材料科学与工程基础第11章翻译

第十一章相变一、学习目的材料的性能取决于材料的组织，而材料的组织可以通过热处理过程中的相变实现。改进的相图可以描述某些相变的时间和温度的依赖关系。如何使用这些相图来设计一些合金的热处理过程，使其在室温下产生特定的力学性质非常重要。例如，共析组成(0.76wt%C)的Fe-C合金，根据不同的热处理过程，其抗拉强度可在700MPa和2000MPa之间变化。二、本章的主要内容1、典型固-固相变中，画出其部分转变对时间对数的示意图；给出描述这一行为的方程式。2、简单描述下列存在于钢合金中的微组元的显微组织：精细珠光体，粗状珠光体，球状体，贝氏体，马氏体和回火马氏体。3、下列每个微组元的一般的力学特性：精细珠光体，粗状珠光体，球状体，贝氏体，马氏体和回火马氏体。根据显微组织(或晶体结构)，简要解释这些行为。4、根据某些Fe-C合金的等温转变(或连续冷却转变)图，设计一个热处理工艺，使其最终产生指定的显微组织。5、利用相图描述和解释，用于沉淀硬化金属合金的两个热处理工艺。6、在恒温下进行沉淀热处理时，画出室温下的强度(或硬度)对时间对数的示意图。根据沉淀硬化机理，解释曲线的形状。7、画出晶体、半晶体和无定形聚合物的比容对温度的示意图，注释玻璃转变和熔化温度。（相变=转化）11.1简介许多材料的力学和其它性质取决于其微观结构，而其往往是相变产生的。在这一章的第一部分我们讨论相变的基本原则。接下来，我们从事相变在铁-碳合金的微观结构的发展中扮演什么，以及其他合金，和微细结构的变化是如何影响力学性能。最后，我们论述结晶、熔化、和聚合物的玻璃化转换。金属相变----------------------------------------------------------------------------金属材料的多功能性的原因之一在于他们所拥有的力学性能的宽范围，是通过各种方法处理是可达到的。在第8章中讨论的三个强化机理，叫做，晶粒细化、固溶强化和应变硬化。可用其他技术，其中力学性能都依赖于显微结构特征。显微结构同时在单和两相中发展的合金通常涉及相变的很多类型---在相的性质和数量中改造。这一章的第一部分致力于有关包括固体的相变一些基本原则浅谈。因为大多数相变不会在瞬间发生，反应进度的时间依从或相变率方面考虑。紧接着的是铁碳合金的两相微观结构发展的讨论。修改后的相图的介绍其允许从特定的热处理导致的微观结构的确定。最后，提出其他微观组织还有珠光体，并对每个进行了力学性能讨论。11.2基本概念各种相变对材料的加工是重要的，他们通常涉及一些微观结构的改变。这次讨论的目的，这些变化可分为三类。在一个组中只是单纯的扩散型相变其中相的组成和数量都没有变化出现。这些包括纯金属的凝固、同素异形变化、再结晶和晶粒生长(见8.13和8.14节)。在扩散型相变的另一种类型，相的组成有一些改变和经常在相的数目中出现；最后的显微结构通常包括两个相。共析反应，10.19节中所述，是这种类型；在节11.5进一步注意它。相变的第三类型是非扩散型相变，其中有亚稳相产生。第11.5节的讨论，马氏体相变，在钢合金中可能发生，属于此类。11.3固态反应的动力学因为障碍物阻止反应的进程和使它依赖于时间，所以大多数固态相变不会瞬间发生。例如，由于大多数相变涉及最后一个新相（其组成或晶体结构不同于母相）的形成，一些原子重排由经扩散是必须的。扩散是一种时间相依的现象，在6.4节中讨论。新相的形成的第二个障碍是母相和子相间创造的相界能的增加。从微观角度来看，伴随着相变的第一个过程是成核的现象----新相的很小（往往亚微观的)粒子或核的形成，其有不断长大的能力。这些核的形成的有利位置是不完整点，特别是晶界。第二阶段是长大，是其核的尺寸的增加；在此过程中，当然，父相的一些体积会消失。如果这些新相粒子的长大允许进行直至到达平衡，则相变完成。预计将，相变率（其中，通常被称为相变的动力学）的时间依赖是材料热处理的一个重要考虑因素。根据许多动力学研究，已发生的反应的分数作为时间的函数来衡量，同时温度保持不变。相变过程通常被确定通过金相试验或新相中特殊的一些物理属性（如电导率)数量测量。数据绘制为相变材料的分数对时间的对数。类似s形的曲线，其图11.1中代表大多数固态反应的典型动力学的行为。成核与长大阶段在图中所示。对于固态相变在图11.1中显示其动力学行为，相变的分数y是时间t的函数，如下所示：y=1-exp(-kt^n)（11.1）其中k和n是特定反应时间独立的常量。上面的表达式通常被称为阿弗拉密方程。按惯例，相变率r作为相变过程完成一半所需要的时间t的倒数采纳，或r=1/t（11.2）。这t在图11.1中指出了。在热处理过程中温度是变量，温度要被控制，它可能深刻的影响动力学和相变率。图11.2证明这一点，其中y对t的对数的S形曲线对铜的再结晶过程在几个温度已给出。对于大多数的反应以及在特定的温度范围内，随着温度，相率增加，根据：（11.3）r=Ae^(-Q/RT)其中R=气体常数T=绝对温度A=一个与温度无关的常数Q=特定反应的活化能可能记得扩散系数具有相同的温度依赖性。其中表现出与温度的关系的相率过程有时称为热激活。11.4多相相变相变也许是金属合金系统的锻造通过改变温度、组成和外部的压力；然而，通过热处理改变温度是最方便的方法来诱使相变。当给定成分的合金被加热或冷却，在组成-温度相图上这对应于横越相界。相变过程中，相图的特点在于合金向平衡态进行在子相、他们的组成和相对量。大多数相变要求有限的时间去完成，和速度或率在热处理和微观结构的发展之间的关系中是重要的。相图的一个限制就是他们无法以指示达到平衡所需的时间。固体系统中接近平衡态的速率是如此缓慢，真正平衡结构是无法达到的。只有加热或冷却在极为缓慢的理想的速度下，平衡条件才能维持。对于非均衡冷却，相变将推移到比相图表示的更低的温度；对于加热，将推移到更高的温度。这些现象分别被称为过冷和过热。每个的程度取决于温度的变化率；冷却或加热的速度更快，过冷或过热现象更严重。例如，对于正常冷却速率，铁-碳共析反应是通常移置平衡转化温度以下10℃到20℃（18℉至36℉）。对于很多技术上重要的合金，首选的状态或微观结构是亚稳态，初始态与均衡态之间的中间；有时，希望得到远离均衡态的结构组织。因此有必要研究时间对相变的影响。此动力学的信息是，在许多情况下，价值比最终平衡状态的知识更大。铁-碳合金中微观结构和性质的改变-------------------------------------------固态相变动力学的一些基本原则在扩展和应用专门对铁碳合金在热处理、微观结构和力学性能的发展之间的关系的方面。此系统已经被选择了，因为它是常见的和因为各种各样的微观结构和力学性能都可能，对于铁碳(或钢)合金。11.5等温转变图珠光体再次考虑铁-碳化铁的共析反应：γ（0.76wt%C）=α（0.022wt%C）+Fe3C(6.70wt%C)这是基本对于钢合金中的微观结构发展。当冷却时，奥氏体，具有中等碳浓度，相变到铁素体相，有含碳量大大降低，和渗碳体，与碳浓度大大提高。珠光体是这种相变（图10.29）的一种微观结构产物，和珠光体形成机制是以前（10.19节）讨论过并在图10.30中示意。温度在奥氏体向珠光体的相变速率起着重要作用。共析成分的铁-碳合金的温度依从在图11.3指出，其中画的是相变百分比对时间的对数在三个不同温度下的S形曲线。对于每条曲线，100%奥氏体的试样迅速冷却到指定的温度后收集的数据；这个指定的温度保持恒定在整个过程中的反应中。代表的这种相变的时间和温度依赖性的更方便的方式是在图11.4的底部。在这里，垂直和水平轴分别是，温度和时间的对数。固体的两条曲线的绘制；其中一个表示每个相变的开始所需的温度；另一个是对相变的结束。虚线的曲线对应于相变完成50%。这些曲线是从一系列的相变百分比对时间的对数的图在温度范围内所用的生成的。这个S形曲线（在675℃【1247℉】），在图11.4的上部，阐释了如何进行数据传送。在解释此关系图，先注意通过一条水平线表示的共析温度（1341℉）；在共析以上的温度和对于所有时间，只有奥氏体存在，如图中所示。只有合金过冷到共析下面，奥氏体向珠光体转变才回发生；如曲线所示，时间对于相变的开始是必须的和相变的结束取决于温度。开始和完成的曲线是几乎平行，和他们与共析线是渐近的。在相变开始曲线的左侧，只有奥氏体（其是不稳定的）存在，而完成曲线的右侧，只有珠光体存在。两者之间，奥氏体转变为珠光体，因此这两种显微组织将都存在。根据方程11.2，在一些特定的温度的转化率是和反应进行50%（在11.4图中的虚曲线）所需的时间成反比。也就是说，时间越短转化率越高。因此，从图11.4，在温度刚刚低于共析（对应只是轻微程度的过冷），50%转变需要很长时间（大约10^5s)，因此反应速度是很慢。转化率随着温度降低升高，如在540℃(1000℉)完成50%的转变仅约3s。此速率-温度行为是在表面上与方程11.3矛盾，其中规定该速率随温度的上升增加。这种差异的原因是在此范围的温度(即540℃至727℃)，转化率受珠光体形核率控制，而成核率随温度升高（即，过冷减少)减少。这种行为由方程11.3解释，其中形核的激活能Q是温度的函数，并随着温度的升高升高。我们会发现在较低温度下，奥氏体分解转化是扩散控制，和由方程11.3，对于扩散的激活能与温度无关的扩散率行为是可预测。使用关系图如图11.4有若干约束。第一，此特定的图只对共析成分的铁-碳合金是正确的；对其他的组成，曲线会有不同的结构。另外，这些图对于合金的温度是恒定不变贯穿整个反应时间的转变才是正确的。恒温条件被称为等温；因此，图如图11.4被称为作为等温转变图，或有时称时间-温度-转换（T-T-T）图。实际等温热处理曲线(ABCD)被叠加在图11.5中的共析铁-碳合金的等温转变图上。由近乎垂直的AB线表示奥氏体急冷到一定温度，和在此温度下进行等温处理按水平线段BCD。当然，沿此线时间从左到右是增加的。奥氏体向珠光体的转变开始在交叉点C（大约3.5s后)，并已达到完成在约15s后，对应于点D。图11.5表示了反应进行中不同时间的示意性的微观结构。珠光体中的铁素体和渗碳体的层厚度比约为8比1。然而，绝对层的厚度取决于允许等温转变发生的温度。在刚低于共析的温度，与α-铁素体和Fe3C相相关的层厚度产生；此微观结构称为粗珠光体，在图11.5的完成曲线右侧上表示了它形成的区域。在这些温度下，扩散率都较高，比如在图10.30中所示的相变期间碳原子可以弥漫相对较长的距离，结果形成厚层。与降低温度，碳扩散率跌幅，和层逐渐变薄。在540℃产生的薄层结构被称为细珠光体；在图11.5中显示了。在节11.7讨论的是层厚度对力学性能的影响。共析成分的粗、细珠光体显微图片如图11.6所示。对于其他成分的铁-碳合金，先共析相将与珠光体共存，如所述节10.19。因此对应于先共析-转变的附加曲线必须包括于等温转变图上。1.13Wt%C合金的一个此类关系图的一部分如图11.7所示。贝氏体除了珠光体，其他显微组织是奥氏体相变存在的产物；其中之一被称为贝氏体。贝氏体的显微组织由铁素体和渗碳体相组成，和因此扩散进程参与了它的相变。贝氏体的形状好像针或盘子，取决于相变的温度；贝氏体的显微组织细节是那么细以至于只用电子显微镜的分辨率是可能看见的。图11.8是电子显微镜照片，显示贝氏体的一粒（沿对角线方向从左下到右上的定位）；它由从Fe3C相的拉长的颗粒中分离出来的针状铁素体组成；此显微图像中的各个相已被标记。此外，针状的周围的相是马氏体，是后续部分是处理内容。此外，贝氏体中没有先共析相状态。贝氏体相变的时间-温度依赖也可在等温转变图上表示。它在低于珠光体形成温度的温度下发生；开始反应，结束反应，和半-反应曲线只是对珠光体转变反应的扩充，在图11.9显示，共析成分的铁-碳合金的等温转变图已扩展到更低的温度。这三个曲线是C形，和在点N有'鼻子'形状