《金属材料工程概论（第2版）》12金属材料系统课件

12金属材料系统12.1金属及合金复杂系统112.2金属及合金整合系统2412.3非线性相互作用312.4相变的自组织特征

12.1金属及合金复杂系统12.1.1金属及合金系统

金属及合金作为一个复杂系统是由许多子系统组成的。以钢为例，钢作为复杂系统包含的子系统有：溶质系统可加入钢中的元素有Fe、C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、Ti、V、Co、Nb、Cu、Al、B、S、P、O、H、N、RE、Pb、Ca、Sb等20多种，无限溶解的，有限溶解的；每一种固溶的化学元素都是组成钢的一个要素，元素的种类和数量决定钢的组织结构和性能。。组织系统以基本相为要素组成各种组织，其中有单相组织，如：铁素体组织、奥氏体组织、马氏体组织等；也有复相组织，如：珠光体组织、贝氏体组织、回火马氏体组织、魏氏组织、索氏体组织、托氏体组织、粒状组织、莱氏体组织、郁氏体组织、时效组织等，他们是各种相构成的整合组织。11.1高分子材料晶体系统

金属是晶体，钢也是晶体，而且是多晶体，虽然有时在特殊条件下也处于非晶状态。但一般状态下由晶粒组成，晶粒是原子排列成的晶格构成的。晶格分为体心立方晶格、面心立方晶格、体心正方晶格、密排六方晶格、斜方晶格等，还有G-P区、Cottrell气团等结构。钢时常处于多种晶格的匹配状态。尤其是高碳高合金钢，无论处于什么热处理状态都是由具有多种晶格结构的相组成的整合系统。12.1.2系统的特征作为复杂系统的金属材料，具有如下基本特征：1）组成要素的多体性

金属及合金是由多体有机结合构成的整体，它们是具有各自的结构和性能的子系统。

如钢中的珠光体组织是由体心立方晶格的铁素体和斜方晶系的渗碳体或特殊碳化物组成整合组织，表现了多体性。2)空间结构的层次性

溶质系统是复相系统的子系统，相又是组织系统的子系统。可见，复杂系统的钢具有明显的层次性。如由化学元素C、Si、Mn、Cr、Ni、V、S、P等的原子构建成各类晶格；由不同成分和晶格的区域组成相；由相组成物构成组织，如由铁素体、渗碳体、奥氏体、合金碳化物、金属间化合物等相构成的各种组织：珠光体、索氏体、马氏体、贝氏体等；由各种组织构成的各种钢，如结构钢、工具钢、不锈钢等。层次十分鲜明。3)非线性相互作用金属及合金是由众多要素非线性相互作用构成的不可积系统。它是系统复杂性的根源，在相变中发挥重要作用。它使金属及合金在外部条件变化时，将微观的起伏，如能量起伏、结构起伏、浓度起伏等予以放大，引发相变，形成新的结构。各个元素、各个相在相变中有机结合，有序配合，发生的相互作用是非线性的。。相变规律的多样性

多种化学元素、多种相结构、多种组织构成的金属材料，具有不同形状的相图，从二元相图到三元相图，越来越复杂，多元相图的建立较为困难。随着温度、压力的变化其相变行为表现了多样性、复杂性。如钢，加热奥氏体化后，在常压下，采用不同的冷却条件，会发生不同的相变过程；如共析分解、贝氏体转变、马氏体相变等一系列复杂的转变。图12-1,12-2,12-3分别为钢中的珠光体、贝氏体、马氏体组织照片。这些组织的钢具有不同的性能

图12-1钢中珠光体组织，SEM图12-2钢的粒状贝氏体组织，OM图12-3钢的板条状马氏体组织，TEM

12.2金属及合金整合系统

金属及合金是由多元素、多相、多组织、多晶体结构所组成。这些要素不是混合，而是有机的结合，有序的配合，是一个有机的自组织的整体，即称为整合系统。

整合系统具有“整体大于部分之总和”的特性和机制。以系统的整体性为基础和前提的有机结合、有序配合或组织化匹配，称为整合。

整合系统不同于混和系统。整合一词也广泛用于社会科学，但整合一词出自于自然辩证法，自然辩证法是自然科学哲学。金属及合金是整合系统不是混合系统金属、合金、钢铁材料以及金属及合金的各种组成相、各种组织都不是混合系统，而是整合系统。如钢中的珠光体，珠光体是共析分解的铁素体和碳化物的有机结合体。它们以界面相结合，以一定的比例相配合，是一个相互依赖、相互关联的整体，称为整合组织。1.金属储氢原理整体大于部分之总和金属及合金的机械性能和各种物理特性呈现为整体性的表征，具有整体大于部分之总和的特点。例：45CrNi4Mo钢（德国钢号为X45CrNiMo4），奥氏体化后，在640℃等温，珠光体分解的孕育期大于105秒，若将它分成三个部分：45Cr、60Ni4、45Mo，其奥氏体共析分解的情况见表12-1。部分相应的钢种在珠光体“鼻温”处的孕育期

结论145Cr~10（秒）Cr的单独影响260Ni4~2（秒）Ni的单独影响345Mo~1（秒）Mo的单独影响

三部分之总和~13（秒）部分的简单叠加值

X45CrNiMo4（整体）>105（秒）C、Cr、Ni、Mo的综合影响，使105》13.表12-1从表可见,整合系统具有各个组成要素在各自孤立状态下不可能具有的新质，且具有整体大于部分之总和的机制。X45CrNiMo4钢奥氏体化后，奥氏体中溶有C、Cr、Ni、Mo等多种元素，它们相互作用，构成一个有机结合的整体，表现出新的整体性行为，具有各元素在各自单独影响时的新质。相变动力学问题

相变动力学是研究相变速度问题的。各个元素、各个相在相变中有机结合，有序配合，发生的相互作用是非线性的。动力学曲线反映了非线性规律。

相变动力学是相变时的形核率Ns，核长大速度u，转变时间t和转变量之间的关系的科学。实际上多采用Avrami方程描述：f（t）=1-exp[-Btk]

式中B为一常数，对三维空间3≤K≤4。

钢在冷却时发生的固态相变，其形核率和长大速率与转变量之间的关系曲线都有一个极大值，通常呈C—曲线的形状。但是，钢中的C—曲线（TTT图、CCT图）却是千变万化的，每一种钢都有自己特殊的C—曲线，即使同一种钢，尤其是高碳高合金钢，奥氏体化温度不同，测得的C—曲线的形状或位置也是有差别的。在钢的奥氏体转变曲线，钢中合金元素种类和数量不多，但C—曲线却达到上千种，而且合金元素的种类和数量愈多，对钢的动力学曲线影响愈复杂。这是由于钢是整合系统，奥氏体中的碳和各种合金元素的相互作用是非线性的，具有整体大于部分之总和的机制，因而呈现千变万化的相变动力学曲线及转变图。图12-4总结了钢中的各类TTT图。图12-4钢中各类TTT图示意图。合金元素的数量的组合，其整合作用，非线性相互作用，大大提高了奥氏体的稳定性。不同种类和导致了奥氏体转变动力学曲线千差万别的变化。图12-5为Cr、Ni、Co对珠光体转变开始线的影响，如图所示，Fe+Cr；Fe+Cr+Co；Fe+Cr+Ni系统表现了不同的作用。

图12-5；Cr、Ni、Co对珠光体转变开始线的影响图12-6T8钢的动力学曲线---TTT图12.3非线性相互作用

相变临界点的非线性问题Fe-C合金的相变临界点有平衡临界点：A1，A3，ACcm等；在非平衡情况下有：Ac1，Ac3，Accm，Ar1，Ar3，Arcm，Ms等。合金元素对临界点的影响是非线性的，但以往大都进行了简化处理，使之成线性关系。如，计算钢的临界点Ms、Ac1等，采用了简化的线性处理法。计算马氏体点的公式很多，仅举几例：Ms（℃）=550-361C-39Mn-35V-20Cr-17Ni-10Cu-5（Mo+W）+15Co+30Ms（℃）＝550－361×（％C）－39×（％Mn）-35(%V)-20(%Cr)-17(%Ni)-10(%Cu)-5×(%Mo+%W)+15×(%Co)+30(%Al)可见，把合金元素对马氏体点的影响看成了各个合金元素作用的简单的线性叠加，即马氏体点与合金元素含量呈线性关系，这种计算是近似的，不够准确。4.储氢合金分类与特点钢的共析点A1：A1（℃）=723-26Si+20Cr+8W+16Mo+55V-14Cu-18Ni-12Mn式中，元素符号表示该元素的wt%。从上述例中可见，把钢的临界点视为简单对象，进行线性处理，得出线性方程。用这些方程来进行计算，其结果是不准确的，往往有较大误差。4图12－6Fe-C合金Ms与含碳量的关系图12－7含碳量对Ms点的影响图12－8合金元素对铁合金Ms点的影响有人将Fe-C合金马氏体点处理为线性关系，即随着含碳量的增加，马氏体点降低,如下式[8]：Ms（℃）≈520—[%C]×320并且用图12-6表示，这是近似的。马氏体点与碳含量之间实际上不是线性关系，而是非线性关系，如图12-7所示的实际测得的不同碳浓度的Fe-C合金的马氏体点。从图可见马氏体点Ms和Mf与含碳量并非线性关系。各种合金元素对马氏体点的影响也都是非线性的。图12－8所示为合金元素对铁合金马氏体点的影响，可见为非线性关系。珠光体片间距与过冷度呈非线性关系珠光体片间距与过冷度之间应当呈非线性关系，如图12-9所示。但Marder把碳素钢中珠光体的片间距与过冷度的关系处理为线性关系。So=图12－9珠光体片间距与形成温度的非线性关系合金元素对珠光体长大速度的非线性影响钢中奥氏体的共析分解是扩散型相变，扩散系数是非线性的。各种合金元素对珠光体长大速度的影响应当均呈现非线性关系。如合金元素Mo降低珠光体的形核率Ns（单位界面形核率），如图12－10所示。图a处理为线性关系是不妥当的，应当为非线性关系，如图12－10b。a.线性关系[21]b.非线性关系图12-10Mo对650℃珠光体形核率的影响机械性能的非线性问题金属及合金的性能是成分、合金相等组成要素非线性作用的结果。如珠光体的性能，由于珠光体不是铁素体和渗碳体的机械混合物，是共析铁素体和碳化物的整合组织，因而这类钢的屈服强度和抗拉强度同珠光体在钢中所占的体积分额之间呈现非线性关系。亚共析钢经珠光体转变后得到先共析铁素体和珠光体的整合组织。钢的成分一定时，随着冷却速度的增加，转变温度越来越低，先共析铁素体数量减少，珠光体（伪珠光体）数量增多，并且珠光体的含碳量下降。这种铁素体＋珠光体的整合组织，其机械性能是非线性的。与铁素体的晶粒大小、珠光体片间距、以及化学成分等因素有关。4.储氢合金分类与特点5.金属储氢材料的应用如铁素体—珠光体钢的屈服强度为σY(MN/m2)=15.4{[2.3+3.8(Mn)+1.13]+(1-

)[11.6+0.25]+4.1(Si)+27.6}式中

—铁素体的体积分数d－铁素体晶粒的平均直径（mm）S0—珠光体平均片间距（mm）N－铁素体的晶粒度表明屈服强度同铁素体量之间呈非线性关系，与珠光体片间距，晶粒度呈现非线性关系。如果将珠光体定义为“铁素体和渗碳体的机械混合物”，那么其机械性能将与两相的相对量呈线性关系。而实际上是非线性关系。

此外，如淬火钢回火后的强度、塑性、韧性与回火温度的关系也都是非线性的。12.4相变的自组织特征自然界的物质系统的演化是自组织的，自组织是整合系统的又一特征。钢是一个复杂的系统，任何系统的出现都是一个组织化或有序化的过程。一个系统可能是自组织产生的，也可能是被组织产生的。如果系统在获得其空间结构、时间结构的过程中没有特定的外界干预，而是一个自发的组织化、有序化和系统化的过程，这就是自组织。5.金属储氢材料的应用12.4.1相变自组织的条件科学技术哲学,即自然辩证法，告诉我们：自然界中系统的演化，物质结构的形成或有序化都是自组织的。固态相变也是自组织的。自组织必须具备一定的环境和条件：①开放系统；②远离平衡态；③随机性涨落；④非线性相互作用。1)开放系统只有开放系统才可能实现自组织。开放系统具有足够大的负熵流，是系统维持有序性或进化的必要条件。钢是一个开放系统，钢在热加工、热处理过程中与外界发生能量交换或物质交换。如果没有与外界的能量交换或物质交换就不可能发生相变。系统的自组织并不排除外部对它的控制，如由外部来控制钢的非平衡程度等。5.金属储氢材料的应用2)远离平衡态处于热力学平衡态的系统没有发展活力，不能发生自组织。当外部条件加强并超过临界点，到达远离平衡态，系统不断从外界引入负熵流，熵减过程加强，才能出现自组织。如根据热力学条件，将钢加热或冷却，使其偏离临界点，具有一定过热度或过冷度时，系统新旧两相的自由焓差小于零（<0），相变才能自发地进行。3)涨落

涨落（或起伏）是对系统稳定状态的偏离。如浓度起伏、结构起伏、能量起伏等。

涨落是随机的，它是系统演化的契机，是相变的诱因。当将钢加热或冷却时，超过临界点，出现过热或过冷，钢的原有定态，虽然已不稳定，即处于亚稳状态，但是，如果没有任何扰动，也即没有涨落时，系统仍然不会离开原有的状态，即钢不会发生相变。然而，任何实际过程中总是存在涨落。在相变有可能发生的上述条件下，涨落必然发生，一旦出现就会被迅速放大，使得系统离开定态，即发生相变，形成新的有序结构（注：这里的有序是哲学概念，不是指金属中的有序相等）。因此，涨落是系统自组织的诱因，它是发育成为新的有序结构的种子，也即新相的晶核是以这种涨落作为种子的。如钢在相变孕育期内，出现溶质原子的贫化区和富化区就是涨落的必然结果。在贝氏体相变的学说论争中，忽视了涨落形成贫碳区的作用，甚至否认存在贫碳区，这种观点是不妥当的。4)自组织还必须有系统内部的非线性相互作用非线性的正反馈作用可以把微小的“涨落”或“起伏”迅速放大，使系统的定态失稳而形成新的结构，如浓度涨落、结构涨落的迅速放大，而形成新相晶核，导致相变。如奥氏体形成、共析分解，贝氏体转变、马氏体相变以及回火转变、时效等都是系统内非线性相互作用的结果，都是一个涨落

形核

新相长大的自组织过程。

以往的固态相变研究注重热力学条件，而忽视了涨落和非线性相互作用，涨落是相变的诱因，而非线性作用是成因，然后才是形核与长大过程。涨落和非线性相互作用应当是自组织的条件，也是相变形核的机制的一个组成部分。5.金属储氢材料的应用12.4.2钢中的