第七章金属固态相变基础

1、材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y金属固态相变金属固态相变材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y常用措施：常用措施：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y主要内容金属固态相变基础脱溶与调幅分解珠光体相变马氏体相变贝氏体相变其他材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y构成物质的原子（或分子）的聚合状态（相状态）发生变化的过程均称为相变。如：从液相到固相的凝固过程 从液相到气相的蒸发过程金属和陶瓷等固态材料在温度和压力改变时，其内部组织或结构会发生变化，即发生从一种相状态到另一种相状态的转变，这种转变称为固态相变。相 变固态相变相变前的相状态称为旧相或母相，相变后的相状态

2、称为新相 相被一定边界包围、具有确定而均匀的物理和化学性质的一个系统或系统的一个部分。也就是指结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。单相：纯金属，单相黄铜Cu-30w%Zn；多相：几种不同固相组成的合金；*材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y固态相变概论固态相变的主要分类固态相变的主要特点固态相变热力学固态相变的热力学条件固态相变的形核固态相变的晶核长大固态相变动力学固态相变的速率第七章第七章 金属固态相变基础金属固态相变基础材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y固固态态相相变变分分类类按热力学分类按平衡状态分类按原子迁移

3、分类按相变方式分类一级相变二级相变平衡相变非平衡相变扩散相变非扩散型相变有核相变无核相变7.1 金属固态相变概论金属固态相变概论材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y一级相变一级相变 特点特点：在一级相变时，熵S和体积V将发生不连续变化，即一级相变有相变潜热和体积改变。材料的凝固、熔化、升华以及同素异构转变等均属于一级相变。几乎所有伴随晶体结构变化的固态相变都是一级相变。一级相变是，相变发生时，两平衡相的化学势一级相变是，相变发生时，两平衡相的化学势相等，但化学势的一阶偏微分不相等。相等，但化学势的一阶偏微分不相等。 21PPTT21TTPP21STPVPT材料科学与工程学院材料科学与工

4、程学院 G-Y二级相变二级相变 相变时新旧两相的化学势相等，且化学势的一级偏微商也相等，相变时新旧两相的化学势相等，且化学势的一级偏微商也相等，但化学势的二级偏微商不等的相变称为二级相变。即：但化学势的二级偏微商不等的相变称为二级相变。即：21PPTT21TTPP21PPTT222212TTPP222212PTPT2212PPCT22比比 热热TP22压缩系数压缩系数PT2膨胀系数膨胀系数特点：特点：无相变潜热和体积改变，只有比热CP、压缩系数K和膨胀系数的不连续变化。材料的部分有序化转变、磁性转变以及超导体转变均属于二级相变。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y平衡相变平衡相变 平衡

5、相变是指在平衡相变是指在缓慢加热或冷却缓慢加热或冷却时所发生的能时所发生的能获得符合平衡状态图的获得符合平衡状态图的平衡组织平衡组织的相变。的相变。同素异构转变平衡脱溶沉淀共析转变调幅分解有序化转变有代表性的几种平衡相变材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y同素异构转变同素异构转变 纯金属在温度和压力改变时，由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程称为同素异构转变。 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 。纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y平衡脱溶沉淀平衡脱溶沉淀在缓慢冷却条件缓慢冷却

6、条件下，由过饱和固溶体中析出过剩相（或第二相）的过程称为平衡脱溶沉淀。具有脱溶沉淀的二元合金平衡状态图具有脱溶沉淀的二元合金平衡状态图特点：特点：新相的成分和结构始终与新相的成分和结构始终与母相的不同；母相的不同；(b) 母相不会消失。母相不会消失。 钢在冷却时，由奥氏体析出钢在冷却时，由奥氏体析出二次渗碳体的过程二次渗碳体的过程 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y 合金在冷却时，由一个固相分解为两个不同固相的转变称为共析相变共析相变（或珠光体型转变），如：+；反之，如果合金加热时所发生的相反转变称为逆共析相逆共析相变，变，如：+ 。具有共析相变的二元合金平衡状态图具有共析相变的二元

7、合金平衡状态图共析相变共析相变 特点：特点： 两个生成相的结构和成分都两个生成相的结构和成分都与母相不同。与母相不同。 类似于合金结晶时的共晶反类似于合金结晶时的共晶反应。应。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y调幅分解调幅分解 某些合金在高温下具有均匀单相固溶体，但冷却到某一温度范围时可分解成为与原固溶体结构相同但成分不同的两个微区，这种转变称为调幅分解。特点：特点： 在转变初期形成的两个微区之间并无明显界面和成分突变；在转变初期形成的两个微区之间并无明显界面和成分突变； 通过上坡扩散，最终使原来的均匀固溶体变成不均匀固溶体。通过上坡扩散，最终使原来的均匀固溶体变成不均匀固溶体。材料

8、科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y有序化转变有序化转变固溶体中，各组元原子在晶体点阵中的相对位置由无序到有序（指长程有序）的转变称为有序化转变。 在在Cu-Zn、Cu-Au、Mn-Ni、Fe-Ni、Ti-Ni等许多合金系中都可发生等许多合金系中都可发生这种有序化转变。这种有序化转变。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y非平衡相变非平衡相变 若加热或冷却速度很快，平衡相变将被抑制，固态材料可能发生某些平衡状态图上不能反映的转变，并获得被称为不平衡或亚稳态的组织，这种转变称为非平衡相变。伪共析相变马氏体相变贝氏体相变非平衡脱溶沉淀有代表性的几种非平衡相变材料科学与工程学院材料科学与工

9、程学院 G-Y伪共析相变伪共析相变Fe-C平衡状态图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，故称为伪共析体材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y马氏体相变马氏体相变 若进一步提高冷却速度，钢中奥氏体只能以不发生原子扩散、不引起成分改变的方式，通过切变方式由点阵改组为点阵来实现点阵的改组，这种转变称为马氏体相变，其成分与母相奥氏体相同。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y贝氏体相变贝氏体相变珠光体转变和马氏体转变温度范围之间，铁原子不能扩散，碳原子尚具有一定的扩散能力，这种非平衡相变称为贝氏体相变（或称为中温转变）。转变

10、产物是相与碳化物的混合组成的非层片状组织，称其为贝氏体。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y非平衡脱溶沉淀非平衡脱溶沉淀 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；材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y 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称为扩散型相变，也称为“非协同型”转变。特点：特点： 只有当温度足够高，原子活动能力足够强时，才能发生扩散型相变。 温度愈高，原子活动能力愈强，扩散距离也就愈远。 新相和母相的成分往往不同。 只有因新相和母相比容不同而引起的体积变化，没有宏观形状改变。 如：同素异构转变、多形性转变、脱溶型相变、

11、共析型相变、调幅分解和有序化转变等等。扩散型相变扩散型相变材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y 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称为非扩散型相变，也称为“协同型”转变。特点：特点： 相变时原子仅作有规则的迁移以使点阵发生改组。 迁移时，相邻原子相对位置保持不变。 存在由于均匀切变引起的宏观形状改变，可在预先制备的抛光试样表面 上出现浮突现象。 相变不需要通过扩散，新相和母相的化学成分相同。 新相和母相之间存在一定的晶体学位向关系。 某些材料发生非扩散相变时，相界面移动速度极快，可接近声速。非扩散型相变非扩散型相变材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G

12、-Y有核相变有核相变无核相变无核相变材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y相变分类总结：相变分类总结：n金属固态相变的三种基本变化：（1）结构结构；（2）成分成分；（3）有序程度有序程度； 只有结构的变化：多形性转变，马氏体相变 只有成分的变化：调幅分解 既有结构又有成分上的变化：共析转变，脱溶沉淀材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y 相界面相界面 位向关系与惯习面位向关系与惯习面 弹性应变能弹性应变能 过渡相的形成过渡相的形成 晶体缺陷的影响晶体缺陷的影响 原子的扩散原子的扩散 金属固态相变的主要特点金属固态相变的主要特点7.1.2n 固态相变的驱动力为新相与母相的自由能差，与

13、结晶过程相比，固态相变有其自身特点：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y1) 相界面相界面 按结构特点可分为：共格界面、半共格界面、非共格界面(a) 共格界面共格界面 (b) 半共格界面半共格界面 (c) 非共格界面非共格界面材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y第一类共格和第二类共格第一类共格和第二类共格 两相之间的共格关系依靠正应变来维持时，称为第一类共格。 两相之间的共格关系以切应变来维持时，称为第二类共格。 两者的晶界两侧都有一定的晶格畸变。共格界面的特点共格界面的特点: :界面能较小，弹性应变能较大。共格界面必须依靠弹性畸变来维持。共格界面： 两相界面上的原子排列完全匹

14、配，即界面上的原子为两相所共有；材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y半共格（部分共格）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。错配度：错配度： 若以a和a分别表示两相沿平行于界面的晶向上的原子间距，在此方向上的两相原子间距之差以a=|a-a|表示，则错配度为:材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y非共格界面两相界面完全不匹配，即错配度很大时，存在大量缺陷的界面，为很薄的一层原子不规则排列的过渡层，界面能较高。错配度小于0.05时两相可以构成完全的共格界面错配度大于0.25时易形成非共格界面错配度介于0.050.25之间，则易形成半共格界面错配

15、度与界面的关系错配度与界面的关系:材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y2）位向关系）位向关系 固态相变时，为了减少新相与母相之间的界面能，新相与母相之间往往存在一定的位向关系。（ ） 111110M ; M 界面与位向关系界面与位向关系:共格或半共格界面时必然有一定的位向关系；若无一定的位向关系，则为非共格界面；有一定的位向关系，也未必都具有共格或半共格界面；材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y3）惯习面）惯习面 在固态相变时，新相往往在母相一定的晶面上开始形成，这个晶面称为惯习面，通常以母相的晶面指数来表示。惯习现象惯习现象 * 新相沿特定的晶向特定的晶向在母相特定晶面特定晶

16、面上形成。 惯习方向 （母相） 惯习面 原因：沿应变能最小的方向和界面能最低的界面发展。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y4）弹性应变能）弹性应变能材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y4）弹性应变能）弹性应变能弹性应变能的影响因素：新相形状与相对应变能的关系新相形状与相对应变能的关系新相和母相的比容差；比容差；新相和母相的弹性模量；弹性模量；新相的几何形状；新相的几何形状；相界面的匹配程度；相界面的匹配程度；材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y共格界面共格界面 半共格界面半共格界面 非共格界面非共格界面材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y5）过渡相的形成）过渡

17、相的形成母相母相新相新相过渡相过渡相共格界面共格界面半共格界面半共格界面晶体结构或成分相近晶体结构或成分相近界面能小、形核功小界面能小、形核功小自由能低自由能低自由能最低自由能最低自由能高自由能高非共格界面非共格界面晶体结构差异大晶体结构差异大界面能大、形核功大界面能大、形核功大材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y6）晶粒缺陷）晶粒缺陷 大多数固态相变的形核功较大，极易在晶体缺陷处优先不均匀形核，提高形核率，对固态相变起明显的促进作用。均匀形核 空位形核 位错形核 晶界非均匀形核缺陷处形核功的大小：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y7）原子的扩散）原子的扩散材料科学与工程学院

18、材料科学与工程学院 G-Y7.2 固态相变的热力学条件固态相变的热力学条件7.2.1 金属固态相变的热力学条件金属固态相变的热力学条件1 1）相变驱动力）相变驱动力 G是系统的一个特征函数，设H为焓、S为熵、T为绝对温度，则有G = H - TS 任何相的自由能都是温度的函数，通过改变温度改变温度是可以获得相变热力学条件的。oldnewnewoldGGG0newoldG 这也是所谓的相变热力学条件相变热力学条件。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y必须产生一定的过冷度或过热度，即： 过冷度过冷度TT0T1 过热度过热度TT2T0以获得相变所需的自由能差（G或G），即满足相变热力学的能量

19、条件时才能发生或的相变。oldnewnewoldGGG0newoldG材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y2 2）相变阻力）相变阻力界面能界面能 弹性应变能弹性应变能材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y谁起主导作用？谁起主导作用？过冷度大，临界晶核尺寸小，单位体积新相界面积大，界面能增加巨大，从而增加了形核功而成为主要的相变阻力，此时界面能起主导作用，两相界面易取共格方式以降低界面能。过冷度小，临界晶核尺寸大，界面能不起主导作用，易形成非共格界面。 若两相比容差较大，弹性应变能起主导作用，则形成盘（片）状新相； 若两相比容差较小，弹性应变能作用不大，则形成球状新相。界面能界面能

20、与与弹性应变能弹性应变能材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y相变势垒：相变时改组晶格所必须克服的原子间引力。势垒的高低可以近似地用激活能Q来表示。获得附加能量的方式：一是原子热振动的不均匀性，它使个别原子可能具有很高的热振动能量，足以克服原子间引力而离开平衡位置，即获得附加能量。二是机械应力，例如弹性变形或塑性变形破坏了晶体原子排列的规律性，在晶体中产生内应力，可强制某些原子离开平衡位置，从而获得附加能量。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y激活能：使晶体原子离开平衡位置迁移到另一个新的平衡或非平衡位置所需要的能量。显然，激活能愈大，相变势垒就愈高。 式中，D0为系数（频率因子

21、）；R为气体常数；T为绝对温度；Q为激活能。 自扩散系数D愈大，克服势垒的能力愈强，相变愈容易进行。自扩散系数：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y均匀形核：均匀形核：晶核在母相中无择优地任意均匀分布。非均匀形核：非均匀形核：晶核在母相中某些区域择优地不均匀分布。(1) 晶界形核晶界形核(2) 位错形核位错形核(3) 空位形核空位形核7.2.2 金属固态相变的形核金属固态相变的形核材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y1. 均匀形核均匀形核系统自由能变化系统自由能变化Gv - 新旧相间单位体积自由能差新旧相间单位体积自由能差 - 单位面积界面能单位面积界面能 - 单位体积应变能单

22、位体积应变能相变驱动力：相变驱动力： V Gv ，新旧相间自由能差，新旧相间自由能差相变阻力：相变阻力： S + V ，界面能界面能 + 应变能应变能材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y设形成的新相晶核为设形成的新相晶核为球形球形0)(drGd可得临界晶核尺寸：可得临界晶核尺寸：) 17(2*VGr形成临界晶核的形核功：形成临界晶核的形核功：)27()( 31623*VGG形核功形核功：晶核长大到：晶核长大到 r* 所需克服的能垒，或所做的功所需克服的能垒，或所做的功32V3r34r4Gr34G对于对于 r 求导：求导：表面能和弹性应变能增加时， 则临界晶核半径rc增加，形核功W增加。

23、材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y均匀形核时的形核率：均匀形核时的形核率：与液态结晶相似，固态相变均匀形核时的形核率I 可用下式表示： 固态原子的扩散激活能Q较大，固态相变的弹性应变能又进一步增大形核功W。 与液态结晶相比，固态相变的均匀形核率要低得多。 固态材料中存在的大量晶体缺陷可提供能量，促进形核。 非均匀形核非均匀形核材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y2. 非均匀形核非均匀形核若晶核在母相中某些区域择优地不均匀分布，则称为非均匀形核。非均匀形核时，系统自由能的总变化为：促进形核因素：晶体缺陷储存的能量可使形核功降低-Gd - 由于晶体缺陷消失或减少所降低的能量晶体缺

24、陷：晶界、位错、空位材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y（1）晶界）晶界n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。n 有三种位置：a) 界面 b) 界棱 c) 界隅晶界形核时三种位置从能量角度来看，界隅提供的能量最大，界棱次之，界面最小。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y（2）位错）位错 位错促进形核的主要形式：位错促进形核的主要形式： 新相在位错线上形核，新相形核位置位错消失，释放出畸变能使新相在位错线上形核，新相形核位置位错消失，释放出畸变能使形核功降低，从而促进形核。形核功降低，从而促进形核。 位错线不消失，依附在新相界面上，成为半共格界面中

25、的位错部位错线不消失，依附在新相界面上，成为半共格界面中的位错部分，补偿了错配，降低了形核功。分，补偿了错配，降低了形核功。 新相与基体成分不同的情况下，溶质原子常在位错线上偏聚，有新相与基体成分不同的情况下，溶质原子常在位错线上偏聚，有利于沉淀相晶核的形成，对相变起到催化作用。利于沉淀相晶核的形成，对相变起到催化作用。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y（3）空）空 位位p 空位通过促进空位通过促进溶质原子扩散溶质原子扩散或利用或利用本身能量本身能量提供形核驱动力提供形核驱动力而促进形核；而促进形核；p 空位团可凝聚成空位团可凝聚成位错位错而促进形核；而促进形核； 材料科学与工程学院

26、材料科学与工程学院 G-Y1新相长大机制新相长大机制(1) 半共格界面的迁移(2) 非共格界面的迁移2. 新相长大速度新相长大速度(1) 无成分变化的新相长大(2) 有成分变化的新相长大7.2.3 金属固态相变的晶核长大金属固态相变的晶核长大材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y1. 新相长大机制新相长大机制半共格界面的迁移半共格界面的迁移切变长大（协同型长大）切变长大（协同型长大）切变造成协同型长大马氏体相变的表面倾动示意图材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y通过半共格界面上的界面位错运动，使界面作法向迁移，从而实现新相晶核的长大。台阶式长大台阶式长大材料科学与工程学院材料科学

27、与工程学院 G-Y(2) 非共格界面的迁移非共格界面的迁移扩散型：扩散型：界面的迁移通过原子近程或远程扩散进行的相变（包括原子不规则排列的过渡层和台阶状非共格界面）；非扩散型非扩散型：全部或部分通过切变完成，是协调型转变，参与转变的原子运动是协调一致的。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y2. 新相长大速度新相长大速度 新相长大速度取决于界面移动速度。新相长大速度取决于界面移动速度。无扩散型相变，其界面迁移是通过点阵切变完成的，不需要原子扩散， 故其长大激活能为零，因此新相长大速度很高。扩散型相变， 其界面迁移需要借助原子的扩散，故新相长大速度较低。扩散型相变：扩散型相变： 无成分变化

28、的新相长大； 有成分变化的新相长大；材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y（1）无成分变化的新相长大）无成分变化的新相长大 激活能示意图激活能示意图母相和新相成分相同，新相长大看成是相界面的移动。母相和新相成分相同，新相长大看成是相界面的移动。 实质是两相界面附近原子的短程扩散实质是两相界面附近原子的短程扩散受相变温度影响受相变温度影响材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y过冷度与新相长大速度有极大值的关系。n 随温度降低，两相的自由能差增大，新相长大速率增加。随温度降低，两相的自由能差增大，新相长大速率增加。n 随温度降低，新相长大速率按指数函数减小。随温度降低，新相长大速率按指

29、数函数减小。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y（2）有成分变化的新相长大）有成分变化的新相长大新相生长过程中溶质原子的浓度分布新相生长过程中溶质原子的浓度分布 实质是两相界面两侧溶质原子的长程扩散，受扩散速度所限制。实质是两相界面两侧溶质原子的长程扩散，受扩散速度所限制。n 随着温度的下降，溶质在母相中的随着温度的下降，溶质在母相中的扩散系数扩散系数急剧减小，急剧减小，故新相的长大速率降低。故新相的长大速率降低。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Yn 研究新相形成量研究新相形成量(体积分数体积分数)与时间、温度与时间、温度关系的学科称为关系的学科称为相变动力学相变动力学。n

30、与与再结晶再结晶过程类似，形核过程类似，形核长大过程。长大过程。7.3 金属固态相变的动力学金属固态相变的动力学材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y7.3.1 金属固态相变的速率金属固态相变的速率n 当形核率和长大速度恒定时，当形核率和长大速度恒定时，恒温转变恒温转变动力学动力学时间形核率长大速度新相形成的体积分数NVfNVf)121 (3exp143（1）Johnson-Mehl方程方程材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y(2) 阿佛瑞米方程阿佛瑞米方程 ( Avrami方程方程)n 当形核率和长大速度随时间而变时当形核率和长大速度随时间而变时系数BnBfn43)131 (e

31、xp1材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y（3）C曲线曲线n 相变动力学曲线相变动力学曲线S曲线曲线n 相变综合动力学曲线相变综合动力学曲线等温转变动力学曲线，等温转变动力学曲线，C曲线曲线TTT曲线（曲线（Time-Temperature-Transformation）IT曲线（曲线（ Isothermal Transformation） 表示转变表示转变时间时间-转变转变温度温度-转变量转变量三者之间的关系。三者之间的关系。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-YTTT曲线曲线 根据Johnson-Mehl方方程，绘制成图（程，绘制成图（a），），将图 (a)中的实验数据改绘成

32、时间（Time）-温度（Temperature）-转变量（Transformation）的关系曲线，则如图 (b)，得到一般常用的“等温转变曲线”，亦称“TTT曲线”（或称等温转变图、TTT图），又称为“C曲线”。相相变变动动力力学学曲曲线线(a)等等温温转转变变图图(b)转变开始转变开始转变终了转变终了孕育期孕育期鼻子鼻子材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y1过冷奥氏体等温转变动力学过冷奥氏体等温转变动力学 （1）TTT曲线的建立曲线的建立 （2）TTT曲线的基本类型曲线的基本类型 （3）TTT曲线的影响因素曲线的影响因素2. 过冷奥氏体连续冷却转变动力学过冷奥氏体连续冷却转变动力学

33、 （1）CCT曲线的建立曲线的建立 （2）冷却速度对转变产物的影响）冷却速度对转变产物的影响 （3）两种曲线的比较）两种曲线的比较 （4）钢的临界冷却速度）钢的临界冷却速度7.3.2 钢中过冷奥氏体转变动力学钢中过冷奥氏体转变动力学材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y过冷奥氏体过冷奥氏体:钢的过冷奥氏体转变就是一个与温度和冷却速度相关的过程。 过冷奥氏体可以通过不同的相变机制进行转变而获得不同的组织，导致钢件具有不同的性能。1过冷奥氏体等温转变动力学过冷奥氏体等温转变动力学 将奥氏体化后的试样迅速冷至临界温度以下的一定温度，进行等温，在等温过程中所发生的相变称为等温转变。 奥氏体是高温

34、稳定相，若冷却至临界点（A3或A1）以下就不再稳定，一般称为过冷奥氏体。等温转变等温转变:材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y测量转变的方法测量转变的方法:金相法、硬度法、膨胀法、磁金相法、硬度法、膨胀法、磁性法、电阻法、热分析法性法、电阻法、热分析法等。等。通常用金相硬度法和膨胀法配通常用金相硬度法和膨胀法配合使用，利用过冷奥氏体转变合使用，利用过冷奥氏体转变产物的形态或物理性能的变化产物的形态或物理性能的变化进行测定。进行测定。（1）TTT曲线的建立曲线的建立1过冷奥氏体等温转变动力学过冷奥氏体等温转变动力学材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y试样：试样：1015mm，厚，

35、厚1.52mm，具有相同的原始组，具有相同的原始组织（可通过退火或正火获得）。织（可通过退火或正火获得）。奥氏体化：奥氏体化：所有试样均在相同条件下进行奥氏体化，所有试样均在相同条件下进行奥氏体化，要求奥氏体的化学成分均匀一致。要求奥氏体的化学成分均匀一致。等温转变：等温转变：将奥氏化后的试样迅速转入给定温度的等将奥氏化后的试样迅速转入给定温度的等温浴炉中保温一系列时间。温浴炉中保温一系列时间。淬火：淬火：将保温后的试样迅速取出淬入盐水中。将保温后的试样迅速取出淬入盐水中。绘图：绘图：测出给定温度、时间下的转变产物类型、转变测出给定温度、时间下的转变产物类型、转变产物的百分数，并将结果绘制成曲

36、线。产物的百分数，并将结果绘制成曲线。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y第一个“C”曲线与珠光体形成相对应（AP）；第二个“C”曲线与贝氏体形成相对应（AB）。曲线中的两个凸出部分称为C曲线的“鼻尖”，分别对应珠光体转变和贝氏体转变孕育期最短的温度。在两个曲线相重叠的区域等温时可以得到珠光体和贝氏体的混合组织。得到不同温度过冷奥氏体等温转变曲线，可以看成是由两个“C”形曲线所组成：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y（2） TTT曲线的基本类型曲线的基本类型 第一种，具有单一的第一种，具有单一的“C”形曲线。形曲线。 碳钢以及含有碳钢以及含有Si、Ni、Cu、Co等合金元素的

37、钢均属于此种，其鼻等合金元素的钢均属于此种，其鼻尖温度约为尖温度约为500600。实际上是由两个邻近的。实际上是由两个邻近的C曲线合并而成（如曲线合并而成（如图中虚线所示），在鼻尖以上等温时，形成珠光体，在鼻尖以下等温图中虚线所示），在鼻尖以上等温时，形成珠光体，在鼻尖以下等温时，形成贝氏体。时，形成贝氏体。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y 第二种和第三种，曲线呈双第二种和第三种，曲线呈双“C”形。形。 钢中加入合金元素（如钢中加入合金元素（如Cr、Mo、W，V等）时，则随合金元素含量增等）时，则随合金元素含量增加，珠光体转变曲线与贝氏体转变曲线逐渐分离。加，珠光体转变曲线与贝氏体

38、转变曲线逐渐分离。第二种：若加入的合金元素能使珠光体转变速度显著减慢，但对贝氏体转变速度影响较小时，则得到如图所示的等温转变图；第三种：若加入的合金元素能使贝氏体转变速度显著减慢，而对珠光体转变速度影响不大时，则得到如图所示的等温转变图。第二种类型的第二种类型的C曲线曲线第三种类型的第三种类型的C曲线曲线材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y第四种，只有贝氏体转变的第四种，只有贝氏体转变的C曲线。曲线。 在含Mn、Cr、Ni、W、Mo量高的低碳钢中，扩散型的珠光体转变受到极大阻碍，因而只出现贝氏体转变的C曲线。第四种类型的C曲线材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y第五种，只有珠光

39、体转变的第五种，只有珠光体转变的C曲线曲线常出现于中碳高铬钢中第五种类型的第五种类型的C曲线曲线第六种，在第六种，在MS点以上整个温点以上整个温度区间内不出现度区间内不出现C曲线。曲线。 这类钢通常为奥氏体钢，高温下稳定的奥氏体组织能全部过冷至室温。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y1）碳含量）碳含量亚共析钢中，随碳含量的上升, C曲线右移；过共析钢中，随碳含量的上升，C曲线左移。共析钢的C曲线离纵轴最远，共析钢的过冷奥氏体最稳定。（3） TTT曲线的影响因素曲线的影响因素材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y 2）合金元素的影响）合金元素的影响合金元素对TTT曲线的影响最大。

40、一般来说，除Co和Al以外的合金元素均使TTT曲线右移，即增加过冷奥氏体的稳定性。各种合金元素对TTT曲线的影响示于图中。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y3）奥氏体晶粒尺寸的影响）奥氏体晶粒尺寸的影响奥氏体晶粒细小时使珠光体转变曲线左移（由于珠光体转变的形核位置主要是奥氏体晶界，奥氏体晶粒细小时促进转变，使珠光体转变曲线左移)。奥氏体晶粒尺寸对贝氏体转变的影响较小 (贝氏体转变中相的形核位置可以是晶界，也可以在晶内) 。原始组织越细小，所得到的奥氏体成分越均匀，冷却时新相形核及长大过程中所需的扩散时间就越长，TTT曲线因此右移，并且Ms点下降。当原始组织相同时，提高奥氏体化温度或延

41、长奥氏体化时间，将促使碳化物溶解、奥氏体成分均匀和奥氏体晶粒长大，导致TTT曲线右移。4）原始组织、加热温度和保温时间的影响）原始组织、加热温度和保温时间的影响材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y5）奥氏体塑性变形的影响）奥氏体塑性变形的影响形变量越大，珠光体转变孕育期就越短，即加速珠光体转变。形变加速珠光体转变的原因可分为三种情况：（）相变前形变奥氏体处于完全再结晶状态时，而再结晶细化了奥氏体晶粒；（）相变前形变奥氏体处于加工硬化状态时，从而促进了晶界与晶内（如滑移带、孪晶）形核；（）相变前形变奥氏体中析出大量细小的形变诱发碳化物时，而形变诱发碳化物促进了珠光体的晶内形核。材料科学与

42、工程学院材料科学与工程学院 G-Y过冷奥氏体的连续冷却转变图CCT曲线(Continuous Cooling Transformation)是分析连续冷却过程中奥氏体的转变过程以及转变产物的组织和性能的重要依据。亚共析钢亚共析钢CCT曲线曲线 共析钢共析钢CCT曲线曲线 过共析钢过共析钢CCT曲线曲线2. 过冷奥氏体连续冷却转变动力学过冷奥氏体连续冷却转变动力学材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y（1）CCT曲线的建立曲线的建立测定测定CCT曲线比较困难：曲线比较困难：（）维持恒定冷却速度十分困难。在任何一种均匀介质中都难以维持恒定的冷却速度，并且过冷奥氏体在转变过程中还要释放相变潜热

43、，使冷却速度发生改变。由于冷却速度改变，曲线的形状、位置均会改变；（）在连续冷却时，转变产物往往是混合的，各种组织的精确定量也比较困难；（）在快速冷却时，保证测量时间、温度的精度也很困难。综合应用膨胀法、端淬法、金相硬度法、热分析法和磁性法来测定CCT曲线。 快速膨胀仪方便快捷。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y末端淬火法示意图材料科学与工程学院材料科学与工程学院 G-Y快速膨胀仪测定方法快速膨胀仪测定方法真空感应加热，程序控制冷却速度（真空感应加热，程序控制冷却速度（105/min1 /min）；）；1.将热电偶焊到试样上（将热电偶焊到试样上（310mm）；）；2. 将试样装至仪器上，安装膨胀仪；将试样装至仪器上，安装膨胀仪；3. 关闭样品室，关闭真空释放阀门，启动真空阀；关闭样品室，关闭真空释放阀门，启动真空阀；4. 按试验要求选择升温速率、最高温度、保温时间、冷却速率等参数进行编程；按试验要求选择升温速率、最高温度、保温时间、冷却速率等参数进行编程；5. 按下开始按钮，开