金属固态相变教学绪论课件PPT.ppt

金属固态相变原理principleofsolid statephasetransformationofmetals 授课教师 宋强山东科技大学材料科学与工程学院 绪论 一 本课程研究的对象及任务1 研究金属在固态下相变 加热 保温 冷却时的相变 的基本规律 原理 及相变产物的组织形态与性能间的关系 2 本课程研究的线索成分 热处理 组织形态 性能 应用3 任务 正确选材和合理制定热处理工艺 重视理论研究 初步掌握材料相变的基本规律 初步掌握组织与性能的关系 培养初步的科研能力 二 本课程的基本内容 热处理相变研究 奥氏体相变 珠光体相变 马氏体相变 贝氏体相变 回火相变 脱溶沉淀与时效ttt cct图研究 三 热处理是古老的技术又是尖端的技术 制陶 人类自觉进行热处理的最早事例 铜及其合金的中间退火 人类金属热处理的开端甘肃永靖秦魏家遗址出土约公元前1700年的青铜椎分析 基体组织 再结晶固溶体 晶粒粗大 共析组织沿加工方向变形再结晶退火 陨石加工中的退火 人类最早的钢铁热处理 退火在自然金加工中的应用 金箔 西汉时司马迁所铸的 史记 天官书 中就有 水与火合为 火卒 东汉班固所著 汉书王褒传 中有 巧冶干将之朴 清水 火卒 其锋 战国中晚期出土的钢铁兵器是目前我国看到的最早淬火器件 1974年在河北易县燕下都出土 从辽阳三道壕出土的西汉钢剑 经金相检查 发现其内部组织完全符合现代的淬火马氏体组织 从河北满城出土的西汉佩剑及书刀 检验结果发现其心部为低碳钢 表层为明显的高碳层 表明早在二千年前 我国已采用了淬火工艺和渗碳工艺 古代铸铁柔化处理技术 早在春秋 公元前770 前476年 战国 公元前475 前221年 时代 用生铁铸造生产工具和生活工具 这些铁器一般是白口铸铁 性硬而脆 故进行柔化处理 蒲元三国时蜀国人 长于淬钢 所制造的刀特别锋利 传说可将装满铁珠的竹筒砍断 故曰神刀 蒲元提出 用汉江之水淬火不行 必须用蜀江之水 汉中的水钝弱 不任淬 蜀水爽烈 三点 蜀地冶炼业的发达 前人制刀技巧和经验的继承 高超的热处理技术 淬火工艺綦毋怀文南北朝著名冶金家 曾用熔态的生铁灌注到未经锻打的熟铁中 使铁渗碳而成钢 并以熟铁为刀背 使刀富于弹性和韧性 用牲畜的溺和脂来浴淬 使刀锋刚利 称为 宿铁刀 灌钢法块炼法 块炼渗碳钢 百炼钢 炒钢 灌钢淬火介质的选用 双液淬火法 天工开物 宋应星18卷 乃粒 五谷 乃服 纺织 彰施 染色 粹精 粮食加工 作咸 制盐 甘嗜 制糖 陶埏 陶瓷 冶铸 铸造 舟车 车船 锤锻 锻造 燔石 烧造 膏液 油脂 杀青 造纸 五金 冶金 佳兵 兵器 丹青 朱墨 曲蘖 制酒 珠玉等 天工开物 中记载 凡熟铁 钢铁 已经炉锤 水火未济 其质未坚 乘其出火之时 入清水淬之 名曰健钢健铁 言乎未健之时 为钢为铁 弱性尤存也 由此可看出最早的热处理工艺是在锻造过程中结合起来的 很可能就是原始状态的形变热处理 首次记述了今俗称为 焖钢法 的箱式渗碳制钢工艺 热处理的发展现状及趋势 热处理可以决定产品的内在质量热处理技术是通过控制材料原子的排列方式来控制材料的使用性能高科技提高了热处理的内涵 激光热处理 电子束热处理 等离子热处理真空热处理 形变热处理 化学热处理美国热处理工业2020年的远景可以归纳描述如下 运用最新的cad 计算机辅助设计 程序和热处理数据库 计算机模拟的仿真技术和精确控制技术实现对热处理进行高度柔性化和智能化的全面控制及系统管理 热处理的总体发展战略 5e战略 可持续发展战略 endurable 产品质量的持续提高 enhancement 节约能源 energy 实现精确生产 exact 提高生产效率 降低生产成本 efficient 四 主要参考资料 刘云旭 金属热处理原理 机械工业出版社刘永铨 钢的热处理 冶金工业出版社戚正风 金属热处理原理 机械工业出版社赵连城 金属热处理原理 哈尔滨工业大学出版社g 克劳斯著 谢希文等译 钢的热处理原理 冶金工业出版社胡光立谢希文 钢的热处理 原理和工艺 西工大出版社 第一章金属固态相变基础 固态金属温度 压力变化组织 结构改变固态相变理论是金属热处理的理论依据和实践基础 1 1金属固态相变概论1 1 1主要分类一 按热力学分类1 一级相变 相变时新旧两相的化学势相等 但化学势一级偏微商不等的相变 最常见的相变 2 二级相变 相变时新旧两相的化学势相等 化学势一级偏微商也相等 但化学势二级偏微商不等的相变 有序化转变 磁性转变 二 按平衡状态图分类分类 平衡转变 不平衡转变1 平衡相变 equilibriumtransformation 固态金属 缓慢加热或冷却 获得符合相图的平衡组织1 同素异构 allotropic 转变纯金属 温度和压力改变时 有一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程 fe ti co sn2 多形性转变固溶体中一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程f a 注意这两者之间的区别 3 平衡脱溶 precipitation 转变缓慢冷却 由过饱和固溶体析出过剩相的过程fe3c 从a中析出特点 新相的成分与结构与母相不同 随新相析出 母相的成分和体积分数不断变化 但母相不会消失 4 共析 eutectoid 转变一个固相分解为两个不同的固相 特点 生成的两个相的成分和结构与原母相不同共析与逆共析5 调幅 spinodal 分解一种固溶体分解为结构相同 而成分明显不同的微区 1 2上坡扩散富溶质原子 1与贫溶质原子 26 有序化转变各组元的相对位置从无序 有序 二 不平衡转变 non equilibriumtransformation 快速加热或冷却 平衡转变受到抑制 发生某些在相图上不能反映的不平衡 亚稳 组织1 伪共析 pseudo eutectoid 转变由成分偏离共析成分的过冷固溶体形成的貌似共析体的组织转变 组成相的相对量由a的碳含量而变 2 马氏体 martensite 转变无扩散的共格切变型相变 结构 成分与a相同 3 块状 massive 转变冷却速度不够快 形成相的形状是不规则的块 与母相的成分相同 与母相的界面是非共格的 无扩散相变 4 贝氏体 bainite 转变有碳原子扩散而铁原子不扩散的不平衡转变5 非平衡脱溶沉淀 non equilibriumpricipitation 在不平衡状态下 过饱和固溶体中析出新相的转变 时效 三 按原子迁移情况分类 1 扩散型相变 非协同型转变相变时 相界面的移动是通过原子近程或远程扩散而进行的相变 基本特点 相变过程依赖原子的扩散 新相与母相成分不同 只有体积变化无宏观形状的改变2 非扩散型相变 协同型转变相变过程中原子不发生扩散 参与转变的所有原子的运动是协调一致的相变 特征 四 按相变方式分类1 有核相变 形核 长大2 无核相变 小结 相变过程的实质 1 结构 同素异构 多形性 马氏体 块状2 成分 调幅分解3 有序化程度 有序化转变 b 共析 脱溶沉淀 1 1 2金属固态相变的主要特点 相变驱动力 新相与母相间的自由能差形核 长大一 相界面 interphaseboundary 1 共格 coherent 界面两相在界面上的原子可以一对一的相互匹配 2 半共格 semi coherent 界面两相原子在界面上部分地保持匹配 刃型位错3 非共格 incoherent 界面两相的原子在界面上不再保持匹配关系 二 两相间的晶体学关系新相与母相之间往往存在一定的取向关系惯习面 habitplane 新相往往是在母相一定的晶面族上形成的 这些晶面或晶面族称之为惯习面 取向关系与惯习面的关系 三 弹性应变能 elasticstrainenergy 界面原子强制匹配 共格应变能 共格 半共格 非共格 0 依次降低比容差应变能 新 旧相比容不同 体积发生变化 新相与旧相之间必将产生弹性应变和应力与新相几何形状有关应变能 比容应变能 共格应变能弹性应变能与界面能一样 对相变起阻碍作用 讨论 固态阻力中 应变能与界面能以何者为主 四 晶体缺陷 crystaldefect 的影响晶体缺陷的存在对固态相变起促进作用 缺陷 点阵有畸变 畸变能释放 易于形核五 形成过渡相 transitionphase 过渡相 中间亚稳相 指成分或结构 或者成分和结构二者都处于新相与母相之间的一种亚稳状态的相 过渡相介于新相与母相之间 减小相变阻力的重要途径例如 马氏体回火时先形成与m基本保持共格的 碳化物 1 3固态相变时的形核 一 均匀形核 homogeneousnucleation 晶核在母相基体中无择优的任意均匀分布 g gvv s ev gv gs ge 与液态结晶相比 固态相变的阻力增加了一项应变能e 固态相变的均匀形核率要小得多 二 非均匀形核 heterogeneousnucleation 在母相内的择优地点上发生的形核过程 成分 结构 能量起伏 如择优在晶体缺陷处形核 固态相变的主要形核手段1 晶界形核界面 两个相邻晶粒的边界界棱 三个晶粒共同交界的一条线界隅 四个晶粒交于一点处 晶界 界面能 有利晶界形核 降低形核功2 位错 dislocation 形核位错可通过多种形式促进形核 位错线消失 释放能量 有利形核 位错依附于新相界面上补偿错配 降低应变能 溶质原子在位错线上偏聚 有利形核的成分起伏 有利形核 位错线作为扩散的短路通道 降低扩散激活能 加速形核 位错分解 扩展位错 层错部分作为新相的核胚3 空位 vacancy 及空位集团 vacancycluster 加速扩散过程 释放自身能量提供形核驱动力而促进形核 空位群亦可凝聚成位错而促进形核 1 4固态相变时的晶核长大 一 新相长大机理实质 界面向母相方向的迁移界面过程