固态相变_

固态相变：金属和陶瓷等固态材料在温度和压力改变时，其内部组织或结构会发生变化，即发生从一种状态到另一种相态的转变，这种转变称之为固态相变。固态相变的阻力有哪些：金属固态相变时的相变阻力应包括界面能和弹性应变能两项。当界面共格时，可以降低界面能，但使弹性应变能增大。当界面不共格时，盘(片)状新相的弹性应变能最低，但界面能较高；而球状新相的界面能最低，但弹性应变能却最大。为什么固态相变中出现过渡相?晶体缺陷对固态相变形核有什么影响？1.当稳定的新相与母相的晶体结构差异较大时，母相往往不直接转变为自由能最低的稳定新相，而是先形成晶体结构或成分与母相比较接近，自由能比母相稍低些的亚稳定的过渡相。此时，过渡相往往具有界面能较低的共格界面或半共格界面，以降低形核功，使形核容易进行。2.晶体缺陷是能量起伏、结构起伏和成分起伏最大的区域，在这些区域形核时，原子扩散激活能低，扩散速度快，相变应力容易被松弛。在固态相变中，从能量的观点来看，均匀形核的形核功最大，空位形核次之，位错形核更次之，晶界非均匀形核的形核功最小。为什么新相形成的时候，常常呈薄片状或针状？如果新相呈球状，新相与母相之间是否存在位相关系？①金属固态相变时，因新相与母相恶比容不同，可能发生体积变化，但由于受到周围母相的约束，新相不能自由膨胀产生弹性应变能。而片状或针状的弹性应变能最小，所以新相形成时常常呈片状或针状②存在位相关系。许多情况下，金属固态相变时，新相与母相之间往往存在一定的位相关系，且新相呈球状时与母相的弹性应变能最大，是由新、母相的比容不同或两相界面共格或半共格关系造成的，所以必然存在一定的位相关系。TTT曲线的建立：将不同温度下的等温转变开始时间和终了时间以及某些特定的转变量所对应的时间绘制在温度—时间半对数坐标系中，并将不同温度下的转变开始点和转变终了点以及转变50%点分别连接成曲线，则可得到过冷奥氏体等温转变图，即TTT曲线。TTT图的作用：TTT图反映了在临界点以下温度等温或以一定冷却速度冷却时过冷奥氏体的转变规律，综合显示了合金元素等对转变动力学的影响以及等温温度或冷却速度对转变产物和性能的影响。可清楚的看出：①某相过冷到临界点以下某一温度保温时，相变何时开始，何时转变能量达50％，何时转变终止②相变速率最初是随温度下降而逐渐增大，达到一最大值后又逐渐减小。TTT图可以为正确选择钢的热处理工艺、分析热处理后的组织和性能以及合理选用钢材等提供依据。奥氏体的形成过程可分为四个阶段：①奥氏体形核②奥氏体晶核向及CFe3两个方向长大③剩余碳化物溶解④奥氏体均匀化。影响奥氏体形成速度的因素：①加热温度的影响，即加热温度越高，奥氏体形成速度就越快②碳含量的影响，钢中碳含量越高，奥氏体形成速度就越快③原始组织的影响，在钢的成分相同的情况下，原始组织中碳化物的分散度越大，则相界面就越多，形核率也就越大，刚的原始组织也越细，奥氏体的形成速度就越快④合金元素的影响，强碳化物形成元素降低碳在奥氏体中的扩散系数，并形成特殊碳化物且不易溶解，所以显著减慢奥氏体的形成速度。非碳化物则加速奥氏体的形成速度。本质细晶粒钢与本质粗晶粒钢的区别：奥氏体晶粒度在5～8级者称为本质细晶粒钢，而奥氏体晶粒度在1～4级者称为本质粗晶粒钢。对于本质细晶粒钢，当加热温度超过950～1000摄氏度时也可能得到十分粗大的实际晶粒。对于本质粗晶粒钢，当加热温度略高于临界点时也可能得到比较细的奥氏体晶粒。影响奥氏体晶粒长大的因素：①加热温度和保温时间的影响，加热温度越高，加热时间越长，奥氏体晶粒将越粗大②加热速度的影响，加热速度越大，过热度就越大，奥氏体实际形成温度就越高，快速加热时可以获得细小的奥氏体起始晶粒③钢中碳含量的影响，在钢中碳含量不足以形成过剩碳化物的情况下，加热时奥氏体晶粒随钢中碳含量增加而增大。当碳含量超过一定限度时，反而阻碍奥氏体晶粒的长大④合金元素的影响，钢中加入适量形成难溶化合物的合金元素，将强烈地阻碍奥氏体晶粒长大，使奥氏体晶粒粗化温度显著提高。加入适量形成易溶化合物的合金元素，则阻碍程度中等。⑤冶炼方法的影响⑥原始组织的影响，原始组织越细，碳化物弥散度越大，所得到的奥氏体起始晶粒就越细小。片状与粒状珠光体性能的比较：在成分相同的情况下，与片状珠光体相比，粒状珠光体的强度、硬度稍低，而塑性较高。粒状珠光体的切削性好，对刀具的磨损小，冷挤压时的成形性也好。粒状珠光体的性能还取决于碳化物颗粒的形态、大小和分布。在相同抗拉强度下，粒状珠光体比片状马氏体的疲劳强度有所提高。粒状珠光体的形成过程：粒状珠光体是通过片状珠光体中渗碳体的球状化而获得的。若将片状珠光体加热至略高于1A点的温度，则得到奥氏体加未完全溶解渗碳体的混合组织。在此温度下保温将使片状渗碳体球状化。然后缓慢冷却至1A点以下时，奥氏体转变为珠光体，最后得到渗碳体呈颗粒状分布的粒状珠光体。影响珠光体转变动力学的因素：①化学成分的影响，对于亚共析钢，随着奥氏体中碳含量的增高，析出先共析铁素体的孕育期增长，析出速度减慢。各种合金元素，除钴以外，都推迟珠光体转变的进行。②加热温度和保温时间的影响，提高加热温度或延长保温时间，转变速度低③奥氏体晶粒度的影响，奥氏体晶粒细小，单位面积内的晶界面积增大，珠光体的形核部位增多，将促进珠光体的形成④应力和塑性变形的影响，对奥氏体施加拉应力或进行塑性变形，促进珠光体的形核和晶体长大，加速珠光体的转变。马氏体相变的主要特征：①切变共格和表面浮突现像②无扩散性③具有特定的位相关系和惯习面④在一个温度范围内完成相变⑤可逆性。影响钢中Ms点的主要因素：①化学成分的影响，Ms点主要取决于钢的化学成分，钢中碳含量增加，马氏体相变的温度范围下降，合金元素除铝、钴外，均使Ms点降低②形变与应力的影响，多向压缩应力将阻止马氏体的形成，因而降低Ms点。而拉应力或单向压应力往往有利于马氏体的形成，使Ms点升高③奥氏体化条件的影响，加热温度升高和保温时间延长，使Ms点下降，若不发生化学成分变化，则使Ms点升高。在奥氏体成分一定的情况下，晶粒细化会使Ms点下降④淬火冷却速度的影响，在正常淬火条件下，对奥氏体起强化作用。而极快的淬火速度会使Ms点升高。当冷却速度足够大时，Ms点不随淬火速度增大而升高⑤磁场的影响，外加磁场将诱发马氏体相变，与不加磁场相比，Ms点升高。马氏体的点阵结构和畸变：C原子分布在―Fe体心立方单胞的各棱边中央和面心，可视为处于一个Fe原子组成的扁八面体孔隙之中，长轴为2a，短轴为c。由于C在―Fe中溶解度小，钢中马氏体的C％较高，所以将引起点阵畸变，使体心立方点阵变成体心正方点阵，该畸变称为畸变偶极。使马氏体具有高硬度、高强度的主要因素：①相变强化，马氏体相变的切变特性造成了马氏体在晶体内产生大量的微观缺陷，使马氏体强化②固溶强化，C原子溶入Fe原子所组成的扁八面体后发生不对称畸变，形成以C为中心的畸变偶极应力场，且与位错产生强烈的交互作用，使马氏体强度升高③时效强化，马氏体在室温下只需几分钟甚至几秒钟就可以通过原子扩散而产生时效强化，发生C原子偏聚和析出，从而产生时效强化作用④马氏体的形变强化特性⑤孪晶对马氏体强度的贡献⑥原始奥氏体晶粒大小和马氏体板条群大小对马氏体强度的影响，原始奥氏体晶粒越细，马氏体板条群越细，马氏体强度越高。钢中贝氏体的组织形态：①在贝氏体相变区较高温度范围内形成的贝氏体称为上贝氏体，呈羽毛状、条状或针状，少数呈椭圆形或矩形②在贝氏体相变区较低温度范围内形成的贝氏体称为下贝氏体，呈暗黑色针状或片状，而各片之间都有一定的交角③粒状贝氏体④无碳化物贝氏体⑤低碳合金钢中的B、B、B。影响贝氏体机械性能的因素：①贝氏体中铁素体的影响，贝氏体中铁素体晶粒越细小，贝氏体的强度就越高，而且韧性有时还有所提高②贝氏体中渗碳体的影响，碳化物颗粒尺寸越小、数量越多，对强度的贡献就越大，在渗碳体尺寸相同的情况下，渗碳体越多，则贝氏体硬度和强度就越大，韧性和塑性就越低③其他因素的影响，奥氏体化温度不同，贝氏体化的不完全性都会影响贝氏体的性能。回火时机械性能的变化：1.随回火温度升高，硬度和强度降低，钢中加入合金元素能减小硬度和强度降低的趋势2.淬火钢在回火时，随回火温度的升高，塑性升高。但高碳钢低温回火时，塑性几乎为零，而冲击韧性不一定随温度而单调增高，可能出现两个温度区域韧性减小3.影响第一类回火脆性的因素：①有害杂质元素，S、P、As、Sb、Cu、N、H、O等②促进第一类回火脆性的元素,Mn、Si、Cr、Ni、V等③减弱第一类回火脆性的元素,Mo、W、Ti、Al等减轻第一类回火脆性的措施：①降低刚中杂质元素的含量②用Al脱氧或加入Nb、V、Ti等合金元素以细化奥氏体晶粒③加入Mo、W等减轻第一类回火脆性的合金元素④加入Si、Cr以调整发生第一类回火脆性的温度范围，使之避开所需的回火温度⑤采用等温淬火工艺代替淬火加回火工艺。1．简述共析钢加热奥氏体化的过程。答：（1）奥氏体形核奥斯体的形核是通过形核和长大完成的。奥氏体的晶核是依靠系统的能量起伏、浓度起伏和结构起伏形成的；(2)奥氏体晶核长大奥氏体的长大过程是两个新旧界面向原来的铁素体和渗碳体中推移的过程，驱动力为奥氏体中的碳浓度差；（3）剩余碳化物的溶解奥氏体中铁素体的溶解速度大了渗碳体的溶解速度，使渗碳体过剩而逐渐溶入奥氏体中；（4）奥氏体的均匀化继续加热或保温，借助碳原子的扩散使碳原的分布趋于均匀。2．马氏体相变的主要特征有哪些？答：（1）切变共格和表面浮突现象马氏体转变时奥氏体中的原子基集体有规则的向新相中迁移，形成切变共格界面，表面产生浮突效应；（2）无扩散性仅由面心立方点阵通过切边改组为体心立方点阵，而无成分的变化；（3）具有特定的位向关系和惯习面；（4）在一个温度范围内完成相变温度在Ms-Mf完成，但是转变不能完全进行，有一定量的残余奥氏体存在；（5）可逆性3．什么是第一类回火脆性，避免其发生的方法有哪些？答：在250-400C之间出现的回火脆性称为第一类回火脆性，也称低温回火脆性，也称为不可逆回火脆性。避免方法：（a）降低钢中杂质元素的含量；（b）用Al脱氧或加入Nb、V、Ti等合金元素以细化奥氏体晶粒；（c）加入Mo、W等能减轻第一类回火脆性的合金元素；（d）加入Cr、Si以调整发生第一类回火脆性的温度范围，使之避开所需的回火温度；（e）采用等温淬火工艺代替淬火加回火工艺。4．板条马氏体和片状马氏体那种会出现显微裂纹，为什么？答：片状马氏体。显微裂纹是片状马氏体形成是产生的，先形成的第一片马氏体贯穿整个晶粒，将奥氏体晶粒分成两个部分，而后形成的马氏体片大小受到限制，所以马氏体的大小是不同的。后形成的马氏体片不断的撞击先形成的马氏体。由于马氏体的形成速度非常快，所以相互撞击，同时还与奥氏体晶界撞击，产生较大的应力场，另外片状马氏体的含碳量比较高，不能通过滑移和孪晶等变形方式消除应力，所以片状马氏体容易出现显微裂纹。板条马氏体之间的夹角比较小，基本上是平行的，相互撞击的几率较小，残余奥氏体的存在可以缓解应力，所以板条马氏体没有出现显微裂纹。5．什么是材料的热处理？其目的是什么？常见的热处理工艺有哪些？答：材料的热处理是通过特定的加热保温和冷却方式来获得工程上所需的组织的一种工艺过程的总称。目的：改变金属及合金的内部组织结构使其满足服役条件所提出的性能要求。常见的热处理工艺有淬火、正火、退火和回火。6．如何区别高碳钢中的回火马氏体与下贝氏体？答：（1）高碳钢回火马氏体表面浮突呈锥字型，它的相变是通过共格切变机制完成的。而下贝氏体的表面浮突是不平行的相交成V字形，而且它的铁素体不是通过切变共格完成的；（2）高碳钢回火马氏体中存在位错和孪晶，而下贝氏体中的铁素体中只有位错盘结没有孪晶结构存在，其韧性较好。（3）下贝氏体中碳沿着与贝氏体长轴呈50-60°倾斜的直线规则排列与相间析出相似。回火马氏体中碳在铁素体中是均匀分布的。7．奥氏体的晶核最容易在什么地方形成？为什么？答：奥氏体晶核的形核位置通常在铁素体和渗碳体两相界