相变原理Phase-Transformations-II

第四章非连续相变非连续相变及其特点•Definition:Adiscontinuoustransformationisaphasechangethattakesplaceacrossasharpinterfacethatmovesrelativelyrapidlythroughthemicrostructure.•特点：–界面两侧的平均成分相同非连续相变及其特点–反应生成相在界面两侧溶质浓度差异大。非连续相变及其特点–新相长大速度与时间呈线性关系（连续转变时为抛物线关系）：GR=K1t–“非连续性”表现在：当相变前沿移过某点后，相变过程也完成了；也就是说，相变过程发生在界面上（连续型相变在整个组织中一直都在发生）。–与连续相变的区别还在于：•(supersaturated)(saturated)+：与具有不同的位向但有相同的晶体结构；•(austenite)(ferrite)+Fe3C：母相与任意新相既有不同位向，也有不同晶体结构。非连续相变及其特点–反应生成物一般呈片状结构（也有例外）：这是由于虽然片状相具有较高的表面能，但是相变时原子的扩散距离很短。珠光体的形核与长大•形核步骤：–主要在奥氏体晶界上形成•晶界两侧的界面类型不同珠光体的形核与长大•形核步骤：•先形成相在亚共析钢中为铁素体，过共析钢中为渗碳体，共析钢中二者皆有可能。•一个相（如渗碳体）形成后会促进另外一相的形成（铁素体）珠光体的形核与长大•形核步骤：–铁素体附近存在碳的富集珠光体的形核与长大•珠光体团的形核方式（uninodulesandbinodules）»铁素体的形成促进了相邻晶粒内部碳原子的富集珠光体的形核与长大•珠光体团的长大–高能界面一侧推进较快珠光体的形核与长大•珠光体团的长大–层片组织可发生分支珠光体的形核与长大•珠光体团的长大–层片组织可发生分支珠光体的形核与长大•珠光体团的长大–界面的法向长大速度是侧向分支速度的1.4倍珠光体的形核与长大•珠光体团的长大–径向生长•在相变温度较低时，分支广泛生长——珠光体团发源于一点，形成扇状珠光体珠光体的形核与长大•珠光体团的长大–径向生长珠光体的层片结构•层片厚度：–取决于珠光体成分–对于的Fe-0.8%C合金：铁素体占87.5%；Fe3C=12.5%（二者密度分别为7.40和7.86g/cm3）——单片厚度比为1：7珠光体的层片结构•精细结构–台阶界面（约4个原子间距）珠光体形核率•非均匀形核——位置饱和–珠光体形核与奥氏体结构有关，主要在晶界开始；且在形核早期即占据几乎所有的晶界位置。珠光体形核率•非均匀形核——位置饱和–形核过程在珠光体相变早期即告停止（形核位置消耗完全）•形核率与奥氏体晶粒尺寸有关（长大速度则无关）•形核率先增加很快，然后减缓、下降并趋于0（位置饱和时）。•N=7.6t2珠光体形核率•早期形核率–渗碳体（半球）表面积：AC=4r2/2=2r2=2K1Dt–渗碳体表面积决定了铁素体形核的几率dtANNDtKNANGBFCFCP12珠光体形核率•早期形核率–早期形核率与时间平方成正比：所以增长较快。21tAKNGBP珠光体形核率•形核率随过冷度增加而增大珠光体长大动力学•扩散控制的长大过程–考虑单位体积的奥氏体转变为珠光体：•GR=V/t=1/t=n/(Co-C1)n=从面MNOP到QRST输运的碳原子摩尔数(Co-C1)=输运的碳摩尔浓度珠光体长大动力学•扩散控制的长大过程–各位置的浓度：珠光体长大动力学•扩散控制的长大过程–扩散方程：•J=-D{dC/dx}andn=JA•GR=JA/{Co-C1}={-DA/(Co-C1)}{dC/dx}{DA/(Co-C1)}{C/L}L=diffusionpathlength=K1dd=pearlitespacingK1½andisthepathlengthfromMtoQ•GR={DA/(Co-C1)}{C/K1d}珠光体长大动力学•扩散控制的长大机制–界面前沿奥氏体中的扩散–通过生长界面的扩散–铁素体中的扩散珠光体长大动力学•扩散控制的长大机制–铁素体中的扩散：比较认同：DD此时，C=(C2-C1)andA1(asMNOP1)andK1½.dDCCCCGR21012珠光体长大动力学•扩散控制的长大机制–界面前沿奥氏体中的扩散或GR=K2/ddDCCCCGR21014珠光体长大动力学•扩散控制的长大机制–通过生长界面的扩散珠光体长大动力学•扩散控制的长大机制–通过生长界面的扩散或GR=K3/d2210142dwDCCCCGIR珠光体长大动力学•扩散控制的长大机制–一般表达式：GRdn=constant–其它合金中扩散控制机制层片间距•实验观察到的层片间距较实际尺寸大•热力学–考虑单位体积的相变•G=VGv+APdd2层片间距•热力学A=2/dandG=Gv+(2/d)当G=0时，d取最小值：dmin=-2/Gv即：dPdmin–另外：Gv=Hv-TSv且在Te时，Gv=0Hv=TeSv对于任意T:Gv=Hv-(THv)/Te=THv/Te（其中T=Te–T）故：dmin=(-2Te)/(THv)层片间距•实际层片间距dP已知dPdmin（对应于G=0和GR=0）–以最大生长速度为判据：•GR=(-K1(G)D)/dP，且G=K2(C4-C1)/(Co-C1)•即GR={-K1D/dP}{(Gv)+(2/dP)}，(Gv)=-2/dmin•得•令得：dP=2dmin或PPRdddDKG112min10ddPRdGvePHTTd4层片间距•实际层片间距dP–以最大熵产生率为判据：•图中Fe-C接近理论值vePHTTdd63min层片间距•实际层片间距dP–以界面形状为判据：得到不同的dp/dmin层片间距•实际层片间距dP–其它实验结果ApparentspacingTruespacing:最大几率出现在dP1.6dmin层片间距•实际层片间距dP–其它实验结果长大速度与温度和晶粒尺寸的关系•与温度的关系–关系式–其它RTQTTDKTHTDKdddDKGeevPPRexp1122203222min1pCRdCCDG02长大速度与温度和晶粒尺寸的关系•与温度的关系GR=K1T2=K2/dp2长大速度与温度和晶粒尺寸的关系•与晶粒尺寸的关系JMA方程在珠光体转变中的应用•珠光体转变满足sigmoidal曲线JMA方程在珠光体转变中的应用•JMA方程–Vv=1-exp{(-/3)GR3t4}–Assumptions•Thenucleationrateandthegrowthratemustbeconstantwithtime.•Thepearlitenodulesshouldgrowthreedimensionally.(notalwaystrueinpractice)•Nucleationmustberandomthroughoutthemicrostructure.(notalwaystrueinpractice)PNJMA方程在珠光体转变中的应用•JMA方程–形成50%珠光体的时间：tH=0.9{GR3}t4–指数n：PNJMA方程在珠光体转变中的应用•JMA方程–JMAexponentnfordifferenttypesoftransformation：Polymorphicchanges,discontinuousprecipitation,eutectoidalreactions,interfacecontrolledgrowthConditionsnIncreasingnucleationrate4Constantnucleationrate4Decreasingnucleationrate3to4Zeronucleationrate(sitesaturation)3Grainedgenucleationaftersaturation2Grainboundarynucleationaftersaturation1JMA方程在珠光体转变中的应用•JMA方程–晶界形核的JMA方程•Forthecaseofnucleationonordinarygrainboundaries：Vv=1-exp{-2AGBGRt}•Forthecaseofnucleationongrainedges:Vv=1-exp{-LGR2t2}•Forthecaseofnucleationongraincorners:Vv=1-exp{(-4/3)GR3t3}AGB=grainboundaryareaperunitvolumeoftheausteniteL=numberofgrainedgesperunitvolumeoftheaustenite=numberofcompoundcornersperunitvolumeoftheausteniteJMA方程在珠光体转变中的应用•JMA方程–晶界形核的JMA方程马氏体相变马氏体及马氏体相变•Generaldefinition：Amartensitictransformationisatransformationbywhichonestructuretransformstoanotherstructurethroughahomogeneousdeformation.–Ahomogeneousdeformationisasheardeformation,throughwhichallatomsmoveinthesamedirectionandparalleltoafixedplane.马氏体及马氏体相变•切变量与马氏体形态–高切变量（S0.2）形成的马氏体：自触发透镜状马氏体–低切变量（S0.05）形成的马氏体：因表面浮突形成斑马条纹（内含亚结构）马氏体相变特点•无扩散性（贝氏体相变除外）：在热力学上新相与母相之间具有相同的化学成分，化学自由能只是温度的函数。•在高过冷度下形成，一般有马氏体形成开始温度Ms•马氏体通常是变温形成，在Ms以下随着降温不断形成；也可以等温形成马氏体。马氏体相变特点•马氏体可以通过在Ms以下的冷变形来诱发形成MdMs•马氏体转变期间可以发生热稳定化（如Ms以下冷却过程的中断）。•奥氏体——马氏体转变具有可逆性，并形成回线。Fe–Nidiagram马氏体相变特点•依靠切变形成的马氏体与母相之间具有共格或半共格界面。•切变及体积变化引起表面浮突。马氏体相变特点•新旧相间存在明确的晶体学位向关系。•在某些特定条件下发现马氏体片相互交叉，形成蝶状马氏体。马氏体相变热力学•驱动力马氏体相变热力学•驱动力马氏体相变热力学•Fe-Ni合金马氏体相变热力学•Fe-Ni合金马氏体相变动力学•马氏体形成量马氏体相变动力学•马氏体形成量马氏体相变动力学•马氏体形成量–Harris&Cohen:%Martensite=100-1.11x10-12{4.55-(Ms-T)}5.23–Other:V=exp{-1.10x10-2(Ms–TQ)}TMMTMVfssM)1(马氏体相变动力学•马氏体形成量马氏体相变动力学•马氏体形成速度马氏体相变动力学•马氏体形成速度（与声速的比值）马氏体形态•中脊马氏体形成•中脊马氏体形成•惯析面–与钢的成分有关•Type(225)habitplanes：•Type(259)habitplanes:•Type(111)habitplanes:马氏体形成•马氏体形成的步骤应力/变诱发马氏体•临界温度–Ms：theGvMislargeenoughtoformthefirstmartensitenuc