大连理工大学固态相变原理本科生-研究生总复习参考

材料科学与工程学院固态相变原理与应用固态相变原理及应用——黄冈秘笈张贵锋大连理工大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院固态相变原理与应用《固态相变原理及应用》张贵锋，黄昊主编冶金工业出版社，2011.11特点：简明扼要，通俗易懂，思路清晰，层次分明，重点突出材料科学与工程学院固态相变原理与应用变•变化的条件？•如何变化或变化的规律？•变化的结果？材料科学与工程学院固态相变原理与应用专业基础课专业课•两个基本点•一个中心：性能基本点一：开发新材料基本点二：最大限度地挖掘现有材料的潜力材料科学与工程学院固态相变原理与应用材料性能的决定因素材料的性能由内因和外因共同决定，外因是变化的条件，内因是变化的依据，外因通过内因而起作用。外因：材料所处的外部环境；内因：材料内部的结构。材料科学与工程学院固态相变原理与应用（1）组成物质的化学键（2）组成物质最基本的独立单元（组元）及其排列和运动方式；（3）由组元构成方式所确定的相；（4）由相的种类、形状、大小和分布的总和构成的组织材料科学与工程学院固态相变原理与应用本课程要解决的核心问题1.相变能否发生，朝着什么方向发生？（相变热力学）2.相变时如何进行的，它的途径和速度如何？（相变动力学）3.相变的结果？（相变晶体学）方向——途径——结果材料科学与工程学院固态相变原理与应用1.能量降低的方向2.阻力最小的路径3.最适合的结构环境，适者生存！材料科学与工程学院固态相变原理与应用1.相，固态相变，相变势垒，激活能,形核功；起始晶粒度，实际晶粒度，本质晶粒度；珠光体，珠光体团，粒状珠光体，派敦处理,珠光体型组织；马氏体，奥氏体（热，机械）稳定化，临界冷却速度，临界淬火速度；一、基本概念材料科学与工程学院固态相变原理与应用上贝氏体，下贝氏体，等温淬火；二次硬化，二次淬火，自回火，回火脆（第一类，第二类），抗回火性；淬火，回火，退火（球化退火），正火，淬透性，淬硬性，调质；脱溶沉淀，（自然，人工）时效，时效硬化，调幅分解。材料科学与工程学院固态相变原理与应用1.固态相变的特点：相界面，弹性应变能，位相关系与惯习面，亚稳过渡相，原子迁移率二、需掌握的要点阿累尼乌斯方程：K=K0exp（-Q/kT）材料科学与工程学院固态相变原理与应用•相界面：共格→半共格→非共格，弹性应变能逐渐减小、界面能逐渐增大；相变阻力：弹性应变能和界面能；弹性应变能起主导作用，界面趋于非共格，界面能起主导作用，新相趋于形成共格界面。材料科学与工程学院固态相变原理与应用•热力学条件（必要）充分条件：三大起伏材料科学与工程学院固态相变原理与应用•阻力和驱动力驱动力：体积自由能，晶格缺陷；阻力：界面能，弹性应变能形核功：均匀形核，点缺陷，线缺陷，面缺陷（界面，界棱，界隅）材料科学与工程学院固态相变原理与应用•相变动力学：形核率N=C*fC*——临界晶胚体积分数（△G*）f——晶胚成为晶核的频率（Q）材料科学与工程学院固态相变原理与应用•相变动力学：无成分变化新相长大速度？切变和台阶长大材料科学与工程学院固态相变原理与应用有成分变化的新相长大速度与什么有关？新相长大速度与扩散系数成正比，与相界面附近母相中的浓度梯度成正比，与相界面上两相的平衡浓度差成反比。材料科学与工程学院固态相变原理与应用扩散型相变新相长大速度，受驱动力和扩散系数所控制。降温时，相变速度与温度的关系存在极大值；升温时，相变速度随温度单调增加。材料科学与工程学院固态相变原理与应用相变动力学曲线绘制原理新相转变体积分数与时间的关系曲线呈“S”形；相变过程包括：晶体结构、化学成分和某种物理性质的跃变。通过各种现代分析测试手段，很容易确定上述变化是什么时候开始，进行到什么程度，以及什么时候结束。从而获得在某一外界条件下，新相转变量与转变时间之间的关系。材料科学与工程学院固态相变原理与应用C曲线的影响因素两个“凡是”：凡是扩大A区的元素（Mn，Ni）都使C曲线下移；凡是稳定过冷A的元素（Co除外），都使C曲线右移a）内因：碳：亚共析钢“右”；过共析钢“左”，贝氏体“右下”材料科学与工程学院固态相变原理与应用合元：贝氏体相变速度取决于基体相变和碳的扩散：Co,Al“左移”外因：A化：A不均匀和晶粒细小，“左移”。塑变：提供缺陷，加速；提供切变阻力，减速。材料科学与工程学院固态相变原理与应用奥氏体晶粒度测量原理和方法，奥氏体化过程及影响因素；奥氏体晶粒长大的驱动力与阻力。2.奥氏体化材料科学与工程学院固态相变原理与应用•奥氏体化过程及影响因素：奥氏体形核，奥氏体晶粒长大，剩余碳化物的溶解，奥氏体均匀化。碳化物的溶解需要更长时间。材料科学与工程学院固态相变原理与应用•影响奥氏体晶粒大小的因素内因：化学成分，原始组织，冶炼方法外因：加热温度，加热速度，保温时间成分：C%（非单一），合金元素（与碳的亲和力及改变相变点）原始组织（平衡与否，晶粒大小）：影响起始晶粒度冶炼方法：本质晶粒度材料科学与工程学院固态相变原理与应用温度：奥氏体化温度越高，起始晶粒越细小，奥氏体中平均碳含量越低。加热速度：起始晶粒度保温时间：实际晶粒度材料科学与工程学院固态相变原理与应用•奥氏体晶粒长大的驱动力与阻力驱动力：体积自由能，界面能阻力：第二相粒子材料科学与工程学院固态相变原理与应用3.珠光体转变片状和粒状珠光体形成机理；影响珠光体转变动力学（速度）的因素；珠光体的力学性能。材料科学与工程学院固态相变原理与应用•片状和粒状珠光体形成机理片状：横向与纵向。同素异构造成碳溶解度的变化，排碳与吸碳相辅相成。片状→粒状：胶态平衡理论，第二相粒子的溶解度与其曲率半径有关；片状渗碳体内不可能存在亚晶界。材料科学与工程学院固态相变原理与应用•影响珠光体转变动力学（速度）的因素凡是稳定过冷奥氏体的因素都使C曲线右移。内因：化学成分，原始组织；外因：奥氏体化工艺，奥氏体晶粒度，塑性变形材料科学与工程学院固态相变原理与应用内因：化学成分C:亚共析减速，过共析加速，共析钢最稳定合元：Co除外，减速原始组织：A化前的组织粗大，A化不充分，加速P转变外因：奥氏体化工艺，奥氏体晶粒度，塑性变形材料科学与工程学院固态相变原理与应用•珠光体的力学性能（片状和粒状珠光体性能的差异）层间距，珠光体团的影响在相同成分条件下，粒状珠光体的强度、硬度稍低，塑性、韧性较高；相同强度条件下，粒状珠光体的疲劳强度更高。形变珠光体性能（派敦处理）：除晶须外的最强金属。材料科学与工程学院固态相变原理与应用4.马氏体相变马氏体相变特点组织特点（板条和片状），Ms点的物理意义及影响因素奥氏体稳定化产生的原因马氏体具有高强度硬度的原因材料科学与工程学院固态相变原理与应用•马氏体相变特点非扩散性，切变共格和表面浮凸，位向关系和惯习面，马氏体相变的不彻底性，马氏体相变的可逆性。切变共格和无扩散性材料科学与工程学院固态相变原理与应用•组织特点（板条和片状），板条马氏体：形态示意图，亚结构，显微组织特点；片状马氏体：形态示意图，亚结构，显微组织特点。材料科学与工程学院固态相变原理与应用•形态及亚结构的影响因素化学成分：高碳低碳，扩大缩小奥氏体区马氏体形成温度：Ms点奥氏体层错能：低层错能是形成ε-M的必要条件奥氏体与马氏体的强度：切变阻力滑移与孪生变形的临界分切应力最主要的因素是含碳量和形成温度材料科学与工程学院固态相变原理与应用•Ms点的物理意义及影响因素物理意义：A和M两相自由能差达到相变所需最小驱动力值时的温度。影响因素（C）：奥氏体的化学成分：相变点和切变阻力。Al，Co提高，Mn，Cr，Ni降低。奥氏体化条件：合金元素充分溶解，Ms点下降；晶粒粗大，Ms升高。材料科学与工程学院固态相变原理与应用淬火冷却速度：存在提高Ms点的临界冷速。弹性应力和塑性变形：一定量的塑性变形诱发马氏体相变。外加磁场：诱发，但不影响最终转变量。•凡是强化奥氏体的因素，均降低Ms点；凡是扩大γ区，均降低Ms点。材料科学与工程学院固态相变原理与应用•奥氏体稳定化产生的原因现象：过冷奥氏体在外界因素作用下，因内部结构发生某种变化而使马氏体转变呈现迟滞的现象。原因：适当温度下C和N原子向奥氏体晶格点阵缺陷处偏聚，强化了奥氏体。材料科学与工程学院固态相变原理与应用热稳定化：冷却缓慢或停留，M转变迟滞原因：C，N偏聚，强化了A，增加了切变阻力材料科学与工程学院固态相变原理与应用机械稳定化：当变形量小时，弹性应力集中的部位增多，这种缺陷组态有利于马氏体的形核；随着变形量的增加，奥氏体中将形成大量的高密度位错，破坏了新相与母相之间的共格关系，母相被强化，切变阻力增加，从而增大了奥氏体的稳定性。材料科学与工程学院固态相变原理与应用•马氏体具有高强度硬度的原因（强化机理）。相变强化：切变造成马氏体晶体内产生大量的微观缺陷（位错、孪晶及层错等等）固溶强化：过饱和间隙原子使晶格产生严重的点阵畸变。材料科学与工程学院固态相变原理与应用时效强化：C原子扩散偏聚钉扎位错细晶强化（晶界强化）•马氏体的强度主要取决于含碳量；马氏体的韧性主要取决于其亚结构。屈服强度相同时，位错型马氏体的断裂韧性和冲击功比孪晶型马氏体的好得多。淬火后硬度偏低，为什么？材料科学与工程学院固态相变原理与应用5.贝氏体转变相变特点组织特点贝氏体形成过程（温度）贝氏体形态的决定因素性能特点材料科学与工程学院固态相变原理与应用•相变特点具有扩散和非扩散两重性碳原子的扩散对贝氏体相变起控制作用材料科学与工程学院固态相变原理与应用•组织特点（上，下贝氏体），上贝氏体：显微组织特点，组织示意图大致平行、碳含量接近平衡或稍微过饱和的板条铁素体为主体，板条间分布短棒状或短片状（不连续）渗碳体。下贝氏体：显微组织特点，组织示意图铁素体呈黑色针状或片状，细片或粒状碳化物，一般与铁素体片的长轴成55~60º的角。材料科学与工程学院固态相变原理与应用无碳化物贝氏体：大致平行的铁素体条，条间或条内无碳化物。但条间存在富碳的残余奥氏体或其转变产物。粒状贝氏体：铁素体呈不规则块状，块内分布不连续的粒状物（岛状），岛状物为富碳的过冷奥氏体或其全部或部分分解物。材料科学与工程学院固态相变原理与应用•贝氏体形成过程（温度）贝氏体相变包括两个基本过程，即贝氏体中铁素体的转变和贝氏体碳化物的析出。碳化物的析出方式决定了贝氏体的形态，而析出方式与含碳量和转变温度有关。材料科学与工程学院固态相变原理与应用•贝氏体形态的决定因素上，下贝氏体相变速度的控制因素碳的扩散及脱溶是控制贝氏体相变及其组织形态的基本因素。上贝氏体转变速度受碳原子在奥氏体中的扩散所控制；下贝氏体的转变速度受碳在铁素体中的扩散所控制。材料科学与工程学院固态相变原理与应用•性能特点（上，下贝氏体）强度硬度：贝氏体铁素体晶粒大小，弥散强化，位错密度，固溶强化冲击韧性主要取决于碳化物的分布上贝氏体不仅强度低，韧性也很差，是不希望得到的组织，下贝氏体具有高的强度和良好的韧性材料科学与工程学院固态相变原理与应用一般来说，同一种钢的贝氏体强度和硬度比马氏体低，比珠光体高得多；贝氏体的塑性和韧性比马氏体好，比珠光体低得多。材料科学与工程学院固态相变原理与应用要点：回火转变过程；马氏体单相和双相分解；碳化物转变方式；回火脆原因，预防措施；二次硬化机理；残余奥氏体。6.回火材料科学与工程学院固态相变原理与应用回火转变过程：预备阶段或时效阶段——碳原子偏聚；回火第一阶段——马氏体分解；回火第二阶段——残余奥氏体转变；回火第三阶段——渗碳体形成；回火第四阶段——α相的回复再结晶和渗碳体的聚集长大材料科学与工程学院固态相变原理与应用马氏体单相和双相分解：较低温度下，碳不能作远距离的扩散，马氏体基体出现高低两种不同的正方度；较高温度下：碳原子能进行较长距离的扩散，基体只有一种正方度。马氏体分解产物：回火马氏体，是立方马氏体加ε-碳化物。材料科学与工程学院固态相变原理与应用碳化物转变方式：原位转变，即在旧碳化物的基础上，依靠成分变化和点阵改组；在其它部位独立形核长大。碳化物变成渗碳体，组织为回火屈氏体，即铁素体加片状（或小颗粒状）