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1、固 态 相 变Solid Phase Transformation,“金属固态相变教程”,第一章 钢中奥氏体形成 3学时第二章 珠光体转变 6学时第三章 马氏体转变 6学时第四章 贝氏体转变 6学时第五章 过冷奥氏体相变动力学 3学时第六章 淬火钢在回火时的转变 6学时,刘宗昌等编著，冶金工业出版社，2003,绪 论Introduction,一、固态相变的概念固态金属在温度和压力改变时，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改变，这种改变称为固态相变。旧相或母相 新相差别在于：晶体结构、化学成分、界面能、应变能二、学习固态相变课程的意义固态相变理论是金属材料工程专业的必
2、修内容，极为重要，是从事金属材料工程的科技人员手中的一把钥匙。“不懂金属固态相变，就等于不懂金属材料”，金属固态相变理论课是金属材料工程专业的核心课程之一，是从基础课学习过渡到专业课学习的桥梁。,三、金属固态相变的分类1、按热力学分类 p4-5.一级相变：在相变温度下，两相的自由能及化学位均相等。二级相变：相变时，化学位的一级偏导数相等，但二级偏导数不等，则称为二级相变。2、按平衡状态分类 p1.平衡相变：在极为缓慢的加热或冷却的条件下形成符合状态图的平衡组织的相的转变，属于平衡转变。,同素异构转变（纯金属）和多型性转变（固溶体）平衡脱溶沉淀在高温相中固溶了一定量合金元素,当温度降低时溶解度下
3、降,在缓慢冷却的条件下,过饱和固溶体将析出新相,此过程称为平衡脱溶.共析转变和包析转变调幅分解有序化转变“平衡状态图”Fe-Fe3C相图 GSE线以下 室温组织 相变点,非平衡相变在非平衡加热或冷却条件下,平衡转变受到抑制,将发生平衡图上不能反映的转变类型,获得不平衡组织或亚稳状态的组织.伪共析（珠光体转变）马氏体转变贝氏体转变不平衡脱溶沉淀块状转变,3、按原子迁移情况分类扩散型转变无扩散型转变4、按相变方式分类：有核相变，无核相变同一种金属材料在不同条件下可以发生不同的相变，从而获得不同的组织和性能。共析钢平衡转变后具有珠光体组织，硬度约为HRC23；若快冷转变为马氏体，则硬度可达到HRC6
4、0以上具有平衡组织的Al4Cu合金，抗拉强度仅为150Mpa；若使之发生不平衡脱溶沉淀后，抗拉强度可达到350Mpa。改变加热或冷却条件，使材料组织发生某种转变，可在很大程度上改变性能,四、金属固态相变的特点1、概念界面：共格、半共格、非共格（界面原子错配度）惯习面：与新相主平面或主轴平行的旧相晶面位向关系：新、旧相某些低指数晶面、晶向的对应平行关系。弹性应变能：金属发生固态相变时，新、旧相的比容一般不会相同，故转变时必将发生体积变化，由于受到周围旧相约束，新相不能自由胀缩，因此，新相与周围的旧相之间必将产生弹性应变和应力，使系统额外地添加了弹性应变能。晶内缺陷：空位、位错、晶界促进固态相变,
5、2、固态相变的形核与长大p12a 均匀形核若晶核在母相内无择优地任意均匀分布，称为均匀形核。b 非均匀形核晶界形核；位错形核；空位形核总之，母相中存在的各种晶体缺陷均可作为形核位置，晶体缺陷所储存的能量可使形核功降低，形核容易。形核三大条件：浓度起伏，能量起伏，结构起伏c 晶核长大 成分不变协同型转变长大；成分不变非协同型转变长大无扩散成分改变的非协同型转变的长大体扩散控制；界面控制,第一章 钢中的奥氏体Transforming Mechanism of Austenite,第一节 奥氏体(A)的结构，组织与性能 P.361.结构:为碳溶解在-Fe中的间隙固溶体(如图1-1-1)，碳原子位于-
6、Fe八面体中,即面心立方点阵晶胞的中心或棱边的中心。2.组织:通常情况下为多边形等轴晶粒。这种形态也称为颗粒状。3.性能:奥氏体硬度低，比容小，塑性好，具有顺磁性.,第二节 奥氏体的形成(原始组织为平衡态组织时的加热转变)一、奥氏体形成的热力学条件 Gv=GA-GP A1(727)，A1即奥氏体转变临界点；实际转变温度与临界点A1之差称为过热度；过热度越大，驱动力也越大，转变也越快。,二、奥氏体核的形成以共析碳钢的等温形成奥氏体为例，可用下列式子表示(括号中F为铁素体):珠光体 P(F+Fe3C)奥氏体A,含碳量:0.02%，6.67%0.77结构:体心立方，复杂斜方1、形核位置（a）F/Fe
7、3C界面；（b）珠光体团交界处；（c）先共析F/珠光体团交界处。,2、在上述位置满足三个起伏（a）界面上存在浓度和结构起伏；（b）界面存在缺陷，能量高，提供能量起伏；（c）有Fe3C溶解后的碳原子补充。3、有时在铁素体内部也能形核，只要满足:（a）温度高，提供足够的相变驱动力；（b）有嵌镶块，提供足够的浓度条件和晶核尺寸。,三、奥氏体核的长大 奥氏体核的长大是依靠碳原子的扩散、奥氏体(A)两侧界面向铁素体(F)及渗碳体(Cm)推移来进行的。,1、碳原子在奥氏体中的扩散由图中所示,设在温度t1,在F与Cm交界面形成A核。由于A晶核中与F交界处C含量CA-F CA-C(A晶核中与Cm交界处C含量)
8、,碳原子向F一侧扩散，就改变了A中各个界面的浓度,破坏了平衡状态,为了恢复平衡，低碳的F将转变为A而使界面碳含量仍然恢复到CA-F,同时Cm中的碳也溶入A,也使界面浓度增高到CA-C,有利于A的长大。2.碳原子在铁素体内部的扩散由于F中与A交界的界面浓度CF-A CF-C（F中与Cm交界的界面浓度），碳原子向A一侧扩散,使F中碳浓度升高，有利于向奥氏体的转化。,四、渗碳体的溶解1.实验现象（a）F消失时，组织中的Fe3C还未完全转变。（b）测定后发现A中含碳量低于共析成分0.77%。,2.原因 FeFe3C相图上ES线斜度大于GS线(见图)，S点不在CA-F与CA-C中点，而稍 偏右。所以A中
9、平均碳浓度，即(CA-F+CA-C)/2低于S点成分。当F全部转变为A 后，多余的碳即以Fe3C形式存在。3.通过继续保温，使未溶 渗碳体不断溶入A中。,五、奥氏体的均匀化渗碳体转变结束后，奥氏体中碳浓度不均匀(原F部分碳浓度低，原碳化物部分碳浓度高)，要继续保温通过碳扩散使奥氏体均匀化。小结:共析碳钢的奥氏体等温形成是通过碳、铁原子的扩散，通过形核长大碳化物溶解奥氏体均匀化四个步骤实现的。,第三节 奥氏体等温形成动力学一.共析碳钢奥氏体等温形成动力学1.动力学图的制作 金相法:以厚为1-2 mm的薄片，在盐浴中加热到AC1以上某一指定温度，保温不同时间后淬火，观察金相。因加热转变所得的奥氏体
10、在淬火时转变为马氏体，故根据观察到的马氏体量的多少，即可了解奥氏体形成过程。,根据观察结果，作出在一定温度下等温时，奥氏体形成量与等温时间的关系曲线(见图),称为奥氏体等温动力学曲线。,将不同温度下的A等温转变的开始及终了时间绘于同一图中，即可得A等温形成动力学图。,2.连续加热时奥氏体的形成生产中，A绝大多数是在连续加热过程中形成的。即在A形成过程中，温度还将不断升高。A的形成也是通过形核、长大、碳化物的溶解以及A的均匀化完成的。连续加热的加热曲线如图,其中的平台对应的温度即为临界点,平台的二个转折点对应转变开始和转变结束点。,连续加热的奥氏体转变有如下特点：1、临界点随加热速度增加而增加;
11、2、转变是在一个温度范围内进行的;3、加热速度愈大，转变时间愈短;4、加热速度愈大，A愈不均匀(转变被推向高温，CA-F与CA-C差别加大);5、加热速度愈大，A愈细,超快速加热：相变过热度很大，据测定铁素体亚晶界处奥氏体可形核，由于形核率急剧增加，加热时间很短，奥氏体晶粒来不及长大，淬火后可获得超细化的淬火马氏体组织，强化韧化。,3.A的形核与长大的经验公式 p43.(1)A的形核率 I(1/Smm3)I Ch*exp(-Q/KT)exp(-W/KT)，式中，K：玻耳兹曼常数；Q：扩散激活能；W：临界形核功；Ch：常数，与A核所需碳含量有关。(a)形核与扩散有关D=D0 exp(-Q/KT)
12、,T,Q一定,exp(-Q/KT),D.(b)形核与临界形核功W有关W=k*1/(GV)0.5，式中，k为常数；GV：单位体积A与珠光体自由能之差。T,GV,W,exp(-W/KT).(c)形核与A含碳量有关T,A中最低含碳量沿GS线降低，形核所需含碳量，Ch，T,I,(2)A线长大速度V(mm/s)A向铁素体F推移的速度 VA-F：VA-F=-K(DA(dc/dx)/(CA-F-CF-A)，式中，CA-F为A与F交界处A的界面浓度，CF-A为F与A交界处F的界面浓度；K为常数。A向渗碳体C推移的速度VA-C：VA-C=-K(DA(dc/dx)/(6.67-CA-C)，式中，CA-C 为A与C
13、交界处A的界面浓度。由上述二式可知:T，D,dc/dx,(CA-F-CF-A)(6.67-CA-C)，速度增大。,二、亚共析钢和过共析钢等温形 成动力学亚共析钢的原始组织为F+P(珠 光体)，加热后的转变如下:TAC1 及 TAC3：F+P F+A A 实验得到的动力学如图。,.3、影响奥氏体转变速度的因素(1)温度T,I,V，形核与长大速度均增大，转变速度均 增大。相界面愈多,形核部位多,易于形核。(2)原始组织愈细，片层薄,扩散距离小,A中浓度梯度大,易 于扩散转变，速度加快。,2.过共析钢过共析钢的原始组织为Fe3C+P，加热后的转变如下:TAC1 及 TAcm：Fe3C+P Fe3C+
14、AA实验得到的动力学图如图。,3.在AC3(Acm)以上,亚(过)共析钢中的先共析组织转变（a）通过碳原子在A中扩散而进行的.（b）不形成新核，是通过原有奥氏体向先共析组织长 大而完成.,第四节 奥氏体晶粒长大及其控制一、奥氏体晶粒度可用晶粒直径、单位面积中的晶粒数等方法来表示晶粒大小。生产上用晶粒度N表示晶粒大小，可由下式求出:n=2N-1其中:n为放大100倍时，1平方英寸上的晶粒数。晶粒越细，n越大,N越大。1平方英寸=0.00064516平方米 加热转变终了时所得A晶粒度称为起始晶粒度；(一般，分等级晶粒度,14为粗,58为细,8级以上为超细.)。冷却开始时A晶粒度称为实际晶粒度。,二
15、.A晶粒长大1.长大现象在加热转变中,保温时间一定时，随保温温度升高，A晶粒不断长大，称为正常长大。如图中曲线1。在加热转变中,保温时间一定时，随保温温度升高，A晶粒长大不明显,必须当温度超过某一定值后,晶粒才随温度升高而急剧长大，称为异常长大，如图中曲线2。,2.长大驱动力A晶粒的长大是通过晶界的迁移而实行的，晶界迁移的驱动力来自界面自由能的降低。对于球面晶界，当其曲率半径为R，界面能为，指向曲率中心的驱动力P为:P=2/R可见:R,P;R=,P=0.也即晶粒曲率半径越小,长大驱动力越大.当半径无穷大或为平直界面时,驱动力为零。曲率半径：曲线上某一点找到与它内切的圆，这个圆的半径即为曲率半径
16、。3.正常长大晶界在驱动力P推动下匀速前进，由经典力学可导出:DA=K exp(-Q/KT)其中，DA 为长大中A晶粒平均直径，K为常数,为时间，Q为Fe的自扩散激活能.可见在一定温度T,随时间,DA.,4.异常长大(1)第二相小颗粒的晶界钉扎作用用Al脱氧或含Nb、Ti、V的钢，在晶界上会存在这些元素的碳氮化合物粒子，一个粒子可使A晶界面积减少 r2(r 为小粒子半径)。当晶界在驱动力作用下移动时，将使A晶界与这些粒子脱离从而使A晶界面积增大,界面能增高。粒子对晶界有钉扎作用，当粒子半径r愈小，体积分数f愈大，对晶界移动的阻力就愈大。（本质细晶粒钢、本质粗晶粒钢）(2)异常长大的原因由于温度
17、T升高，第二相颗粒(碳氮化合物)的溶解，使阻力F=0，而此时驱动力P却很大，故晶粒急剧长大。三.影响A晶粒长大的因素凡提高扩散的因素，如温度、时间，均能加快A长大。第二相颗粒体积分数f增大；提高起始晶粒度的均匀性与促使晶界平直化均能降低驱动力，阻碍A长大。,第一章习题(1)奥氏体是碳溶解在_中的间隙固溶体.(a)-Fe(b)-Fe(c)Fe(d)立方晶系(2)奥氏体形成的热力学条件为奥氏体的自由能_珠光体的自由能.（a）小于（b）等于（c）大于（d）小于等于(3)奥氏体的形核位置为F/Fe3C界面,珠光体团交界处及_交界处.（a）F/F（b）Fe3C/F（c）Fe3C/Fe3C（d）先共析F/
18、珠光体团(4)奥氏体核的长大是依靠_的扩散,奥氏体(A)两侧界面向铁素体(F)及渗碳体(C)推移来进行的.（a）铁原子（b）碳原子（c）铁碳原子（d）溶质原子(5)由铁碳相图可知,CA-F_CA-C,碳原子向F一侧扩散,有利于A的长大.(a)(c)(d)=(6)渗碳体转变结束后,奥氏体中碳浓度不均匀,要继续保温通过碳扩散可以使奥氏体_.(a)长大(b)转变(c)均匀化(d)溶解(7)碳钢奥氏体的形核与形核功_的扩散激活能有关.(a)碳(b)铁(c)溶质原子(d)溶剂原子(8)奥氏体的长大速度随温度升高而_.(a)减小(b)不变(c)增大(d)无规律(9)影响奥氏体转变速度的因素为_(a)温度(
19、b)原始组织转变(c)奥氏体晶粒度(d)温度及原始组织粒度.(10)亚共析钢在AC3下加热后的转变产物为_.(a)F(b)A(c)F+A(d)P+F(11)过共析钢在ACm下加热后的转变产物为_.(a)Fe3C(b)Fe3CII(c)Fe3CII+A(d)A(12)亚共析钢的先共析铁素体是在_以上向奥氏体转变的.(a)AC1(b)T0(c)A1(d)AC3,(13)连续加热的奥氏体转变温度与加热速度有关.加热速度逾大,转变温度_,转变温度范围越大,奥氏体_.(a)愈低,愈均匀(b)愈高,愈不均匀(c)愈低,愈不均匀(d)愈高,愈均匀(14)加热转变终了时所得A晶粒度为_.(a)实际晶粒度(b)
20、本质晶粒度(c)加热晶粒度(d).起始晶粒度(15)在加热转变中,保温时间一定时,随保温温度升高,A晶粒不断长大,称为_.(a)正常长大(b)异常长大(c)均匀长大(d)不均匀长大(16)在加热转变中,保温时间一定时,必须当温度超过某定值后,晶粒才随温度升高而急剧长大,称为_.(a)正常长大(b)异常长大(c)均匀长大(d)不均匀长大(17)温度一定时,随时间延长,晶粒不断长大,称为_.(a)正常长大(b)异常长大(c)均匀长大(d)不均匀长大(18)温度一定时,随时间延长,晶粒不再长大,称为_.(a)正常长大(b)异常长大(c)均匀长大(d)不均匀长大(19)A晶粒的长大是通过晶界的迁移而实行的,晶界迁移的驱动力来自_.(a)A与P的自由能差(b)A的吉布斯自由能的降低(c)界面自由能的降低(d)相变自由能差(20)奥氏体晶粒半径逾小,长大驱动力_(a)愈大(b)不变(c)逾小(d)无规律(21)奥氏体晶粒异常长大的原因是_(a)温度高(b)第二相粒子的溶解(c)驱动力增大(d)温度低(22)提高起始晶粒度的_与促使晶界平直化均能降低驱动力,减弱A长大.(a)均匀性(b)温度(c)粒度(d)碳含量,
