第四章材料相变的动力学特征及非平衡相变

3%C1%C1)3%C合金液体冷却到接近共晶转变温度（1148C+T)有哪两相组成？相对百分含量是多少？2)3%C合金刚刚完成共晶转变（1148C-T）时有哪两相组成？相对百分含量是多少？3)1%C合金液体冷却到接近共析转变温度（727C+T)有哪两相组成？相对百分含量是多少？2)1%C合金刚刚完成共析转变（727C-T）时有哪两相组成？相对百分含量是多少？参考左边的Fe-Fe3C相图练习processsolidificationformingHeat-treatment第四章材料相变的动力学特征及非平衡相变FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LeLeLe+Fe3CⅠLe’+Fe3CⅠLe’P+Fe3CⅡ+Le’P+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢC%温度Fe-C合金平衡冷却到室温----组织与成分一一对应第一节材料相变的动力学特征转变需要原子迁移----与时间有关X=1–exp(-Btn)一、相变宏观过程描述某一温度下不同温度下二、相变微观过程以结晶为例，分为三种情况：1）纯组元的结晶2）两组元以上结晶为单相固溶体3）两组元以上结晶为多相组织1）纯组元的结晶：原子重组过程主要依靠原子在液相中迁移。结晶过程由单纯的形核与长大两个过程构成，最终的微观组织体现为晶粒尺寸的大小；2）两组元以上结晶为单相固溶体：相变时原子既要在液相中迁移，也要在固相中迁移。其中原子在液相中迁移比较容易，一旦结晶开始，原子就要在固态中迁移，原子在固态中的迁移只能通过扩散来进行，也更为困难。微观组织除表现为晶粒尺寸大小外，还会出现元素分布的不均匀。3）两组元以上结晶为多相组织，情况更为复杂。根据合金的成分、两相的性质等，微观上两相的尺寸、形态和分布都会不同。第二节单相固溶体合金结晶时的成分偏析合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。匀晶转变过程中，先结晶的固溶体含有较多的高熔点组元但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素（如Cu-Ni合金中的Ni）,后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。⑶枝晶偏析dendriticsegregation在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析。不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织经扩散退火后的平衡组织枝晶偏析组织将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火diffusionannealing。4.3钢的非平衡转变（热处理）将奥氏体以较快速度冷却时，可以得到介稳相或组织，从而可以得到不同的性能为简明表示热处理基本工艺过程，通常用温度—时间坐标绘出热处理工艺曲线。

时间温度临界温度

热加保温冷却热处理heattreatment:是指将钢在固态下加热、保温和冷却,以改变钢的组织结构,获得所需要性能的一种工艺。热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。在机床制造中约60~70%的零件要经过热处理。在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70~80%。工具、模具、滚动轴承100%需经过热处理。总之，重要零件都需适当热处理后才能使用。滚动轴承2、热处理特点:热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。

铸造轧制4、热处理分类热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律称热处理原理。热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称热处理工艺。成分为0.77%C（共析钢）奥氏体（高温相）以不同冷却速度冷却到共析转变温度以下不同温度后，转变过程会不同过冷奥氏体4.3钢的非平衡转变（热处理）过冷奥氏体：高温固相奥氏体以不同冷却速度冷却到A1以下，此时的奥氏体处于热力学不稳定状态，但是还没有发生转变，称为过冷奥氏体。随转变温度降低（过冷度增加），原子在固体中扩散越来越困难，分别会发生：1）珠光体转变2）贝氏体转变3)马氏体转变1、珠光体的组织形态及性能过冷奥氏体在A1(727℃)到550℃间将转变为珠光体类型组织，它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物。一、

珠光体转变pearlite光镜下形貌电镜下形貌珠光体索氏体托氏体根据片层厚薄不同，又细分为珠光体、索氏体和托氏体.⑴珠光体：形成温度为A1-650℃，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示.⑵索氏体形成温度为650~600℃，片层较薄.800-1000倍光镜下可辨，用符号S表示。电镜形貌光镜形貌⑶托氏体（屈氏体）形成温度为600-550℃，片层极薄，需电镜下才可辨，用符号T表示。电镜形貌光镜形貌珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。片间距bHRC片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。

2、珠光体转变过程珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核。

两者相间形核并长大，形成一个珠光体团.珠光体转变是扩散型转变。Fe3C珠光体转变过程奥氏体5.8秒19.2秒22.0秒24.2秒66.7秒二、伪共析转变非共析成分得到全部共析组织的现象称为伪共析。对过共析钢处理可以用来消除网状渗碳体。对于亚共析钢则可以增加珠光体含量。(抑制先析出相的出现）1、贝氏体的组织形态及性能过冷奥氏体在550℃-230℃(Ms)间将转变为贝氏体类型组织，贝氏体用符号B表示。根据其组织形态不同，贝氏体又分为上贝氏体(B上)和下贝氏体(B下)。上贝氏体下贝氏体三、贝氏体bainite转变⑴上贝氏体形成温度为550-350℃。在光镜下呈羽毛状。在电镜下为不连续棒状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间。光镜下电镜下⑵下贝氏体形成温度为350-230℃(Ms)在光镜下呈竹叶状。光镜下电镜下在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内，并与铁素体针长轴方向呈55-60º角。上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用强化组织之一。共析钢的强度硬度与等温相变温度的关系2、贝氏体转变过程贝氏体转变也是形核和长大的过程。发生贝氏体转变时,首先在奥氏体中的贫碳区形成铁素体晶核，其含碳量介于奥氏体与平衡铁素体之间，为过饱和铁素体。贝氏体转变属半扩散型转变，即只有碳原子扩散而铁原子不扩散，晶格类型改变是通过切变实现的。

当转变温度较高（550-350℃)时，条片状铁素体从奥氏体晶界向晶内平行生长，随铁素体条伸长和变宽，其碳原子向条间奥氏体富集，最后在铁素体条间析出Fe3C短棒，奥氏体消失，形成B上。上贝氏体转变过程上贝氏体转变过程当转变温度较低（350-230℃)时，铁素体在晶界或晶内某些晶面上长成针状，由于碳原子扩散能力低,其迁移不能逾越铁素体片的范围，碳在铁素体的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出。

下贝氏体转变下贝氏体转变当使奥氏体快速过冷到230℃(Ms)以下（淬火）时，将发生马氏体类型转变。马氏体转变是强化钢的重要途径之一。1、马氏体的晶体结构碳在-Fe中的过饱和固溶体称马氏体,用M表示。马氏体组织马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中。四、马氏体martensite转变马氏体具有体心正方晶格（a=b≠c）轴比c/a

称马氏体的正方度。C%越高，正方度越大，正方畸变越严重。当＜0.25%C时,c/a=1,此时马氏体为体心立方晶格。2、马氏体的微观形态马氏体的形态分板条和针状两类。⑴板条lath马氏体立体形态为细长的扁棒状在光镜下板条马氏体为一束束的细条组织。光镜下电镜下每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行排列，一个奥氏体晶粒内可形成几个取向不同的马氏体束。在电镜下，板条内的亚结构主要是高密度的位错，=1012/cm2,又称位错马氏体。SEMTEM⑵针状acicular马氏体立体形态为双凸透镜形的片状。显微组织为针状。在电镜下，亚结构主要是孪晶，又称孪晶马氏体。电镜下光镜下⑶马氏体的形态主要取决于其含碳量C%小于0.2%时，组织几乎全部是板条马氏体。C%大于1.0%时，几乎全部是针状马氏体.C%在0.2~1.0%之间为板条与针状的混合组织。马氏体形态与含碳量的关系0.45%C0.2%C1..2%C板条马氏体量C，%体积，%先形成的马氏体片横贯整个奥氏体晶粒，但不能穿过晶界和孪晶界。后形成的马氏体片不能穿过先形成的马氏体片，所以越是后形成的马氏体片越细小.奥氏体+马氏体原始奥氏体晶粒细，转变后的马氏体片也细。当最大马氏体片细到光镜下无法分辨时，该马氏体称隐晶马氏体45钢正常淬火组织3、马氏体的性能高硬度是马氏体性能的主要特点。马氏体的硬度主要取决于其含碳量。含碳量增加，其硬度增加。当含碳量大于0.6%时,其硬度趋于平缓。合金元素对马氏体硬度的影响不大。马氏体硬度与含碳量的关系马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构形式。针状马氏体脆性大，板条马氏体的塑性和韧性较好。针状马氏体板条马氏体马氏体的透射电镜形貌4、马氏体转变的特点马氏体转变也是形核和长大过程。其主要特点是：⑴无扩散性铁和碳原子都不扩散，因而马氏体的含碳量与奥氏体的含碳量相同。⑵共格切变性由于无扩散，晶格转变是以切变机制进行的。使切变部分的形状和体积发生变化，引起相邻奥氏体随之变形，在预先抛光的表面上产生浮凸现象。马氏体转变切变示意图马氏体转变产生的表面浮凸⑶降温形成马氏体转变开始的温度称上马氏体点，用Ms表示。马氏体转变终了的温度称下马氏体点，用Mf表示。只要温度达到Ms以下即发生马氏体转变。在Ms以下，随温度下降，转变量增加，冷却中断，转变停止。MfMsM(90%)M(50%)⑷高速长大马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大。当一片马氏体形成时，可能因撞击作用使已形成的马氏体产生裂纹。⑸转变不完全’即使冷却到Mf点，也不可能获得100%的马氏体，总有部分奥氏体未能转变而残留下来，称残余retained奥氏体，用A’或’表示。Ms、Mf与冷速无关，主要取决于奥氏体中的合金元素含量（包括碳含量）。马氏体转变后，A’量随含碳量的增加而增加,当含碳量达0.5%后，A’量才显著。含碳量对马氏体转变温度的影响含碳量对残余奥氏体量的影响过冷奥氏体转变产物（共析钢）

转变类型转变产物形成温度，℃转变机制显微组织特征HRC获得工艺珠光体PA1~650扩散型粗片状，F、Fe3C相间分布5-20退火S650~600细片状，F、Fe3C相间分布20-30正火T600~550极细片状，F、Fe3C相间分布30-40等温处理贝氏体B上550~350半扩散型羽毛状，短棒状Fe3C分布于过饱和F条之间40-50等温处理B下350~MS竹叶状，细片状Fe3C分布于过饱和F针上50-60等温淬火马氏体M针MS~Mf无扩散型针状60-65淬火M*板条MS~Mf板条状50淬火珠光体转变五、钢的过冷转变动力学描述过冷奥氏体的转变方式有等温冷却转变和连续冷却转变两种。时间温度临界温度

热加保温连续冷却等温冷却过冷奥氏体的等温转变图是表示奥氏体急速冷却到临界点A1以下在各不同温度下的保温过程中转变量与转变时间的关系曲线。又称C曲线、S曲线或TTT曲线。㈠过冷奥氏体的等温转变图(Time-Temperature-Transformation

diagram)A11、C曲线的建立以共析钢为例：(1)将一批小试样进行奥氏体化。(2)分组淬入低于A1点的不同温度的盐浴中。(3)每一温度组中，隔△t时间取一试样淬入水中，测定该试样的相变转变量，本组测定结束，即可得到该温度下转变量与转变时间的动力学曲线。(4)将各温度下转变动力学曲线上的转变开始点及终了点标在温度—时间坐标中，并分别连线。(5)转变开始点的连线称转变开始线。转变终了点的连线称转变终了线。TTT图描述A1-Ms

间及转变开始线以左的区域为过冷奥氏体区。转变终了线以右及Mf以下为转变产物区。两线之间及Ms与Mf之间为转变区。时间温度A1MSMfA过冷PBMA→MA→BA→P转变开始线转变终了线奥氏体5506502s10s5s2s5s10s30s40s2、C曲线的分析⑴转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期incubationperiod。孕育期越小，过冷奥氏体越不稳定。孕育期最小处称C曲线的“鼻尖”。碳钢鼻尖处的温度为550℃。在鼻尖以上，温度较高，相变驱动力小，奥氏体相对稳定。在鼻尖以下，温度较低，扩散困难，使奥氏体稳定性增加。⑵C曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物。3、影响C曲线的因素⑴成分的影响①含碳量的影响：共析钢的过冷奥氏体最稳定，C曲线最靠右。Ms

与Mf

点随含碳量增加而下降。

与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢C曲线的上部各多一条先共析相的析出线。Cr对C曲线的影响㈡过冷奥氏体连续冷却转变图时间温度

热加保温连续冷却以共析钢为例A1过冷奥氏体？PBM共析钢过冷奥氏体等温过程中的转变过冷奥氏体连续转变过程中可能发生的转变类型与等温转变类似，但是过程有所不同。过冷奥氏体连续冷却转变图又称CCT(Continuous-Cooling-Transformationdiagram)曲线，是通过测定不同冷速下过冷奥氏体的转变量获得的。Vk’Vk时间/s温度/℃共析钢的CCT图共析温度连续冷却转变曲线完全退火正火等温转变曲线油淬水淬M+A’M+T+A’SP2001001、共析钢的CCT曲线共析钢的CCT曲线没有贝氏体转变区，在珠光体转变区之下多了一条转变中止线。当连续冷却曲线碰到转变中止线时，珠光体转变中止，余下的奥氏体一直保持到Ms以下转变为马氏体。图中的Vk为CCT曲线的临界冷却速度，即获得全部马氏体组织时的最小冷却速度.Vk为TTT曲线的临界冷却速度。Vk1.5Vk.Vk’Vk时间/s温度/℃共析钢的CCT图共析温度连续冷却转变曲线完全退火正火等温转变曲线油淬水淬M+A’M+T+A’SP2001002.共析钢过冷奥氏体连续冷却过程分析2.1完全退火2.2正火2.3油淬2.4水淬

Vk’Vk时间/s温度/℃共析钢的CCT图共析温度连续冷却转变曲线完全退火正火等温转变曲线油淬水淬2001003、过共析钢CCT曲线也无贝氏体转变区,但比共析钢CCT曲线多一条A→Fe3C转变开始线。由于Fe3C的析出,奥氏体中含碳量下降,因而Ms线右端升高。4、亚共析钢CCT曲线有贝氏体转变区，还多A→F开始线,F析出使A含碳量升高,因而Ms线右端下降。过共析钢CCT曲线亚共析钢CCT曲线过冷奥氏体连续转变图的应用为获得不同组织提供工艺参考1）退火冷却速度最慢，期望得到接近平衡态的组织；2）淬火的目的就是要得到全部马氏体组织3）正火则得到细片状珠光体（有时又称为索氏体S）。对于亚共析钢，含碳量低于0.6%时，正火可以增加珠光体含量，提高强度。含碳量大于0.6%时，正火处理可以得到100%珠光体。对于过共析钢，一般要通过正火处理来消除网状渗碳体，为后续处理做组织准备。对于亚共析钢，含碳量低于0.6%时，正火可以增加珠光体含量，提高强度。含碳量大于0.6%时，正火处理可以得到100%珠光体。对于过共析钢，一般要通过正火处理来消除网状渗碳体，为后续处理做组织准备。退火正火淬火回火普通热处理退火：加热后缓慢冷却以其得到接近平衡态的组织正火：又称为正常化，加热到奥氏体区后在空气下冷却淬火：加热到奥氏体区后快速冷却以其得到马氏体组织回火：淬火后再加热以调整性能过冷奥氏体连续转变图的应用1）退火冷却速度最慢，期望得到接近平衡态的组织；转变在较高温度完成，形成珠光体微观组织2）正火则得到细片状珠光体（有时又称为索氏体S）。

3）钢的淬火quenching淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于Vk速度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。

淬火是应用最广的热处理工艺之一。Vk’Vk时间/s温度/℃共析钢的CCT图共析温度连续冷却转变曲线完全退火正火等温转变曲线油淬水淬M+A’M+T+A’SP200100淬火加热温度亚共析钢A3以上共析钢A3以上过共析钢A1Acm之间共析钢在淬火前要进行球化退火，预备组织为P球过共析钢在淬火前要先正火消除网状渗碳体，再进行球化退火，预备组织为P球正火球化退火淬火+低温回火4）钢的回火tempering回火是指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温后冷却的工艺。一、回火的目的1、减少或消除淬火内应力,防止变形或开裂。2、稳定尺寸。淬火M和A’都是非平衡组织，有自发向平衡组织转变的倾向。回火可使M与A’转变为平衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。螺杆表面的淬火裂纹㈠回火时组织转变1、马氏体的分解100℃回火时，钢的组织无变化。100-200℃加热时，马氏体将发生分解,从马氏体中析出-碳化物(-FeXC)，使马氏体过饱和度降低。析出的碳化物以细片状分布在马氏体基体上，这种组织称回火马氏体，用M回表示。透射电镜下的回火马氏体形貌回火马氏体在光镜下M回为黑色，A’为白色。0.2%C时，不析出碳化物。只发生碳在位错附近的偏聚。2、残余奥氏体分解200-300℃时,由于马氏体分解，奥氏体所受的压力下降,Ms上升，A’分解为-碳化物和过饱和铁素体，即M回。低于300C回火，得到回火马氏体组织

应力大量消除，M回转变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状Fe3C组织，称回火托氏体，用T回表示.3、-碳化物转变为Fe3C发生于300-400℃，此时，-碳化物溶解于F中，并从铁素体中析出Fe3C。到350℃，马氏体含碳量降到铁素体平衡成分，内回火托氏体300-400℃回火，得到回火托氏体4、Fe3C聚集长大和铁素体多边形化400℃以上，Fe3C开始聚集长大。450℃以上铁素体发生多边形化，由针片状变为多边形。这种在多边形铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C的组织称回火索氏体，用S回表示。光镜下回火索氏体电镜下400℃以上回火，得到回火索氏体不同含碳量的淬火钢硬度随回火温度的变化40钢力学性能与回火温度的关系㈡回火时的性能变化回火时力学性能变化总的趋势是随回火温度提高，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高。200℃以下，由于马氏体中碳化物的弥散析出，钢的硬度并不下降，高碳钢硬度甚至略有提高。200-300℃，由于高碳钢中A’转变为M回,硬度再次升高。二次硬化大于300℃,由于Fe3C粗化，马氏体转变为铁素体,硬度直线下降。回火种类根据钢的回火温度范围，可将回火分为三类。中碳钢淬火+高温回火的热处理称作调质处理，简称调质。广泛用于各种结构件如轴、齿轮等热处理。也可作为要求较高精密件、量具等预备热处理。适用于各种高碳钢、渗碳件及表面淬火件。应用获得良好的综合力学性能，