金属学基本概念及固态相变概论课件.ppt

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1、第一章 金属学基本概念 及固态相变概论,一 金属学基本概念二 二元合金相图三 金属固态相变概论,金属 具有不透明、金属光泽、导热和导电性并且其导电能力随温度的增高而减小，富有延展性等特性的物质。金属内部原子具有规律性排列的固体。原子尺度的结构 主价键：离子键，共价键，金属键 次价键：范德瓦尔斯键（分子键）,一、基本概念,晶体：晶体是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体，即晶体是具有格子构造的固体。晶格：为了描述晶体的结构，把构成晶体的原子当成一个点，再用假想的线段将这些代表原子的各点连接起来，就绘成了所表示的格架式空间结构。这种用来描述原子在晶体中排列的几何空间格架，称为晶格；排有结构粒子

2、的这些点叫做晶格的结点。晶胞：由于晶体中原子的排列是有规律的，可以从晶格中拿出一个完全能够表达晶格结构的最小单元，这个最小单元就叫作晶胞。,晶体按其内部结构可分为七大晶系和14种晶格类型。其中常见的有体心立方、面心立方、密排六方等晶体结构。实际上理想的晶体结构是不存在的，事实上，晶体都总是或多或少存在某些缺陷，可能存在空位、间隙离子、取代离子、位错等缺陷。,表1-1 布拉菲点阵的结构特征（table1-1 the structural feature of Bravais lattice ）,FCC-Fe, Al, Cu, Ag, Au, Ni,BCCCr, -Fe, W, Mo, V, -T

3、i,HCPMg, Zn, Cd, -Ti, -Co,晶向指数的确定：将坐标原点选在OP的任一结点O点，把OP的另一结点P的坐标经等比例化简后按X、Y、Z坐标轴的顺序写在方括号 内，则uvw即为OP的晶向指数。,晶向： 点阵可在任何方向上分解为相互平行的直线组，位于一条直线上的结点构成一个晶向。,晶面：晶体点阵在任何方向上分解为相互平行的结点平面称为晶面，即结晶多面体上的平面。晶面指数：结晶学中经常用（hkl）来表示一组平行晶面，称为晶面指数。数字hkl是晶面在三个坐标轴（晶轴）上截距的倒数的互质整数比。,晶体缺陷分四类： 点缺陷： 只在某些位置发生，只影响邻近几个原子。 例如空位、间隙原子、杂

4、质原子等。线缺陷： 集中表现形式是位错，刃型位错和螺型位错，可被 电镜观察到。 面缺陷： 晶界和亚晶界，可被光学显微镜观察到。 体缺陷：如镶嵌块，沉淀相，空洞，气泡等。,合金：由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特性的物质。相：指金属或合金中化学成分相同、晶格结构相同，或原子聚集状态相同，并与其他部分之间有明确界面的独立均匀组成部分。组织：组织是指用肉眼可直接观察的，或用放大镜、显微镜能观察分辨的材料内部微观形貌图像。,固溶体：固溶体是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。 固溶强化：

5、由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。,金属化合物： 合金组元件发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化合物。 机械混合物 机械混合物 由纯金属、固溶体、金属化合物这些合金的基本相按照固定比例构成的组织称为机械混合物。,铁素体 碳在-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙固溶体。,奥氏体晶体结构,奥氏体碳在-Fe（面心立方结构的铁）中的间隙固溶体。,渗碳体：碳 和 铁 形成的稳定化合物 Fe3C,珠光体显微组织,珠光体铁素体和渗碳体组成的机械混合物 （Fe+Fe3C 含碳0.77%）,莱氏体 渗碳体和奥氏体组成的机械混合物（含

6、碳4.3%）。,二、二 元 合 金 相 图,相图:,相图就是表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图，也称为平衡图或状态图。合金在极其缓慢冷却条件下的结晶过程，一般可认为是平衡结晶过程。在常压下，二元合金的相状态决定于温度和成分，二元合金相图可用温度-成分坐标系的平面图来表示。,铜镍二元合金相图，,铜镍二元合金相图，是一种最简单的基本相图：。横坐标表示合金成分（溶质的质量百分数），左右端点分别表示纯组元（纯金属）和，其余的为合金系的每一种合金成分，如C点的合金成分为含20,含80。坐标平面上的任一点称为表象点表示一定成分的合金在一定温度时的稳定相状态。,二元合金的杠杆定律

7、,因该式与力学的杠杆定律相同，所以称为二元合金的杠杆定律。杠杆定律只适用于相图中的两相区，即只能在两相平衡状态下使用。,2、匀晶相图 两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶，冷却时发生匀晶反应，称为匀晶系并构成匀晶相图。例如Cu-Ni、Fe-Cr合金相图等。,枝晶偏析示意图,固溶体结晶时成分是变化的，冷却时由于原子的扩散充分进行，形成的是成分均匀的固溶体。如果冷却较快，原子扩散不能充分进行，则形成成分不均匀的固溶体。先结晶的树枝晶轴含高熔点组元（Ni）较多，后结晶的树枝晶枝干含低熔点组元（Cu）较多。结果造成在一个晶粒之内化学成分的分布不均,这种现象称为枝晶偏析.生产上为了消除其影响，常把合金

8、加热到高温（低于固相线100左右），并进行长时间保温，使原子充分扩散，获得成分均匀的固溶体。这种处理称为扩散退火。,3、共晶相图 两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶，冷却时发生共晶反应的合金系，称为共晶系并构成共晶相图,如Pb-Sn相图。,d点为共晶点，表示此点成分（共晶成分）的合金冷却到此点所对应的温度（共晶温度）时，共同结晶出c点成分的相和e点成分的相。由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫做共晶反应。所生成的两相混合物（层片相间）叫共晶体。,4、共析相图 如图所示，下半部分为共析相图，形状与共晶相图相似。d点成分（共析成分）的合金（共析合金）从液相经匀晶反应生成相后，继续冷却到d

9、点温度（共析温度）时，发生共析反应，共析反应的形式类似于共晶反应，而区别在于它是由一个固相（相）在恒温下同时析出两个固相（c点成分的相和e点成分的相），两相的混合物称为共析体(层片相间) 。,共析反应是在固态下进行的，所以共析产物比共晶产物要细密的多。,5、铁碳相图,铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图。铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，FeFe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。 由于-Fe和-Fe晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。从某种意义上讲，铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的

10、理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。,在铁碳合金中一共有三个相,即铁素体,奥氏体和渗碳体.但奥氏体一般仅存在于高温下,所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相,就是铁素体和渗碳体.由于铁素体中的含碳量非常少,所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中，这一点是十分重要的。,铁碳相图,1.上半部分-共晶转变在1148,4.3%C的液相发生共晶转变；转变的产物称为莱氏体,用符号Ld表示。2.下半部分-共析转变 在727,0.77%的奥氏体发生共析转变: 转变的产物称为珠光体。,水平线ECF为共晶反应线. 水平线PSK为共析反应线，亦称A1线. GS线是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线,

11、 通常称A3线. ES线是碳在A中的固溶线, 通常叫做Acm线.,固态相变理论是是热处理的理论依据和实践基础。例如，马氏体相变可使钢淬火强化；过饱和固溶体分解使合金时效强化等。因此，研究固态相变有重要的实际意义。本章节将扼要介绍金属固态相变的主要类型、特点以及形核与长大方面的基本知识。,三 金属固态相变概论,相： 体系中具有相同成分、结构和性质的均匀部分 称为相，不同相之间有明显的界面分开。相变： 随外界条件的变化(温度)，体系中新相取代 旧相的过程。固态相变： 固态金属及合金在温度及压力改变时， 组织及结构发生的变化,3.1 金属固态相变的主要类型,1.按平衡状态图分类 (1)平衡转变： 固

12、态金属在缓慢加热或冷却时发生的能获得符合相图所示平衡组织的相变。 同素异构转变和多形性转变 平衡脱溶沉淀,固溶体,纯金属,共析相变如珠光体转变。由一个固相分解为两个固相的转变。调幅分解 1+ 2高温合金单相固溶体在冷却到某一温度分解为两个结构相同 成分不同两相有序化转变 无序 有序 原子在晶体中相对位置由无序到有序转变，使其电、磁、物理、机械性能变化。 如：Cu-Zn,Cu-Au ,Mn-Ni ,Fe-Ni ,Ti-Ni合金等。,(2)不平衡转变,不平衡转变：固态金属在快速加热和冷却时，由于平衡相变受到抑制，可能发生某些不平衡转变而得到在相图上不能反应的不平衡组织。,不平衡转变 伪共析相变马氏

13、体相变贝氏体相变不平衡脱溶转变(时效), + ,2. 按原子迁移情况分类（1）扩散型相变 温度足够高、原子活动能力足够强、时间足够长情况下发生的相变。 特点：相变过程有原子扩散，相变速率受原子扩散速度控制；新、旧相成分不同；新、旧相比容不同引起体积变化，但宏观形状不变。 如：同素异构转变、脱溶转变、共析转变、调幅分解、 有序化转变、珠光体转变等,（2）非扩散型相变 相变过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子运动是协调一致的。原子只作有规则的迁移以使晶体点阵重组，原子迁移范围有限不超过一个原子间距。 如：淬火马氏体相变 特点： 存在均匀切变引起宏观变形；相变无扩散，新、旧相化学成分相同；新、旧

14、相之间存在一定晶体学取向关系；相变速度快。,3.按相变方式分类 (1)有核相变 形核-长大方式进行相变。 (2)无核相变 条件：可以以成分起伏或能量起伏为开始，直接长大形成新相过程。 如：调幅分解以成分起伏为开始，进行上坡扩散，形成两个成分不同的新相； 马氏体相变以能量起伏为开始，靠共格切变直接长大形成新相过程。,相变的实质：是相结构、成分或有序化程度发生变化， 相变可以兼有上述相变类型的一种或几种。 如：马氏体相变 是非扩散相变、 （新旧相成分相同、结构不相同） 珠光体相变 是扩散相变、 （新旧相成分不相同、结构不相同）,非平衡相变、,无核相变；,小结：,3.2 金属固态相变主要特点 1.相

15、界面特殊（新相和母相间存在不同的界面） (1)共格界面 新、旧相的晶体结构、点阵常数相同；或有差异但存在一组特定晶体学平面可使两相原子之间产生完全匹配。,旧相,新相,特点：界面能小，弹性畸变能大,(2)半共格界面 新、旧相之间存在少量位错，除此之外的晶体结构和点阵常数均能使两相原子之间产生完全匹配。,新、旧相间错配度=|-|/,小0.05 共格关系,大0.050.25 半共格关系,很大0.25 非共格关系,(3)非共格界面 新、旧相界面处原子排列差别很大,两原子之间匹配关系不再维持,为非共格界面。,特点：界面能大，弹性畸变能小,界面能：非共格半共格共格弹性畸变能：非共格半共格共格,2. 新旧相

16、之间存在一定取向关系与惯习面 新、旧相之间存在一定取向关系,并且新相往往在旧相的一定晶面上开始形成,这个晶面称为惯习面.惯习面和取向关系的区别： 惯习面指母相的某一主平面； 取向关系指新相的某些晶面、晶向旧相的某些晶 面、晶向若两相间为（半）共格界面 但反过来不成立若无取向关系,有取向关系,必为非共格界面,3. 相变阻力大（弹性应变能作用） 相界面上原子强制匹配引起的共格应变能 共格半共格非共格 新、旧相比容差应变能 弹性应变能和界面能共同构成金属发生固态相变的阻力,新相形状与弹性应变能之间关系,4.晶体缺陷的作用 晶态固体中的空位、位错、晶界等缺陷周围因点阵畸变而储存一定的畸变能。新相极易在

17、这些位置非均匀形核。它们对晶核的长大过程也有一定的影响。 通常，固态相变时，母相中晶体缺陷起促进作用。新相优先在晶体缺陷处形核。,（提供驱动力）,5.形成过渡相（降低形核功） 在有些情况下，固态相变不能直接形成自由能最低的稳定相，而是经过一系列的中间阶段，先形成一系列自由能较低的过渡相（又称中间亚稳相），然后在条件允许时才形成自由能最低的稳定相相变过程可以写成：母相较不稳定过渡相较稳定过渡相稳定相,6. 原子的扩散（原子迁移率低） 固态相变中，成分的改变必须通过组元的扩散才能完成，此时扩散成为相变的控制因素，而固态金属中原子的扩散系数，即使在熔点附近也仅为液态的十万分之一，所以固态相变的转变速

18、率很慢，可以有很大的过冷度。随着温度降低，过冷度增大，形核率增高，相变驱动力增大，但同时原子扩散系数降低。这一对矛盾运动的结果，就有可能使相变后得到的组织变细。,金属固态相变主要特点 1. 相界面特殊 2.新旧相之间存在一定位向关系与惯习面 3. 相变阻力大（弹性应变能作用） 4. 易于形成过渡相 5. 母相晶体缺陷对相变起促进作用 6. 原子的扩散（扩散控制相变过程）,（提供驱动力）,（降低形核功）,（不同类型，具有不同界面能和应变能）,3.3 金属固态相变热力学,一、相变驱动力,转变，只有在T T0时才能够进行，即过冷。,（问题， 相变在何条件下方可进行？）,G,G 0,G 0,G = G

19、 - G 0,过热,二、相变势垒 要使向 转变能够进行 还必须越过g的势垒 因此相变条件：,G0 克服g的势垒 （能量起伏),G,状态,状态,g,G,原子间的引力,3.4 金属固态相变的形核,一、均匀形核,金属结晶均匀形核,形核自由能变化,临界晶核半径：,临界形核功,形核率,假设晶核为球形,自由能差,界面能,应变能,二、非均匀形核,界面形核位错形核空位形核,固态相变中均匀形核几乎不可能，大多为非均匀形核。,1.空位及空位集团形核 空位及空位集团促进形核。释放能量提供成核驱动力凝聚成位错加速扩散过程（空位机制）,二、非均匀形核,2.位错形核 位错促进形核。位错线上形核，位错线消失释放能量，降低形

20、核功。位错线不消失，成为半共格界面中的位错部分，降低形核功。溶质原子在位错上偏聚，满足新相形核的成分起伏。扩散的短路通道，Q，加速形核。,二、非均匀形核,3.晶界形核大角晶界具有高的界面能，在晶界形核时可使界面能释放出来作为相变驱动力，以降低形核功。固态相变时晶界往往是形核的重要基地。,二、非均匀形核,3.5 金属固态相变的晶核长大,一、长大机制,新相晶核的长大，实质是界面向母相方向的迁移。,成分变化结构变化,扩散,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)均匀切变 特点：大量的原子有规律地沿某一方向作小于一个原子间距的迁移，迁移后原子保持原有的相邻

21、关系不变。是无扩散型相变。 右下图为马氏体转变的表面倾动。,（2）台阶机制 （相界面上位错的滑动）,特点：通过半共格界面上的界面位错的运动，使界面作法线方向迁移，从而实现晶核的长大。,2、非共格界面的迁移： 通过界面扩散进行,紊乱排列,台阶状结构,二、长大速度（扩散型）,1、无成分变化时：,过冷度很小时，两相自由能差极小。,界面迁移速率与两相的自由能差成正比，随温度降低，两相的自由能差增大，新相长大速率增加；,过冷度很大时,取决于g，随温度降低，界面迁移速率减小，新相长大速率随之下降。,在整个相变范围内，新相长大速度随温度降低，先增后减。,2、有成分变化时：,是扩散控制型长大长大速率与原子的扩

22、散系数、新相/母相界面上母相一侧的浓度梯度成正比， 与新相与母相间的浓度差成反比。T，扩散系数急剧， 新相的长大速率降低。,3.6 金属固态相变动力学,在一定过冷度下的等温转变动力学可用阿弗拉密方程描述：,3 n 4,n 4,等温转变曲线： 将不同温度下的S曲线整理在时间-温度曲线上，可以得到相变的综合动力学曲线，即等温转变曲线。等温转变曲线表示了转变量、转变温度和转变时间之间的关系，一般是由两条形状呈C形的曲线构成，所以我们也将其称之为C曲线。,习题一：1、金属固态相变有哪些主要特征？2、哪些因素构成固态相变阻力？哪些构成相变驱动力？3、金属固态相变主要有哪些变化？4、固态相变的过程中形核和长大的方式是什么？5、固态相变的长大速度受什么控制？,本章重点：,1、各种固态相变的归类。2、固态相变的特点。3、固态相变驱动力和阻力。4、固态相变的形核与长大（理解其基本过程和方式，公式不做要求）,