西北工业大学_材料科学基础_固态相变

1、第一节 概 述 一一 固态相变的特点固态相变的特点 1 1 界面类型界面类型: :错配度错配度=（-）/ 完全共格界面：完全共格界面：=0=0，应变能和界面能接近于零；，应变能和界面能接近于零； 弹性应变共格界面：弹性应变共格界面：0.050.05，界面能，界面能 0.1 J/m0.1 J/m2 2，应变能增加；，应变能增加； 半共格界面：半共格界面：0.050.050.250.25，界面能，界面能 0.5 J/m0.5 J/m2 2，应变能降低；，应变能降低； 非共格界面：非共格界面：0.250.25，界面能，界面能 1.0 J/m1.0 J/m2 2，应变能进一步降低。，应变能进一步降低。

2、 1 第 九 章 固 态 相 变 第 一 节 概 述 界面能依共界面能依共 格界面、半格界面、半 共格界面和共格界面和 非共格界面非共格界面 的顺序而递的顺序而递 增增 应变能恰恰应变能恰恰 相反。相反。 第一节 概 述 一一 固态相变的特点固态相变的特点 界面能界面能 固固-固两相界面能远比液固两相界面能远比液-固两相界面能高：固两相界面能高： 一部分是形成新相界面时，因同类键、异类键的结一部分是形成新相界面时，因同类键、异类键的结 合强度和数量变化引起的化学能；合强度和数量变化引起的化学能； 另一部分是由界面原子的不匹配产生的点阵畸变能另一部分是由界面原子的不匹配产生的点阵畸变能 界面能依

3、共格界面、半共格界面和非共格界面的顺序界面能依共格界面、半共格界面和非共格界面的顺序 而递增而递增 2 第 八 章 固 态 相 变 第 一 节 概 述 第一节 概 述 一一 固态相变的特点固态相变的特点 应变能应变能: :包括共格应变能和体积应变能。包括共格应变能和体积应变能。 共格应变能：共格界面新旧两相点阵常数差异引起的共格应变能：共格界面新旧两相点阵常数差异引起的 应变能。应变能。 体积应变能：由于新相与母相的比容不同，固态相变体积应变能：由于新相与母相的比容不同，固态相变 时新相的生成必然受到周围母相的约束而产生弹性应变时新相的生成必然受到周围母相的约束而产生弹性应变 而增加的应变能。

4、而增加的应变能。 新相与母相的比容差别越大，则体积应变能越大。新相与母相的比容差别越大，则体积应变能越大。 单位体积应变能的大小还与新相的几何形状有关单位体积应变能的大小还与新相的几何形状有关。 3 第 八 章 固 态 相 变 第 一 节 概 述 球状应变能最大，针状球状应变能最大，针状 次之，片状（盘状）应次之，片状（盘状）应 变能最小。变能最小。 第一节 概 述 一一 固态相变的特点固态相变的特点 2 2 位向关系位向关系 当两相界面为共格或半共格时，新相晶核与母相之当两相界面为共格或半共格时，新相晶核与母相之 间存在一定的晶体学位向关系。新相的某一晶面和晶向间存在一定的晶体学位向关系。新

5、相的某一晶面和晶向 分别与母相的某一晶面、晶向平行。分别与母相的某一晶面、晶向平行。 如：钢由奥氏体转变为正方马氏体如：钢由奥氏体转变为正方马氏体: : 111/110 ，/ 。 4 第 八 章 固 态 相 变 第 一 节 概 述 第一节 概 述 一一 固态相变的特点固态相变的特点 3 3 惯习现象惯习现象 * * 新相沿新相沿特定的晶向特定的晶向在母相在母相特定晶面特定晶面上形成。上形成。 惯习方向惯习方向 （母相）（母相） 惯习面惯习面 原因：沿应变能最小的方向和界面能最低的界面发原因：沿应变能最小的方向和界面能最低的界面发 展。展。 5 第 八 章 固 态 相 变 第 一 节 概 述 第

6、一节 概 述 一一 固态相变的特点固态相变的特点 3 3 惯习现象惯习现象 6 第 八 章 固 态 相 变 第 一 节 概 述 魏氏组织（白色片状）魏氏组织（白色片状） 第一节 概 述 二二 固态相变的分类固态相变的分类 1 1 按相变过程中原子迁移情况按相变过程中原子迁移情况 （1 1）扩）扩 散散 型：依靠原子的长距离扩散；相界面非共型：依靠原子的长距离扩散；相界面非共 格。（如珠光体、奥氏体转变，格。（如珠光体、奥氏体转变，Fe,CFe,C都可扩散。）都可扩散。） （2 2）非扩散型：旧相原子有规则地、协调一致地通过）非扩散型：旧相原子有规则地、协调一致地通过 切变转移到新相中；相界面共

7、格、原子间的相邻切变转移到新相中；相界面共格、原子间的相邻 关系不变；化学成分不变。（如马氏体转变，关系不变；化学成分不变。（如马氏体转变，Fe,CFe,C都不都不 扩散。）扩散。） （3 3）半扩散型：既有切变，又有扩散。（如贝氏体）半扩散型：既有切变，又有扩散。（如贝氏体 转变，转变，FeFe切变，切变，C C扩散。）扩散。） 7 第 八 章 固 态 相 变 第 一 节 概 述 第一节 概 述 二二 固态相变的分类固态相变的分类 2 2 按相变方式分类按相变方式分类 （1 1）有核相变：有形核阶段，新相核心可均匀形）有核相变：有形核阶段，新相核心可均匀形 成，也可择优形成。大多数固态相变属

8、于此类。成，也可择优形成。大多数固态相变属于此类。 （2 2）无核相变：无形核阶段，以成分起伏作为开）无核相变：无形核阶段，以成分起伏作为开 端，新旧相间无明显界面，如调幅分解。端，新旧相间无明显界面，如调幅分解。 8 第 八 章 固 态 相 变 第 一 节 概 述 第二节 固态相变的形核 一一 均匀形核均匀形核 1 1 形核的能量条件形核的能量条件 GnGv+n2/3 + nEs 临界晶核形核功：临界晶核形核功： G*=4 /27 3 3 /(Gv+Es)2 9 第 八 章 固 态 相 变 第 二 节 形 核 长 大 第二节 固态相变的形核 一一 均匀形核均匀形核 1 1 形核时的能量变化形

9、核时的能量变化 （1 1）相变驱动力相变驱动力: :体积自由能体积自由能GvGv （2 2）相变阻力相变阻力:界面能界面能 , ,应变能应变能Es 10 具有低表面能和高应变能的共格具有低表面能和高应变能的共格/ /半共格晶核：半共格晶核： 为了降低应变能，新相倾向于呈为了降低应变能，新相倾向于呈盘状和片状盘状和片状； 具有高表面能和低应变能的具有高表面能和低应变能的非共格晶核非共格晶核： 为了降低表面能，新相倾向于为了降低表面能，新相倾向于呈球状呈球状。 若相变后应变能显著增加，则新相趋向于呈片状若相变后应变能显著增加，则新相趋向于呈片状 或针状。或针状。 第 八 章 固 态 相 变 第 二

10、 节 形 核 长 大 第一节 概 述 一一 均匀形核均匀形核 相变阻力大：界面能增加相变阻力大：界面能增加 额外弹性应变能：比体积差额外弹性应变能：比体积差 扩散困难（新、旧相化学成分不同时）扩散困难（新、旧相化学成分不同时） 固态相变困难固态相变困难 固态相变均匀形核的可能性很小，非均匀形核（依靠固态相变均匀形核的可能性很小，非均匀形核（依靠 晶体缺陷）是主要的形核方式。晶体缺陷）是主要的形核方式。 11 第 八 章 固 态 相 变 第 一 节 概 述 点点 缺陷类型缺陷类型 线线 面面 晶格畸变、自由能高，晶格畸变、自由能高， 促进形核及相变。促进形核及相变。 第二节 固态相变的形核 二二

11、 非均匀形核非均匀形核 表面能高，降低表面能高，降低G* （1 1）晶界形核）晶界形核 新相在母相表面部分界面重建，降低新相在母相表面部分界面重建，降低 界面能界面能 12 第 八 章 固 态 相 变 第 二 节 形 核 长 大 结构混乱，易扩散，利于扩散相变结构混乱，易扩散，利于扩散相变 第二节 固态相变的形核 二二 非均匀形核非均匀形核 新相生成处位错消失，能量释放，提新相生成处位错消失，能量释放，提 高驱动力高驱动力 （2 2）位错形核）位错形核 新相生成处位错不消失，可作为半共新相生成处位错不消失，可作为半共 格界面的形成部分格界面的形成部分 易于发生偏聚（气团），有利于成分易于发生偏

12、聚（气团），有利于成分 起伏，易于扩散，有利于发生扩散型起伏，易于扩散，有利于发生扩散型 相变相变 13 第 八 章 固 态 相 变 第 二 节 形 核 长 大 第二节 固态相变的形核 二二 非均匀形核非均匀形核 促进扩散促进扩散 新相生成处空位消失，提供能量新相生成处空位消失，提供能量 （3 3）空位形核）空位形核 空位群可凝结成位错促进形核空位群可凝结成位错促进形核 （在过饱和固溶体的脱溶析出过程（在过饱和固溶体的脱溶析出过程 中，空位作用更明显。）中，空位作用更明显。） 14 第 八 章 固 态 相 变 第 二 节 形 核 长 大 第二节 固态相变的形核 二二 非均匀形核非均匀形核 2

13、非均匀形核的能量变化非均匀形核的能量变化 G nGv +n2/3 + nEs - GD GD晶体缺陷导致系统降低的能量。晶体缺陷导致系统降低的能量。 152h 第 八 章 固 态 相 变 第 二 节 形 核 长 大 第三节 固态相变的晶核长大 16 第 八 章 固 态 相 变 第 二 节 形 核 长 大 对扩散型相变来说，新相长大分为对扩散型相变来说，新相长大分为界面控制界面控制和和扩散控扩散控 制制的两种过程。的两种过程。 界面控制：新旧两相成分相同，通过相界面附近原子界面控制：新旧两相成分相同，通过相界面附近原子 的短程迁移进行长大，如同素异构转变、再结晶；的短程迁移进行长大，如同素异构转

14、变、再结晶； 扩散控制：新旧两相成分不同，通过原子的长程扩散扩散控制：新旧两相成分不同，通过原子的长程扩散 进行长大，如脱熔相的长大、共析转变。进行长大，如脱熔相的长大、共析转变。 第三节 固态相变的晶核长大 1 1晶核生长机制晶核生长机制 （1 1）非共格界面）非共格界面 17 第 八 章 固 态 相 变 第 二 节 形 核 长 大 界面为原子不规界面为原子不规 则排列的过渡薄则排列的过渡薄 层：原子直接迁移层：原子直接迁移 界面为台阶状：界面为台阶状： 原子迁移至新相原子迁移至新相 台阶端部台阶端部 第三节 固态相变的晶核长大 1 1 晶核生长机制晶核生长机制 18 第 八 章 固 态 相

15、 变 第 二 节 形 核 长 大 切变长大切变长大 （2 2）半共格界面）半共格界面 台阶式长大（位错滑移）台阶式长大（位错滑移） 第三节 固态相变的晶核长大 2 2 晶核生长速率晶核生长速率 （1 1）界面控制长大）界面控制长大 新相生成时无成分变化新相生成时无成分变化( (只有结构、只有结构、 有序度变化）短程输送有序度变化）短程输送 u=exp(-Q/kT)1-exp(-Gv/kT) 19 第 八 章 固 态 相 变 第 二 节 形 核 长 大 晶核长大速率是扩散系数晶核长大速率是扩散系数D D和相变驱动力和相变驱动力Gv的综合影响。的综合影响。 第三节 固态相变的晶核长大 2 2 晶核

16、生长速率晶核生长速率 新相生成时有成分变化新相生成时有成分变化 远程扩散远程扩散 （2 2）扩散控制长大）扩散控制长大 u=dx/dt=(u=dx/dt=( C C / / x)D/(Cx)D/(C -C-C ) ) 20 第 八 章 固 态 相 变 第 二 节 形 核 长 大 第三节 固态相变的晶核长大 3 相变动力学相变动力学 f=1-exp(-btn) f 转变量（体积分数）；转变量（体积分数）； b-常数，取决于相变温度、母相常数，取决于相变温度、母相 成分和晶粒大小等；成分和晶粒大小等； n-常数，取决于相变类型和形核常数，取决于相变类型和形核 位置；位置； t-时间。时间。 21

17、第 八 章 固 态 相 变 第 二 节 形 核 长 大 TTT 曲线曲线 第四节 扩散型相变示例 一一 脱熔转变脱熔转变 脱熔转变概念：脱熔转变概念：当固溶体因温度变化等而呈过当固溶体因温度变化等而呈过 饱和状态时，将自发地发生分解过程，其所含的过饱和状态时，将自发地发生分解过程，其所含的过 饱和溶质原子通过扩散而形成新相析出，此过程称饱和溶质原子通过扩散而形成新相析出，此过程称 为脱溶。相图中具有溶解度变化的体系，从单相区为脱溶。相图中具有溶解度变化的体系，从单相区 经过溶解度饱和线进入两相区时，就要发生脱溶分经过溶解度饱和线进入两相区时，就要发生脱溶分 解。解。 许多热处理过程都与过饱和固

18、溶体的脱熔有关，许多热处理过程都与过饱和固溶体的脱熔有关， 奥氏体析出铁素体的先共析转变、铁素体中析出渗奥氏体析出铁素体的先共析转变、铁素体中析出渗 碳体、淬火后的时效处理、回火处理都是典型的脱碳体、淬火后的时效处理、回火处理都是典型的脱 熔转变。熔转变。 22 第 八 章 固 态 相 变 第 四 节 脱 溶 与 调 幅 分 解 第四节 扩散型相变示例 一一 脱熔转变脱熔转变 23 第 八 章 固 态 相 变 第 四 节 脱 溶 与 调 幅 分 解 第四节 扩散型相变示例 一一 脱熔转变脱熔转变 新相的脱溶通常以形核和生长方式进行。温度新相的脱溶通常以形核和生长方式进行。温度 高时发生平衡脱溶

19、，析出平衡的第二相；如温度较高时发生平衡脱溶，析出平衡的第二相；如温度较 低，可能先形成亚稳的过渡相；如快速冷却至室温低，可能先形成亚稳的过渡相；如快速冷却至室温 或低温或低温(称为淬火或称固溶处理称为淬火或称固溶处理)，还可能保持原先，还可能保持原先 的过饱和固溶体而不分解，但这种亚稳态很不稳定，的过饱和固溶体而不分解，但这种亚稳态很不稳定， 在一定条件下会发生脱溶析出过程（沉淀或时效），在一定条件下会发生脱溶析出过程（沉淀或时效）， 生成亚稳的过渡相。生成亚稳的过渡相。 由于固态中原子扩散速率低尤其在温度较低由于固态中原子扩散速率低尤其在温度较低 时更为困难，故脱溶过程难以达到平衡，脱溶产

20、物时更为困难，故脱溶过程难以达到平衡，脱溶产物 往往以亚稳态的过渡相存在。往往以亚稳态的过渡相存在。 24 第 八 章 固 态 相 变 第 四 节 脱 溶 与 调 幅 分 解 第四节 扩散型相变示例 固态相变的特点：易出现过渡相固态相变的特点：易出现过渡相 * * 固态相变阻力大，直接转变困难固态相变阻力大，直接转变困难 协调性中间产协调性中间产 物（过渡相）物（过渡相） Fe3C +(3Fe+C) 例例 M +Fe3C 25 第 八 章 固 态 相 变 第 一 节 概 述 第四节 扩散型相变示例 一一 脱熔转变脱熔转变 按照系统自由焓取最低原则，脱熔相应为平按照系统自由焓取最低原则，脱熔相应

21、为平 衡相。但实际发生的过程中，相当多的情况衡相。但实际发生的过程中，相当多的情况 都是介稳平衡的，但它并非过程终态，在一都是介稳平衡的，但它并非过程终态，在一 定的条件下，介稳相会转变为平衡相，形成定的条件下，介稳相会转变为平衡相，形成 所谓所谓脱熔贯序脱熔贯序现象。在工业生产过程中，工现象。在工业生产过程中，工 艺目标或实际可能获得的状态，几乎都是脱艺目标或实际可能获得的状态，几乎都是脱 熔贯序中的介稳状态，而并非平衡状态。熔贯序中的介稳状态，而并非平衡状态。 26 第 八 章 固 态 相 变 第 四 节 脱 溶 与 调 幅 分 解 第四节 扩散型相变示例 一一 脱熔转变脱熔转变 A1-C

22、u合金的时效（脱熔转合金的时效（脱熔转 变）变） Al-CuAl-Cu合金加热到合金加热到550550保保 温，得到单相温，得到单相固溶体，固溶体， 淬火后于淬火后于130130保温进行保温进行 时效处理，随保温时间延时效处理，随保温时间延 长的长的脱熔贯序为：脱熔贯序为： G G.P.P 27 第 八 章 固 态 相 变 第 四 节 脱 溶 与 调 幅 分 解 第四节 扩散型相变示例 一一 脱熔转变脱熔转变 A1-Cu合金的时效（脱熔转合金的时效（脱熔转 变）变） Al-CuAl-Cu合金加热到合金加热到550550保保 温，得到单相温，得到单相固溶体，固溶体， 淬火后于淬火后于130130

23、保温进行保温进行 时效处理，随保温时间延时效处理，随保温时间延 长的长的脱熔贯序为：脱熔贯序为： G G.P.P 28 第 八 章 固 态 相 变 第 四 节 脱 溶 与 调 幅 分 解 第四节 扩散型相变示例 一一 脱熔转变脱熔转变 A1-Cu合金的时效（脱熔转变）合金的时效（脱熔转变） Al-CuAl-Cu合金加热到合金加热到550550保温，保温， 得到单相得到单相固溶体，淬火后固溶体，淬火后 于于130130保温进行时效处理，保温进行时效处理， 随保温时间延长的随保温时间延长的脱熔贯序脱熔贯序 为：为： G G.P.P 29 第 八 章 固 态 相 变 第 四 节 脱 溶 与 调 幅

24、分 解 第四节 扩散型相变示例 A1-Cu合金的时效合金的时效脱熔贯序为：脱熔贯序为： G G.P.P 相：相： A1-Cu合金固溶体（面心立方）合金固溶体（面心立方） G.PG.P：圆盘状的熔质原子：圆盘状的熔质原子CuCu富集区，与母相完全共格。富集区，与母相完全共格。 ：成分接近：成分接近CuAlCuAl2 2，圆片状过渡相（脱熔相），正方点阵，与，圆片状过渡相（脱熔相），正方点阵，与 母相共格，强化作用最强。母相共格，强化作用最强。 ：成分接近：成分接近CuAlCuAl2 2，圆片状过渡相（脱熔相），与母相呈半共格，圆片状过渡相（脱熔相），与母相呈半共格 关系，强化作用减弱。关系，强化

25、作用减弱。 ：平衡相，：平衡相， CuAlCuAl2 2。 。与母 与母 相呈非共格关系，强相呈非共格关系，强 化作用显著减弱。化作用显著减弱。 30 第 八 章 固 态 相 变 第 四 节 脱 溶 与 调 幅 分 解 第四节 扩散型相变示例 二二 脱熔类型脱熔类型 根据脱熔过程中母相成分变化的特点，根据脱熔过程中母相成分变化的特点， 脱熔过程分为连续脱熔和不连续脱熔。脱熔过程分为连续脱熔和不连续脱熔。 31 第 八 章 固 态 相 变 第 四 节 脱 溶 与 调 幅 分 解 第四节 扩散型相变示例 脱溶组织形貌（连续脱熔）脱溶组织形貌（连续脱熔） 32 第 八 章 固 态 相 变 第 四 节

26、 脱 溶 与 调 幅 分 解 第四节 扩散型相变示例 二二 脱熔类型脱熔类型 连续脱熔：如果脱熔是在母相中各处同连续脱熔：如果脱熔是在母相中各处同 时发生，且随新相的形成母相成分连续时发生，且随新相的形成母相成分连续 变化，但其晶粒外形及位向均不改变，变化，但其晶粒外形及位向均不改变， 则称之为连续脱熔。如时效、回火等。则称之为连续脱熔。如时效、回火等。 析出相的形态取决于析出相的结构析出相的形态取决于析出相的结构 和点阵常数与母相的接近程度，若两相和点阵常数与母相的接近程度，若两相 能保持共格关系，析出相呈圆盘形，针能保持共格关系，析出相呈圆盘形，针 状；若不存在共格关系，则呈等轴状。状；若

27、不存在共格关系，则呈等轴状。 另外，连续脱熔还可能只呈现在某另外，连续脱熔还可能只呈现在某 一局部区域，如脱熔物优先在晶界、滑一局部区域，如脱熔物优先在晶界、滑 移带、非共格孪晶界和位错处形成。移带、非共格孪晶界和位错处形成。 33 第 八 章 固 态 相 变 第 四 节 脱 溶 与 调 幅 分 解 第四节 扩散型相变示例 二二 脱熔类型脱熔类型 连续脱熔：均匀脱熔连续脱熔：均匀脱熔 34 第 八 章 固 态 相 变 第 四 节 脱 溶 与 调 幅 分 解 第四节 扩散型相变示例 二二 脱熔类型脱熔类型 连续脱熔：连续脱熔： 不均匀脱熔不均匀脱熔 35 第 八 章 固 态 相 变 第 四 节

28、脱 溶 与 调 幅 分 解 第四节 扩散型相变示例 二二 脱熔类型脱熔类型 不连续脱熔：多发生在过饱和度很大不连续脱熔：多发生在过饱和度很大 的置换固熔体中，是从母相中同时析的置换固熔体中，是从母相中同时析 出片层相间的两个相：出片层相间的两个相：+，与，与共共 析转变相类似。析转变相类似。是过饱和固溶体，是过饱和固溶体， 是仍含有一定过饱和度的是仍含有一定过饱和度的相，相，是脱是脱 熔相。熔相。与与结构相同，但成分不同，结构相同，但成分不同， 有界面分开，故称不连续脱熔。由于有界面分开，故称不连续脱熔。由于 脱熔产物是靠着晶界突出的胞状组织，脱熔产物是靠着晶界突出的胞状组织， 又称胞状脱熔。

29、又称胞状脱熔。脱熔胞长大时，熔质脱熔胞长大时，熔质 原子只需在界面附近扩散原子只需在界面附近扩散(短程扩散短程扩散)， 双相胞向未发生成分变化的母相中生双相胞向未发生成分变化的母相中生 长，所以不连续脱熔的生长速率很快。长，所以不连续脱熔的生长速率很快。 胞状脱熔使材料机械性能变坏，不希胞状脱熔使材料机械性能变坏，不希 望发生。望发生。 36 第 八 章 固 态 相 变 第 四 节 脱 溶 与 调 幅 分 解 第四节 扩散型相变示例 二二 脱熔类型脱熔类型 不连续脱熔不连续脱熔： 37 第 八 章 固 态 相 变 第 四 节 脱 溶 与 调 幅 分 解 第四节 扩散型相变示例 三三脱溶动力学脱

30、溶动力学 开始析出的是细小脱熔相，总的界面能高，组开始析出的是细小脱熔相，总的界面能高，组 织不稳定，有自发长大的趋向。长大过程为：织不稳定，有自发长大的趋向。长大过程为： 小颗粒不断减小，大颗粒不断长大，总的界面小颗粒不断减小，大颗粒不断长大，总的界面 自由能降低。自由能降低。 38 第 八 章 固 态 相 变 第 四 节 脱 溶 与 调 幅 分 解 第四节 扩散型相变示例 四四 调幅分解调幅分解 调幅分解：指过饱和固溶体调幅分解：指过饱和固溶体 在一定温度下分解成结构相同、在一定温度下分解成结构相同、 成分不同的两个相的过程。成分不同的两个相的过程。调调 幅分解是自发的脱溶过程。它幅分解是

31、自发的脱溶过程。它 不需形核，而是通过溶质原子不需形核，而是通过溶质原子 的上坡扩散形成结构相同而成的上坡扩散形成结构相同而成 分呈周期性波动的纳米尺度共分呈周期性波动的纳米尺度共 格微畴，以连续变化的溶质富格微畴，以连续变化的溶质富 集区与贫化区彼此交替地均匀集区与贫化区彼此交替地均匀 分布于整体中。分布于整体中。 39 4h 第 八 章 固 态 相 变 第 四 节 脱 溶 与 调 幅 分 解 第四节 扩散型相变示例 四四 调幅分解调幅分解 1 1 调幅分解的热力调幅分解的热力 学条件学条件 拐点内的合金发生拐点内的合金发生 调幅分解；调幅分解； 拐点外的合金发生拐点外的合金发生 脱熔分解。

32、脱熔分解。 40 4h 第 八 章 固 态 相 变 第 四 节 脱 溶 与 调 幅 分 解 第四节 扩散型相变示例 四四 调幅分解调幅分解 2 2 调幅分解的特点：上坡扩散调幅分解的特点：上坡扩散 41 4h 第 八 章 固 态 相 变 第 四 节 脱 溶 与 调 幅 分 解 第五节 无扩散型相变示例 相变以切变方式进行，所有原子运动协相变以切变方式进行，所有原子运动协 同一致，相邻原子的相对位置不变，称同一致，相邻原子的相对位置不变，称 为协同型相变：如孪生、马氏体转变为协同型相变：如孪生、马氏体转变。 42 第 八 章 固 态 相 变 第 三 节 钢 中 相 变 第五节 无扩散型相变示例

33、马氏体转变马氏体转变 （1 1）转变特点）转变特点 无扩散性。无扩散性。 切变共格与表面浮凸。切变共格与表面浮凸。 惯习面及位向关系。惯习面及位向关系。 转变是在一个温度范围内进行的。转变是在一个温度范围内进行的。 转变不完全（有残余奥氏体）。转变不完全（有残余奥氏体）。 43 第 八 章 固 态 相 变 第 三 节 钢 中 相 变 第五节 无扩散型相变示例 马氏体转变马氏体转变 （1 1）马氏体结构与形态：马氏体是碳在）马氏体结构与形态：马氏体是碳在-Fe-Fe中的过中的过 饱和固溶体，碳存在于八面体间隙中饱和固溶体，碳存在于八面体间隙中。 44 第 八 章 固 态 相 变 第 三 节 钢

34、中 相 变 第五节 无扩散型相变示例 （2 2）马氏体结构与形态）马氏体结构与形态 45 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E 第 八 章 固 态 相 变 第 三 节 钢 中 相 变 46 第五节 无扩散型相变示例 1 1 马氏体相变的晶体学马氏体相变的晶

35、体学 （1 1）马氏体相变为不变平面应变：母相中任一）马氏体相变为不变平面应变：母相中任一 直线相变后仍为直线，平面仍为平面直线相变后仍为直线，平面仍为平面( (图图a),a),图图b b 和图和图c c观察不到。观察不到。 47 第 八 章 固 态 相 变 第 三 节 钢 中 相 变 第五节 无扩散型相变示例 1 1 马氏体相变的晶体学马氏体相变的晶体学 任一点的位移与该点距离此不变平面（惯习面）的任一点的位移与该点距离此不变平面（惯习面）的 距离成正比。距离成正比。 48 第 八 章 固 态 相 变 第 三 节 钢 中 相 变 49 50 51 52 第五节 无扩散型相变示例 2 2 马氏

36、体相变的晶体学表象理论马氏体相变的晶体学表象理论 53 第 八 章 固 态 相 变 第 三 节 钢 中 相 变 第五节 无扩散型相变示例 3 3 马氏体相变的形核及动力学马氏体相变的形核及动力学 54 第 八 章 固 态 相 变 第 三 节 钢 中 相 变 （1 1）马氏体的转变是一）马氏体的转变是一 个形核及长大的过程。个形核及长大的过程。 （2）转变温度范围：）转变温度范围：Ms- Mf。在。在Ms-Mf范围内，温范围内，温 度越低，度越低，马氏体转变量越马氏体转变量越 多。多。 第五节 无扩散型相变示例 3 3 马氏体相变的形核及动力学马氏体相变的形核及动力学 55 第 八 章 固 态

37、相 变 第 三 节 钢 中 相 变 （3 3）马氏体转变动力学：等温转变）马氏体转变动力学：等温转变马氏体马氏体，变温转，变温转 变变马氏体马氏体、形变诱发、形变诱发马氏体马氏体。 （4 4）残余奥氏体。）残余奥氏体。 第六节第六节 钢的热处理原理钢的热处理原理 热处理热处理是将固态金属或合金在一定介质中 加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组 织，从而获得所需性能的工艺。 图图7-1 7-1 热处理工艺曲线示意图热处理工艺曲线示意图 6.1 6.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 1. 1. 转变临界温度转变临界温度 实际热处理加热和冷 却时的相变是在不完全平 衡的条件下进行的，相变 温

38、度与平衡相变点之间有 一定差异。加热时相变温 度偏向高温，冷却时偏向 低温，而且加热和冷却速 度愈大偏差愈大。 图图7-2 7-2 加热和冷却速度对临界点的影响加热和冷却速度对临界点的影响 6.1 6.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 2. 2. 奥氏体的形成奥氏体的形成 （1）奥氏体的形成过程 钢加热时奥氏体的形成过程包括生核和长大 两个基本过程。以共析钢为例，珠光体向奥氏体 的转变，包括奥氏体晶核的形成、奥氏体晶核的 长大、剩余渗碳体的溶解和奥氏体成分的均匀化 等过程 。 6.1 6.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 （1 1）奥氏体的形成过程）奥氏体的形成过程 图图7-3 共析钢

39、奥氏体形成过程示意图共析钢奥氏体形成过程示意图 6.1 6.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 （2）影响奥氏体转变的因素）影响奥氏体转变的因素 加热温度 图图7-5 共析钢的奥氏体化曲线共析钢的奥氏体化曲线 6.1 6.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 （2）影响奥氏体转变的因素）影响奥氏体转变的因素 加热速度 图图7-6 加热速度对奥氏体转变的影响加热速度对奥氏体转变的影响 6.1 6.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 （2）影响奥氏体转变的因素）影响奥氏体转变的因素 钢中碳质量分数 合金元素 原始组织 6.1 6.1 钢在加热时的转变钢在加热时的转变 3. 奥氏体的晶粒度及其奥

40、氏体的晶粒度及其 影响因素影响因素 奥氏体晶粒细时，退 火组织亦细，则强度、塑 性、韧性较好；淬火马氏 体也细，因而韧性得到改 善。 图图7-7 奥氏体晶粒大小对转变产物晶粒大小的影响奥氏体晶粒大小对转变产物晶粒大小的影响 3. 奥氏体的晶粒度及其影响因素奥氏体的晶粒度及其影响因素 （1）奥氏体晶粒度）奥氏体晶粒度 生产上一般采用标准晶粒度等级图用比较的 方法来测定钢的奥氏体晶粒大小。晶粒度通常分8 级，14级为粗晶粒度；58级为细晶粒度；超 过8级的为超细晶粒度。 3. 奥氏体的晶粒度及其影响因素奥氏体的晶粒度及其影响因素 （1）奥氏体晶粒度）奥氏体晶粒度 图图7-8 标准晶粒度等级示意图标

41、准晶粒度等级示意图 3. 奥氏体的晶粒度及其影响因素奥氏体的晶粒度及其影响因素 奥氏体的晶粒度有两种： 实际晶粒度 本质晶粒度 原冶金工 业部标准中规定，钢加热到 93010，保温8h，冷却 后测得的晶粒度为本质晶粒 度。 图图7-9 本质细晶粒和本质粗晶粒本质细晶粒和本质粗晶粒 3. 奥氏体的晶粒度及其影响因素奥氏体的晶粒度及其影响因素 （2）影响奥氏体晶粒度的因素 加热温度和保温时间 钢的成分 图图7-10 奥氏体形成及其晶粒长大示意图奥氏体形成及其晶粒长大示意图 6.2 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变 冷却的方式通常有两种： （1）等温处理 将钢迅速冷却到临界点以 下的给定温度，进行保

42、温，使其在该温 度下恒温转变。 （2）连续冷却 将钢以某种速度连续冷却， 使其在临界点以下变温连续转变。 6.2 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变 1. 过冷奥氏体的等温转变过冷奥氏体的等温转变 （1）共析钢过冷奥氏体的等温）共析钢过冷奥氏体的等温 转变转变 图图7-11 共析钢等温转变图共析钢等温转变图 （1）共析钢过冷奥氏体的等温转变）共析钢过冷奥氏体的等温转变 共析钢过冷奥氏体等温转变C曲线包括三个转变区： 高温转变高温转变在A1550之间，转变产物为珠光 体，此温区称珠光体转变区。 中温转变中温转变在550Ms之间，过冷奥氏体的转 变产物为贝氏体（B），此温区称贝氏体转变区。 低温转变

43、低温转变温度低于Ms点（230），过冷奥氏 体的转变产物为马氏体（M），因此低温转变区称 为马氏体转变区。 （2 2）非共析钢过冷奥氏体的等温转变）非共析钢过冷奥氏体的等温转变 与共析钢C曲线不同的是， 亚共析钢C曲线在其上方多 了一条过冷奥氏体转变为铁 素体的转变开始线。亚共析 钢随着含碳量的减少，C曲 线位置往左移，同时Ms、Mf 线往上移。 图图7-12 457-12 45钢过冷钢过冷A A等温转变曲线等温转变曲线 （2 2）非共析钢过冷奥氏体的等温转变）非共析钢过冷奥氏体的等温转变 过共析钢C曲线的上 部为过冷A中析出二次渗 碳体（Fe3CII）开始线。 在一般热处理加热条件 下，过共

44、析钢随着含碳 量的增加，C曲线位置向 左移，同时Ms、Mf线往 下移。 图图7-13 T107-13 T10钢过冷钢过冷A A的等温转变曲线的等温转变曲线 （3 3）影响过冷奥氏体等温转变的因素）影响过冷奥氏体等温转变的因素 合金元素合金元素 除钴以外，所 有合金元素的溶 入均增大过冷奥 氏体的稳定性， 使C曲线右移。 图图7-14 7-14 合金元素对碳钢合金元素对碳钢C C曲线的影响曲线的影响 （3 3）影响过冷奥氏体等温转变的因素）影响过冷奥氏体等温转变的因素 加热温度和时间加热温度和时间 (a) 加热温度为840 (b)加热温度为950 图图7-15 7-15 在不同奥氏体化温度时的在

45、不同奥氏体化温度时的C C曲线曲线 2.2.过冷奥氏体的连续冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变 （1）共析钢过冷奥氏 体的连续冷却转变 共析钢过冷A连续冷 却转变曲线中没有奥氏 体转变为贝氏体的部分， 在连续冷却转变时得不 到贝氏体组织。 图图7-16 7-16 共析钢的连续冷却转变曲线共析钢的连续冷却转变曲线 （1 1）共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变）共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 图图7-17 7-17 共析钢的等温转变曲线和连续共析钢的等温转变曲线和连续 冷却转变曲线的比较及转变组织冷却转变曲线的比较及转变组织 （2 2）非共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变）非共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变

46、亚共析钢过冷 A在高温时有一部 分将转变为铁素 体，亚共析钢过 冷A在中温转变区 会有少量贝氏体 （上B）产生。 图图7 718 18 亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 （2 2）非共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变）非共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变 在高温区，过共 析钢过冷A首先析出二 次渗碳体，而后转变 为其他组织组成物。 由于奥氏体中碳含量 高，所以油冷、水冷 后的组织中应包括残 余奥氏体。与共析钢 一样，其冷却过程中 无贝氏体转变。 图图7-19 7-19 过共析钢过冷过共析钢过冷A A的连续冷却转变的连续冷却转变 6.3 6.3 珠光体转变珠光体转变 共析

47、成分的奥氏体过冷到珠光体转变 区内等温停留时，将发生共析转变，形成 珠光体。珠光体转变可以写成如下的共析 反应式: 0.77%C 0.0218%C 6.69%C 面心立方 体心立方 复杂斜方 3 Fe c 6.3 6.3 珠光体转变珠光体转变 1. 1. 片状珠光体的形成片状珠光体的形成 图图7-20 7-20 共析钢奥氏体向珠光体等温转变过程示意图共析钢奥氏体向珠光体等温转变过程示意图 1. 1. 片状珠光体的形成片状珠光体的形成 珠光体的形成机理有两种：一种是 “分片形成机理”，另一种是“分枝形成 机理”。 图图7-21 7-21 珠光体分片形成示意图珠光体分片形成示意图 1. 1. 片状

48、珠光体的形成片状珠光体的形成 图图7-22 7-22 珠光体分枝形成示意图珠光体分枝形成示意图 2. 2. 粒状珠光体的形成粒状珠光体的形成 粒状珠光体的形成 机理完全不同于片状珠 光体。粒状珠光体既可 以由过冷奥氏体直接分 解而成，也可以由片状 珠光体球化而成，还可 以由淬火组织回火而形 成。 图图7-23 7-23 粒状珠光体粒状珠光体 3. 3. 珠光体的组织和性能珠光体的组织和性能 珠光体是铁素体和渗碳体的共析混合 物。根据共析渗碳体的形状，珠光体分为 片状珠光体和粒状珠光体两种。根据共析 渗碳体的大小，又可分为珠光体、索氏体 和屈氏体三种 。 3. 3. 珠光体的组织和性能珠光体的组

49、织和性能 片层间距是片状珠光体的一个主要指标，是 指珠光体中相邻两片渗碳体的平均距离。片层间 距的大小主要取决于过冷度。 组织名称 （符号） 形成温度范围 / 片层间距/ m 硬度 珠光体（P） 索氏体（S） 屈氏体（T） A1650 650600 600550 0.4 0.40.2 50HRC)和耐磨性。 2火焰加热表面热处理火焰加热表面热处理 火焰加热表面淬火，是用乙炔氧或煤气 氧等火焰加热工件表面，然后进行淬火。 图图7-54 火焰加热表面淬火示意图火焰加热表面淬火示意图 7.3 钢的化学热处理钢的化学热处理 化学热处理是将钢件置于一定温度的活性 介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面

50、， 改变其化学成分和组织，达到改进表面性能， 满足技术要求的热处理过程。 按照表面渗入的元素不同，化学热处理可 分为渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等。 化学热处理能有效地提高钢件表层的耐磨性、 耐蚀性、抗氧化性能以及疲劳强度等。 7.3 钢的化学热处理钢的化学热处理 钢件表面化学成分的改变，取决于处理 过程中发生的以下三个基本过程： 1. 介质的分解 2. 表面吸收 3. 原子扩散 1渗碳渗碳 （1）渗碳的目的 为了增加表层的碳质量分数和获得一定的 碳浓度梯度, 钢件在渗碳介质中加热和保温， 使碳原子渗入表面的工艺称为渗碳。 渗碳使低碳(碳质量分数0.15%0.30%)钢件 表面获得高碳浓度

51、（碳质量分数约1.0%），在 经过适当淬火和回火处理后，可提高表面的硬 度、耐磨性和疲劳强度，而使心部仍保持良好 的韧性和塑性。 1渗碳渗碳 （2）渗碳方法 常用的是气体渗碳方法。将工件装在密封 的渗碳炉中，加热到900950，向炉内滴 入易分解的有机液体（如煤油、苯、甲醇等）， 或直接通入渗碳气体（如煤气、石油液化气 等），通过下列反应产生活性碳原子，使钢件 表面渗碳： 2COCO2+C CO2+H2H2O+C CnH2nnH2+nC CnH2n+2(n+1)H2+nC 1渗碳渗碳 （3）渗碳工艺 渗碳工艺参数包括渗碳温度和渗碳时间 等。 奥氏体的溶碳能力较大，因此渗碳加热 到Ac3以上。渗

52、碳温度一般采用900 950。渗碳时间则决定于渗层厚度的要求。 在900渗碳，保温1h， 渗层厚度为 0.5mm, 保温4h, 渗层厚度可达1mm。 1渗碳渗碳 图图7-55 气体渗碳装置示意图气体渗碳装置示意图 1渗碳渗碳 低碳钢渗碳后缓冷下来的显微组织：表面为 珠光体和二次渗碳体(过共析组织), 心部为原始 亚共析组织(珠光体和铁素体), 中间为过渡组织。 图图7-56 低碳钢渗碳缓冷后的显微组织低碳钢渗碳缓冷后的显微组织 1渗碳渗碳 （4）渗碳后的热处理 (a)、(b)直接淬火; (c)一次淬火; (d)二次淬火 图图7-57 渗碳后的热处理示意图渗碳后的热处理示意图 1渗碳渗碳 （5）

53、钢渗碳、淬火、回火后的组织和性能 渗碳件组织：表层为高碳回火马氏体+碳化 物+残余奥氏体，心部为低碳回火马氏体（或 含铁素体、屈氏体）。 渗碳体性能为： 表面硬度高，耐磨性较好; 心部韧性较好, 硬度较低。 疲劳强度高。 2氮化氮化 氮化就是向钢件表面渗入氮的工艺。 氮化的目的在于更大地提高钢件表面的硬度 和耐磨性，提高疲劳强度和抗蚀性。 （1）氮化工艺 目前广泛应用的是气体氮化。氨被加热分解 出活性氮原子（2NH33H2+2N), 氮原子被钢吸收 并溶入表面, 在保温过程中向内扩散, 形成渗氮层。 2氮化氮化 气体氮化与气体渗碳相比, 其特点是: 氮化温度低, 一般为500600。 氮化时间

54、长，一般为20h50h，氮化 层厚度为0.3mm0.5mm。 氮化前零件须经调质处理。 2氮化氮化 （2）氮化件的组织和性能 钢件氮化后具有很高的硬度，且在600 650下保持不下降，所以具有很高的耐磨性和 热硬性。 钢氮化后, 渗层体积增大, 造成表面压应力, 使疲劳强度大大提高。 氮化温度低, 零件变形小。 氮化后表面形成致密的化学稳定性较高的 相层, 所以耐蚀性好, 在水、过热蒸气和碱性溶 液中均很稳定。 3碳氮共渗碳氮共渗 碳氮共渗就是同时向零件表面渗入碳和 氮的化学热处理工艺，又称氰化。主要采 用气体碳氮共渗，可分为高温和低温两种 方法。低温碳氮共渗以氮为主，实质上就 是软氮化。 几种表面热处理和化学热处理的比较几种表面热处理和化学热处理的比较 7.4 钢的热处理新技术钢的热处理新技术 1. 可控气氛热处理可控气氛热处理 在炉气成分可控制的炉内进行的热处理称为 可控气氛热处理。 可控气氛热处理能减少和避免钢件在加热过 程中氧化和脱碳，节约钢材，提高工件质量；可 实现光亮热处理，保证工件的尺寸精度；可进行 控制表面碳浓度的渗碳和碳氮共渗，可使已脱碳 的工件表面复