的成分不同，相变时必须通过组元的扩散才能进行。

此时扩散成为相变的控制因素。

7.过渡相(中间亚稳相)的形成相变过程可以写成：母相—较不稳定过渡相—较稳定过渡相—稳定相固态相变根据具体条件分阶段进行的规律，称为相变阶段规则。

二、固态相变的分类二、固态相变的分类1．一级相变与二级相变（按热力学分类）一级相变二级相变没有相变潜热和体积变化有比热容、压缩系数和膨胀系数的变化2．扩散相变和非扩散相变（按动力学分类）扩散相变有原子的扩散运动，相变前后有成分改变如：过饱和固溶体的分解转变，钢的共析转变非扩散相变没有原子扩散和成分改变，相结构的改变依靠共格切变完成如马氏体相变半扩散相变原子只作短程扩散如贝氏体转变T T P P P P T T⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂≠⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂≠⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=212121μμμμμμV P S T TP =⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-=⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂μμ第二节相变热力学一、形核的条件(均匀形核）（1）化学自由能单位体积的化学自由能△gv ，生成新相的体积V ，总的化学自由能变化V △gv（2）界面能单位面积界面能σ，生成新相晶核的界面面积S ，总的界面能S σ（3）应变能单位体积的应变能ε，总的应变能V ε固态相变时，系统自由能总的变化：△G =-V △gv +S σ+ V ε临界晶核半径形核功εσ-∆=V g r 2*2*)(316επσ-∆=∆V g G二、化学自由能（体积自由能）-相变驱动力1．相变驱动力与温度的关系2．相变时成分变化与相变驱动力的关系三、界面能1.共格界面<半共格界面<非共格界面半共格界面上位错的间距与错配度有关δδαβ=D αβαδa a a -=D 2.若小，相对值大，生成界面能小的共格亚稳相；若大，相对值小，易于非共格形核。

*r s σ*rs σ四、应变能四、应变能1．共格应变能错配度大,共格应变能大2．比体积应变能与比体积差、弹性模量有关外，还与新相的几何形状有关片状应变能最小，比体积差大，↓应变能球状应变能最大，比体积差小，↓界面能针状应变能居中δ1<<a c 1≈a c五、晶体缺陷的作用（非均匀形核）系统自由能总的变化：△G=-V△gv+Sσ+ Vε-△G B 1．晶界形核⑴晶界具有较高能量，↓形核功⑵结构疏松，弹性应变易被松弛⑶易于原子扩散⑷溶质偏析，易满足成分起伏2．位错线上生核⑴位错消失，释放出能量，↓形核功⑵若不消失↓形成相界面所需的能量，阻力↓⑶柯氏气团，铃木气团，提供了成分起伏的条件⑷有时层错处可作为形核的位置⑸易于扩散，对扩散型相变有利3．空位的作用⑴促进原子扩散⑵空位具有能量，生核，空位消失，相当于增加了相变驱动力⑶溶质原子富集，有利于形核第三节相变动力学(扩散型相变）一、生核速率)/exp()/exp(*KT Q KT G k I -∙∆-=形核功影响因子扩散影响因子二、新相长大速率1.界面控制长大—无成分改变，只要紧邻相界的母相原子作近程扩散越过相界，新相即长大。

新相长大速率u受相变驱动力△G和扩散系数D两个因素控制。

2.扩散控制长大x C C C D dt dx u ∂∂∙-==)(αβdx C C dt dx dC D )(αβ-=三、新相形成的体积速度和综合动力学曲线新相形成的体积速率：在一定过冷度下已发生相变的体积分数与时间的关系。

转变量-时间曲线将不同温度的相变动力学曲线整理在温度-时间坐标中，得到等温转变综合动力学曲线-TTT曲线第四节过饱和固溶体的分解转变一、过饱和固溶体的时效固溶处理→过饱和固溶体单相组织时效：过饱和固溶体在室温或稍高温度下保持，将发生新相析出的分解转变，或称脱溶。

Al-4%Cu 平衡组织：α+θ(CuAl)2固溶处理: α时效自然时效室温放置人工时效加热保温脱溶过程:α0→α1+GP区→α2+θ″→α3+θ′→α4+θθ相的析出分四个阶段结构发生变化→性能也随之改变1．时效过程中的结构变化⑴GP区溶质原子富集区（富Cu区）结构与基体同，与基体共格，引起基体的共格应变，产生应变能⑵θ″相亚稳过渡相正方晶型a=b≠c成分接近θ与基体共格，引起更大的共格应变⑶θ′相过渡相正方点阵c异成分等于CuAl2半共格，应变能减小7．过渡相（中间亚稳相）的形成—相变阶段规则⑷θ相平衡相CuAl 2正方点阵非共格界面2．过饱和固溶体分解的热力学和动力学(1)脱溶的热力学分析(2)脱溶的动力学分析3脱溶相的粗化4．析出硬化（时效强化）概念：过饱和固溶体进行时效，随时效时间的延长，强度、硬度升高的现象α0→α1+GP区→α2+θ″→α3+θ′→α4+θ时效强化最大过时效软化5．回归现象合金在时效强化后，加热到稍高的温度短时保温迅速冷却，时效硬化效果会立即消失，硬度又恢复到刚固溶处理时的状态。

二、调幅分解1．调幅分解概念：由一种固溶体分解为结构与母相相同而成分不同的两种固溶体，溶质原子将自发的发生上坡扩散，分解产物只有贫溶质区和富溶质区，均匀的固溶体将出现成分调幅的结构，称为调幅分解。

调幅分解的热力学条件：~x s2之间合金成分在xs1第二个条件：溶质原子可以进行扩散2．调幅组织第五节钢的加热转变热处理的一般过程保温温度/℃时间热处理与铁碳相图平衡临界点A1（PSK线）A3（GS线）Acm（ES线）实际加热时Ac1 Ac3Accm实际冷却时Ar1 Ar3Arcm一、奥氏体的形成钢加热到临界点A以上，形成奥氏体的过程称为奥氏体化。

C11. 共析钢的奥氏体化α + Fe3C →γ含碳量0.0218% 6.69% 0.77%晶体结构体心立方复杂斜方面心立方奥氏体化过程是铁的晶格重组和碳原子重新分布的过程。

奥氏体形核、长大、残余FeC溶解、奥氏体成分均匀化3一、奥氏体的形成2．共析钢的奥氏体形成动力学亚：AC1 ~ AC3> AC3P+F → A+F → A过：AC1 ~ ACCm> ACCmP+Fe3CⅡ→A+Fe3CⅡ→A3．非共析钢的奥氏体形成4．合金元素与原始组织对奥氏体化的影响4.合金元素与原始组织对奥氏体化的影响（1）合金元素的影响Cr 、Mo 、W 、V 、Ti 等碳化物形成元素，能显著地减少碳在奥氏体中的扩散速度，因而减慢奥氏体化的形成速率；非碳化物形成元素Ni 、Co 等，则加快碳的扩散，使奥氏体化的速率变快；Si 、Al 、Mn 等对碳原子的扩散影响不大，对奥氏体化速率也影响不大。

（2）原始组织的影响原始组织中碳化物越弥散,铁素体与碳化物的界面越大,碳原子的扩散距离越小,越有利于奥氏体的生核和长大,加快奥氏体化的速率。

二、奥氏体晶粒的长大二、奥氏体晶粒的大小1．奥氏体晶粒的长大及奥氏体晶粒度奥氏体的三种晶粒度起始晶粒度刚刚完成奥氏体化的晶粒大小实际晶粒度在某一具体的加热条件下获得的晶粒大小本质晶粒度钢在规定加热条件下（加热到930+-10℃，保温3～8h）的奥氏体晶粒长大倾向性。

本质细晶粒钢本质粗晶粒钢2．影响奥氏体晶粒度的因素2.影响奥氏体晶粒度的因素（1）加热温度和时间的影响加热温度升高,保温时间延长,A 粗化（2）加热速度的影响加热速度快,A 细（3）合金元素的影响✹碳: Wc↑,A 粗，但有未溶Fe 3C 存在时，阻碍A 长大。

✹合金元素：除Mn 和P 都会阻碍A 长大。

3．奥氏体晶粒度对性能的影响三、加热缺陷三、加热缺陷自学第六节钢在冷却时的转变加热>Ac 1冷却<A 1钢奥氏体过冷奥氏体转变过冷奥氏体等温冷却转变曲线（C 曲线）过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT 曲线）温度时间12两种冷却方式1——等温冷却2——连续冷却A 1共析碳钢C 曲线的建立过程一、共析钢的过冷奥氏体转变过冷奥氏体等温冷却转变曲线共析碳钢C 曲线分析A 1MsA→P A→B A→M 温度/℃时间/s550奥氏体过冷奥氏体M f 珠光体转变贝氏体转变马氏体转变过渡区转变产物区过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT曲线）共析钢CCT曲线分析CCT与C曲线比较珠光体转变及其组织形态与性能(A1～550℃，高温转变或扩散型相变)片状P与球化体力学性能对比片状P与球化体切削性能比较二、非共析钢过冷奥氏体分解转变。