第1章金属固态相变概论.优秀PPT.ppt

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1、钢的热处理钢的热处理(原理和工艺原理和工艺)一、主要内容一、主要内容金属固态相变概论金属固态相变概论钢的加热转变钢的加热转变钢的冷却转变钢的冷却转变钢的钢的ITIT图和图和CTCT图图钢的热处理工艺钢的热处理工艺一般热处理一般热处理表面热处理表面热处理化学热处理化学热处理上一页上一页下一页下一页通通通通过过过过钢钢钢钢的的的的加加加加热热热热和和和和冷冷冷冷却却却却组组组组织织织织转转转转变变变变原原原原理理理理，了了了了解解解解金金金金属属属属与与与与合合合合金金金金的的的的化化化化学学学学成成成成分分分分、组组组组织织织织性性性性能能能能与与与与加加加加工工工工工工工工艺艺艺艺之之之之间间

2、间间的的的的内内内内在在在在联联联联系系系系及及及及其其其其变变变变更更更更规规规规律律律律，加加加加深深深深对对对对材材材材料料料料的的的的组组组组织织织织确确确确定定定定性性性性能的理解。能的理解。能的理解。能的理解。依依依依据据据据ITIT图图图图和和和和CTCT图图图图并并并并结结结结合合合合铁铁铁铁碳碳碳碳相相相相图图图图，确确确确定定定定钢钢钢钢的的的的热热热热处处处处理工艺；理工艺；理工艺；理工艺；初初初初步步步步具具具具有有有有合合合合理理理理选选选选用用用用材材材材料料料料和和和和正正正正确确确确制制制制定定定定热热热热加加加加工工工工工工工工艺艺艺艺的的的的实实实实力力力力

3、，为为为为设设设设计计计计与与与与制制制制造造造造优优优优质质质质零零零零件件件件打打打打好好好好必必必必要要要要的的的的理理理理论论论论基基基基础。础。础。础。二、课程要求二、课程要求上一页上一页下一页下一页第第1章章 金属固态相变概论金属固态相变概论1.1 金属固态相变的主要类型金属固态相变的主要类型1.2 金属固态相变的特点金属固态相变的特点1.3 固态相变时的形核固态相变时的形核1.4 固态相变时的晶核长大固态相变时的晶核长大1.5 固态相变动力学固态相变动力学第一章第一章 金属固态相变概论金属固态相变概论相变相变 从广义上讲，构成物质原子（或分子）的聚合状态（相状态）发生变更的过程均

4、称为相变。从广义上讲，构成物质原子（或分子）的聚合状态（相状态）发生变更的过程均称为相变。如：从液相到固相的凝固过程；如：从液相到固相的凝固过程；从液相到气相的蒸发过程。从液相到气相的蒸发过程。固固态态材材料料在在温温度度和和压压力力变变更更时时，其其内内部部组组织织和和结结构构会会发发生生变变更更，即即发发生生从从一一种种相相状状态态到到另另一一种相状态的转变，这种转变叫固态相变。种相状态的转变，这种转变叫固态相变。相变前的相状态称为旧相或母相；相变前的相状态称为旧相或母相；相变后的相状态称为新相。相变后的相状态称为新相。固态相变固态相变上一页上一页下一页下一页1.1 1.1 金属固态相变的

5、主要类型金属固态相变的主要类型 1.1.1 平衡转变平衡转变 在缓慢加热或冷却时所发在缓慢加热或冷却时所发生的能获得符合平衡状态图的生的能获得符合平衡状态图的平衡组织的相变。平衡组织的相变。（1）同素异构转变和多形性）同素异构转变和多形性转变转变 纯金属在温度和压力变更时，纯金属在温度和压力变更时，由一种晶体结构转变为另一种由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程称为同素异构晶体结构的过程称为同素异构转变。转变。在固溶体中发生的同素异在固溶体中发生的同素异构转变称为多形性转变。构转变称为多形性转变。上一页上一页下一页下一页 （2）平衡脱溶沉淀平衡脱溶沉淀 在在缓缓慢慢冷冷却却条条件件下下，由由

6、过过饱饱和和固固溶溶体体中析出新相的过程。中析出新相的过程。图图图图1.1 1.1 1.1 1.1 具有脱溶沉淀的二元具有脱溶沉淀的二元具有脱溶沉淀的二元具有脱溶沉淀的二元合金平衡相图合金平衡相图合金平衡相图合金平衡相图上一页上一页跳跳 转转 （3 3）条幅分解）条幅分解）条幅分解）条幅分解 由一种固溶体分解为由一种固溶体分解为由一种固溶体分解为由一种固溶体分解为结构相同，而成分不结构相同，而成分不结构相同，而成分不结构相同，而成分不同的两种固溶体的转同的两种固溶体的转同的两种固溶体的转同的两种固溶体的转变。变。变。变。反应式：反应式：反应式：反应式：1+2 1+2 特点：特点：特点：特点：成

7、分波动自动调整，分成分波动自动调整，分成分波动自动调整，分成分波动自动调整，分解产物只有溶质的贫解产物只有溶质的贫解产物只有溶质的贫解产物只有溶质的贫区与富区，二者之间区与富区，二者之间区与富区，二者之间区与富区，二者之间没有清晰的相界面。没有清晰的相界面。没有清晰的相界面。没有清晰的相界面。通过上坡扩散，最终使通过上坡扩散，最终使通过上坡扩散，最终使通过上坡扩散，最终使原来的匀整固溶体变原来的匀整固溶体变原来的匀整固溶体变原来的匀整固溶体变为一个不匀整固溶体。为一个不匀整固溶体。为一个不匀整固溶体。为一个不匀整固溶体。图图图图1.2 1.2 1.2 1.2 具有溶解度间隔具有溶解度间隔具有溶

8、解度间隔具有溶解度间隔的平衡状态图的平衡状态图的平衡状态图的平衡状态图上一页上一页下一页下一页（4）共析转变共析转变 合合金金在在冷冷却却时时由由一一个个固固相相分分解解为为两两个个不不同同固固相相的的转转变变,如如AP（FFe3C）。）。（5）有序化转变有序化转变 在在平平衡衡条条件件下下，固固溶溶体体中中各各组组元元原原子子的的相相对对位位置置由由无无序序到到有有序序的的转转变变过程。过程。上一页上一页跳跳 转转如如在在Fe-AlFe-Al合合金金系系平平衡衡图图中中，铝铝含含量量为为13.913.92020Fe-AlFe-Al合合金金从从700700以以上上的的无无序序 相相缓缓冷冷下下

9、来来时时，发发生生1 1（FeFe3 3AlAl），FeFe3 3AlAl为为有有序序固固溶溶体，具有体心立方结构体，具有体心立方结构。不平衡转变不平衡转变 如如加加热热或或冷冷却却速速度度快快，平平衡衡相相变变将将被被抑抑制制，固固态态材材料料可可能能发发生生某某些些平平衡衡状状态态图图上上不不能能反反映映的的转转变变并并获获得得不不平平衡衡或或亚亚稳稳态态的组织。的组织。（1）伪共析转变伪共析转变 某某些些成成分分的的钢钢，当当奥奥氏氏体体以以较较快快的的速速度度冷冷却却时时，奥奥氏氏体体被被过过冷冷到到ESES线线和和GSGS线线的的延延长长线线以以下下时时，将将同同时时析析出出铁铁素素

10、体体和和渗渗碳碳体体,这一过程称为这一过程称为伪共析转变伪共析转变。上一页上一页下一页下一页图图1.3 Fe-Fe1.3 Fe-Fe3 3C C相图左下角相图左下角上一页上一页下一页下一页（2）马氏体转变马氏体转变 将将奥奥氏氏体体以以较较大大的的冷冷却却速速度度过过冷冷到到低低温温区区，奥奥氏氏体体以以不不发发生生原原子子扩扩散散、不不引引起起成成分分变变更更的的方方式式，通通过过切切变变由由点点阵阵改改组组为为点点阵阵，这这种种相相变变称称为马氏体相变。为马氏体相变。其其转转变变产产物物为为马马氏氏体体，且且马马氏氏体体的的成成分分与与母母相相奥氏体的相同。奥氏体的相同。上一页上一页下一页

11、下一页（3）贝氏体转变贝氏体转变 钢钢中中的的奥奥氏氏体体过过冷冷到到珠珠光光体体和和马马氏氏体体转转变变温温度度之之间间，将将发发生生碳碳原原子子扩扩散散而而铁铁原原子子不不扩扩散散的的非非平平衡衡相相变变，这这种种相相变变称称为为贝贝氏氏体体相相变变（或称为中温转变）。（或称为中温转变）。其其转转变变产产物物是是相相与与碳碳化化物物的的混混合合物物，但但相相的的碳碳含含量量以以及及碳碳化化物物的的形形态态和和分分布布均均与珠光体不同，称其为贝氏体。与珠光体不同，称其为贝氏体。上一页上一页下一页下一页（4）非平衡脱溶沉淀非平衡脱溶沉淀 与与平平衡衡脱脱溶溶不不同同，合合金金固固溶溶体体在在高

12、高温温下下溶溶入入了了较较多多的的合合金金元元素素，在在快快冷冷条条件件下下，得到过饱和固溶体。得到过饱和固溶体。将将其其在在室室温温或或加加热热到到其其溶溶解解度度曲曲线线以以下下的的温温度度进进行行保保温温，从从过过饱饱和和固固溶溶体体中中析析出出一一种种新新相相，该该相相的的成成分分和和结结构构与与平平衡衡沉沉淀淀相相不不同同，这这一一过过程程称称为为非非平平衡衡脱脱溶溶沉沉淀淀（或时效）（或时效）。返返 回回下一页下一页结构结构 同素异构转变、多型性转变、马氏同素异构转变、多型性转变、马氏 体转变等只有结构上的变更；体转变等只有结构上的变更；成分成分 调幅分解只有成分上的变更；调幅分解

13、只有成分上的变更；有序化程度有序化程度 有序化转变只有有序化程度有序化转变只有有序化程度 的变更；的变更；共析转变、贝氏体转变、脱溶沉淀等共析转变、贝氏体转变、脱溶沉淀等则兼有结构和成分的变更。则兼有结构和成分的变更。类类型型上一页上一页下一页下一页1.2 1.2 金属固态相变的特点金属固态相变的特点 1.2.1 1.2.1 相界面相界面 （1 1）共格界面）共格界面 若若两两相相晶晶体体结结构构相相同同、点点阵阵常常数数相相等等，或或者者两两相相晶晶体体结结构构和和点点阵阵常常数数虽虽有有差差异异，但但存存在在一一组组特特定定的的晶晶体体学学平平面面可可使使两两相相原原子子之之间间产产生生完

14、完全全匹匹配配。这这种种界界面面称称为为共共格格界面界面。上一页上一页下一页下一页图图图图1.4 1.4 固态相变界面结构示意图固态相变界面结构示意图固态相变界面结构示意图固态相变界面结构示意图上一页上一页下一页下一页共格界面共格界面（2 2）半共格界面）半共格界面 界界面面上上的的两两相相原原子子部部分分保保持持匹匹配配，称称为为半共格界面。半共格界面。错配度错配度 当当增增大大到到确确定定程程度度难难以以维维持持完完全全共共格格时时，在在界界面面上上将将产产生生一一些些刃刃型型位位错错，以以补补偿偿原原子子间间距距差差别别过过大大的的影影响响，使使界界面面弹弹性性应应变变能降低。能降低。跳

15、跳 转转下一页下一页图图1.5 固态相变界面结构示意图固态相变界面结构示意图上一页上一页下一页下一页半共格界面半共格界面半共格界面半共格界面（3）非共格界面非共格界面 当两相界面处的原当两相界面处的原当两相界面处的原当两相界面处的原子排列差异很大，即错子排列差异很大，即错子排列差异很大，即错子排列差异很大，即错配度配度配度配度很大时，两相原很大时，两相原很大时，两相原很大时，两相原子之间的匹配关系便不子之间的匹配关系便不子之间的匹配关系便不子之间的匹配关系便不再维持，这种界面称为再维持，这种界面称为再维持，这种界面称为再维持，这种界面称为非共格界面非共格界面非共格界面非共格界面。图图图图1.6

16、 1.6 固态相变界面结构示意图固态相变界面结构示意图固态相变界面结构示意图固态相变界面结构示意图上一页上一页下一页下一页非共格界面非共格界面非共格界面非共格界面l 金属固态相变时，两相的界面能与界面结构金属固态相变时，两相的界面能与界面结构和界面成分的变更有关。两相界面上原子排列的和界面成分的变更有关。两相界面上原子排列的不规则性将导致两相界面能上升，非共格界面能不规则性将导致两相界面能上升，非共格界面能最高，半共格界面能次之，而共格界面能最低；最高，半共格界面能次之，而共格界面能最低；l 两相界面有吸附溶质原子的作用。由于溶质两相界面有吸附溶质原子的作用。由于溶质原子在晶格中存在时会引起晶

17、格畸变而产生界面原子在晶格中存在时会引起晶格畸变而产生界面能，但当溶质原子在界面处分布时，则会使界面能，但当溶质原子在界面处分布时，则会使界面应变能降低。因此，溶质原子总是趋向于在界面应变能降低。因此，溶质原子总是趋向于在界面处偏聚而使总的能量降低。处偏聚而使总的能量降低。上一页上一页下一页下一页 两相间的晶体学关系两相间的晶体学关系 (位向关系与惯析面位向关系与惯析面)固固态态相相变变时时新新相相与与母母相相间间存存在在确确定定的的位位向向关关系系，且且新新相相在在母母相相确确定定的的晶晶面上起先形成，这种晶面称为惯习面。面上起先形成，这种晶面称为惯习面。奥奥氏氏体体()()马马氏氏体体()

18、()转转 变变 时时，马马 氏氏 体体 总总 是是 在在 奥奥 氏氏 体体 的的111111晶晶面面上上形形成成，所所以以111111就是惯习面。就是惯习面。上一页上一页下一页下一页K-S关系关系 111111 110 110 上一页上一页下一页下一页位向关系位向关系pp一一一一般般般般说说说说来来来来，当当当当新新新新相相相相与与与与母母母母相相相相间间间间为为为为共共共共格格格格或或或或半半半半共共共共格格格格界界界界面面面面时时时时，两两两两相相相相之之之之间间间间必必必必定定定定存存存存在在在在确确确确定定定定的的的的晶晶晶晶体体体体学学学学取取取取向关系；向关系；向关系；向关系；pp

19、若若若若两两两两相相相相间间间间无无无无确确确确定定定定的的的的取取取取向向向向关关关关系系系系，则则则则其其其其界界界界面面面面必必必必定定定定为非共格界面。为非共格界面。为非共格界面。为非共格界面。弹性应变能弹性应变能 比容差应变能比容差应变能比容差应变能比容差应变能 弹性应变能弹性应变能弹性应变能弹性应变能 共格应变能共格应变能共格应变能共格应变能 金金金金属属属属固固固固态态态态相相相相变变变变时时时时，由由由由于于于于新新新新相相相相和和和和母母母母相相相相的的的的比比比比容容容容不不不不同同同同引引引引起起起起的的的的体体体体积积积积变变变变更更更更受受受受到到到到四四四四周周周周

20、母母母母相相相相的的的的约约约约束束束束而而而而产产产产生生生生弹弹弹弹性性性性应应应应变变变变和和和和应应应应力力力力，使使使使系统额外增加的能量称为比容差应变能。系统额外增加的能量称为比容差应变能。系统额外增加的能量称为比容差应变能。系统额外增加的能量称为比容差应变能。由由由由于于于于两两两两相相相相界界界界面面面面上上上上原原原原子子子子的的的的强强强强制制制制匹匹匹匹配配配配,在在在在界界界界面面面面旁旁旁旁边边边边区区区区域域域域内内内内产产产产生的应变能称为共格应变能。生的应变能称为共格应变能。生的应变能称为共格应变能。生的应变能称为共格应变能。上一页上一页下一页下一页界面共格时：

21、界面能界面共格时：界面能界面共格时：界面能界面共格时：界面能小小小小 弹性应变能弹性应变能弹性应变能弹性应变能大大大大界面半共格时：界面半共格时：界面半共格时：界面半共格时：界面能界面能界面能界面能 弹性应变能弹性应变能弹性应变能弹性应变能界面不共格时：界面不共格时：界面不共格时：界面不共格时：界面能界面能界面能界面能大大大大 弹性应变能弹性应变能弹性应变能弹性应变能为零为零为零为零弹性应变能与界面能关系弹性应变能与界面能关系 上一页上一页下一页下一页新相形态与界面能、弹性应变能的关系新相形态与界面能、弹性应变能的关系盘状：弹性应变能低盘状：弹性应变能低盘状：弹性应变能低盘状：弹性应变能低 界

22、面能高界面能高界面能高界面能高球状：弹性应变能高球状：弹性应变能高球状：弹性应变能高球状：弹性应变能高 界面能低界面能低界面能低界面能低针状：弹性应变能与界针状：弹性应变能与界针状：弹性应变能与界针状：弹性应变能与界 面能介于盘状和面能介于盘状和面能介于盘状和面能介于盘状和 球状之间球状之间球状之间球状之间1.5 1.5 新相几何形态对弹性应变能新相几何形态对弹性应变能新相几何形态对弹性应变能新相几何形态对弹性应变能(相对值相对值相对值相对值)的影响的影响的影响的影响界面能和弹性应变能的作用界面能和弹性应变能的作用若若若若过过过过冷冷冷冷度度度度大大大大临临临临界界界界晶晶晶晶核核核核尺尺尺尺

23、寸寸寸寸小小小小界界界界面面面面能能能能增增增增大大大大起起起起主主主主导导导导作作作作用用用用两两两两相相相相界界界界面面面面易易易易取取取取共共共共格格格格或或或或半半半半共共共共格格格格以以以以降降降降低低低低界界界界面面面面能能能能要使弹性应变能降低要使弹性应变能降低要使弹性应变能降低要使弹性应变能降低倾向于形成盘状倾向于形成盘状倾向于形成盘状倾向于形成盘状(或薄片状或薄片状或薄片状或薄片状)若若若若过过过过冷冷冷冷度度度度小小小小临临临临界界界界晶晶晶晶核核核核尺尺尺尺寸寸寸寸大大大大界界界界面面面面能能能能减减减减小小小小而而而而居居居居于于于于次次次次要要要要作作作作用用用用两两

24、两两相相相相间间间间倾倾倾倾向向向向于于于于形形形形成成成成非非非非共共共共格格格格界界界界面面面面以以以以降降降降低低低低弹弹弹弹性应变能。性应变能。性应变能。性应变能。(1)(1)(1)(1)若若若若两两两两相相相相比比比比容容容容差差差差较较较较大大大大弹弹弹弹性性性性应应应应变变变变起起起起主主主主导导导导作作作作用用用用形形形形成成成成盘盘盘盘(片片片片)状新相状新相状新相状新相以降低弹性应变能以降低弹性应变能以降低弹性应变能以降低弹性应变能 (2)(2)(2)(2)若若若若两两两两相相相相比比比比容容容容差差差差别别别别较较较较小小小小弹弹弹弹性性性性应应应应变变变变能能能能作作作

25、作用用用用不不不不大大大大形形形形成球状新相成球状新相成球状新相成球状新相以降低界面能以降低界面能以降低界面能以降低界面能 上一页上一页下一页下一页1.2.4 晶体缺陷的作用晶体缺陷的作用晶界、亚晶界、空位、位错等区域晶界、亚晶界、空位、位错等区域能量起伏、结构起伏和成分起伏大能量起伏、结构起伏和成分起伏大原子扩散激活能低，扩散速度快及原子扩散激活能低，扩散速度快及相变应力简洁被松驰相变应力简洁被松驰 简洁形核简洁形核上一页上一页下一页下一页1.2.5 形成过渡相形成过渡相 过过渡渡相相也也称称中中间间亚亚稳稳相相，是是指指成成分分或或结结构构，或或者者成成分分和和结结构构二二者者都都处处于于

26、新新相相与与母母相相之之间间的的一一种种亚亚稳稳状状态态的的相。相。缘由：形成过渡相可削减相变阻力。缘由：形成过渡相可削减相变阻力。上一页上一页下一页下一页1.3 1.3 固态相变时的形核固态相变时的形核1.3.1 匀整形核匀整形核 若晶核在母相基体中无择优地随若晶核在母相基体中无择优地随意匀整分布，称为匀整形核。意匀整分布，称为匀整形核。将将母母相相基基体体内内形形成成新新相相所所必必需需的的成成分分与与结构的微小区域，称为结构的微小区域，称为核胚核胚；若若这这种种核核胚胚的的尺尺寸寸超超过过某某一一临临界界尺尺寸寸，能稳定存在并自发长大，即成为能稳定存在并自发长大，即成为新相晶核新相晶核。上一页上一页下一页下一页 依据经典形核理论，金属固态相变匀整形核时系统依据经典形核理论，金属固态相变匀整形核时系统自由能的总变更自由能的总变更G为：为：当当G 4n4n4n4。上一页上一页下一页下一页图图1.14 等温转变曲线等温转变曲线上一页上一页下一页下一页