金属固态相变.ppt

第一节固体相变的特征、相变有共同规律： 1、热力学-驱动力-能量差-能量下降是自发过程。 2、过程：形核、生长固体相变有其独特的规律：母相引出固体-各种特征：外观形状确定，几乎不变剪切强度大，难以扩散。 一、相变阻力大： 1、新生界面-界面能上升-驱动力下降。 相变初期的界面以上升为主导，界面生长后，体积自由能的下降为主导2，相变时的体积变化：膨胀或收缩-受母相约束-应变能-这对固体相变增加了新的能量-导致驱动力的下降3，扩散困难-难以均匀化。 二、新相与母相界面处的原子排列容易保持一定的匹配关系：匹配越好，界面能的增加越少。 三、新相晶核与母相之间有一定晶位方向关系的四、新相始终形成于母相的一定晶面：习惯面、习惯晶向-习惯现象、五、母相晶体缺陷有促进相变的作用：位错、空穴、晶界、亚晶界、孪晶-等自由能高，不稳定，相变驱动力大。 六、过渡相易出现：亚(介)稳定相。 原因：固体相变阻力大，扩散困难在母相和新相之间起协调、妥协的作用(结果)。 不然彼此不是。 社会和人类相似。 母相-比较不稳定相(-接近母相)-比较稳定相-稳定新相、第2节固体相变的基本类型、分类方法较多，P174的表9-1 (解析的) 1、扩散型相变：形核、生长-原子长距离扩散完成-即相界面的扩散、移动完成：扩散是控制因素。 相界面：非共格，严格的结晶学对应关系例：钢的共析相变，2，半扩散相变：介于前两者之间的过渡型相变。 例如钢的贝氏体相变： A-B(B=F Fe3C )，即A-F为滑动，非扩散型，c的析出(C-Fe3C )为扩散型相变，3，非扩散相变：新相的生成不是扩散，而是在塑性变形过程中滑动，产生双胞胎的形状-滑动和旋转而进行-“滑动型相变” 在相变过程中，原原子规律、协调地向新相变化，新相旧相的界面是共同的。 相变前后各原子间的邻接关系没有变化，成分也没有变化。 集体或整体改组。 例如钢的淬火：A-M，也称马氏体相变，第3节固体相变的形核和生长被忽略。 基本概念略提。 1、热处理：用固体加热、保温、冷却钢，改变钢的组织结构，以获得必要性能的技术，为简洁地表示热处理的基本工艺，通常用温度-时间坐标绘制热处理工艺曲线。 第4节钢的固体转移(钢的热处理原理)，热处理分类：“四根火”热处理原理：描述热处理时钢中组织转移规律的热处理原理。 热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称为热处理工艺。 一、钢加热时的组织转化、加热是热处理的第一步。 加热是在A1以下加热，不发生相变，另一个是在临界点以上加热，以得到均匀的奥氏体组织为目的，称为奥氏体化。 组织遗传性。 热惯性。 加热目的：“透热”，均匀、细a .(一)奥氏体形成过程的奥氏体化也是形核和生长过程，可分为4个阶段。 在此，以共析钢为例，(1)奥氏体核形成：首先在与Fe3C的边界形成核。 (2)奥氏体核生长：核通过碳原子扩散向Fe3C方向生长。 (3)残留Fe3C溶解：铁素体的成分、结构接近奥氏体，因此先消失。 剩馀的Fe3C随着保温时间的延长而溶解消失。 (4)奥氏体成分的均匀化： Fe3C溶解后，其存在部位的碳含量高，经过长时间的保温，奥氏体成分变得均匀。 亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。(2)奥氏体晶粒生长及其控制，1 .晶粒大小的表示方法：平均粒径、单位面积(体积)晶粒数、评价法：通常分为8级，1级最粗2 .奥氏体粒度的概念奥氏体化结束后的粒度称为起始粒度，此时粒径细致均匀。 随着加热温度的上升和保温时间的延长，奥氏体晶粒进一步生长也是一个自发的过程。 奥氏体晶粒生长过程与再结晶晶粒生长过程相同。 规定温度下奥氏体的结晶粒度称为实际结晶粒度。 加热时奥氏体晶粒的生长趋势称为本质晶粒度(粗、细)。 3、控制奥氏体晶粒大小；(1)加热温度和保温时间：加热温度高，保温时间长，晶粒粗大。 加热速度：加热速度越快，过热度越大，成核率越高，粒子越细。 钢的化学成分：1)C:共析成分增大的倾向最大，远离共析成分增大的倾向变小。 (未溶解碳化物被阻碍)、2 )合金元素：碳化物和氮化物形成元素. 强烈阻碍奥氏体晶粒生长的：Ti、v、Nb、Al、Zr，阻碍奥氏体晶粒生长的：Mo、Cr、w不阻碍奥氏体晶粒生长的：Ni、Cu、si (促进si微弱生长)促进奥氏体晶粒生长的：Mn、p、n、C(4) (四)超微细化处理：加热的应用-反复加热和冷却。 极细的a晶粒。 到了量的变化。 大大提高性能。 过冷奥氏体的等温相变曲线和连续冷却相变曲线，过冷奥氏体的相变方式有等温相变和连续冷却相变两种。 两种冷却方式的示意图1等温冷却2连续冷却，二是钢冷却时的组织转移、过冷却奥氏体的等温转移图是表示奥氏体急速冷却至临界点A1以下的温度下的保温过程的转移量与转移时间的关系的曲线。 也称为c曲线、s曲线或TTT曲线。 (1)共析钢过冷度a的等温相变曲线(c曲线)、(time-temperature-transformationdiagram )、A1-Ms间及相变开始线以左侧的区域为过冷度奥氏体区域。 转换结束线以右及Mf以下为转换产物区。 2线之间和Ms和Mf之间是过渡区。 c曲线的分析迁移开始线与纵轴的距离是育成期。 育成期越小，过冷奥氏体的稳定性越小。 育成期最小的地方被称为c曲线的“鼻尖”。 碳钢鼻尖温度为550。 鼻尖以上温度高，相变驱动力小。 在鼻尖以下温度低，很难扩散。 奥氏体稳定性提高。 c曲线明确表明了过冷奥氏体在不同温度下的等温转化产物。 2 .过冷奥氏体连续冷却过渡图过冷奥氏体连续冷却过渡图又称CCT (continuous-cooling-transformationdiagram )曲线，通过测定不同冷速下的过冷奥氏体过渡量得到。 1 )共析钢的CCT曲线共析钢的CCT曲线中没有贝氏体相变区，珠光体相变区下增加了一条转移终止线。 连续冷却曲线碰到相变中止线时珠光体相变中止，剩馀的奥氏体相变为马氏体直到Ms以下。 图中的Vk是CCT曲线的临界冷却速度，即得到马氏体组织整体时的最小冷却速度. vk是TTT曲线的临界冷却速度. vk1.5 vk。 2 )过共析钢CCT曲线也没有贝氏体相变区，但比共析钢CCT曲线多一条AFe3C相变开始线。3、在亚共析钢CCT曲线中存在贝氏体相变区域，AF开始线多，由于f析出，a含量上升，因此Ms线的右端下降， (2)过冷却a相变生成物的组织和性能1，珠光体相变1 )珠光体的组织形态过冷却奥氏体是从A1到550之间相变为珠光体型组织的铁素体和渗碳体的层间的机械混合物，根据层厚细分为珠光体、溶体和treo体。 珠光体：形成温度以A1-650、层厚以500倍、符号p表示. 固体，形成温度为650-600，层厚为800-1000倍，用符号s表示. 电子显微镜的形态，托氏体的形成温度为600-550，片层极薄，用电子显微镜可以区分，用符号t表示。 珠光体、资源、屈氏体三个组织没有本质上的差异，只是形态上的粗细程度，其界限也是相对的。 2 )珠光体力学性能片间距越小，钢强度、硬度越高，塑性和韧性稍有改善。 3 )珠光体相变过程珠光体相变也是形核和生长的过程。 珠光体转变是扩散型转变。 2、马氏体相变1 )马氏体的晶体结构在奥氏体过冷至Ms以下时转变为马氏体型组织。 马氏体相变是强化钢的重要方法之一。 马氏体晶体结构碳在Fe中的过饱和固溶体用m表示。 马氏体组织、马氏体相变时，奥氏体中的碳都残留在马氏体中，马氏体具有体心正方晶格(a=bc )轴比c/a为马氏体的正方度. C%越高，正角度越大，正畸变越大。 0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格，2 )马氏体的组织形态马氏体的形态分类为板条和针状。 C%1.0%C时，针状马氏体立体形态为双凸透镜形的片状。 显微组织为针状。 在电子显微镜中，亚结构主要为孪晶，也称孪晶马氏体。 3 )马氏体性能高硬度是马氏体性能的主要特点。 马氏体的硬度主要取决于碳含量。 碳含量增加，其硬度增加。 碳含量超过0.6%时，有硬度变缓的倾向。 合金元素对马氏体硬度影响不大。 马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。 另外，马氏体相变引起的组织微细化也有强化作用。 马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。 针状马氏体脆性大，板条马氏体具有良好的塑性和韧性，4 )马氏体相变的主要特征马氏体相变也是形核和生长的过程。 其主要特征为无扩散性，铁和碳都不扩散，因此马氏体的碳含量与奥氏体的碳含量相同。 (2)以马氏体点、Ms表示在某一温度范围内进行的马氏体相变开始的温度，以马氏体点、Mf表示马氏体相变结束的温度，当成为Ms以下时，产生马氏体相变。 在Ms以下，随着温度的下降，转移量增加，冷却中断，转移停止。 (3)相变不完全，即使冷却至Mf点也不能获得100%的马氏体，整体的一部分奥氏体未相变而残留，称为残留奥氏体，表示为a或。 (4)体积膨胀、相变应力和大变形3、贝氏体相变1 )贝氏体的组织形态过冷奥氏体在550-230(Ms )之间变化为贝氏体型组织，贝氏体用符号b表示。 根据其组织形式，贝氏体分为上贝氏体(b上)和下贝氏体(b下)。 光镜下呈羽毛状，电子显微镜下不连续的棒状渗碳体分布在从奥氏体晶界向晶内平行生长的铁氧体条之间。 下贝氏体形成温度为350-Ms。 镜下像竹叶。 电子显微镜下细片状碳化物分布在铁氧体针内。 上贝氏体强度和塑性低，不值得实用。 下贝氏体不仅强度、硬度高，而且塑性、韧性好，即具有良好的综合力学性能，是生产中常用的强化组织之一。2 )贝氏体的力学性能，4、钢的退火和正火，机械部件的一般加工技术是坯料(铸造、锻造)预加工、热处理准备机械加工最终热处理。 退火和正火主要用于预热处理，只有在工件性能要求不高时才作为最终热处理。 (1)退火和正火、退火的目的是将钢加热到适当的温度保温，然后缓慢冷却的热处理工艺叫做退火。 退火的目的：“4个现代化”降低(软化)硬度，切削加工变得容易。 适合加工的硬度为180-230HB。 颗粒化。 消除内部应力，防止加工过程中的变形。 使晶粒微细化、均匀化，为最终热处理做组织准备。 真空退火炉、退火工艺的退火种类很多，常用的是完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、脱应力退火、再结晶退火。 完全退火是将工件加热到Ac3 3050保温后缓冷的退火工艺，主要用于亚共析钢，适应材料：亚共析钢(碳、合金)的目的：微细化、均匀化、粒化、软化、去除应力。 提高切削性能。 t加=Ac3 3050t加=KDt保=D/25(Hr)V加：一般不限于v冷：非常缓慢的组织： F P性能：高塑性、韧性、低强度、硬度、等温退火亚共析钢加热至ac350，共析过共析钢加热至Ac1 3050，保温后立即停留在Ar1以下的某温度，相变结束等温退火可缩短工件在炉内停留的时间，由生长时间长的合金钢、退火目的、加热t、时间：与完全退火相同的冷却工艺：以硬度决定t等温的c曲线决定等温时间。 组织，性能，应用：与“完全退火”相同。 更合理。 球化退火球化退火是使钢中渗碳体球化的退火工艺。 将工件加热到ac1的3050保温后，缓冷或加热后，冷却到比Ar1稍低的温度保温，珠光体中的渗碳体球化后，对炉进行空冷。 主要用于共析、过共析钢。 适用材料：共、过共析钢(碳、合金)目的：造粒； 软化，提高切削性能。=Ac1 2030。 重要：低温短时间加热t KD； t保=D/25(Hr)V加：一般不限v冷：非常慢注意：原始组织不得有网状的Fe3C。 组织：粒状p。 粒状p 片材p . 性能：高塑性、韧性、低强度、硬度例：热处理工艺曲线、球化退火的组织是粒子状渗碳体分布在铁素体基体上的组织，称为球状珠光体，用p球表示。 (4)扩散退火(均匀化退火)、铸锭或铸件在凝固过程中不可避免地产生枝晶偏析等化学成分的不均匀现象，为了实现化学成分的均匀化而不进行扩散退火特征：加热温度高(一般Ac3或Acm为150300)，保温时间长(10h以上)。 成本高，组织粗糙。 (5)消除应变加工、铸造、焊接中产生的残馀应力，提高工件的尺寸稳定性，为了防止变形、裂纹，消除应力的退火。 特征：工件经炉逐渐加热至500600，保温一段时间后，经炉逐渐冷却至300200以下，从炉中出炉。 冷变形的金属加热到再结晶温度以上，保持适当的时间，使变形的晶粒再次变成均匀的等轴晶粒。 目的：消除加工硬化，提高塑性，改善切削加工和成形性能。 特征：加热温度通常比理论再结晶温度高100200，通常在脱应力退火温度以上. 例如西宁特钢： 720/5min (冷拉丝钢)、(6)再结晶退火，2 .正火正火是将亚共析钢加热到Ac3 3050，将共析钢加热到Ac1 3050，将过共析钢加热到Accm 3050保温后进行空冷的工序。 正火的冷却速度大于退火。 p片更细(s )，强度、硬度高于退火。正火温度、1 )正火的目的低、中碳钢(0.6C% )与退火的目的相同。 对于过共析钢，除去网状二次渗碳体，为球化退火做组织准备。 普通品的最终热处理。为了改善切削性能，低碳钢用正火、中碳钢用退火或正火、高碳钢用球化退火.2)工艺： (1)加热： T=Ac3(Accm) 3050V，t保持：与退火有厚度