金属固态相变原理金属固态相变原理Principle of solid-state phase transformation of metals 授课教师授课教师： 宋宋 强强山东科技大学材料科学与工程学院山东科技大学材料科学与工程学院绪论绪论一、本课程研究的对象及任务一、本课程研究的对象及任务1、研究金属在固态下相变（加热，保温，冷却时的相变）的基本规律（原理）及相变产物的组织形态与性能间的关系。2、本课程研究的线索 成分成分热处理热处理组织形态组织形态性能性能应用应用3、任务正确选材和合理制定热处理工艺重视理论研究，初步掌握材料相变的基本规律初步掌握组织与性能的关系培养初步的科研能力 二、本课程的基本内容二、本课程的基本内容 热处理相变研究:奥氏体相变、珠光体相变、马氏体相变、贝氏体相变、回火相变、脱溶沉淀与时效TTT、CCT图研究 三、热处理是古老的技术又是尖端的技术三、热处理是古老的技术又是尖端的技术 制陶-人类自觉进行热处理的最早事例 铜及其合金的中间退火-人类金属热处理的开端甘肃永靖秦魏家遗址出土约公元前1700年的青铜椎分析：基体组织再结晶固溶体，晶粒粗大，共析组织沿加工方向变形再结晶退火再结晶退火 陨石加工中的退火-人类最早的钢铁热处理 退火在自然金加工中的应用-金箔西汉时司马迁所铸的史记天官书中就有“水与火合为（火卒）东汉班固所著汉书王褒传中有“.巧冶干将之朴，清水（火卒）其锋” 战国中晚期出土的钢铁兵器是目前我国看到的最早淬火器件（1974年在河北易县燕下都出土）。从辽阳三道壕出土的西汉钢剑，经金相检查，发现其内部组织完全符合现代的淬火马氏体组织； 从河北满城出土的西汉佩剑及书刀，检验结果发现其心部为低碳钢，表层为明显的高碳层。表明早在二千年前，我国已采用了淬火工艺和渗碳工艺。 古代铸铁柔化处理技术：早在春秋（公元前770前476年），战国（公元前475前221年）时代，用生铁铸造生产工具和生活工具。这些铁器一般是白口铸铁，性硬而脆。故进行柔化处理。蒲元蒲元三国时蜀国人，长于淬钢。所制造的刀特别锋利。传说可将装满铁珠的竹筒砍断，故曰神刀。蒲元提出：用汉江之水淬火不行，必须用蜀江之水（“汉汉中的水钝弱，不任淬；蜀水爽烈中的水钝弱，不任淬；蜀水爽烈”）。三点：）蜀地冶炼业的发达；）前人制刀技巧和经验的继承；）高超的热处理技术淬火工艺綦毋怀文綦毋怀文南北朝著名冶金家，曾用熔态的生铁灌注到未经锻打的熟铁中，使铁渗碳而成钢；并以熟铁为刀背，使刀富于弹性和韧性；用牲畜的溺和脂来浴淬，使刀锋刚利，称为“宿铁刀”。灌钢法灌钢法块炼法块炼渗碳钢百炼钢炒钢灌钢淬火介质的选用双液淬火法双液淬火法天工开物天工开物宋应星宋应星18卷：乃粒（五谷）、乃服（纺织）、彰施（染色）、粹精（粮食加工）、作咸（制盐）、甘嗜（制糖）、陶埏（陶瓷）、冶铸（铸造）、舟车（车船）、锤锻（锻造） 、燔石（烧造）、膏液（油脂）、杀青（造纸） 、五金（冶金）、佳兵（兵器）、丹青（朱墨）、曲蘖（制酒） 、珠玉 等天工开物中记载：“凡熟铁、钢铁，已经炉锤，水火未济，其质未坚。乘其出火之时，入清水淬之，名曰健钢健铁。言乎未健之时，为钢为铁，弱性尤存也。”由此可看出最早的热处理工艺是在锻造过程中结合起来的，很可能就是原始状态的形变热处理。首次记述了今俗称为“焖钢法”的箱式渗碳制钢工艺热处理的发展现状及趋势热处理的发展现状及趋势u热处理可以决定产品的内在质量u热处理技术是通过控制材料原子的排列方式来控制材料的使用性能u高科技提高了热处理的内涵：激光热处理、电子束热处理、等离子热处理真空热处理、形变热处理、化学热处理美国热处理工业2020年的远景可以归纳描述如下：运用最新的CAD（计算机辅助设计）程序和热处理数据库，计算机模拟的仿真技术和精确控制技术实现对热处理进行高度柔性化和智能化的全面控制及系统管理。 热处理的总体发展战略（5E战略）n可持续发展战略（Endurable ）n产品质量的持续提高（Enhancement）n节约能源（Energy）n实现精确生产（Exact）n提高生产效率，降低生产成本（Efficient）四、主要参考资料四、主要参考资料刘云旭，金属热处理原理，机械工业出版社刘永铨，钢的热处理，冶金工业出版社戚正风，戚正风，金属热处理原理金属热处理原理，机械工业出版社，机械工业出版社赵连城，金属热处理原理，哈尔滨工业大学出版社G.克劳斯著，谢希文等译，钢的热处理原理，冶金工业出版社胡光立胡光立 谢希文谢希文 钢的热处理（原理和工艺）钢的热处理（原理和工艺），西工大出版社，西工大出版社http:/www.rclbbs.com/forum.php(热处理论坛热处理论坛)第一章第一章 金属固态相变基础金属固态相变基础固态金属 温度、压力变化温度、压力变化 组织、结构改变固态相变理论是金属热处理的理论依据和实践基础。1.1金属固态相变概论1.1.1主要分类一、按热力学分类1、一级相变：相变时新旧两相的化学势相等，但化学势一级偏微商不等的相变。最常见的相变。2、二级相变：相变时新旧两相的化学势相等，化学势一级偏微商也相等，但化学势二级偏微商不等的相变。有序化转变、磁性转变二、按平衡状态图分类分类：平衡转变、不平衡转变分类：平衡转变、不平衡转变1、平衡相变(equilibrium transformation) 固态金属-缓慢加热或冷却-获得符合相图的平衡组织1） 同素异构（allotropic）转变 纯金属：温度和压力改变时-有一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程-Fe、Ti、Co、Sn2）多形性转变 固溶体中一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程 FA注意这两者之间的区别！注意这两者之间的区别！3） 平衡脱溶(precipitation)转变缓慢冷却-由过饱和固溶体析出过剩相的过程 Fe3C从A中析出特点：新相的成分与结构与母相不同；随新相析出，母相的成分和体积分数不断变化，但母相不会消失。4）共析（eutectoid）转变一个固相分解为两个不同的固相 特点：生成的两个相的成分和结构与原母相不同 共析与逆共析5）调幅（spinodal)分解一种固溶体分解为结构相同，而成分明显不同的微区12 上坡扩散 富溶质原子1与贫溶质原子2 6）有序化转变各组元的相对位置从无序有序二、不平衡转变二、不平衡转变 (non-equilibrium transformation)快速加热或冷却-平衡转变受到抑制-发生某些在相图上不能反映的不平衡（亚稳）组织1. 伪共析(pseudo-eutectoid)转变 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。2. 马氏体(martensite)转变无扩散的共格切变型相变。结构： 成分与A相同3. 块状(massive)转变 冷却速度不够快-形成相的形状是不规则的块，与母相的成分相同、 与母相的界面是非共格的、无扩散相变。 4. 贝氏体(bainite)转变 有碳原子扩散而铁原子不扩散的不平衡转变5. 非平衡脱溶沉淀(non-equilibrium pricipitation ) 在不平衡状态下，过饱和固溶体中析出新相的转变。（时效）三、按原子迁移情况分类1、扩散型相变：非协同型转变相变时，相界面的移动是通过原子近程或远程扩散而进行的相变。基本特点：相变过程依赖原子的扩散；新相与母相成分不同； 只有体积变化无宏观形状的改变2、非扩散型相变：协同型转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。 特征： 四、按相变方式分类1、有核相变：形核+长大2、无核相变小结相变过程的实质：1、结构：同素异构、多形性、马氏体、块状2、成分：调幅分解3、有序化程度：有序化转变B、共析、脱溶沉淀1.1.2 金属固态相变的主要特点相变驱动力：新相与母相间的自由能差形核+长大一、相界面 (interphase boundary)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。2. 半共格(semi-coherent)界面两相原子在界面上部分地保持匹配。刃型位错3. 非共格(incoherent )界面两相的原子在界面上不再保持匹配关系。二、两相间的晶体学关系新相与母相之间往往存在一定的取向关系惯习面（habit plane）-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。 取向关系与惯习面的关系？三、弹性应变能(elastic strain energy)界面原子强制匹配共格应变能：共格半共格 非共格（0） 依次降低比容差应变能 ：新、旧相比容不同体积发生变化新相与旧相之间必将产生弹性应变和应力 与新相几何形状有关应变能 = 比容应变能 + 共格应变能弹性应变能与界面能一样，对相变起阻碍作用。 （讨论）固态阻力中，应变能与界面能以何者为主？（讨论）固态阻力中，应变能与界面能以何者为主？四、晶体缺陷(crystal defect)的影响晶体缺陷的存在对固态相变起促进作用？缺陷-点阵有畸变-畸变能释放-易于形核五、形成过渡相(transition phase)过渡相（中间亚稳相）：指成分或结构，或者成分和结构二者都处于新相与母相之间的一种亚稳状态的相。过渡相介于新相与母相之间-减小相变阻力的重要途径例如：马氏体回火时先形成与M基本保持共格的碳化物。1-3 固态相变时的形核一、均匀形核（一、均匀形核（homogeneous nucleation）晶核在母相基体中无择优的任意均匀分布。 G = gvV +S + EV = Gv +Gs +GE - 与液态结晶相比：固态相变的阻力增加了一项应变能E。 固态相变的均匀形核率要小得多。 二、非均匀形核二、非均匀形核( heterogeneous nucleation)在母相内的择优地点上发生的形核过程。（成分、结构、能量起伏）如择优在晶体缺陷处形核 -固态相变的主要形核手段1、晶界形核、晶界形核界面：两个相邻晶粒的边界界棱：三个晶粒共同交界的一条线界隅：四个晶粒交于一点处晶界-界面能-有利晶界形核-降低形核功2、位错（、位错（dislocation）形核形核 位错可通过多种形式促进形核：位错线消失-释放能量-有利形核位错依附于新相界面上补偿错配 -降低应变能溶质原子在位错线上偏聚-有利形 核的成分起伏-有利形核位错线作为扩散的短路通道-降低扩散激活能-加速形核位错分解-扩展位错-层错部分作为新相的核胚3、空位、空位(vacancy)及空位集团及空位集团(vacancy cluster)加速扩散过程;释放自身能量提供形核驱动力而促进形核。 空位群亦可凝聚成位错而促进形核。1-4 固态相变时的晶核长大一、新相长大机理实质：界面向母相方向的迁移界面过程：界面附近原子调整位置使晶核得以长大的过程。1、半共格界面的迁移1）切变长大：如马氏体转变 协同型长大、位移式长大、无扩散2）台阶式长大：界面上的位错沿滑移面滑移位错随界面移动2、非共格界面的迁移非协同型长大、扩散型相变二、新相长大的速度1、无成分变化的新相长大无需传质过程协同型长大速度快，非协同型长大取决于原子调整位置的速度。2、有成分变化的新相长大协同型取决于传质速度，非协同型取决于界面过程（相变驱动力）和传质速度。