《固態(tài)相變》教學(xué)課件

授課教師：周芳金屬固態(tài)相變的基礎(chǔ)鋼中奧氏體的形成珠光體轉(zhuǎn)變馬氏體相變貝氏體相變鋼中的回火轉(zhuǎn)變合金的脫溶沉淀與時(shí)效固態(tài)相變的主要內(nèi)容一、固態(tài)相變的定義金屬和陶瓷等固態(tài)材料在溫度和壓力改變時(shí)，其內(nèi)部組織或結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，即發(fā)生一種相狀態(tài)到另一種相狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變稱為固態(tài)相變。金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)二、研究固態(tài)相變的意義

通過研究固態(tài)相變的原理，掌握材料的固態(tài)相變的規(guī)律，就可以采取措施（加熱和冷卻）控制固態(tài)相變過程以獲得所預(yù)期的組織和結(jié)構(gòu)，從而使之具有所預(yù)期的性能，最大限度地發(fā)揮現(xiàn)有金屬材料的潛力，開發(fā)新型材料。金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)三、學(xué)習(xí)固態(tài)相變應(yīng)有的理論基礎(chǔ)掌握《材料科學(xué)基礎(chǔ)》中晶體結(jié)構(gòu)、鐵碳相圖及《物理化學(xué)》中的等有關(guān)知識(shí)。熱處理的定義:金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)將材料加熱到相變溫度以上發(fā)生相變，再冷卻發(fā)生相變的工藝過程。通過這個(gè)相變與再相變，材料的內(nèi)部組織發(fā)生了變化，因而性能產(chǎn)生變化。金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)熱處理三大要素加熱：熱處理第一個(gè)階段。不同材料，加熱工藝和加熱溫度不同。加熱分為兩種，一種是在臨界點(diǎn)A1以下的加熱，此時(shí)不發(fā)生組織變化。另一種是在A1以上的加熱，目的是為了獲得均勻的奧氏體組織，這一過程稱為奧氏體化。保溫：目的是要保證工件熱透，防止脫碳、氧化等。保溫時(shí)間和介質(zhì)的選擇與工件的尺寸和材質(zhì)有直接的關(guān)系。一般工件越大，導(dǎo)熱性越差，保溫時(shí)間就越長。冷卻：

熱處理的最終階段，也是熱處理最重要的一個(gè)階段。鋼在不同冷卻速度下可以轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織。金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)鋼的臨界溫度：平衡臨界溫度：加熱臨界溫度：冷卻臨界溫度：A1、A3、AcmAc1、Ac3、AccmAr1、Ar3、Arcm金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)熱處理整體熱處理表面熱處理退火;正火;淬火;回火表面淬火

化學(xué)熱處理感應(yīng)淬火火焰淬火滲碳;滲氮碳氮共滲熱處理的主要目的:改變鋼的性能。熱處理的應(yīng)用范圍:整個(gè)制造業(yè)。熱處理的分類激光淬火鋼鐵材料為什么可以進(jìn)行熱處理？是不是所有的金屬材料都能進(jìn)行熱處理呢？金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)γγγ

原則上只有在加熱或冷卻時(shí)發(fā)生溶解度顯著變化或者發(fā)生類似純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，即有固態(tài)相變發(fā)生的合金才能進(jìn)行熱處理。

而純金屬、某些單相合金（固溶體合金）等不能用熱處理強(qiáng)化,只能采用加工硬化的方法強(qiáng)化。金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)四、本門課程學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容和要求掌握金屬材料中相變的基本理論，主要是鋼中組織轉(zhuǎn)變的基本規(guī)律；具有運(yùn)用金屬材料相變的基本規(guī)律，分析和研究金屬熱處理工藝問題的能力；初步掌握成分、組織與性能之間的關(guān)系，對金屬材料具有一定的分析和研究能力。為提高機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量、充分發(fā)揮現(xiàn)有材料的潛力、合理地制定熱處理工藝、發(fā)展新材料和新工藝打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。五、考核方式平時(shí)成績（出勤、回答問題等）×0.3+期末成績×0.7金屬固態(tài)相變基礎(chǔ)金屬固態(tài)相變概論一、金屬固態(tài)相變的主要分類按熱力學(xué)分類（一級相變和二級相變）（1）一級相變

由1相轉(zhuǎn)變?yōu)?相時(shí)，G1=G2，μ1＝μ2，但化學(xué)位的一階偏導(dǎo)數(shù)不等，即有：一級相變有熱效應(yīng)（相變潛熱）與體積效應(yīng)，從而可用熱膨脹儀測量一級相變的開始點(diǎn)，材料的凝固、熔化、升華、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變也均為一級相變。幾乎所有伴隨晶體結(jié)構(gòu)變化的金屬固態(tài)相變都是一級相變。（2）二級相變：由1相轉(zhuǎn)變?yōu)?相時(shí)，不僅G1=G2，μ1=μ2，且化學(xué)位的一階偏導(dǎo)數(shù)相等，但化學(xué)位的二階偏導(dǎo)數(shù)不等:金屬固態(tài)相變概論

Cp–等壓比熱（熱容），β–等溫壓縮系數(shù)，α–等壓膨脹系數(shù)

二級相變時(shí)沒有熵和體積改變，只有熱容、壓縮系數(shù)和膨脹系數(shù)的改變。有序-無序轉(zhuǎn)變、磁性轉(zhuǎn)變、超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變屬于二級相變。金屬固態(tài)相變概論按平衡狀態(tài)圖分類（平衡轉(zhuǎn)變和非平衡轉(zhuǎn)變）平衡轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變和多形性轉(zhuǎn)變平衡脫溶沉淀共析轉(zhuǎn)變包析轉(zhuǎn)變調(diào)幅分解有序化轉(zhuǎn)變金屬固態(tài)相變概論非平衡轉(zhuǎn)變偽共析相變馬氏體相變貝氏體相變非平衡脫溶沉淀非平衡轉(zhuǎn)變金屬固態(tài)相變概論按原子遷移情況分類（擴(kuò)散型相變和無擴(kuò)散型相變）擴(kuò)散型相變：相變依靠原子近程或遠(yuǎn)程擴(kuò)散而進(jìn)行，也稱“非協(xié)同型”轉(zhuǎn)變。非擴(kuò)散型相變：相變過程中原子不發(fā)生擴(kuò)散，參與轉(zhuǎn)變的所有原子運(yùn)動(dòng)是協(xié)調(diào)一致的。原子只作有規(guī)則的遷移以使晶體點(diǎn)陣發(fā)生改組，原子遷移范圍有限不超過一個(gè)原子間距。如淬火馬氏體相變。金屬固態(tài)相變概論按相變方式分類（有核相變和無核相變）金屬固態(tài)相變概論1）有核相變：形核-長大方式。2）無核相變：金屬固態(tài)相變概論金屬固態(tài)相變概論二、金屬固態(tài)相變的特點(diǎn)1、相界面：根據(jù)界面上新舊兩相原子在晶體學(xué)上匹配程度的不同，可分為共格界面、半共格界面和非共格界面。金屬固態(tài)相變概論金屬固態(tài)相變概論金屬固態(tài)相變概論2、新舊相之間存在位向關(guān)系與慣習(xí)面金屬在固態(tài)相變時(shí)新相與母相之間往往存在一定的位向關(guān)系，而且新相往往在母相上一定的晶面上開始形成，這個(gè)晶面稱為慣習(xí)面。

當(dāng)新相與母相之間為共格或半共格界面時(shí)必然存在一定的位向關(guān)系；若無一定位向關(guān)系，則兩相界面必定為非共格界面。但有時(shí)雖然兩相之間存在位向關(guān)系，但也未必都具有共格或半共格界面。金屬固態(tài)相變概論3、相變阻力大（增加了彈性應(yīng)變能）彈性應(yīng)變能的來源：①新相與母相間存在比容差；②兩相界面上的不匹配而引起的。另外，彈性應(yīng)變能的大小與新相的形狀有關(guān)：金屬固態(tài)相變概論固態(tài)相變的阻力由界面能和彈性應(yīng)變能兩部分組成。界面共格時(shí)：會(huì)降低界面能，但使彈性應(yīng)變能增大；界面不共格時(shí)：①盤（片）狀新相的彈性應(yīng)變能最低，但界面能較高；②球狀新相的界面能最低，但彈性應(yīng)變能最大。過冷度大時(shí)：臨界晶核尺寸很小，單位體積新相的界面面積很大，此時(shí)界面能起主導(dǎo)作用。兩相易取共格方式以降低界面能，從而降低總的形核功，易于形核；過冷度很小時(shí)：臨界晶核尺寸較大，界面能不起主導(dǎo)作用，易形成非共格界面。此時(shí)若兩相比容差別較大，彈性應(yīng)變能起主導(dǎo)作用，則形成盤（片）狀新相以降低彈性應(yīng)變能；若兩相比容差別較小，彈性應(yīng)變能作用不大，則形成球狀新相以降低界面能。金屬固態(tài)相變概論4、晶體缺陷的影響當(dāng)母相中存在晶界、亞晶界、空位及位錯(cuò)等各種晶體缺陷。缺陷附近→點(diǎn)陣畸變→儲(chǔ)存畸變能→提供形核的額外能量→加速轉(zhuǎn)變在固態(tài)相變中，從能量觀點(diǎn)來看：大小形核功均勻形核空位形核位錯(cuò)形核晶界非均勻形核金屬固態(tài)相變概論（5）過渡相形成和原子的擴(kuò)散過渡相母相新相晶體結(jié)構(gòu)或成分與母相較接近的、自由能比母相稍低的、亞穩(wěn)定的可能如果新相與母相的成分、結(jié)構(gòu)差異較大新相與母相之間只能形成高能量的非共格界面。界面能和形核功較大。形成過渡相成為減少相變阻力的重要途徑之一。金屬固態(tài)相變概論綜上所述，固態(tài)相變具有如下共同特點(diǎn)：1、相變阻力大，相變的發(fā)生需要較大的過冷度；2、新相與母相之間存在一定的晶體學(xué)位向關(guān)系，導(dǎo)致新相的組織對母相有一定的遺傳性；3、母相的晶體缺陷可增加形核能量，同時(shí)可加快擴(kuò)散過程，有利于新相晶體的生長，對相變起促進(jìn)作用；4、擴(kuò)散過程對相變的影響較大，擴(kuò)散不但成為固態(tài)相變的控制因素，在溫度較低時(shí)還可能改變轉(zhuǎn)變的類型，如從擴(kuò)散型改變?yōu)榉菙U(kuò)散型；5、易出現(xiàn)過渡相，有些反應(yīng)不能進(jìn)行到底，過渡相可以長期保留。金屬固態(tài)相變熱力學(xué)一、金屬固態(tài)相變的熱力學(xué)條件相變驅(qū)動(dòng)力:在固態(tài)相變中新舊兩相的自由能差和新相自由能較低?！嘧儫崃W(xué)條件自由能G是系統(tǒng)的一個(gè)特征函數(shù)，設(shè)H為焓，S為熵，T為絕對溫度，則有：對T求G的一階，有：對于可逆過程：固態(tài)相變過程中只引起輕微的體積變化，可忽略。則dW=0，TdS=dH，因此dG=-SdT。由于S總為正值，所以總為負(fù)值。即：G總是隨T的增加而降低。G對T求二階導(dǎo)數(shù)：恒為正值為負(fù)值，意味著自由能G和溫度T的特性曲線總是凹面向下。金屬固態(tài)相變熱力學(xué)金屬固態(tài)相變熱力學(xué)自由能與溫度的關(guān)系圖2、相變勢壘相變時(shí)改組晶格所必須克服的原子間引力。狀態(tài)III表征相變能壘也可以用激活能Q表示。金屬固態(tài)相變熱力學(xué)晶體中原子通過兩種方式來獲得附加的能量：原子的熱振動(dòng)的不均勻性，個(gè)別原子可能具有很高的熱振動(dòng)能量；機(jī)械應(yīng)力。二、金屬固態(tài)相變的形核金屬固態(tài)相變＝形核+長大1、均勻形核在均勻形核過程中形核的驅(qū)動(dòng)力亦是新舊兩相的自由能差，而形核的阻力除界面能外還增加了一項(xiàng)彈性應(yīng)變能。金屬固態(tài)相變熱力學(xué)新相與母相間的單位體積自由能差界面能彈性應(yīng)變能驅(qū)動(dòng)力阻力若生成的新相晶核為球形（半徑為r)時(shí)，可以推導(dǎo)出新相的臨界晶核半徑和形核功，其分別為：由上式可知，當(dāng)界面能和彈性應(yīng)變能增大時(shí)，臨界晶核半徑rc和形核功W都增高。金屬固態(tài)相變熱力學(xué)同樣，可以用以下公式表征相變時(shí)的形核率：過冷度的增大，rc和W都減小，新相形核幾率增大，新相晶核數(shù)量增多，相變?nèi)菀装l(fā)生。只有在一定的溫度滯后條件下系統(tǒng)才可能發(fā)生相變。n為單位體積母相中的原子數(shù)ν為原子振動(dòng)頻率Q為擴(kuò)散激活能W為形核功金屬固態(tài)相變熱力學(xué)2、非均勻形核當(dāng)新相晶核在母相缺陷處形成時(shí)，系統(tǒng)的自由能變化為：母相中缺陷所提供的能量金屬固態(tài)相變熱力學(xué)界隅界棱界面a、在晶界處形核金屬固態(tài)相變熱力學(xué)從能量的角度來說，界隅提供的能量最大，界棱次之，界面最小。但從所占的體積百分?jǐn)?shù)來說，界面反而最大，而界隅最小。綜合考慮兩種因素，晶界不同位置非均勻形核率I可寫為：其中，i=0,1,2,3分別表示界隅形核、界棱形核、界面形核、均勻形核。Ai為在晶界不同位置形核的形核功與均勻形核的形核功之比值，A0<A1<A2<A3=1。金屬固態(tài)相變熱力學(xué)設(shè)α為母相，β為新相，則晶界形核時(shí)系統(tǒng)自由能的總變化可表示為：為減小晶核表面積，降低界面能，非共格形核時(shí)各界面均呈球冠形。界面、界棱和界隅上的非共格晶核分別呈雙凸透鏡片、兩端尖的曲面三棱柱體和球面四面體等形狀。金屬固態(tài)相變熱力學(xué)對界面形核，由界面張力平衡可知，界面能存在以下關(guān)系：其中令σαβσαα金屬固態(tài)相變熱力學(xué)若晶核為雙球冠形，R為曲率半徑，則有：根據(jù)形核功公式，可知：W=0。所以，當(dāng)在界面形核時(shí)，只要，形核不再需要外界的能量補(bǔ)充。金屬固態(tài)相變熱力學(xué)對于界棱形核，無能量障礙。從結(jié)果來看，界隅形核的能量障礙最小，然而界隅能否成為優(yōu)先形核位置，還要看過冷度大小。同理：界隅形核時(shí)：晶界促進(jìn)形核是利用晶界自身的能量為形核提供驅(qū)動(dòng)力金屬固態(tài)相變熱力學(xué)b.位錯(cuò)形核位錯(cuò)促進(jìn)形核位錯(cuò)線消失所釋放能量成為形核驅(qū)動(dòng)力位錯(cuò)線不消失，通過降低界面的應(yīng)變能而促進(jìn)形核位錯(cuò)線本身作為短程擴(kuò)散的通道而促進(jìn)形核位錯(cuò)通過分解形成擴(kuò)展位錯(cuò)而促進(jìn)形核溶質(zhì)原子在位錯(cuò)線上偏聚，達(dá)到新相形成所需的成分起伏金屬固態(tài)相變熱力學(xué)c.空位形核空位促進(jìn)形核加速溶質(zhì)原子擴(kuò)散聚集成位錯(cuò)利用自身的能量為形核提供驅(qū)動(dòng)力金屬固態(tài)相變熱力學(xué)1.依賴于溶質(zhì)在母相中作長程擴(kuò)散2.不需要有傳質(zhì)過程，界面附近的原子只需作短程擴(kuò)散三、金屬固態(tài)相變的晶核長大1、新相的長大機(jī)制新相成分母相成分需結(jié)構(gòu)改變需原子遷移新相成分母相成分需結(jié)構(gòu)改變無需原子遷移金屬固態(tài)相變熱力學(xué)實(shí)際合金中，新相晶核與母相形成完全共格界面的情況極少，通常所見的是形成半共格和非共格界面。半共格界面的遷移半共格界面具有較低的界面能，在長大過程中界面往往保持平面。金屬固態(tài)相變熱力學(xué)切變協(xié)同型長大馬氏體相變的表面傾動(dòng)示意圖（1）協(xié)同型（切變）長大機(jī)制：通過半共格界面上母相一側(cè)原子的切變來完成。特點(diǎn)：大量原子有規(guī)律地沿某一方向作小于一個(gè)原子間距的遷移，并保持原來的相鄰關(guān)系不變。金屬固態(tài)相變熱力學(xué)晶核以臺(tái)階方式長大示意圖半共格界面的可能結(jié)構(gòu)b平截面b階梯截面（2）臺(tái)階式長大：通過階梯狀晶界面上位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)，使晶界的臺(tái)階發(fā)生側(cè)向遷移，從而使界面沿其法線方向推進(jìn)。金屬固態(tài)相變熱力學(xué)非共格界面的遷移臺(tái)階式非共格界面：母相原子從母相臺(tái)階端部向新相臺(tái)階上轉(zhuǎn)移，致使新相臺(tái)階發(fā)生側(cè)向移動(dòng)。非協(xié)同型長大：界面處原子排列紊亂，原子的移動(dòng)不是協(xié)同的，無一定先后順序，相對位移不等，其相鄰關(guān)系也可能變化。界面上的原子形成一個(gè)無規(guī)則排列的過渡層，母相原子不斷地以非協(xié)同方式向新相轉(zhuǎn)移。金屬固態(tài)相變熱力學(xué)2、新相的長大速度

新相的長大速度取決于相界面的移動(dòng)速度。對于無擴(kuò)散型相變（協(xié)同型轉(zhuǎn)變），無需傳質(zhì)過程和原子調(diào)整位置的過程，通?？梢栽诙虝r(shí)間內(nèi)完成；

對于擴(kuò)散型相變，界面遷移需借助于原子的擴(kuò)散，長大速度較慢。擴(kuò)散型相變新相形成時(shí)無成分變化（短程擴(kuò)散）新相形成時(shí)有成分變化（長程擴(kuò)散）受界面擴(kuò)散所控制受擴(kuò)散速度所控制金屬固態(tài)相變熱力學(xué)（1）無成分變化的新相長大（由母相γ轉(zhuǎn)變?yōu)樾孪唳粒┤簟鱣表示γ相中的一個(gè)原子越過相界跳到α相上所需的激活能（短程擴(kuò)散），則振動(dòng)原子中能夠具有這一激活能的概率為exp(-△g/kT)。若原子的振動(dòng)頻率為ν0，則γ相中的原子能夠越過α相界跳到α相上的頻率νγ→α為：同理：金屬固態(tài)相變熱力學(xué)過冷度很大時(shí)：原子從γ相跳到α相的凈跳躍頻率為：ν=νγ→α－να→γ。若原子跳躍一次的距離為λ，每當(dāng)相界上有一層原子從γ相跳到α相后，α相便增厚λ，則單位時(shí)間內(nèi)α相的長大速度為：此時(shí)，u隨溫度降低而增大。過冷度很小時(shí)，此時(shí)，u隨溫度降低呈指數(shù)減小。金屬固態(tài)相變熱力學(xué)（2）有成分變化的新相長大新相長大速度受控于原子的擴(kuò)散速度、濃度梯度和相界面上的平衡濃度差。金屬固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)一、金屬固態(tài)相變的速率研究的主要內(nèi)容是恒溫條件下相變量和時(shí)間的關(guān)系，即恒溫條件下相變形核率和晶核長大速度的問題。約翰－梅爾方程：

相變動(dòng)力學(xué)曲線呈“S”形；TTT曲線呈“C”形；有孕育期，轉(zhuǎn)變溫度較高時(shí)，孕育期很長；“鼻點(diǎn)”溫度時(shí)孕育期最短；溫度低于“鼻點(diǎn)”溫度時(shí)，孕育期又逐漸增大。金屬固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)二、鋼中過冷奧氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)1.過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)冷卻至臨界點(diǎn)（A3或A1）以下仍未轉(zhuǎn)變的奧氏體稱為過冷奧氏體。金屬固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)2.TTT曲線的基本類型金屬固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)3.TTT曲線的影響因素（1）奧氏體化學(xué)成分的影響

A.碳含量

奧氏體中碳含量越高，C曲線右移。亞共析鋼中，隨碳含量的上升，C曲線右移；過共析鋼中，隨碳含量的上升，C曲線左移；因此，共析鋼的C曲線離縱軸最遠(yuǎn)，共析鋼的過冷A最穩(wěn)定。除Co、Al以外，合金元素均使C曲線右移，即增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性。B.合金元素的影響金屬固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)（2）