热处理原理及工艺第一章

第一章金属固态相变概论一、金属固态相变的主要类型（一）平衡转变

固态金属在缓慢加热和冷却时发生的能获得符合相图所示平衡组织的相变。包括同素异构转变、多形性转变、平衡脱溶沉淀、共析转变、调幅（增幅）分解、有序化转变。（二）非平衡转变

固态金属在快速加热或冷却时，由于平衡转变受到抑制，可能发生某些非平衡转变而得到在相图上不能反映的非平衡组织。包括伪共析转变、马氏体转变、块状转变、贝氏体转变、不平衡脱溶沉淀（时效）。

二、金属固态相变的主要特点金属固态相变与凝固过程相同处：以新相和母相的自由能差作为相变的驱动力；大多数固态相变也都包含形核和长大两个基本过程，并遵循结晶过程的一般规律。但因其为固态下的结晶过程，故又具有不同于液态金属结晶的一系列特点。（一）相界面不同于金属凝固过程中的固—液界面，固态相变时，新相与母相之间的界面是两种晶体的界面。根据界面上两相原子在晶体学上匹配程度的不同，可分为共格界面、半共格界面、非共格界面等三类。1、共格界面界面上的原子同时位于两相的结点上，即两相界面上的原子排列匹配，界面上的原子为两相所共有。只有对称孪晶界才是理想的共格界面。两相点阵总是有一定差别，或者是点阵结构不同，或者点阵参数不同，因此两相界面要完全共格，在界面附近就必须产生弹性应变。弹性应变能的大小取决于两相界面上原子间距的相对差值，即错配度：显然，错配度越大，弹性应变能就越大。2、半共格界面当错配度增大到一定程度是，便难以继续维持完全共格，于是将在界面上产生一些位错，以降低界面的弹性应变能，这时界面上的两相原子变成部分地保持匹配，即半共格界面上的两相原子部分地保持匹配。3、非共格界面两相界面处的原子排列相差很大，即错配度很大时，只能形成非共格界面。这种界面与大角度晶界相似，是由原子不规则排列的很薄的过渡层所构成。由于界面上原子排列的不规则性会导致界面能升高，因此，非共格界面能最高，半共格界面能次之，而共格界面能最低。因此，界面结构的不同，对新相的形核、长大过程以及相变后的组织形态等都将产生很大影响。(二）两相间间的晶体学关关系固态相变时，，为了减少新新相与母相之之间的界面能能，两种晶体体之间往往存存在一定的位位向关系，他他们常以低指指数的、原子子密度大而又又彼此匹配较较好的晶面互互相平行。如如马氏体转变变时马氏体的的密排面{011}与奥奥氏体的密排排面{111}平行。一般说来，当当新相与母相相间为共格或或半共格界面面时，两相间间必然存在一一定的晶体学学取向关系；；若两相间无无一定的取向向关系，则其其界面必定为为非共格界面面。1、取向（位位向）关系固态相变时，，新相往往在在母相一定的的晶面族上形形成，这种晶晶面被称为惯惯习面，通常常用母相的晶晶面指数来表表示。如马氏氏体总是在奥奥氏体的{111}面上上形成。惯习面的存在在意味着在该该晶面上新相相与母相的原原子排列很相相近，能较好好的匹配，有有助于减少两两相之间的界界面能。2、惯习面包括共格应变变能与比容差差应变能；共格界面的共共格应变能最最大，半共格格界面次之，，非共格界面面能最小；比容差应变能能为新相与母母相之间比容容差，在相变变时产生体积积约束而产生生弹性应变能能，与新相的几何形形状有关。(三）应变能能应变能与界面面能的总和为为固态相变的的阻力。与液液态金属结晶晶过程相比，，固态相变的的阻力是很大大的。在固态相变阻阻力中，应变变能与界面能能究竟何者为为主体需视具具体条件而定定。在过冷度很大大时，临界晶晶核小，比表表面积较大，，界面能增大大占主要地位位，因而需形形成共格界面面以降低界面面能，故新相相倾向于形成成盘状。过冷度很小时时，临界晶核核大，比表面面积大，使新新相界面能减减少居于次要要地位，倾向向于形成非共共格界面以降降低应变能。。（四）晶体缺缺陷的作用固态金属中存存在各种晶体体缺陷如位错错、晶界和亚亚晶界；晶体缺陷周围围有晶格畸变变，储存着畸畸变能，可在在固态相变时时释放出来作作为相变驱动动力；新相往往在缺缺陷处优先形形核，提高形形核率；晶体缺陷对晶晶核的生长和和组元的扩散散过程也有促促进作用。过渡相也称中中间亚稳相，，指成分或结结构，或者成成分和结构二二者都处于新新相与母相之之间的一种亚亚稳状态的相相；形成过渡相是是减少相比阻阻力的有效途途径之一；过渡相在一定定条件下仍然然能转变成平平衡相。（五）形成过过渡相三、固态相变变时的形核（一）均匀形形核与液态金属相相比，固态相相变的阻力增增加了一项应应变能。按照照经典形核理理论，系统自自由能总变化化为：其中DG为系统自由由能变化；V为新相体积积；Dgv是新相与母相相的自由能差差；s为新相、母相相间单位面积积界面能；E为新相单位体积积应变能上式中，DgvV项为体自由由能差即相变变的驱动力，，当低于平衡衡转变温度时时为负值，sS和EV项为为相变阻力。。可见，只有有当DgvV的绝对值大于于后两项的和和时，才能使使DG＜0，即形形核称为可能能。临界晶核的半半径大小可由由上式导出，，为：形成临界晶核核的形核功为为：由此可见，当当应变能和表表面能增大时时，临界晶核核的临界半径径增大，形核核功升高。因此，具有低的界面面能但有很高高的应变能的的共格晶胚，，倾向于呈盘盘状或片状；；而具有高的界界面能但有低低的应变能的的非共格晶胚胚则容易形成成等轴状；如因体积膨胀胀而引起的应应变能较大或或界面能的各各向异性很显显著时，也可可呈片状或针针状。（二）非均质质形核母相中的晶体体缺陷可以作作为形核位置置，因此，金金属固态相变变主要依赖于于非均质形核核，其系统自自由能总变化化为：与均质形核相相比，多了一一项-DGd，它表示非均均质形核时由由于晶体缺陷陷消失而释放放出的能量。。因此，相变变驱动力增加加，这将导致致临界形核功功降低，从而而大大促进形形核过程。晶体缺陷对形形核的具体作作用1、空位空位可通过加加速扩散过程程或释放自身身能量提供形形核驱动动力而促进形形核。此外，，空位群亦可可以凝聚成位位错而促进形形核。2、位错位错可以通过过多种形式促促进形核：（1）新相在在位错线上形形核，可借形形核处位错消消失时所释放放出来的能量量作为相变驱驱动力，以降降低形核功；；（2）新相形形核时位错并并不消失，而而是依附于新新相界面上构构成半共格界界面上的位错错部分，以补补偿错配，从从而降低应变变能，使形核核功降低；（3）溶质原原子在位错线线上偏聚，使使溶质含量增增高，便于满满足新相形成成时所需的成成分条件，使使新相晶核易易于形成。（4）位错线线可作为扩散散的短路通道道，降低扩散散激活能，加加速形核过程程；（5）位错可可以分解形成成由两个分位位错与其间的的层错组成的的扩散位错，，使其层错部部分作为新相相的核胚而有有利于形核。。3、晶界大角晶界具有有高的界面能能，在晶界形形核时可使界界面能释放出出来作为相变变驱动力，以以降低形核功功。因此，晶晶界是固态相相变时形核的的重要基地。。晶界形核时，，新相与母相相的某一个晶晶粒有可能形形成共格或半半共格界面，，以降低界面面能，减少形形核功。这时时共格的一侧侧往往呈平直直界面，新相相与母相有一一定的取向关关系。但大角角晶界两侧的的晶粒通常无无对称关系，，故晶核一般般不可能同时时与两侧晶粒粒都保持共格格关系，而是是一侧为共格格，另一侧为为非共格。为为了降低界面面能，非共格格一侧往往呈呈球冠状。四、固态相变变时的晶核长长大1、半共格界界面的迁移因为半共格界界面具有较低低的界面能，，故长大过程程中往往继续续保持为平面面。晶核长大大时，界面作作法向迁移，，半共格界面面上的界面位位错亦随之移移动。（一）新相长长大机理A）为平界面面，若刃型位位错的柏氏矢矢量b沿界面面方向，则其其不能通过滑滑移而必须借借位错攀移才才能随界面移移动。但是平平界面位错攀攀移困难，故故其牵制界面面迁移，阻碍碍晶核长大。。B）为阶梯界界面面间位错错分布在阶梯梯状界面上，，其位错的滑滑移运动使阶阶梯跨过界面面侧向迁移，，而使界面沿沿其法线方向向发展，从而而使新相长大大。2、非共格格界面的迁迁移非共格界面面是原子排排列混乱的的过渡薄层层。在这种种界面上原原子的移动动的步调是是不协同的的，亦即原原子的移动动无一定的的先后顺序序，相对位位移距离不不等，其相相邻关系也也可能变化化。两种观点母相不断地地以非协同同方式向新新相中转移移，界面便便沿其法向向推进，从从而使新相相逐渐长大大；在非共格界界面的微观观区域中，，也可能呈呈现台阶状状结构。这这种台阶平平面是原子子排列最密密的晶面，，台阶高度度约相当于于一个原子子层，通过过原子从母母相台阶端端部想新相相台阶上转转移，便使使新相台阶阶发生侧向向移动，从从而引起界界面推进，，使新相长长大。扩散型相变变和非扩散散型相变扩散型相变变：大多数固固态相变是是依靠扩散散来进行的的特点：相变过程中中有原子扩扩散运动，，转变速率率受扩散控控制；在合金的相相变中，新新相和母相相的成分往往往不同；；只有因新相相和母相比比容不同引引起的体积积变化，没没有形状改改变。无扩散型相相变：相变是通通过切变完完成。其晶晶核长大是是通过半共共格晶面上上母相一侧侧原子的切切变来完成成的。即大大量原子有有规则地沿沿某一方向向作小于一一个原子间间距的迁移移，并保持持原有的相相邻关系不不变，故称称其为协同同型转变。。特点：相变不需要要通过扩散散，新相和和母相的化化学成分相相同；新相和母相相之间存在在一定的晶晶体学位向向关系。（二）新相相长大速度度新相长大速速度决定于于界面迁移移速度。对于无扩散散型相变，，如马氏体体转变，由由于界面迁迁移是通过过点阵切变变来完成的的，不需原原子扩散，，故具有很很高的长大大的速度。。对于扩散型型相变来说说，界面迁迁移需借助助于原子的的短程或长长程扩散，，故新相的的长大速度度相对较低低。1、无成分分变化的新新相长大原子在a相和b相中的自由由能水平和和越过相界界的激活能能b相的一个原原子跃过相相界跳到a相上所需的的激活能为为Dg，若原子子振动频率率为u0,则b相的原子能能够越过相相界跳到a相上的概率率为：同理，a相中的原子子也可能越越过相界跳跳到b相上去，但但其需要的的激活能应应为Dg+Dgab，则a相中中的原子能能够越界跳跳到b相上上去的概率率为：若原子跳一一次的距离离为l，每当相界界上有一层层原子从b相上跳到a相后，a相便增厚l，则a相相的长大速速度为：若相变时过过冷度很小小，则Dgab趋近于零。。上式可以以简化为：：若相变时过过冷度很大大，Dgab远大于kT，则有有：可见，当过过冷度很小小时，新相相长大速度度与新、母母相间的自自由能差（（相变驱动动力）成正正比。但实实际上相间间自由能差差是过冷度度或温度的的函数，故故新相的长长大速度随随着温度的的降低而增增大。当过冷度很很大时，新新相的长大大速随着温温度降低而而呈指数函函数减少。。在整个相变变温度范围围内，新相相长大速度度随着温度度降低呈现现先增后减减的规律。。2、有成分分变化的新新相长大新相的长大大必须通过过溶质原子子