吉林大学材料科学基础考研第十一章24

第十一章相变

***金属固态相变理论是金属材

料工程专业的必修内容，极为重

要，是从事金属材料工程的科技

人员手中的一把钥匙。如果说“

不懂金属固态相变，就等于不懂

金属材料”，这并不算过分。***1.过冷,过热,成分过冷,热过冷.2.人工时效(沉淀硬化处理),自然时效.3.连续冷却转变,等温转变.4.珠光体,贝氏体,马氏体．5.铁碳合金固态相变特点(珠,贝,马转变特点).6.沉淀硬化机理.本章重点内容

过冷或过热:

在非平衡凝固的过程中,冷却转变发生在比相图上的温度较低的温度,对于加热而言,发生在比相图上的温度点较高的温度,这种现象就称为过冷或过热.人工时效(沉淀硬化处理),自然时效:

合金在室温下经过沉淀硬化处理较短的时间以后立即淬火,然后在较低的温度下保存.如果合金仍旧硬度不足,然后允许其在周围的环境温度下时效硬化称为自然时效.如果时效是在特定的温度下进行的就称为人工时效.沉淀硬化:

合金的强度和硬度的增加是通过在热处理过程中形成均匀分布于基体中的极小的二相颗粒来实现,这一过程就称为沉淀硬化.

热处理中钢在奥氏体化后通常有两种冷却方式:一种是连续冷却,另一种是等温冷却.连续冷却转变:

所谓钢的连续冷却转变是指在一定冷却温度下,过冷奥氏体在一个温度范围内所发生的转变.这种转变可变的外部因素就是过冷奥氏体的冷却速度,研究连续冷却转变实质上是研究冷却速度对过冷奥氏体分解及分解产物的影响.等温冷却转变:

钢在等温冷却的情况下,可以控制温度和时间这两个因素,分别研究温度和时间对过冷奥氏体转变的影响,从而有助于弄清过冷奥氏体的转变过程及转变产物的组织和性能,并能方便地测定过冷奥氏体等温转变曲线.奥氏体

1.

奥氏体:是碳溶解在γ－Fe中的间隙固溶体，常用符号A表示。它仍保持γ－Fe的面心立方晶格。其溶碳能力较大，在727℃时溶碳为ωc＝0.77％,1148℃时可溶碳2.11％。奥氏体是在大于727℃高温下才能稳定存在的组织。2.奥氏体组织:是由奥氏体单晶体结晶形成的团状组织,镶嵌在钢材只中,改善刚才性能.3.奥氏体的性能：奥氏体塑性好，强度较低的固溶体，具有一定韧性。是绝大多数钢种在高温下进行压力加工时所要求的组织。马氏体转变【碳溶解在a－Fe中的过饱和固溶体】1.马氏体转变：钢经过奥氏体化后快速冷却。冷速大于上临界冷速时，过冷到较低温度（MS点）下的非扩散型相变。

（非扩散，以切变的方式进行）2.马氏体的晶体结构：

（1）体心正方：含碳高的钢中。

（2）体心立方：低碳或无碳合金中出现。3.马氏体的组织形态：

（1）.板条马氏体：许多的板条，位错密度极高。

（2）.片状马氏体：显微呈针状或竹叶状，存在相

变孪晶，又称孪晶马氏体。.

4.马氏体力学性能：1.马氏体最主要的特点就是具有高强度和高硬度。它的强度随着含碳量的升高而升高。

a.含碳量小于0.5%时，马氏体的硬度随着含碳量的增加而

急剧增高。

b.含碳量大于0.8%时，硬度下降，这是因为含碳量增加后，

残余奥氏体量增加，从而使钢的硬度有所降低。2.马氏体的塑性和韧性很差，很脆。马氏体的晶粒越细小，组织的力学性能越好。马氏体转变特点:1.马氏体转变是在无扩散的情况下进行的.由于马氏体转变是在较大的过冷度条件下进行的,铁原子,碳原子及其它合金元素活动能力较低,因此点阵重构是由原子集体有规律的近程性的完成.2.马氏体的转变过程中会在表面产生浮凸．

3.马氏体转变具有一定的位向关系和惯习面．马氏体是在奥氏一定的结晶面上形成的，此面称为惯习面，它在相变过程中不变形，也不转动．由于马氏体转变时新相和母相始终保持切变共格性，因此马氏体转变后新相和母相之间存在一定的结晶学位向关系．主要在Ｋ－Ｓ位向关系和西山位向关系．

4.降温转变及马氏体转变的高速特点．马氏体转变是在一定的温度范围内进行的，马氏体转变动力学的主要形式有变温转变和等温转变两种．降温形成的马氏体其转变速度极快．

5.马氏体转变具有可逆性．

6.合金元素无扩散．贝氏体转变【

α-Fe和Fe3C的复相组织】1.贝氏体转变：共析成分的奥氏体在“鼻温”-MS点范围内

（半扩散型）等温停留时，将发生贝氏体转变，形成铁素

（铁原子不扩散）体与碳化物两相组成的非层片状组织。2.贝氏体的组织：【羽毛状和颗粒状】

（1）.上贝氏体：550-350°羽毛状。

（2）.下贝氏体：350-MS

由含碳过饱和的片状铁素体

和其内部沉淀的碳化物两相组成混合物。（3）.粒状贝氏体：形成于上贝氏体转变区上限范围温度内。3.贝氏体的转变过程：

以铁原子无扩散的方式，由奥氏体转变为铁素体，以及以

碳原子扩散，以碳化物沉淀。

上贝氏体的渗碳体是有奥氏体直接析出。

下贝氏体的渗碳体由过饱和的铁素体中析出。

4.贝氏体力学性能：【取决于组织形态】

1.上贝氏体：形成温度高，铁素体粗大，C的过饱和度低；

强度和硬度较高，越靠近贝氏体上限温度，形成的

上贝氏体韧性越差，强度越低。

2.下贝氏体：

铁素体细小，分布均匀，在铁素体内沉淀析出大量细小，弥散的碳化物，位错密度很大。

强度高，韧性好，缺口敏感性和脆性转折温度低。

贝氏体转变特点：钢在珠光体转变温度以下，马氏体转变温度以上的温度范围内过冷奥氏体发生的转变称为贝氏体转变（中温转变）．贝氏体也是由铁素体与渗碳体组成的机械混合物．贝氏体的组织形态主要是羽毛状和颗粒状．贝氏体的性能主要取决于组织形态．其各相的形态，分布都影响贝氏体的性能．上贝氏体的形成温度较高，铁素体与碳化物分布具有明显的方向性，因此这种组织易产生脆断．下贝氏体中铁素体针细小而均匀分布，帮位错密度很高，而且韧性也很好，具有良好的机械混合性能．粒状贝氏体的抗拉强度和屈服强度随小岛所占的面积的增多而提高．下贝氏体比回火高碳马氏体具有更高的韧性，较低的缺口敏感性和裂纹敏感性．（１）贝氏体转变是一个形核与长大过程（２）贝氏体中铁素体是形成是按马氏体转变机构进行的．（３）贝氏体中碳化物的分布与形成温度有关．（４）贝氏体的组织形态具有多样性特点．（５）贝氏体转变是有扩散性，有共格的转变．贝氏体的组织中存在许多的结构．贝氏体转变具有不完全性．合金元素无扩散．珠光体转变【碳原子的重新分布和铁晶格的重新改组】

【铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物】

1.珠光体：共析成分的奥氏体在A1-550°内等温停留时，

将发生珠光体转变，形成铁素体和渗碳体的机

械混合物。2.珠光体组织：根据奥氏体化过程的温度不同，可形成片

状珠光体和粒状珠光体.

3.珠光体的形成：

（1）.片状珠光体形核与长大：形核发生在晶界上或缺

陷密集处，当碳浓度不均匀时也可以在晶内形核

长大。

（2）.粒状珠光体的长大：通过球化处理得到。珠光体转变特点：过冷奥氏体在Ａ１温度以下形成的铁素体和渗碳体的机械混合物．共析成分的奥氏体过冷到Ａ１线至鼻温之间发生的转变称为珠光体转变．珠光体的机械性能主要取决于层片间距的大小．层片间距越小其机械性能也越好．其强度和硬度也越高．同时塑性韧性也有所改善．

（１）珠光体转变是高温转变．（２）珠光体的转变也具有形核与长大两个过程．中高碳钢一般以渗碳体为领先相．（３）珠光体转变是通过铁碳原子同时扩散来完成的，因属于扩散性相变．（４）珠光体转变有共格产生．（５）合金元素通过扩散完成重新分布．形成的是两相组织．4.珠光体力学性能：

a.

片状珠光体主要取决于珠光体片层的间距，间距越小，珠光体的性能越好：强度和硬度越高，塑性和韧性越好。细化奥氏体的晶粒也可以提高珠光体的强度，改善塑性和韧性。

b.粒状珠光体的性能与渗碳体的颗粒大小有关，颗粒越细小，铁素体的相界面积越大，强度和硬度就越高。

（1）.含碳量相同的时候：粒状与片状两相的相界面少，故粒状强度较低，但塑性和韧性较高。

（2）.抗拉强度相同时：粒状比片状的疲劳强度更高。

（3）.硬度相同时：粒状比片状的综合力学性能好得多，因为粒状不易产生应力集中。珠光体、贝氏体和马氏体转变的异同点：

珠光体贝氏体马氏体

1.形成温度：高温区域中温区域低温区域

（A1~550）550~MSMS以下2.转变过程形核与长大形核与长大形核与长大的领先相：Fe3Ca相3.转变的共无切变共格有切变共格

格性：无共格产生表面浮凸产生表面浮凸4.转变时点无有有

阵切变：

珠光体贝氏体马氏体

5.转变是铁、碳原子碳原子扩散铁、碳均不的扩散性：均扩散铁原子不扩散扩散6.合金元素通过扩散合金元素合金元素的分布：重新排布不扩散不扩散7.转变产物a+Fe3Ca+Fe3C（下）

板条状和

的组织：(呈片层状)a+ε-碳化物（呈片层）片状8.转变产物的硬度：低中高钢的淬透性：钢的淬透性一般指钢在淬火时获得马氏体的能力．一般用淬硬层深度来表示．钢的淬硬性：钢的淬硬性是指钢在淬火后形成的淬火态组织所能达到的硬度．钢的淬硬性取决于马氏体的含碳量和残余奥氏体的数量．***沉淀硬化

1.

沉淀硬化（析出强化）：指金属在过饱和固溶体中溶质原子偏聚区和（或）由之脱溶出微粒弥散分布于基体中而导致硬化的一种热处理工艺。晶体强化途径：

1.一是提高合金的原子间结合力，提高其理论强度，并制得无缺陷的完整晶体。2.另一强化途径是向晶体内引入大量晶体缺陷，如位错、点缺陷、异类原子、晶界、高度弥散的质点或不均匀性（如偏聚）等。这些缺陷阻碍位错运动，也会明显地提高金属强度。【有效】沉淀硬化的机理：沉淀硬化是通过金属在过饱和固溶体中溶质原子偏聚区和（或）由之脱溶出微粒弥散分布于基体的方式，向晶体内引入高度弥散的质点和不均匀性（偏聚）等大量晶体缺陷，这些缺陷强烈的阻碍位错运动，从而会明显地提高金属强度。