材料科学基础 课件 第九章 固态相变原理

第九章固态相变原理§9.1概述§9.2钢在加热时的转变§9.3钢在冷却时的转变§9.4淬火钢回火时的转变§9.5过饱和固溶体的分解1固态相变：当外界环境（温度、压力、磁场或应力场）变化时，固体材料的物相在特定条件下发生转变。这些物相转变可体现为（1）晶体结构变化（包括有序程度的变化）；（2）化学成分变化；（3）物理性质的跃变。§9.1概述2

固态相变时，新相引起的系统总自由能变化新相引起的体积自由能变化新相引起的界面能变化新相引起的应变能变化固态相变特点：（一）固态相变阻力大；3固态相变特点：（一）固态相变阻力大；（二）母相晶体缺陷对相变起促进作用；（四）易于出现过渡相。（三）新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系；4固态相变类型：（一）扩散型相变，可分为形核—长大型相变和连续型相变（二）无扩散型相变（三）过渡型相变5图9-1

形核-长大型固态相变等温动力学曲线f(t)

6固态相变与热处理:7钢中奥氏体的形成过程/钢的奥氏体化:钢经加热获得奥氏体的过程。分为完全奥氏体化和不完全奥氏体化。§9.2

钢在加热时的转变奥氏体的形成是形核—长大型的扩散型相变。8图9-4

共析钢中珠光体和奥氏体的自由能随温度的变化曲线＜0奥氏体形成的热力学条件:9图9-5

共析钢奥氏体化/奥氏体形成过程示意图F

Fe3C0.77%C0.0218%C6.69%CFCCBCC正交晶系10图9-6共析钢奥氏体晶核长大示意图奥氏体晶核长大是通过碳在奥氏体和铁素体中的扩散、渗碳体溶解以及铁素体向奥氏体转变进行的。11图9-8共析钢奥氏体等温形成图剩余Fe3C溶解终了线A均匀化终了线v2v1b)图9-70.86%C钢奥氏体等温形成动力学曲线a)和等温形成(TTA)图b)12

亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本相同。当加热温度仅超过A1时，只能使原始组织中的珠光体转变为奥氏体，仍会保留一部分先共析铁素体或先共析渗碳体,称为“不完全奥氏体化”。只有当加热温度超过A3或Acm，并保温足够的时间，才能获得均匀的单相奥氏体，实现“完全奥氏体化”。A1A3Acm图9-10Fe-Fe3C相图的左下角13过剩相转变终了线图9-11(a)过共析钢w(C)=1.2%和(b)亚共析钢w(C)=0.45%奥氏体等温形成图14共析钢的奥氏体形成速度与等温转变温度的关系15图9-1216图9-14§9.3

钢在冷却时的转变17钢中过冷奥氏体:在临界温度A1(727℃)以下存在的奥氏体，用“A′”表示。它是不稳定的。

A′

？A晶粒（大小、成分及其均匀程度）过冷度∆T（转变温度、冷却速度）18t4图9-15过冷奥氏体等温转变动力学曲线(a)和等温转变(TTT)图(b)19稳定的奥氏体区过冷奥氏体区550℃230℃-50℃A′转变开始线A′转变终了线A′→M转变开始温度A′→M转变终了温度图9-16共析钢TTT图分析′′′一、过冷奥氏体等温转变曲线20相变驱动力原子扩散系数DV图9-1721图9-1822图9-1923时间/s共析钢的CCT图图9-20二、过冷奥氏体连续冷却转变曲线24亚共析钢的CCT图图9-2125过共析钢的CCT图图9-2226共析钢CCT图与TTT图比较图9-2327

0.77%CFe3C

FFCC6.69%C0.0218%C

正交晶系BCC珠光体转变是形核—长大型的扩散型相变。三、珠光体转变28不同组织形态的珠光体图9-24珠光体P/粗珠光体索氏体S/细珠光体托氏体T/极细珠光体粒状珠光体29片状珠光体粒状珠光体形成条件显微组织力学性能应用30图9-263132图9-27伪共析体的形成条件伪共析体:偏离共析成分的A′所形成的珠光体称为伪共析体/伪珠光体。33钢中马氏体转变/马氏体相变:

钢从奥氏体状态快速冷却（>Vc′），抑制其扩散型分解，在较低温度下(<Ms)发生的无扩散型相变。因此无成分变化，仅晶体结构改变。四、马氏体转变

<Ms钢中马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，是亚稳相。34马氏体的体心四方晶格示意图(a=b≠c)振动范围可能位置1、马氏体的晶体结构35

奥氏体的正八面体间隙马氏体的扁八面体间隙36奥氏体和马氏体的点阵常数与其含碳量的关系37板条状马氏体片状马氏体含碳量空间形态扁条状凸透镜状金相组织平行排列的板条、束、群针状、竹叶状亚结构位错孪晶力学性能高强度高硬度较好塑、韧性高强度高硬度较低塑、韧性2、钢中马氏体的组织形态和力学性能38板条状马氏体显微组织示意图板条状马氏体39片状马氏体的金相组织片状马氏体显微组织示意图片状马氏体的亚结构403、M高强度高硬度的原因/M的强化机制/M相变强化机制：

（1）固溶强化：

（2）相变强化：

（3）时效强化：

（4）细晶强化：3'、板条状M塑、韧性较好的原因：含碳量低、低密度位错区、无显微裂纹41过冷奥氏体含碳量对马氏体形态、残留奥氏体和MS温度的影响AR254243

固态相变时，新相引起的系统总自由能变化新相引起的体积自由能变化新相引起的界面能变化新相引起的弹性应变能变化4、M转变的特点：（1）M转变需要很大的过冷度冷速大于vc'/vc过冷到Ms以下44MA＇（2）无扩散性（3）切变机制和切变共格界面原子无扩散，所以成分无变化。晶体结构的变化是通过切变完成的，新相M的形核和长大始终与母相A'保持共格关系。45马氏体的表面浮凸450×4647（4）具有特定的惯习面和位向关系M是在过冷奥氏体A'特定的晶面上形成的，M转变后新相与母相存在一定的晶体学位向关系。48T1T2＜T1马氏体转变量与时间的关系曲线①连续冷却过程中，马氏体转变量只取决于冷至Ms以下的温度，与保温时间无关，且无孕育期。（5）M转变在一定温度范围内进行49马氏体转变量与温度的关系曲线20②M转变的不完全性——必然存在残留奥氏体AR50③奥氏体稳定化奥氏体热稳定化：因缓冷或冷却过程中停留引起过冷奥氏体的稳定性提高而使M转变滞后的现象。奥氏体机械稳定化：如果在Md点以上温度对奥氏体进行塑性变形或施加压应力，可使随后的马氏体转变变得困难，使Ms点降低、马氏体转变量减少，这种现象称为奥氏体的机械稳定化。前面提及的残留奥氏体与机械稳定化有关——被包围在马氏体之间的奥氏体处于受压缩状态无法进行转变而保留下来。④形变诱发马氏体相变形变诱发马氏体相变：在Ms点以上温度对亚稳的奥氏体进行塑性变形可引起马氏体转变，变形量越大，则马氏体转变量越多，这种现象称为形变诱发马氏体相变。产生形变诱发马氏体相变现象的温度有上限，这一上限温度称为形变马氏体点，用“Md”表示。51（6）M转变的可逆性在某些铁镍合金和有色金属中，奥氏体冷却转变为马氏体，加热时已形成的马氏体又无扩散地转变为奥氏体。

As、Af

如果Ms与As相差很小，这种可逆的马氏体相变称为热弹性马氏体相变。可见于NiTi合金、Cu-Zn-Al合金、Cu-Al-Ni合金。52高锰铸钢斗齿5、M转变的应用：5354

钢中贝氏体是含碳过饱和的铁素体和碳化物组成的两相组织。五、贝氏体转变

贝氏体转变过程中发生碳的扩散，贝氏体转变有孕育期；存在贝氏体转变开始温度Bs，贝氏体转变常常不完全，有残留奥氏体存在，也产生表面浮凸，新相铁素体与母相奥氏体保持一定的位向关系。贝氏体转变是过渡型相变。55上贝氏体下贝氏体组织组成物含碳过饱和的F+Fe3C含碳过饱和的F+ε-碳化物形成条件较高温度较低温度金相组织羽毛状均匀分布的短针状TEM组织形态BF亚结构由A'晶界向晶内平行生长的条状F+F条间断续的短杆状Fe3C位错A'晶内沿某些晶面单独或成堆形成的F片+其内部析出的微细ε-碳化物高密度位错力学性能硬度、塑性韧性较低良好的综合力学性能应用—盐浴等温淬火（一）钢中贝氏体的组织形态和性能56上贝氏体下贝氏体57

（二）B转变的特点：1.贝氏体转变是一个形核和长大的过程。2.贝氏体转变具有特定的惯习面和位向关系。3.贝氏体中碳化物的分布与形成温度有关。5859稳定的奥氏体区过冷奥氏体区550℃230℃-50℃A′转变开始线A′转变终了线M转变开始温度M转变终了温度共析钢TTT图+ARB上B下PST350℃′′′

5⁓25HRC

25⁓35HRC

35⁓40HRC

40⁓50HRC

50⁓60HRC

60⁓68HRC60时间/s共析钢CCT图A′→PM+ARA′A′→MM+AR极细P+M+AR极细P细PP炉冷（退火）空冷（正火）油冷水冷（淬火）61珠光体转变贝氏体转变马氏体转变转变温度高温中温低温转变上限温度A1BsMs领先相For

Fe3CF—转变时点阵切变无有/？有C原子扩散有有无Fe及Me原子扩散有无/？无等温转变完全性完全—不完全转变产物P片、P粒B上、B下M板条、M片钢在冷却时的固态相变62§9.4淬火钢回火时的转变

<Ms亚稳相

淬火应力很大

①获得稳定组织和所需性能；②减少或消除内应力。（及时）回火

淬火钢

将淬火钢加热到低于A1的某一温度保温，以适当方式冷却至室温。

63

一、淬火钢的回火转变及其组织：

碳原子短程扩散，向位错线附近的拉应力区偏聚，形成碳原子偏聚区。

回火马氏体：马氏体分解后形成低碳α相和弥散ε-碳化物组成的两相组织。保持高硬度高强度，耐磨性好，塑性韧性较淬火马氏体高。保持板条状或针状M正方度减小过渡碳化物与母相M共格64656620钢980℃水淬+200℃回火组织（400倍）回火马氏体67

一、淬火钢的回火转变及其组织：

AR

先共析碳化物+P

AR

B

或

或

AR

M6869

一、淬火钢的回火转变及其组织：

ε-碳化物

Fe3C

7045钢840℃水淬+400℃回火组织回火托氏体回火托氏体：板条状或针状α相和细粒状Fe3C组成的两相组织。具有很高的弹性极限和韧性。71

一、淬火钢的回火转变及其组织：

形成“回火索氏体”的同时，淬火应力基本消除。72回火索氏体：回复或再结晶了的α相和粗粒状Fe3C组成的两相组织。具有良好的综合力学性能。7345钢840℃水淬+650℃回火组织74

二、淬火钢回火时性能的变化：（一）回火温度对淬火钢回火后力学性能的影响

淬火钢回火后强度和塑性与回火温度的关系曲线示意图淬火钢回火温度越高，则回火后强度越低、塑性越高。75

二、淬火钢回火时性能的变化：

（二）回火温度对淬火钢回火后硬度的影响对碳钢来说，淬火钢回火温度越高，则回火后硬度越低76

二、淬火钢回火时性能的变化：（三）合金钢抵抗回火软化过程的能力较大，即回火抗力高/回火稳定性好。回火温度>300℃时，

所有合金元素强烈阻碍碳化物聚集长大、延缓α相回复和再结晶。回火温度>500℃时，

强碳化物形成元素（Cr、Mo、W、V、Ti、Nb等）形成细小弥散的合金碳化物从M和AR中析出，同时，AR→M，出现“二次硬化”。7778

二、淬火钢回火时性能的变化：（三）合金钢抵抗回火软化过程的能力较大，即回火抗力高/回火稳定性好。钼含量对低碳（0.1%）钼钢回火后硬度的影响79三、钢的回火脆性80钢的回火脆性:

2、分类：1、定义：淬火钢在250～400℃范围和450～650℃范围回火时，冲击韧性显著降低的脆化现象。

3、形成原因：

4、避免或消除方法：81四、钢的回火组织与A'直接分解产物的比较定义形成条件金相组织TEM组织（亚结构）性能特点8283过饱和固溶体的分解过程——合金的过饱和固溶体形成溶质原子偏聚区或析出过渡相、平衡相的过程，称为脱溶。§9.5过饱和固溶体的分解一、概述84固溶处理：将合金加热到单相区保温一定时间，快速冷却后得到过饱和固溶体的热处理工艺。时效处理：将合金在某一温度等温保温，发生过饱和固溶体脱溶的过程，分为自然时效和人工时效。85沉淀硬化/时效硬化：

经固溶处理的合金在室温放置或加热到某一温度保温，随时间延长，其强度和硬度升高，塑性和韧性下降的现象。铝合金在不同时效温度下的沉淀硬化曲线86Al-(2-4.5%)Cu合金固溶处理（550℃，水淬）后进行130℃时效的时效硬化曲线二、合金脱溶沉淀过程中显微组织和力学性能的变化规律87（一）形成Cu原子富集区（GP区）二、合金脱溶沉淀过程中显微组织和力学性能的变化规律Cu原子富集区的形成示意图GP区晶体结构与基体相同、与基体保持完全共格并引起共格畸变。88（一）形成Cu原子富集区（GP区）

（二）形成过渡相θ′′相二、合金脱溶沉淀过程中显微组织和力学性能的变化规律θ′′相晶体结构为四方结构、与基体保持完全共格并引起共格畸变。89（三）形成过渡相θ′相（一）形成Cu原子富集区（GP区）

（二）形成过渡相θ′′相二、合金脱溶沉淀过程中显微组织和力学性能的变化规律θ´相与基体保持部分共格界面示意图θ′相晶体结构为四方结构、与基体保持部分共格并引起晶格畸变。90（三）形成过渡相θ′相（四）形成平衡相θ相（一）形成Cu原子富集区（GP区）

（二）形成过渡相θ′′相（五）平衡相颗粒粗化二、合金脱溶沉淀过程中显微组织和力学性能的变化规律θ相成分为CuAl2，四方结构，与基体形成非共格界面。小颗粒溶解、大颗粒长大——Ostwaldripening9192Al-Cu合金的固溶度曲线（a）及各相开始析出的等温形成图（b）三、合金脱溶沉淀动力学93四、低碳钢的时效淬火时效——低碳钢加热到接近于A1以下一定温度后快速冷却（空冷或水冷），在室温长期放置或稍经加热后，其强度、硬度提高，塑性、韧性降低，冷脆倾向增加的现象。

应变时效——低碳钢经冷加工塑性变形后，在室温放置或稍经加热一