贵州大学-18级-冶金工程专业-热处理原理及工艺期末复习

————————————————热处理原理及应用——————————————-金属固态相变概论第一节固态相变概论一、热处理的作用热处理：定义：固态金属通过特定方式加热、保温、冷却以获得工程技术上所需组织、结构和性能的工艺过程。作用：1、提高钢的力学性能，充分发挥钢材潜能；2、消除毛胚中缺陷，改善工艺性能；3、机械零件加工工艺过程中的重要工艺；4、改善工件表面抗磨性、耐腐蚀性等特殊物理化学性能。根据固态相变类型随外界条件不同而引起的变化分为：1、平衡转变：缓慢加热或冷却，获得相图所示平衡组织。同素异构转变纯金属（有确定的转变温度）多型性转变合金（固溶体）el：F转变A新相的结构始终与母相不同平衡脱溶沉淀随新相的析出，母相成分和体积分数变化但母相不会消失共析转变冷却时由一固相分解为两固相调幅分解高温下的单一固溶体冷却(在某一温度范围内)分解为两种成分不同、结构相同的微区有序化转变固溶体各组元原子相对位置从无序到有序的转变不平衡转变：快速加热或冷却，平衡转变受到抑制，发生不平衡转变而得到不平衡组织。转变过程和转变产物的组成相与共析转变相同伪共析转变：组成相相对量非定值，依A碳含量而变马氏体转变A快冷后发生的组织转变块状转变纯铁或低碳钢在一定冷速下γ相或A变为与之相同成分而形貌呈块状的α相贝氏体转变不平衡脱溶沉淀相变实质结构变化：同素异构转变、多型性转变、马氏体转变、块状转变成分变化：调幅分解有序化程度变化：有序化转变注：共析转变、贝氏体转变、脱溶沉淀兼有结构、成分的变化。、固态相变特点相界面共格界面错配度δ弹性应变能半共格界面形成半原子面的刃型位错非共格界面δ很大时形成界面能的大小：相变阻力(弹性应变能)大1、固态相变时，体积变化界面产生弹性畸变弹性应变能额外增加；液态金属结晶只有表面能。固态相变时，总自由能：临界形核半径：临界形核功：原子扩散困难为固态相变阻力大的又一原因。形成一定质量新相时，有上述原因产生的新相形状与应变能的大小有关。c<<a为圆盘；c=a为球；c>>a为圆棒或针状(c为两极间距，a为赤道半径)由于比容差造成的应变能为比容差应变能新相形状与应变能关系应变能由共格造成：球应变能由比容差造成：针盘c/a过冷度大：形成共格或半共格界面，新相呈盘状(或薄片状);过冷度小：形成非共格界面，以降低应变能。若比容差小，新相呈球状以降低界面能；否则，形成针状，以兼顾降低界面能和比容差应变能。新相晶核与母相间存在着一定的晶体学位相关系即：通常以低指数、原子密度大且匹配较好的晶体和晶向相互平衡。新相往往在与母相某一特定晶面上形成，母相的该面称惯习面。母相晶体缺陷对固态相变起促进作用(促进转变速度)易出现过渡相过渡相：亚稳定相，成分结构介于新、旧相间，为克服相变阻力形成的中间产物。固态相应遵循的规律：1、力求使自由能进一步降低；2、力求沿阻力最小、做工最少的途径进行。、固态相变形核均匀形核(可能性很小)——原子扩散激活能大，相应应变激活能大非均匀形核(主要形核方式)——晶体缺陷储存的能量减小了形核所需能量晶界形核界面、界棱、界隅在多晶体中所占体积分数为：、、，其提供所储的畸变能用于形核。从能量角度看：界隅提供能量最大、界面最小；从形核位置所占体积分数看：界面最大、界隅最小。1）、非共格形核晶核和各界面均呈球冠状(以减小界面能)界面：双凸透镜状界棱：曲面三棱柱体界隅：球面四面体、共格、半共格形核界面一般呈平面状、大角度晶界形核一侧为球冠状，另一侧为平面状位错形核1）、围绕位错形核后，位错消失，释放出畸变能；促进形核促进形核3）、溶质原子常在位错线上偏聚，当新相中溶质含量较高时，这里易满足成分上的要求；4）、位错线可作为扩散短路通道，降低扩散激活能，加速形核过程；5）、位错分解为两个分为错及其间的层错带，层错带部分作为新相核胚。空位及空位集团——促进形核、晶核长大新相晶核长大实质：界面向母相方向迁移长大机理相变时只要有结构变化，相界面附近原子就必须调整位置才能使晶核长大。界面过程：界面附近原子调整位置使晶核长大的过程。半共格界面的迁移位错攀移、台阶机制非共格界面迁移按非协调型长大——无规律扩散新相台阶发生侧向长大四、新相长大速度(界面迁移速度决定新相长大速度)、无成分变化扩散长大、有成分变化的新相长大(长大速度受界面扩散控制)即：如图：CβCααc∞Cβαβc∞Cαβ无成分变化扩散长大有成分变化的新相长大、固态相变动力学其中：为转变量；b为常数.若形核率随时间t减少，；若形核率随时间t增加，.IT图特点：T转变开始前有孕育期；转变温度由高到低，孕育期先缩短，转变加速；孕育期随后孕育期增长，转变减慢；转变结束当温度很低时，扩散型相变可能被抑制，而转变转变区为无扩散型相变；转变开始在孕育期内只形核，不转变.t钢的加热、奥氏体(A)的结构、组织和性能A的结构、组织组织：由等轴状多边形晶粒组成，晶内常出现相变孪晶结构：碳在γ-Fe中的固溶体，碳原子在γ-Fe点阵中处于由铁原子组成的八面体中心间隙位置，即面心立方晶胞的中心或棱边中点实质：1、2-3个晶胞中只含一个碳原子；2、碳原子存在，使A点阵发生等膨胀变形，随碳的百分含量增加，膨胀加大，点阵常数增大；3、A中碳原子分布不均匀，有浓度起伏；4、在γ-Fe中加入大量Mn、Ni，可使A在室温下成为稳定相Fe-C合金中的A只能在高温下存在力学性能：1、强度、硬度不高；2、塑性好易变形A区为锻造加工的良好区域物理性能：致密度高，比容最小；导热性差A钢加热时，不宜过快加热，以免引起工件变形；线膨胀系数大制作热膨胀灵敏仪表元件；具有顺磁性(不会使磁场强度发生变化)可作为无磁性钢；单相A具有耐腐蚀性；A中铁原子的子扩散激活能大，扩散系数小，即热强性好可作为高温用钢.、A的形成A的形成过程：铁晶格改组和铁碳原子的扩散热力学条件在A1线以上P转变A，亚、过共析钢分别加热到A3、Acm线以上，才得到均匀单相A组织.(需要有过热度)A形成过程A形核A晶核先在F和Fe3C两相界面处或在P团的边界上形成.注：相界面处于晶界处形成粒状A形成片层状A原因：1)、F和Fe3C两相界面处碳原子浓度差大，利于获得形成A晶核所需的碳浓度；2)、在该区域原子排列不规则，铁原子可通过短程扩散由旧相点阵向新相点阵转移，促使A易于形成.注：A也可在F内的亚晶界上形核A长大A形核后靠逐渐吞噬其两边的F和Fe3C而长大剩余Fe3C的溶解A成分的均匀化亚共析钢、过共析钢的A形成与共析钢基本相同、A形成动力学A等温转变动力学研究方法组织转变量测量方法：金相法、膨胀法、磁性法A等温转变动力学曲线(TTT曲线或IT曲线)共析碳钢A等温形成图(金相法)A等温形成特点：1)、A形成需一定的孕育期，温度越高孕育期越短；2)、A形成速度呈慢-快-慢变化，在转变量达到50%时，转变速度达到极大；3)、随温度升高，A形成始终是加速的；4)、A刚形成后，还需一段时间使残留碳化物溶解和A成分均匀化奥氏体的形核率与长大速率奥氏体的形核率I0为形核常数奥氏体线长大速度四、影响珠光体转变为奥氏体的因素1、加热温度TΔTI，vA形成温度越高，获得的起始晶粒度越细小含碳量含碳量越高，原子扩散系数越大，A均匀化时间延长原始组织的影响片状P比粒状P易溶解而形成A合金元素对A的形核、长大及碳化