《金属热处理原理与工艺》课件 第2章 合金相变基本原理

第2章合金相变基本原理第2章合金相变基本原理1.1热处理中的相变

1.1.1固态相变基本概念

1.1.2平衡相变与非平衡相变1.2固态相变分类

1.2.1按热力学分类

1.2.2按相变方式分类

1.2.3按原子迁移方式分类1.3固态相变特征

1.3.1固态相变的驱动力和阻力

1.3.2相界面

1.3.3固态相变其他特点固态相变：固态物质内部的组织结构变化相：成分相同、结构相同、有界面同其他部分分隔的物质均匀组成部分相变是从已存的相中生成新的相

1.1.1固态相变基本概念1.1热处理中的相变新相:生成部分与原有部分存在着或成分不同、或相结构不同、或有序度不同、或兼而有之，并且和原来部分有界面分隔。原来的部分称为母相或反应相，在转变过程中数量减少，生成部分称为新相或生成相，在转变过程中数量增加。

三种基本变化：①晶体结构的变化纯金属的同素异构转变、固溶体的多形性转变、马氏体相变②化学成分的变化只有成分转变而无相结构的变化③有序程度的变化合金的有序化转变，以及与电子结构变化相关的转变（1）平衡相变温度变化过程非常缓慢，使相变发生过程中的原子结构和／或成分变化得以充分进行，称为平衡相变过程1.1.2平衡相变与非平衡相变同素异构转变在缓慢冷却条件下，由过饱和固溶体中析出过剩相的过程平衡脱溶沉淀共析转变合金在冷却时由一个固相分解为两个不同固相的转变称为共析转变（如珠光体转变）高温单相固溶体分解为结构相同，成分不同的两相上坡扩散（无明显界面和成分突变）调幅分解如：共析碳钢平衡转变：珠光体组织，硬度约为HRc23;快速转变：马氏体组织，硬度HRc60以上。Al-4%Cu合金平衡组织：抗拉强度仅为150MPa;不平衡脱溶沉淀：抗拉强度可达350MPa。通过改变加热与冷却条件，材料发生转变可获得特定组织，很大程度上改变材料性能。（2）非平衡相变发生平衡相变需要加热或冷却速率足够慢，以接近平衡状态，但实际金属材料的热处理过程中，总是以一定的速率进行加热或冷却，在此状态下，平衡相变会受到抑制，可能发生偏离平衡相图所描述的转变过程，获得不平衡组织或亚稳态组织，称为非平衡相变。非平衡脱溶沉淀快冷（T1）形成过饱和固溶体，等温析出新相，其结构和成分与平衡脱溶沉淀不同（时效）镁合金、铝合金等强化Fe-C相图中，当接近共析成分的钢以较快速率被过冷到GS和ES的延长线以下温度时，转变终了组织全部呈共析组织形态。转变产物α和Fe3C的比值不是定值，随碳含量以及冷却速度变化。伪共析转变低温下碳原子不能或不易扩散，无原子扩散和成分改变，切变方式进行。γ(奥氏体)

α׳(马氏体)T0:自由能相等温度Ms：马氏体转变温度马氏体转变珠光体转变和马氏体转变之间温度范围，Fe原子不能扩散，C原子扩散，(中温转变)。产物：α和Fe3Cα碳含量、形态，Fe3C形态和分布与珠光体不同。贝氏体转变固态相变分类按平衡状态分类按热力学分类按原子迁移分类按相变方式分类平衡相变非平衡相变同素异构转变（多形性转变)平衡脱溶沉淀共析转变调幅分解有序化转变伪共析相变马氏体相变贝氏体相变非平衡脱溶沉淀一级相变二级相变扩散相变非扩散型相变有核相变（形核长大）无核相变（失稳分解）1.2固态相变分类（1）一级相变

由ɑ相转变为β相时，μiα=μiβ，但化学势的一阶偏导数不相等，有体积V和熵S的突变。特点：相变潜热，体积改变、两相共存、相变温度滞后1.2.1按热力学分类凝固、熔化、升华以及同素异构转变等均属于一级相变。几乎所有伴随晶体结构变化的金属固态相变都是一级相变。

(2)二级相变

由ɑ相转变为β相时,μiα=μiβ,化学势的一阶偏导数相等，但二阶偏导数不相等，无体积效应和热效应。有序化、磁性转变、超导体转变压缩系数等压热容膨胀系数特点：无相变潜热，无体积的不连续性，但有Cp、、的不连续（1）有核相变：通过形核－长大两个阶段进行的相变；（2）无核相变：通过扩散偏聚方式进行的相变。1.2.2按相变方式分类（1）扩散型相变依靠原子（或离子）扩散的相变，例如脱溶沉淀、调幅分解、共析转变等；（2）非扩散型相变原子（或离子）作有规律的迁移使点阵发生改组的相变。1.2.3按原子迁移方式分类1.3固态相变特征1.3.1固态相变的驱动力和阻力相变热力学分析为固态相变提供判据新相与母相的体积自由能的差ΔGv，在高温下母相能量低，新相能量高，母相为稳定相。随温度的降低，母相自由能升高的速度比新相快。达到某一个临界温度Tc，母相与新相之间自由能相等，称为相平衡温度。低于Tc温度，母相与新相自由能之间的关系发生了变化，母相能量高，新相能量低，新相为稳定相，所以要发生母相到新相的转变。新相与母相基体间形成界面所增加的界面能新相与母相体积差所引起的弹性应变能自由能差界面能应变能相界面共格界面半共格界面非共格界面第一类共格第二类共格1.3.2相界面①共格界面：当界面上的原子所占据的位置恰好是两相点阵的共有位置时，两相在界面上的原子可以一对一地相互匹配。正应变切应变②半共格界面：如果一相的某一晶面上的原子排列和另一相的某晶面的原子排列不能达到完全相同，但相近，这样形成的界面在小区域内可以利用少量得到弹性变形来维持共格关系，适当利用位错的半原子面来进行补偿，达到能量较低。③非共格界面：当两相在界面上的晶体结构或晶格参数差别很大时，界面原子完全不匹配。Al/Al2Cu界面惯习面:固态相变时，为了降低界面能和维持共格关系，新相往往以特定晶向在母相的一定晶面上形成。与生成新相的主平面或主轴平行的母相晶面称为惯习面。通常用母相的晶面指数来表示。晶向则称为惯习方向，这种现象叫做惯习现象。

位向关系新旧相某些低指数晶面相互平行例：K-S关系钢中发生奥氏体γ向马氏体α′转变时，奥氏体的密排面｛111｝γ与马氏体密排面｛110｝α平行。奥氏体的密排方向﹤110﹥γ与马氏体密排方向﹤111﹥α′平行。｛110｝α′

||

｛111｝γ

，﹤11