热处理原理与工艺

热处理原理与工艺第1次课本次课主要内容：1.热处理的基本概念；2.热处理的发展过程；3.本门课程的主要内容，学习目的，意义及要求，考试方法；4.固态相变的定义，分类及基本特征；5.固态相变的形核与长大；6.热力学与动力学。问题的引出：1.什么是热处理？2.热处理的作用？将固态金属通过特定的加热和冷却，使之发生组织转变以获得所需性能的一种工艺过程。材料科学的发展历史材料与人类的生活息息相关工程上桥梁，机械，船舶，航天，兵器等日常生活中1.2金属热处理在现代工业中的地位冶金，机械，航空，兵器等工业部门不可缺少的技术；提高产品质量和寿命的关键工序；发挥金属材料潜力，达到机械零部件轻量化的重要手段；为开发新型材料提供了基础。成分工艺性能材料的三要素1.3热处理的发展概况民间技艺阶段实验技术科学阶段理论科学阶段西汉时代已有淬火处理的钢剑（辽宁三道壕出土）炼钢赤刀，用之切玉如泥焉明代宋应星《天工开物》十九世纪后期，钢加热/冷却时，内部组织变化—性能变化的内部原因英国RobertAustenFe-C相图德国AdophMartens金相显微镜austenite→martensite马氏体相变理论→新的强韧化工艺1.4本课程的主要内容，学习的意义，目的，方法主要内容金属固态相变基础钢中奥氏体的形成珠光体，马氏体，贝氏体转变钢的过冷奥氏体转变图钢的回火转变钢的退火，正火，淬火与回火钢的化学热处理加热设备冷却设备学习的意义系统地掌握金属热处理的基本原理和工艺方法；加深对热处理规律的认识，了解热处理主要设备；培养学生应用所学知识去分析和解决实际问题的能力。学习的方法理论联系实际参考书：1.田荣璋.金属热处理.冶金工业出版社，1985年；2.王希琳.金属材料及热处理.水利电力出版社，1992年；3．夏立芳编.金属热处理工艺学.哈尔滨工业大学出版社,2005年。考试方式考试采取闭卷形式。考核方式：笔试（70%），平时成绩（30%）1.5金属固态相变1.定义：固态金属在加热和冷却过程中可能发生的各种相的转变，称为固态相变。它是金属能进行热处理的理论基础和前提。2.分类按相变过程中原子的运动特点分类扩散型相变：一般均借助于原子的热激活运动而进行。非扩散型相变：转变前后组元原子的运动不超过一个原子间距的转变。按平衡状态分类平衡相变：在缓慢加热或冷却时所发生的能获得符合平衡相图的平衡组织的相变称为平衡相变。非平衡相变：加热或冷却速度很快时，固态材料可能发生某些平衡相图上不能反映的转变并获得不平衡或亚稳态的组织的转变称为非平衡转变。按热力学分类：一级相变：相变时新旧两相的化学势相等，但化学势的一级偏微商不等的相变。二级相变：相变时新旧两相的化学势相等，且化学势的一级偏微商也相等，但化学势的二级偏微商不相等的相变。1.6金属固态相变的基本特征金属固态相变的三种基本变化：（1）结构；（2）成分；（3）有序程度只有结构的变化：多形性转变，马氏体相变只有成分的变化：调幅分解既有结构又有成分上的变化：共析转变，脱溶沉淀1.6.1固态相变的一般特征固态相变的驱动力也为新相与母相的自由能差，与结晶过程相比，固态相变有其自身特点。1.6.1.1相界面按结构特点可分为：共格界面、半共格界面、非共格界面（1）共格界面两相界面上的原子排列完全匹配，即界面上的原子为两相所共有特点：界面能很小，弹性应变能大错配度δ=∆a/a越大，弹性应变能越大a:其中一相沿平行于界面的的晶向上的原子间距；∆a：两相在此方向上的原子间距之差。图1-3a)共格界面b)半共格界面c)非共格界面(2)半共格界面：相界面上分布若干位错，界面上的两相原子部分地保持匹配，弹性应变能降低。(3)非共格界面：两相界面完全不匹配，即存在大量缺陷的界面，为很薄的一层原子不规则排列的过渡层，界面能较高。0.050.25半共格界面非共格界面共格界面错配度1.6.1.2惯习面和位向关系固态相变时，新相往往在母相的一定晶面上开始形成，这个晶面称为惯习面。如：亚共析钢中，在{111}γ析出先共析铁素体------魏氏组织位向关系：新相与母相之间的某些低指数晶面和晶向往往存在一定的位向关系，以减小两相间的界面能。{110}α//{111}γ；111α//110γ1.2.3弹性应变能非共格相界面的体积（比容）应变能（由于比容不同）：球状最大，针状次之，盘状最小。两相界面上不匹配也引起弹性应变能，共格界面最大，半共格界面次之，非共格界面为零。图1-4新相形状与应变能的关系固态相变的阻力：界面能+应变能1.2.4晶体缺陷的影响大多数固态相变的形核功较大，极易在晶体缺陷处优先不均匀形核，提高形核率，对固态相变起明显的促进作用。1.2.5过渡相（亚稳相）的形成为了减少界面能，固态相变中往往先形成具有共格相界面的过渡相（亚稳相）。亚稳相有向平衡相转变的倾向，但在室温下转变速度很慢。1.3固态相变的形核1.3.1均匀形核定义：形核时晶核在母相中无择优地均匀分布，称为均匀形核。与凝固过程相比，增加了一项应变能∆G=V∆Gv+Sσ+εV(1-1)其中∆Gv----新旧相间单位体积自由能差σ----单位面积界面能ε----单位体积应变能相变驱动力：V∆Gv，新旧相间自由能差相变阻力：Sσ+εV，界面能+应变能设形成的新相晶核为球形对于r求导：0)(drGd图1-5球形晶核的自由能变化可得临界晶核尺寸：)21(2*VGr形成临界晶核的形核功)31()(31623*VGG形核功：晶核长大到r*所需克服的能垒，或所做的功。固态相变的形核率----单位体积母相中所形成的核心数N----单位体积母相中的原子数ν----原子振动频率∆G*----形核功Q----原子扩散激活能固态相变较难均匀形核)41(expkTQGNN1.3.2非均匀形核晶体缺陷储存的能量可使形核功降低，促进形核∆G=V∆Gv+Sσ+εV-∆Gd(1-5)-∆Gd----由于晶体缺陷消失所降低的能量晶体缺陷：空位、位错、晶界（1）空位空位通过促进溶质原子扩散或利用本身能量提供形核驱动力而促进形核。空位团可凝聚成位错而促进形核。脱溶沉淀时无析出区的形成原因空位对脱溶沉淀有促进作用，是沉淀相非均匀形核的位置。晶界附近的过饱和空位扩散到晶界而消失。（2）位错位错从三方面促进形核：围绕位错形核后，位错消失，释放出畸变能。对于半共格晶核，原有的位错成为界面位错，补偿了错配，降低了形核功。溶质原子常在位错线上偏聚，容易满足新相成分上的要求。（3）晶界大角晶界具有较高的界面能，在晶界上形核可利用晶界能量，使形核功降低。有三种位置：a)晶界面b)棱边c)隅角图1-6晶界形核时三种位置图1-7晶界面形核时晶核形状图1-8三晶粒相交的棱边图1-9四晶粒相交的隅角1.4固态相变的长大1.4.1长大机制(1)半共格界面的迁移半共格界面上存在位错列要随界面移动，位错要攀移台阶侧向移动，位错可滑移图1-11台阶长大机制（2）协同型长大机制无扩散型相变，原子通过切变方式协同运动，相邻原子的相对位置不变。如马氏体相变，会发生外形变化，出现表面浮凸。新相和母相间有一定的位向关系。图1-12马氏体相变表面浮凸1.4.2新相长大速度(1)界面控制型长大无成分变化的新相长大图1-13激活能示意图原子在母相α和新相β间往返的频率分别为:激活能激活能新旧相自由能差波尔兹曼常数原子振动频率，VVVGQQGkkTGQfkTQf)71(exp)61(exp设单原子层厚度为δ，则界面迁移速率为：)81(exp1exp)(kTGkTQffVV过冷度较小时，∆GV→0)91(exp1expkTQkTGVkTGkTGVVV随温度降低，两相的自由能差增大，新相长大速率增加。过冷度较大时，∆GVkT随温度降低，新相长大速率按指数函数减小。)101(exp0expkTQVkTGV(2)扩散控制型长大成分发生改变的相变，受传质过程，亦即扩散速度所控制。图1-14(a)平衡相图(b)界面附近浓度分布根据费克第一定律，扩散通量为随着温度的下降，溶质在母相中的扩散系数急剧减小，故新相的长大速率降低。dxCDxx0)111()(00xxxxxCCCDddxVdxCDdxCC图1-15新相长大速度与过冷度的关系1.4.3固态相变动力学研究新相形成量(体积分数)与时间、温度关系的学科称为相变动力学。与再结晶过程类似，形核—长大过程。（1）约翰逊-迈尔方程（Johnson-Mehl方程)当形核率和长大速度恒定时，恒温转变动力学时间形核率长大速度新相形成的体积分数NVfNVf)121(3exp143(2)阿佛瑞米方程(Avrami方程)当形核率和长大速度随时间而变时常数BnBfn43)131(exp1思考辨析题固态相变时，均匀形核多于非均匀形核。1.名词解释：固态相变；非平衡相变；惯习面；均匀形核。2.简述金属固态相变的基本特征。3.预习教材第二章（§2.1奥氏体的结构，组织和性能；§2.2奥氏体形成的热力学条件；§2.3奥氏体的形成机制；§2.4奥氏体等温形成动力学）。作业第二章奥氏体的形成2.1奥氏体及其形成机理2.1.1奥氏体的结构及其存在范围图2-1奥氏体的单胞奥氏体是碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体碳原子位于八面体间隙中心，即FCC晶胞的中心或棱边的中点八面体间隙半径0.52Ǻ碳原子半径0.77Ǻ→点阵畸变统计分布，浓度起伏图2-2Fe-C相图奥氏体相区：NJESGN包围的区域GS线----A3线ES线----Acm线PSK线----A1线碳在奥氏体中的最大溶解度为2.11wt%(10at%)碳原子的溶入使γ-Fe的点阵畸变，点阵常数随碳含量的增加而增大2.1.2奥氏体的性能奥氏体的比容最小，线膨胀系数最大，且为顺磁性（无磁性）。利用这一特性可以定量分析奥氏体含量，测定相变开始点，制作要求热膨胀灵敏的仪表元件。奥氏体的导热系数较小，仅比渗碳体大。为避免工件的变形，不宜采用过大的加热速度。奥氏体塑性很好，σS较低，易于塑性变形。故工件的加工常常加热到奥氏体单相区进行。2.1.3奥氏体形成的热力学条件图2-3自由能和温度关系图∆G=V∆Gv+Sσ+εV-∆Gd(2-1)-∆Gd----在晶体缺陷处形核引起的自由能降低相变必须在一定的过热度∆T下，使得∆GV0，才能得到∆G0。所以相变必须在高于A1的某一温度下才能发生，奥氏体才能开始形核。图2-4以0.125℃/min加热和冷却时，Fe-C相图中临界点的移动加热时临界点加注c：Ac1Ac3Accm冷却时临界点加注r：Ar1Ar3Arcm2.1.4奥氏体的形成机理奥氏体的形成为形核长大、扩散型相变奥氏体的形成过程可分成四个阶段：（1）奥氏体的形核（2）奥氏体的长大（3）渗碳体的溶解（4）奥氏体的均匀化图2-5奥氏体形成的四个阶段（1）（2）（3）（4）（1）奥氏体的形核形核的成分、结构条件在A1温度（727℃）：α+Fe3CγC%0.02186.690.77结构bcc复杂斜方fcc形核位置鉴于相变对成分、结构以及能量的要求，晶核将在α/Fe3C相界面上优先形成，这是由于：①相界面形核，可以消除部分晶体缺陷而使体系的自由能降低，有利于相变对能量的要求。②相界面两边的碳浓度差大，较易获得与新相奥氏体相适配的碳浓度，况且碳原子沿界面扩散较晶内为快，从而加速了奥氏体的形核。③相界面处，原子排列