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1、第一章第一章 金属学基本概念金属学基本概念 及固态相变概论及固态相变概论一一 金属金属学基本概念学基本概念二二 二元合金相图二元合金相图三三 金属固态相变概论金属固态相变概论n金属金属 具有不透明、金属光泽、导热和导电性并且其导电能力随温度的增高而减小，富有延展性等特性的物质。金属内部原子具有规律性排列的固体。n原子尺度的结构原子尺度的结构 主价键：离子键，共价键，金属键 次价键：范德瓦尔斯键（分子键）一、基本概念一、基本概念n晶体：晶体：晶体是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体，即晶体是具有格子构造的固体。n晶格晶格：为了描述晶体的结构，把构成晶体的原子当成一个点，再用假想的线段将这些
2、代表原子的各点连接起来，就绘成了所表示的格架式空间结构。这种用来描述原子在晶体中排列的几何空间格架，称为晶格；排有结构粒子的这些点叫做晶格的结点。n晶胞：晶胞：由于晶体中原子的排列是有规律的，可以从晶格中拿出一个完全能够表达晶格结构的最小单元，这个最小单元就叫作晶胞。n晶体按其内部结构可分为七大晶系和14种晶格类型。其中常见的有体心立方、面心立方、密排六方等晶体结构。n实际上理想的晶体结构是不存在的，事实上，晶体都总是或多或少存在某些缺陷，可能存在空位、间隙离子、取代离子、位错等缺陷。表表1-1 布拉菲点阵的结构特征布拉菲点阵的结构特征（table1-1 the structural feat
3、ure of Bravais lattice）FCC-Fe,Al,Cu,Ag,Au,NiBCCCr,-Fe,W,Mo,V,-TiHCPMg,Zn,Cd,-Ti,-Con晶向指数的确定：晶向指数的确定：将坐标原点选在将坐标原点选在OP的任一结点的任一结点O点，把点，把OP的另一结点的另一结点P的坐标经等比例化简后按的坐标经等比例化简后按X、Y、Z坐标轴的坐标轴的顺序写在方括号顺序写在方括号 内，则内，则uvw即为即为OP的晶向指数。的晶向指数。晶向：晶向：点阵可在任何方向上分解点阵可在任何方向上分解为相互平行的直线组，位于一为相互平行的直线组，位于一条直线上的结点构成一个晶向。条直线上的结点构成
4、一个晶向。n晶面晶面：晶体点阵在任何方向上分解为相互平行的晶体点阵在任何方向上分解为相互平行的结点平面称为晶面，即结晶多面体上的平面。结点平面称为晶面，即结晶多面体上的平面。n晶面指数：晶面指数：结晶学中经常用（结晶学中经常用（hklhkl）来表示一组平）来表示一组平行晶面，称为晶面指数。数字行晶面，称为晶面指数。数字hklhkl是晶面在三个坐是晶面在三个坐标轴（晶轴）上截距的倒数的互质整数比。标轴（晶轴）上截距的倒数的互质整数比。晶体缺陷分四类：晶体缺陷分四类：n点缺陷：点缺陷：只在某些位置发生，只影响邻近几个原子。只在某些位置发生，只影响邻近几个原子。例如空位、间隙原子、杂质原子等。例如空
5、位、间隙原子、杂质原子等。n线缺陷：线缺陷：集中表现形式是位错，刃型位错和螺型位错，可被集中表现形式是位错，刃型位错和螺型位错，可被 电镜观察到。电镜观察到。n面缺陷：面缺陷：晶界和亚晶界，晶界和亚晶界，可被光学显微镜观察到。可被光学显微镜观察到。n体缺陷：如镶嵌块，沉淀相，空洞，气泡等。体缺陷：如镶嵌块，沉淀相，空洞，气泡等。n合金：合金：由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特性的物质。n相：相：指金属或合金中化学成分相同、晶格结构相同，或原子聚集状态相同，并与其他部分之间有明确界面的独立均匀组成部分。n组织：组织：组织是指用肉眼可直接观察的，或用放大镜、显微镜能观察分辨的材料内
6、部微观形貌图像。n固溶体：固溶体：固溶体是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。n固溶强化：固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。n金属化合物：金属化合物：合金组元件发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化合物。n机械混合物机械混合物 机械混合物 由纯金属、固溶体、金属化合物这些合金的基本相按照固定比例构成的组织称为机械混合物。n铁素体铁素体 碳在-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙固溶体。奥氏体晶体结构奥氏体晶体结
7、构奥氏体奥氏体碳在-Fe（面心立方结构的铁）中的间隙固溶体。渗碳体：渗碳体：碳 和 铁 形成的稳定化合物 Fe3C珠光体显微组织珠光体显微组织珠光体珠光体铁素体和渗碳体组成的机械混合物 （Fe+Fe3C 含碳0.77%）n莱氏体莱氏体 渗碳体和奥氏体组成的机械混合物（含碳4.3%）。二、二二、二 元元 合合 金金 相相 图图 相图相图:n相图就是表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图，也称为平平衡图衡图或状态图状态图。n合金在极其缓慢冷却条件下的结晶过程，一般可认为是平衡结晶过程。n在常压下，二元合金的相状态决定于温度和成分，二元合金相图可用温度-成分坐标系的平面图来表
8、示。n铜镍二元合金相图，n铜镍二元合金相图，是一种最简单的基本相图：。横坐标表示合金成分（溶质的质量百分数），左右端点分别表示纯组元（纯金属）和，其余的为合金系的每一种合金成分，如C点的合金成分为含20,含80。坐标平面上的任一点称为表象点表象点表示一定成分的合金在一定温度时的稳定相状态。二元合金的杠杆定律因该式与力学的杠杆定律相同，所以称为二元合金的杠杆定律杠杆定律。杠杆定律只适用于相图中的两相区，即只能在两相平衡状态下使用。n 2、匀晶相图匀晶相图 两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶，冷却时发生匀晶反应匀晶反应，称为匀晶系匀晶系并构成匀晶匀晶相图相图。例如Cu-Ni、Fe-Cr合金相图
9、等。枝晶偏析示意图n固溶体结晶时成分是变化的，冷却时由于原子的扩散充分进行，形成的是成分均匀的固溶体。如果冷却较快，原子扩散不能充分进行，则形成成分不均匀的固溶体。先结晶的树枝晶轴含高熔点组元（Ni）较多，后结晶的树枝晶枝干含低熔点组元（Cu）较多。结果造成在一个晶粒之内化学成分的分布不均,这种现象称为枝晶偏析枝晶偏析.n生产上为了消除其影响，常把合金加热到高温（低于固相线100左右），并进行长时间保温，使原子充分扩散，获得成分均匀的固溶体。这种处理称为扩散扩散退火退火。n3、共晶相图、共晶相图 两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶，冷却时发生共晶反应共晶反应的合金系，称为共晶系共晶系并构成共
10、晶相图共晶相图,如Pb-Sn相图。nd点为共晶点共晶点，表示此点成分（共晶成分共晶成分）的合金冷却到此点所对应的温度（共晶温度共晶温度）时，共同结晶出c点成分的相和e点成分的相。n由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫做共晶反应共晶反应。所生成的两相混合物（层片相间）叫共晶体共晶体。n4、共析相图、共析相图 如图所示，下半部分为共析相图共析相图，形状与共晶相图相似。d点成分（共析成分共析成分）的合金（共析合金共析合金）从液相经匀晶反应生成相后，继续冷却到d点温度（共析共析温度温度）时，发生共析反应共析反应，共析反应的形式类似于共晶反应，而区别在于它是由一个固相（相）在恒温下同时析出两个固
11、相（c点成分的相和e点成分的相），两相的混合物称为共析体共析体(层片相间)。共析反应是在固态下进行的，所以共析产物比共晶产物要细密的多。5、铁碳相图n铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图。n铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。n不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，FeFe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。由于-Fe和-Fe晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。n从某种意义上讲，铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。n在铁碳合金中一共有三个相,即铁素体,奥氏体和渗碳体.但奥氏体一般仅存在于
12、高温下,所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相,就是铁素体和渗碳体.由于铁素体中的含碳量非常少,所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中，这一点是十分重要的。铁碳相图铁碳相图n1.1.上半部分上半部分-共晶转变共晶转变n在1148,4.3%C的液相发生共晶转变；转变的产物称为莱氏体,用符号Ld表示。n2.2.下半部分下半部分-共析转变共析转变 在727,0.77%的奥氏体发生共析转变:转变的产物称为珠光体。水平线水平线ECFECF为共晶反应线为共晶反应线.水平线水平线PSKPSK为共析反应线，亦称为共析反应线，亦称A1A1线线.GSGS线是合金冷却时自线是合金冷却时自A A中开始析出中开
13、始析出F F的临界温度线的临界温度线,通常称通常称A3A3线线.ESES线是碳在线是碳在A A中的固溶线中的固溶线,通常叫做通常叫做AcmAcm线线.n固态相变理论是是热处理的理论依据和实固态相变理论是是热处理的理论依据和实践基础。例如，马氏体相变可使钢淬火强践基础。例如，马氏体相变可使钢淬火强化；过饱和固溶体分解使合金时效强化等。化；过饱和固溶体分解使合金时效强化等。因此，研究固态相变有重要的实际意义。因此，研究固态相变有重要的实际意义。n本章节将扼要介绍金属固态相变的主要类本章节将扼要介绍金属固态相变的主要类型、特点以及形核与长大方面的基本知识。型、特点以及形核与长大方面的基本知识。三三
14、金属固态相变概论金属固态相变概论n相：相：体系中具有相同成分、结构和性质的均匀部分体系中具有相同成分、结构和性质的均匀部分 称为相，不同相之间有明显的界面分开。称为相，不同相之间有明显的界面分开。n相变：相变：随外界条件的变化随外界条件的变化(温度温度)，体系中新相取代，体系中新相取代 旧相的过程。旧相的过程。n固态相变：固态相变：固态金属及合金在温度及压力改变时，固态金属及合金在温度及压力改变时，组织及结构发生的变化组织及结构发生的变化3.1 金属固态相变的主要类型金属固态相变的主要类型1.1.按平衡状态图分类按平衡状态图分类 (1)(1)平衡转变平衡转变：固态金属在缓慢加热或冷却时发生的能
15、获得符合相图所示平衡组织的相变。同素异构转变和多形性转变同素异构转变和多形性转变 平衡脱溶沉淀平衡脱溶沉淀 AB +L T固溶体固溶体纯金属纯金属共析相变共析相变如珠光体转变。由一个固相分解为两个固相的转变。如珠光体转变。由一个固相分解为两个固相的转变。调幅分解调幅分解 1+2高温合金单相固溶体在冷却到某一温度分解为两个高温合金单相固溶体在冷却到某一温度分解为两个结构结构相同相同 成分不同成分不同两相两相有序化转变有序化转变 无序无序 有序有序 原子在晶体中相对位置由无序到有序转变，使其电、原子在晶体中相对位置由无序到有序转变，使其电、磁、物理、机械性能变化。磁、物理、机械性能变化。如：如：C
16、u-Zn,Cu-Au,Mn-Ni,Fe-Ni,Ti-Ni合金等。合金等。(2)(2)不平衡转变不平衡转变 n不平衡转变：固态金属在不平衡转变：固态金属在快速快速加热和冷却时，加热和冷却时，由于平衡相变受到抑制，可能发生某些不平衡由于平衡相变受到抑制，可能发生某些不平衡转变而得到在相图上不能反应的不平衡组织。转变而得到在相图上不能反应的不平衡组织。不平衡转变不平衡转变 伪共析相变伪共析相变马氏体相变马氏体相变贝氏体相变贝氏体相变不平衡脱溶转变不平衡脱溶转变(时效时效)AB +L T +2.2.按原子迁移情况分类按原子迁移情况分类（1 1）扩散型相变）扩散型相变 温度足够高、原子活动能力足够强、时
17、间足够长情温度足够高、原子活动能力足够强、时间足够长情况下发生的相变。况下发生的相变。特点：特点：n相变过程有原子扩散，相变速率受原子扩散速度控制；相变过程有原子扩散，相变速率受原子扩散速度控制；n新、旧相成分不同；新、旧相成分不同；n新、旧相比容不同引起体积变化，但宏观形状不变。新、旧相比容不同引起体积变化，但宏观形状不变。如：同素异构转变、脱溶转变、共析转变、调幅分解、如：同素异构转变、脱溶转变、共析转变、调幅分解、有序化转变、珠光体转变等有序化转变、珠光体转变等（2 2）非扩散型相变）非扩散型相变 相变过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子运相变过程中原子不发生扩散，参与转变的所有原子
18、运动是协调一致的。原子只作有规则的迁移以使晶体点阵动是协调一致的。原子只作有规则的迁移以使晶体点阵重组，原子迁移范围有限不超过一个原子间距。重组，原子迁移范围有限不超过一个原子间距。如：淬火马氏体相变如：淬火马氏体相变 特点：特点：存在均匀切变引起宏观变形；存在均匀切变引起宏观变形；相变无扩散，新、旧相化学成分相同；相变无扩散，新、旧相化学成分相同；新、旧相之间存在一定晶体学取向关系；新、旧相之间存在一定晶体学取向关系；相变速度快。相变速度快。3.3.按相变方式分类按相变方式分类 (1)(1)有核相变有核相变 形核形核-长大长大方式进行相变。方式进行相变。(2)(2)无核相变无核相变 条件：条
19、件：可以以成分起伏或能量起伏为开始，直可以以成分起伏或能量起伏为开始，直接长大形成新相过程。接长大形成新相过程。如：调幅分解以成分起伏为开始，进行上坡扩如：调幅分解以成分起伏为开始，进行上坡扩散，形成两个成分不同的新相；散，形成两个成分不同的新相；马氏体相变以能量起伏为开始，靠共格切变直接长马氏体相变以能量起伏为开始，靠共格切变直接长大形成新相过程。大形成新相过程。相变的实质：是相结构、成分或有序化程度发生变化，相变的实质：是相结构、成分或有序化程度发生变化，相变可以兼有上述相变类型的一种或几种。相变可以兼有上述相变类型的一种或几种。如：如：马氏体相变马氏体相变 是非扩散相变、是非扩散相变、（
20、新旧相成分相同、结构不相同）（新旧相成分相同、结构不相同）珠光体相变珠光体相变 是扩散相变、是扩散相变、（新旧相成分不相同、结构不相同）（新旧相成分不相同、结构不相同）非平衡相变、非平衡相变、无核相变；无核相变；小结：小结：3.2 3.2 金属固态相变主要特点金属固态相变主要特点 1.1.相界面相界面特殊（新相和母相间存在不同的界面）特殊（新相和母相间存在不同的界面）(1)(1)共格界面共格界面 新、旧相的晶体结构、点阵常数相同；或有差异但存新、旧相的晶体结构、点阵常数相同；或有差异但存在一组特定晶体学平面可使两相原子之间产生完全匹配。在一组特定晶体学平面可使两相原子之间产生完全匹配。旧相旧相
21、新相新相特点：特点：界面能小，弹性畸变能大界面能小，弹性畸变能大(2)(2)半共格界面半共格界面 新、旧相之间存在少量位错，除此之外的晶体结构新、旧相之间存在少量位错，除此之外的晶体结构和点阵常数均能使两相原子之间产生完全匹配。和点阵常数均能使两相原子之间产生完全匹配。新、旧相间错配度新、旧相间错配度=|=|-|/|/小小0.05 0.05 共格关系共格关系大大0.050.050.25 0.25 半共格关系半共格关系很大很大0.25 0.25 非共格关系非共格关系(3)(3)非共格界面非共格界面 新、旧相界面处原子排列差别很大新、旧相界面处原子排列差别很大,两原子之间匹两原子之间匹配关系不再维
22、持配关系不再维持,为非共格界面。为非共格界面。特点：特点：界面能大，弹性畸变能小界面能大，弹性畸变能小界面能：非共格界面能：非共格半共格半共格共格共格弹性畸变能：非共格弹性畸变能：非共格半共格半共格0G T2 T3T2T3100%在一定过冷度下的等温转变动力在一定过冷度下的等温转变动力学可用阿弗拉密方程描述：学可用阿弗拉密方程描述：3 n 4n 4等温转变曲线：等温转变曲线：将将不不同同温温度度下下的的S S曲曲线线整整理理在在时时间间-温温度度曲曲线线上上，可可以以得得到到相相变变的的综综合合动动力力学学曲曲线线，即即等等温温转转变变曲曲线线。等等温温转转变变曲曲线线表表示示了了转转变变量量
23、、转转变变温温度度和和转转变变时时间间之之间间的的关关系系，一一般般是是由由两两条条形形状状呈呈C C形形的的曲曲线线构构成成，所所以以我我们们也也将将其其称称之之为为C C C C曲线曲线曲线曲线。习题一：习题一：1、金属固态相变有哪些主要特征？、金属固态相变有哪些主要特征？2、哪些因素构成固态相变阻力？哪些构成相变驱动力？、哪些因素构成固态相变阻力？哪些构成相变驱动力？3、金属固态相变主要有哪些变化？、金属固态相变主要有哪些变化？4、固态相变的过程中形核和长大的方式是什么？固态相变的过程中形核和长大的方式是什么？5、固态相变的长大速度受什么控制？、固态相变的长大速度受什么控制？本章重点：n1、各种固态相变的归类。n2、固态相变的特点。n3、固态相变驱动力和阻力。n4、固态相变的形核与长大（理解其基本过程和方式，公式不做要求）