金属材料组织控制原理教案

《金属材料组织控制原理》教案第一章金属固态相变概论：固态下晶体由于温度和压力的改变，导致组织和结构的改变，这种变化称之为固态相变。(1)温度：敏感，易控制，成为控制固态相变的主要因素（热处理炉）；压力：不易控制，不敏感（等压）。(2)组织和结构的改变，包含有成分的变化（局部成分）(3)固态相变具体表现：a.结构；b.成分；c.有序性有些转变仅具有一种变化；而有些转变兼有二种或三种变化。作用：大多数工程材料，如金属及其合金、陶瓷等晶体材料都存在着固态相变，固态相变的存在为工程材料提供了丰富的组织和性能，满足加工及不同工况下使用的性能要求：（以钢为例）最常见组织特性适用场合奥氏体(A)滑移系多，较软压力加工成型球光体(P)硬度低切削加工回火马氏体高强度，低塑性高耐磨，高强度回火屈氏体具有高的强度和韧性耐疲劳，冲击回火索氏体高韧性和抗回火性能高温600℃，冲击研究历史：始于矿物学家对万英等矿物的相变研究（陶瓷）石英SiO2不同温度下，存在不同相结构随后金属学家开始对钢的相变进行研究：如P相变，马氏体相变，B相变等等。下面仅介绍固态相变的普遍规律：§1.1金属固态相变的主要类型一、平衡转变定义：在缓慢加热或冷却时发生获得符合状态图平衡组织的相变为平衡转变。(一)纯金属的同素异构转变（无成分变化）在纯金属中，发生由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。如FeCoTiSn等。纯铁α---γ(二)多形性转变（局部成分发生变化）——固溶体在固溶体中发生的由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。如钢中铁素体奥氏体（C在Fe中固溶体）(三)平衡脱溶沉淀在缓慢冷却条件下，由过饱合固溶体析出过剩相的过程称为_______。特点：随着新相析出，旧相成分、体积分数不断变化，但旧相不消失，新相结构、成分始终与旧相不同。固溶度随温度降低而降低(四)共析转变冷却时，由一个固相分解为二个不同固相的转变。r→α+Fe3C（珠光体转变）(五)包析转变冷却时，由两个固相合并成一个固相的转变。α+β→r（钢中没有该转变）(六)调幅分解高温下具有均匀单相固溶体组织的合金，冷却到某一温度范围内可分解为两种结构与原固溶体相同，但成分有明显差别微区的转变。α→α1+α2即通过上坡扩散使均匀固溶体变成不均匀固溶体。(七)有序化转变固溶体中各组元原子的相对位置由无序到有序的转变过程。如Cn-Zn,Au－Cu中间相为基固溶体。二、不平衡转变由于加热或冷却速度过快，平衡转变受到抑制，固态金属可发生某些状态图上未能反映转变，获得不平衡组织或亚稳组织。实际金属的强韧化均通过不平衡转变，获得不平衡组织达到的，原因有二，一是实际热处理加热、冷却速度均很快难以按平衡转变；二是不平衡转变往往获得高强韧化效果的不平衡组织。(一)伪共析转变（以钢为例）当奥氏体以较快速度冷却到ES与GS延长线以下时，将从奥氏体中同时析出比值不定的铁素体与渗碳体。这一转变类似于共析转变（铁素体、与渗碳体比值一定），不同的是转变产物中铁素体量与渗碳体易比值不是定值，而随奥氏体的碳含量而变。(二)马氏体转变当奥氏体以更快冷速过冷到MS点以下，r点阵通过切变改组为过饱含α点阵的转变。进一步提高冷速，使奥氏体来不及进行伪共析转变，而过冷到更低的温度，这时Fe、c均难以扩散，通过点阵切变从γ点阵改组为α点阵，成分不发生变化。除Fe－C合金外，Cu合金，Ti合金，也发生马氏体相变。(三)块状转变纯Fe或低碳钢在一定冷速下，γ相可以转变为与之具有相同成分，形态呈块状的α相，这种块状新相的长大是通过原子短程扩散使新、旧两相间非共格界面推移而实现的。这种转变在Cu－Zn、Cn－Ga合金中也存在。(四)贝氏体转变在珠光体和马氏体转变温度之间，存在一个Fe原子已不能扩散而碳原子尚能扩散的一种特殊的不平衡转变。即具有珠光体转变，又具有马氏体转变的某些特征。是一种复杂的不平衡转变。转变产物贝氏体为α相与碳化物混合物，但α相碳含量、形态以及碳化物形态分布与P不同。以扩散角度(五)不平衡脱溶沉淀（时效）过饱合固溶体在室温或室温以上某一温度下，将自固溶体中析出成分与结构均与平衡沉淀相不同的新相的过程。当成分为b的合金加热到t1时，β相将全部溶于α相中，形成单一固溶体。如自t1缓冷，β相将沿固溶度曲线MN不断析出，发生平衡脱溶沉淀。若自t1快冷，在冷却过程中β相来不及析出，到室温获得过饱合的α固溶体，在室温或低于固溶体曲线MN某一温度下等温将α相中析出，在成分和结构上不同于平衡沉淀相的新相。应用：在低碳钢、铝、镁合金通过时效来强化。综上转变：均在结构、成分、有序化上的变化，有些转变只具有一种变化，而有些转变则同时兼有两种或三种变化。同素异构转变、多形性转变、马氏体转变、块状转变——只有结构上转变调幅分解只有成分上的变化有序化转变只有有序化程度的变化共析转变、脱溶沉淀，兼有结构和成分变化§1.2金属固态相变的分类一、按热力学分类根据相变前后热力学函数变化，可将固态相变分为一级相变和二级相变。一级相变：相变时新旧两相化学位相等，但化学位的一级偏微离不等的相变。α新相β旧相特点：即一级相变有热效应和体积效应。除部分有序化转变外，固态金属相变均为一级相变。二级相变：相变时新、旧两相化学位相等，且化学位一级偏微商也相等，但二级偏微商不相等。特点：无明显热效应和体积效应部分有序化转变、磁性转变属于二级相变。二、按原子迁移情况分类扩散相变：相变是依靠原子或离子扩散来进行的——无规则的迁移。要求转变温度足够高，原子或离子具有足够活动能力。如钢的加热转变（奥氏体转变）和珠光体转变（转变温度较高）。无扩散相变：相变过程中原子（或离子）不发生扩散，仅作有规则的迁移，使点阵发生改组。如马氏体相变。三、按相变方式分类有核相变：新相的核在旧相中形成，并通过不断长大完成相变。绝大多数相变属于有核相变，相变过程包括形核及长大两个阶段。无核相变：（调幅分解）无形核阶段，以固溶体中成分起伏为开端，通过上坡扩散，形成点阵结构相同，而成分不同，并以共格界面相联系的高浓度和低浓度两个相。§1.3金属固态相变的一般特征固态相变不同于凝固过程（固液两相是在液相中形核并长大）是在固相中形核并长大，因此具有一系列的自身的特点。一、相界面（由于均为晶体，不同于固液界面）根据界面上两相原子在晶体学上匹配程度的不同，分为：(一)共格界面：两相在界面上的原子可以一对一地相互匹配（即界面上的原子所占位置恰好是两相点阵共有位置）。只有对称孪晶界是理想的共格界面。实际上两相点阵总有一定差别，或是点阵结构不同，或是点阵参数不同。因此，两相界面要完全共格在界面附近必将产生弹性应变。特点：界面能低，应变能高。(二)半共格界面：两相在界面上的原子部分地保持匹配。错配度举例：当由于点阵长度差别引起错配度提高，要保证完全共格，使弹性应变能提高；当错配度达到一定程度，难以维持完全共格，在界面上产生一些刃型位错，来补偿两相原子间差距，变成部分匹配。特点：界面能提高，应变能降低。(三)非共格界面：两相在界面上由于错配度大，无匹配关系。特点：界面能高，应变能低。四、晶体缺陷的作用与液态金属不同，固态金属存在各种晶体缺陷，如空位、位错、晶界等。在缺陷周围有点阵畸变，储存畸变能，在固态相变时，释放出来作为相交的驱动力，对固态相变起促进作用。具体作用：(1)新相往往在缺陷处形核，提高形核率。(2)促进扩散过程，促进晶核生长。(五)形成过渡相过渡相：指成分或结构，或二者都处于新相与母相之间的一种亚稳状态的相。在固态相变中，有时新相与每相在成分、结构上差别较大，形成困难，而形成过渡相成为减少相变阻力重要途径。因为过渡相在成分、结构上更接近于每相，两相间易于形成共格成半共格界面，以减少界面能，从而降低形核功，使形核易于进行。但过渡相由于自由能高于平衡相，在一定条件下，继续转变为平衡相。二、惯习面与取向关系（两相间晶体学关系）固态相变时新相与母相往往存在一定的晶体学关系。惯习面：新相往往在母相一定的晶面族上形成，这种晶面称为______。特征：(1)惯习面上新相和母相的原子排列很相近，能较好地匹配，有助于减少两相间界面能。(2)惯习面往往为新相主平面或主轴所平行的母相晶面。取向关系：新相、母相某些低指数晶面和晶向的对应平行关系。举例：马氏体总是在奥氏体{111}晶面上形成，则{111}r为惯习面密排面{011}与奥氏体密排面{111}r相平行密排方向{111}与奥氏体密排方向{011}r相平行则取向关系为：{011}||{111}r；111||011r取向关系与相界面的关系：当新相与母相间为共格或半共格界面时，两相间必然存在一定的晶体学取向关系；若两相间无一定取向关系，则其界面必定为非共格界面；但有时两相间虽然存在一定的晶体学取向关系，也未必都具有共格或半共格界面，生长时共格或半共格界面破坏。三、应变能1．共格应变能：相界面上原子由于强制性的匹配，以形成共格或半共格界面，在界面附近产生弹性应变能。共格界面半共格界面非共格界面（应变能为零）2．比容差应变能：由于新相与母相比容不同，新相形成时体积变化受到周围母相约束而产生的弹性应变能。比容差应变能与新相几何形状的关系：Nabarro通过理论计算，把不同形状新相看作旋转椭球体。ca园盘（片状）c=a园球（粒状）ca园棒（针状）新相形态和界面取决于：（1）相变驱动力ΔG（ΔT）（2）与液态金属凝固同比，相变阻力增大界面能取决于界面匹配程度（球针盘）和面积（非共格半共格共格）；应变能主要取决于比容差，盘针球。（共格应变能相对比容应变能很小。）界面能、应变能对新相形态的影响：（界面能和应变能最低）两者兼顾ΔT大临界晶核小→界面能为主→共格或半共格→盘状（降低应变能）ΔT小临界晶核大→应变能为主→非共格举例：（1）钢中马氏体回火，先形成与马氏体基体保持共格ε碳物，随着回火温度的升高或回火时间延长，ε碳化物转变为与基体呈非共格的渗碳体。（2）铝合金的时效强化。§1.4固态相变的形核绝大多数固态相变（除调幅分解）都是通过形核与长大过程完成的，形核过程往往先在母相基体的某些微小区域内形成新相所必须的成分与结构称为核胚；若这种核胚尺寸超过某一临界尺寸，便能稳定存在，并自发长大，即成为新相晶核。若晶核在母相基体中无择优地任意均匀分布，称为均匀形核；若晶核在母相基体中某些区域择优地不均匀分布，则称为非均匀形核。在固态相变中均匀形核的可能性很小。一、均匀形核按经典形核理论、系统自由能总变化：（与液态金属结晶相比，相变阻力增加一相变应变能）ΔG=－ΔgVV+σS+EV=－ΔGV+ΔGS+ΔGFΔgV单位体积新相与母相自由能差σ单位面积界面能E单位体积应变能V体积S面积当低于平衡转变温度时，|ΔgVV|σS+EVΔG0自发过程临界形核功ΔG*=由于应变能存在，临界形核功增大固态相变均匀形核率：（与金属凝固过程相似）N单位体积每相中的原子数原子振动频率Q原子扩散激活动KBoltzmann数T相变温度固态下，Q值较大，ΔG*也较高，与凝固过程相比，固态相变均匀形核率要小得多。二、非均匀形核在母相的晶体缺陷处形核，金属固态相变主要依赖于非均匀形核。其系统自由能总变化为：ΔG=－ΔgVV+σS+EV－ΔGd与均匀形核相比，多出一项－ΔGd，表示非均匀形核时，由于晶体缺陷消失而释放出的能量，－ΔgVV－ΔGd为相变的驱动力，使临界形核降低，促进形核。各种晶体缺陷对形核的作用：(一)空位：通过加速扩散过程或释放自身能量一提供形核驱动力，促进形核。举例：A1－Cu，过饱合α固溶体，不平衡沉淀脱溶，在晶界附近没有沉淀相，形成无析出区，晶界附近空位进入晶界而淹没，远离晶界处保留很多空位。(二)位错1．位错线上形核，可借形核处位错线消失所释放能力作为相变驱动力，降低形核功。2．新相形核时，位错并不消失，而依附于新相界面上构成半共格界面上的位错部分，以补偿错配，从而降低应变能，使形核功降低。3．溶质原子在位错线上偏聚（柯氏气氛），使溶质含量增高，便于满足新相形成时作需的成分条件，使新相晶核易于形