第十一章-固态相变与材料处理(1).ppt

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1、第三篇材料的组织结构与性能控制基础第十一章固态相变与材料处理第一节固态相变总论第八章第三节铁碳相图第二节过饱和固溶体的分解第三节钢的加热及组织转变第四节钢的冷却及组织转变第五节钢的整体热处理第六节表面热处理技术第一节固态相变总论固体材料的组织、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。一.固态相变的特点和分类：固态相变时存在：晶体结构变化等；化学成分变化；有序度变化。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能之差。阻力:界面能和应变能，固态相变也符合最小自由能原理。（一）固态相变的特点1.固态相变阻力大固态相变时相变阻力除界面能外，还

2、增加了一项应变能（新相与母相比体积不同引起的体积应变）固态相变时，新相形成时要受到母相的约束，导致应变能的额外增加应变能的大小与新、旧两相质量体积差有关外，还与新相的几何形状有关2.原子迁移率低液态中原子扩散系数为10-7cm2/s，固态中为10-11~10-12cm2/s。熔点附近温度，固态原子扩散比液态中慢约10万倍。固态更容易过冷：冷速增加时，可获得更大的过冷度。3.非均匀形核母相中的晶体缺陷对固态相变起促进作用缺陷处存在晶格畸变，自由能较高，晶核容易在这些地方形成晶界、位错、层错、空位等缺陷是新相形核的有利位置同液相一样，固相中的形核几乎总是非均匀的。4.新相有特定

3、形状固态相变析出物形状与体积应变能和界面能有关：新相与母相保持弹性关系时：片状应变能最小，针状次之，球状最大；应变能为主要控制因素时：析出物为蝶状或针状。5.相界面结构关系固态相变时，新相与母相的界面是不同晶体的界面界面可分为共格、半共格（部分共格）、非共格3种（界面能与界面结构有关：共格界面能量最小，半共格能量居中，非共格能量最高）界面结构对相变时的形核、长大过程以及相变后的组织形态有很大影响7/30/20216.存在一定的位向关系和惯习面固态相变时新相往往沿母相的一定晶面优先形成，该晶面被称为惯习面在铁基合金和一些有色合金中都可看到沿惯析面析出的新相固态相变过程中，为了

4、减少界面能，相邻接的新、旧两晶体之间的晶面和相对晶向往往形成一定的晶体学关系（二）固态相变的分类1.按热力学分类一级相变：有体积变化，有相变潜热（放热或吸热），大多数相变属于一级相变；二级相变：二级相变时无体积效应和热效应，材料的压缩系数、热膨胀系数及比定压热容均有突变。磁性转变、有序——无序转变多为二级相变。2.按动力学分类：依据原子运动特征分扩散型相变：相变时有原子长距离扩散（超过原子间距），导致成分变化，大多数相变属于扩散型；非扩散型相变：没有原子扩散，相变前后没有成分变化；（如马氏体相变）7/30/20213.按相变方式分类：形核长大型相变：新相与母相间有界面，大多

5、数相变为此类；无核相变：新旧相之间无明显界面，如调幅分解。二.相变的热力学假设在均匀母相α中形成一个半径为r的球形新相β，则系统总自由能变化量为：ΔG(ΔG=Gβ-Gα)Gα代表原始相（即母相）的Gibbs自由能Gβ代表生成相（即新相）的Gibbs自由能（一）相变时自由能的变化ΔGν----形成单位体积晶核时的自由能变化,常为负值；ΔGE----形成单位体积晶核时所产生的应变能；γ----晶核与基体之间交界面的单位面积界面能固态相变时形成半径为r的球形晶胚所引起系统自由能的变化（ΔG）为：△G=(4π/3)r3(△GV+△GE)+4πr2γαβ化学自由能使系统总自由能的降低

6、是相变的驱动力，界面能和应变能是相变的阻力，相变发生的条件是系统总自由能的下降，即△G<0.（二）相变时临界形核条件形成临界晶核必须首先克服形核势垒△G*，△G*称为临界晶核的形核功。γαβ、△GE减小，晶核临界尺寸减小，均可降低△G*，有利于新相形核。反之形核困难。三.相变的动力学相变动力学主要设计相变的形核速率和长大速率。（一）形核速率k是系数，ΔG*为形核功；Q为扩散激活能；K为玻尔兹曼常数；T为绝对温度（二）长大速率长大速率受相变驱动力ΔG和扩散系数D两个因素控制。λ为原子每次跃迁距离。第八章第三节铁碳相图铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对应用以及热加工和热处理也有指

7、导意义。铁与碳可以形成一系列化合物，整个相图包括Fe-Fe3C,Fe3C-Fe2C,Fe2C-FeC,FeC-C等，当C超过6.69%时合金脆性很大，无使用价值，因此只研究一部分。一.铁碳合金的组元①Fe铁是过渡族元素，熔点为1538℃，密度是7.87g/cm3。工业纯铁的力学性能特点是强度低、硬度低、塑性好。纯铁的冷却曲线如下图：②Fe3CFe3C是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物，通常称为渗碳体，用Cm表示。渗碳体的力学性能特点是硬而脆。二.铁碳合金中的相①  液相L：铁与碳的液溶体②δ相：高温铁素体，碳