第一章金属热处理4.ppt

1 5固态相变概述 1 5 1固态相变的一般特征 固态相变的定义 固体材料的组织 结构在温度 压力 成分改变时所发生的转变统称为固态相变 固态相变的根本动力 新相与旧相的自由焓差 大多数固态相变是通过形核和长大完成的 驱动力同样是新相和母相的自由焓之差 阻力 界面能和应变能 1 相界面 1 共格界面 2 半共格界面 3 非共格界面 固态相变的特点 惯习现象固态相变的产物可以是颗粒状 也可是针状或者片状 观察结果表明 针状新相的长轴以及片状新相的主平面 常平行于旧相的某一晶面 这类晶面叫做惯习面 惯习面可以看做新旧相的主要界面 惯习面 定义 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 奥氏体 先共析铁素体 奥氏体晶界 惯习面 111 新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成 惯习方向 母相 惯习面原因 沿应变能最小的方向和界面能最低的界面发展 2 位向关系共格和半共格界面时 两相间有一定的位向关系 位相关系和惯习面是两个不同的概念 惯习面是指的与新相主平面或主轴平行的旧相晶面 位相关系指的是新相 旧相某些低指数晶面 晶向的对应平行关系 3 应变能共格界面应变能最大 非共格界面表面能最大 按晶界两侧原子排列的连贯性分 共格晶界半共格晶界非共格晶界 共格晶界 界面两侧的晶体具有相似的结构和类似的取向 越过界面的原子面是连续的 界面的原子为两侧晶体所共用 这种晶界为共格晶界 理想共格晶界 由于两晶面的晶面间距不同 为保持晶面连续 必然产生弹性应变 失配度是产生弹性应变的量度 用 表示 式中 和 分别为两晶面的晶面间距 具有应变的共格晶界 和 相差愈大 愈大 弹性应变能愈大 弹性应变能大到一定程度 将通过引入位错 半个原子面 降低能量 即形成半共格晶界 半共格晶界 界面上分布着若干个位错及相当于小角度晶界的相界面 图中 失配度增大 弹性应变能增大 系统能量与c 2成正比 共格晶界在E点以后能量高于半共格晶界 当 0 04时 d 25C2 每25个晶面要插入 个附加的半晶面 0 1时 d 10C2 每10个晶面要插入1个附加的半晶面 失配度 愈大 间距d愈小 失配度太大 插入间距太密 成为非共格晶界 非共格晶界 界面上原子排列完全无序 不吻合 有很多缺陷分布在界面上 通过烧结得到的多晶体 绝大多数为这类晶界 P122 图4 18 d C2 C2 被插入者的晶面间距 形成半共格晶界时插入的位错数量是有限的 位错间距 4 温度的影响温度从两个方面影响固态相变 热力学和动力学 5 缺陷影响新相极易在缺陷处非均匀形核 1 5 2固态相变的形核 1 均匀形核 固态相变中均匀形核的可能性极小 自由能变化 临界形核功 均匀形核率 2 非均匀形核 能量条件 固态相变均匀形核的可能性很小 非均匀形核 依靠晶体缺陷 是主要的形核方式 1 晶界形核 非均匀形核概率 晶核最易在界隅形成 其次在界棱 最后是界面 只有晶界两侧界面都不共格时 晶核才类似球形 通常新相在大角度晶界形核时 一侧可能与母相具有一定的取向关系形成平直的共格或半共格界面 以降低界面能 减少形核功 另一侧必为非共格界面 为减少相界面面积 故呈球冠状 2 位错形核三种形式 1 位错线上形核 位错消失 降低形核功 2 位错不消失 依附于新相晶界 补偿失配 3 溶质原子在位错线上偏聚 促进形核 3 空位及空位集团空位促进溶质原子扩散 提供形核驱动力 空位群凝聚成位错促进形核 1 5 3晶核的长大 长大方式 扩散 切变扩散型相变新相的长大过程 界面控制 新相生成时无成分变化 扩散控制 新相生成时有成分变化 晶核长大类型 成分不变协同型长大成分不变非协同型长大成分改变协同型长大成分改变非协同型长大前两类无需溶质原子扩散 长大速度仅与界面点阵重构过程有关 故晶核长大速度很快 对于冷却过程中发生的相变 当相变温度较高时原子扩散速率较快 但过冷度和相变驱动力较小 晶核长大速率的控制因素是相变驱动力 相变温度较低时 过冷度和相变驱动力较大 原子的扩散速率将成为晶核长大的控制因素 晶核长大控制因素 生长速率受相界面控制的生长速率 受扩散控制的长大速率 固态相变速率决定于新相的形成速率和长大速率 1 5 4相变动力学 相变动力学通过具体描述相变微观机制 转变途径 转变速率以及一些物理学参量对相变的影响 从而得到相变量与时间的关系 相变热力学和动力学是密不可分的 本章小结 通过热处理可以改变相的组织结构 从而改变金属的力学和工艺性能 通过热处理可以改变固溶体中溶质原子的质量分数 固溶强化 晶粒和亚晶粒大小 细晶强化 位错密度的高低 位错强化 以及第二相的性质 可变形不可变形 数量 形状 球 片 针 棒 块 大小和分布 均匀和不均匀 晶内和晶界 这些组织特征决定了金属的性能 就最终热处理工艺而言 通常的热处理是 低碳钢采用渗碳加淬火再加低温回火 中碳钢采用淬火加高温或中温回火 高碳钢采用淬火加低温回火 合金元素对组织产生影响主要表现在 1 影响原子扩散 碳化物的溶解和析出过程 如提高淬透性 回火稳定性等 2 影响晶粒长大 3 影响其它原子的分布 如抑制第二类回火脆性 绝大多数固态相变是通过晶核的形成和长大完成