金属固态相变概论.ppt

第一章 金属固态相变概论,引言,固态相变：固态金属（纯金属、合金）在温度和压力改变时，组织结构发生的变化掌握固态相变规律，即可采取措施（控制加热、冷却等，即热处理范畴）控制相变过程以获得预期的组织，使其具有预期的性能注意与我们生活中非常熟悉的和非常直观的液态、气态转变的区别（金属凝固理论）整容面相改变。古代媒婆巧语：眼下没有什么。没鼻子。,金属中相是指成分相似、结构相同的物质，可分为固溶体和金属间化合物两种类型。如钢中奥氏体相就是碳在面心立方铁形成的间隙固溶体，铁素体则是体心立方，从高温到低温奥氏体相向铁素体相转变就是相变。组织则可以理解是一种结合形态。比如共晶组织，就是共晶转变是同时析出的两种相结合形成的一种形态。（显微镜下观察）都是人为命名，相以相图为依据，组织以显微镜观察为依据。组织由相组成，相变则组织也改变。而组织改变相有可能没变。,铁碳合金相图,L,L+A,A,F+A,F,F+P,P,P+Fe3CII,P+Fe3CII+Ld,A+Fe3CII,A+Fe3CII+Ld,Ld,Ld,L+Fe3CI,Ld+Fe3CI,Ld+Fe3CI,钢在冷却时的转变：A组织在冷却过程中，由于冷却的剧烈程度不同会发生不同的转变，得到不同的组织，从而获得不同的力学性能。通常情况下，A组织在比较缓和的冷却条件下会转变成P组织S组织或T组织，而在剧烈冷却条件下会转变成M组织，在比较适中的冷却条件下会转变成B组织。但是P、S、T、B都是由铁素体和渗碳体两个相组成。,问题：两个相相同为什么组织不同，性能也不同。（金属的强化理论）为什么土木堡之变时明朝50万军队都赢不了瓦剌，但北京保卫战时仅有22万人却击退了瓦剌？王振 于谦 石灰吟千锤万击出深山，烈火焚烧若等闲。粉骨碎身全不怕，要留清白在人间。,1-1 金属固态相变的主要类型,一、平衡转变 缓慢加热或冷却时所发生的能获得平衡组织的相变（可用相图分析）纯金属的同素异构转变多形性转变（固溶体的同素异构转变）平衡脱溶沉淀共析转变包析转变调幅分解有序化转变,第一章 固态相变概论,平衡转变 同素异晶转变纯金属在一定的温度和压力下，由一种结构转变为另一种结构的现象称为同素异晶转变。若在固溶体中发生这种结构的转变，则称为多形性转变。如钢在冷却时由奥氏体中析出先共析铁素体的过程。结合Fe-Fe3C讲解。,铁碳合金相图,L,L+A,A,F+A,F,F+P,P,P+Fe3CII,P+Fe3CII+Ld,A+Fe3CII,A+Fe3CII+Ld,Ld,Ld,L+Fe3CI,Ld+Fe3CI,Ld+Fe3CI,(2)平衡脱溶转变,高温过饱和固溶体缓慢冷却过程中析出第二相的过程 特点：(a)新相的成分和结构始终 与母相的不同；(b)母相不会消失。钢在冷却时，由奥氏体析出二次渗碳体的过程；由铁素体析出三次渗碳体的过程。,图1-1 可发生脱溶转变的合金,（3）共析转变 合金冷却时，由一个固相同时析出两个不同固相的过程称为共析转变 钢中的珠光体相变（4）调幅分解 由一种高温固溶体，冷至某一温度范围，分解为两种与原固溶体结构相同，而成分不同的微区的转变称为调幅分解 1+2,(5)有序化转变 固溶体中，各组元的相对位置从无序过渡到有序的过程，称为有序化转变。Cu-Zn、Au-Cu等合金中均可发生这种转变,特点：(a)新形成的微区之间无明显的界面和成分的突变；(b)通过上坡扩散，最终使均匀固溶体变为不均匀固溶体。,二、不平衡转变 加热、冷却速度过快，平衡转变受抑制，发生不平衡转变，得到亚稳组织铁碳合金中的不平衡转变 伪共析转变 马氏体转变 贝氏体转变 块状转变 不平衡脱溶沉淀,1.1.2 不平衡转变,伪共析转变 接近共析点成分的合金，过冷到共析点以下发生共析转变的过程 铁素体和渗碳体的相对量随奥氏体的含碳量而变，故称为伪共析体,图1-2 Fe-Fe3C相图的伪共析区,(2)马氏体相变 钢在快冷时，若能避免其发生扩散型转变，则将无需原子的扩散，以一种切变共格的方式实现点阵的改组，而转变为马氏体(3)块状转变 在一定的冷速下奥氏体转变为与母相成分相同而形貌呈块状的相的过程,(4)贝氏体相变在珠光体转变与马氏体转变温度范围之间（中温），铁原子不能扩散，碳原子可以扩散过冷奥氏体转变为由铁素体和渗碳体组成的非层片状组织 贝氏体(5)不平衡脱溶转变 在等温条件下，由过饱和固溶体中析出第二相的过程析出相为非平衡亚稳相马氏体回火析出碳化物,时效合金：能够发生时效现象的合金称为时效型合金或简称为时效合金。成为这种合金的基本条件：一是能形成有限固溶体；二是其固溶度随着温度的降低而减小。速冷,三、固态相变的特征结构变化 同素异构转变、多形性转变、马氏体转变成分变化 调幅分解有序程度变化 有序化转变,一般为结构与成分均变化 共析转变、贝氏体转变,1-2 金属固态相变的分类,按热力学分类：一级相变（有热效应、体积效应。大多为一级相变）、二级相变（无明显热、体积效应，如磁性转变）按原子迁移情况分类：扩散型相变、无扩散型相变（马氏体转变）按相变方式分类：有核转变（成核、长大）、无核转变（调幅分解）匀晶相图问题：成分变化 丁紫玉、方沈,1-3 金属固态相变的一般特征,一、界面及惯习面 新、旧固相之间存在界面，按错位度分为共格、半共格和非共格液相、固相之间也有界面。,0.25：非共格,错配度,反映了新旧相之间的适应性,共格,半共格,非共格,（1）共格界面 两相界面上的原子排列完全匹配，即界面上的原子为两相所共有，孪晶面 特点：界面能很小，弹性应变能大 错配度=a/a 越大，弹性应变能越大奥运会入场式：中国、美国1984洛杉矶。,半共格界面：相界面上分布若干位错，界面上的两相原子部分地保持匹配，弹性应变能降低。(3)非共格界面：两相界面完全不匹配，即存在大量缺陷的界面，为很薄的原子层不规则排列的过渡层，界面能较高，弹性应变能低。注意：重要的是理解能量的比较。相变形核时界面类型也是从能量角度分析。,单相有无界面？单晶有无界面？多晶有无界面？多相有无界面？分清：相不同，相一致但晶体取向不同。,惯习面：为降低界面能，新相在母相一定晶面上形成，该晶面称为惯习面，用母相的晶面指数表示。如共析钢中马氏体的主平面恒与奥氏体的225或259面平行新相与母相间的继承性。二、位向关系 为了减小界面能，新旧相的低指数晶向、低指数晶面彼此平行。新旧相共格（半共格）：必然存在一定晶体学位相关系新旧相存在位相关系：不一定共格（半共格）新旧相不存在位相关系：必然不共格（半共格）,位向关系：低指数、原子密度大、匹配较好的晶面、晶向相互平行。orientation relationshipAustenite(FCC)111/110/理解FCC、BCC结构的密排面与密排方向。,Martensite(Body-Centred tetragonal),三、原子的迁移率固态相变：原子迁移率低（10-1210-11cm/s)（液体：10-7cm/s）四、亚稳过渡相有时并不直接形成稳定的平衡相（减少表面能）国共谈判，朝鲜三八线。,不稳,亚稳,稳定,固态相变阻力大，直接转变困难，协调性中间产物（过渡相）Fe3C+(3Fe+C)例 M+Fe3C,五、弹性应变能1、体积应变能：固态相变 比容变化 体积变化 旧相约束 新相不能自由胀缩 弹性应变能（比容：单位质量的物质所占有的容积称为比容，用符号“V”表示。其数值是密度的倒数。）,2、强行匹配达成的弹性应变能Es,大,小,共格 半共格 非共格,界面能如何变化？,新相形状与应变能的关系马氏体转变及其类型，奥氏体转变为马氏体时比容变化最大。,1.2.3 弹性应变能,图1-4 新相形状与应变能的关系由纳巴罗(Nabarro)计算,非共格相界面的体积（比容）应变能（由于比容不同）：球状最大，针状次之，盘状最小。两相界面上不匹配也引起弹性应变能，共格界面最大，半共格界面次之，非共格界面最小。,六、晶体缺陷的影响晶体内存在不同缺陷：空位、位错、晶界缺陷附近 点阵畸变 储存畸变能 提供形核的额外能量 加速转变缺陷对固态相变起促进作用（动力）,固态相变阻力：界面能、弹性应变能,1-4 固态相变的形核,一、均匀形核驱动力：新旧相自由能差值阻力：界面能、应变能,系统自由焓总增值：,临界形核功：,推导过程。从表达式中理解均匀形核的动力与阻力。,n代表晶核中的原子数。,固态下，原子扩散激活能Q较大，相变应变能进一步加大了形核所需功，所以I十分小（与凝固转变相比）均匀形核一般形核率低，不为固态相变形核的主要形式固态中存在大量缺陷 储存畸变能 提供形核能量 能促进形核,形核率：,非均匀形核为固态相变的主要形核方式,禅语曰：“善心如水”。,水利万象万物，“善心”备焉。水凭渗透性强而滋润生物；水靠浮力大而可行舟船；水凭流动不息而改善环境，让地球充满生机；水可降温，水可去污；水可驱动机器，水可以发电生能水的作用无数，水之善心无边。人生处世当如水，善待一切，灵活、善变，不妄求环境适应自己，而善使自己适应环境。人在世上不顺多，当学水之能潜、能涌、能流、能奔、能升能降，适境而生，适境而居。让心永远呈现如“宁静的森林池水”,孔子曰：“智者乐音:yo水”。,“智者”的智慧当如水之灵活。若藏于地下则含而不露，若喷涌而上则清而为泉；少则叮咚作乐，多则奔腾豪壮。水处天地之间，或动或静；动则为涧、为溪、为江河；静则为池、为潭、为湖海。水遇不同境地，显各异风采；经沙土则渗流，碰岩石则溅花；遭断崖则下垂为瀑，遇高山则绕道而行。水，可由滴滴雨水雪水而成涓涓细流，而成滔滔江河，而成茫茫海洋。,老子曰：“上善若水”。,“道德经”中说：“上善若水。水善利万物而不争，处众人之所恶，故几于道”通俗地讲：最有力量的人就像水一样，因水能够与万物融合甚至常常妥协，所以不会强硬地跟万物相争，还能处在大家都不注意，不明显，甚至人人都不愿意去的低下地方，所以才能“海纳百川”，这样的人因为像水一样的谦虚，所以行动就会像水，能随形变化以柔克刚地顺应时势，这就是一位可称为“得道而有德”的人了。,“善心”的智慧当“如水”之文化。“流水不腐”莫不是暗示人要想身心健康就得常运动？“饮水思源”；岂不是暗示人们不要忘本？“顺水推舟”是昭示人们要善于顺情吧？“高山流水”是知音，“行云流水”为妙境。让我们“如鱼得水”。领略人生的“山青水秀”，“行到水穷处，坐看云起时。”,1.3 固态相变的形核,均匀形核与凝固过程相比，增加了一项应变能G=-V Gv+S+V其中Gv-新旧相间单位体积自由能差-单位面积界面能-单位体积应变能相变驱动力：-V Gv，新旧相间自由能差相变阻力：S+V，界面能+应变能学生推导公式的由来。,设形成的新相晶核为球形对于 r 求导：,图1-5 球形晶核的自由能变化,可得临界晶核尺寸：,形成临界晶核的形核功,形核功：晶核长大到 r*所需克服的能垒，或所做的功注意：几个起伏的概念，能量起伏、结构起伏、成分起伏。,二、非均匀形核晶体缺陷储存的能量可使形核功降低，促进形核G=-V Gv+S+V-Gd-Gd-由于晶体缺陷消失所降低的能量晶体缺陷：空位、位错、晶界（1）空位 空位通过促进溶质原子扩散或利用本身能量提供形核驱动力而促进形核 空位团可凝聚成位错而促进形核,（3）晶界 大角晶界具有较高的界面能，在晶界上形核可利用晶界能量，使形核功降低。有三种位置：a)晶界面 b)棱边 c)隅角,图1-6 晶界形核时三种位置,影响优先形核位置的因素,从能量障碍分析 界隅界棱界面从过冷度T影响分析 T Gv G*T Gv G*所有位置均无障碍，从贡献的角度看，界面界棱界隅（晶界多）T Gv G*先界隅、次界棱，后界面,1-5 晶核的长大,一、长大过程传质过程：满足成分条件界面过程：满足结构条件（协同型长大、非协同型长大）二、界面长大的控制因素成分不变协同型长大长大速度快成分不变非协同型长大取决于界面过程成分改变协同型长大取决于传质过程成分改变非协同型长大取决于两者,长大机制 半共格界面的迁移半共格界面上存在位错列要随界面移动，位错要攀移（困难）台阶侧向移动，位错可滑移（容易）,图 1-7 台阶长大机制,协同型长大机制 无扩散型相变，原子通过切变方式协同运动，相邻原子的相对位置不变 如马氏体相变，会发生外形变化，出现表面浮凸 新相和母相间有一定的位向关系,图1-8马氏体相变表面浮凸,思考题,1、P、S、T代表什么含义，其组成相是什么？性能是否相同？2、什么是相，什么是组织，举例说明3、平衡脱溶和不平衡脱溶的区别4、,