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1、第第1章章 金属固态相变的基础金属固态相变的基础 金属热处理就是将固态金属通过特定的加热和冷却，使之发生组织转变以获得所需性能的一种工艺过程的总称。热处理原理（即固态相变）则是阐明金属材料化学成分微观组织结构力学性能关系的科学。它是热处理工程的基础。固态相变概念：固态金属及合金在温度、压力改变时，内部相结构发生相互转变的现象，称为金属的固态相变。在相变过程中，往往发生成分、晶体结构、组织形貌和性能的变化。第一节：第一节：金属固态相变的主要类型金属固态相变的主要类型n按原子的迁移特征分类，可分为扩散型相变和无扩散型相变。n按相变的平衡状态可以分为平衡相变和非平衡相变；n按热力学分类，可分为一级相
2、变和二级相变；n按相变方式分类，可分为有核相变和无核相变。1按热力学分类按热力学分类n 相变的热力学分类是按温度和压力对自由焓的偏导函数在相变点（To，Po）的数学特征连续或非连续，将相变分为一级相变、二级相变或更高级的相变。n 在相变温度下，两相的自由焓及化学位均相等，即：G=G，=。如果，相变时的化学位的一级偏导数不等，则称为一级相变。即：n这说明：一级相变时，熵和体积将发生不连续变化，有体积和熵的突变，即有体积的胀缩及相变潜热的释放或吸收。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，如材料的凝固、溶化、升华及同素异构转变。n如果相变时，化学位的一级偏导数相等，即S=S,V =V,
3、但二级偏导数不等，则称为二级相变。n二级相变时，没有体积和熵的突变，即没有体积的胀缩及潜热的释放或吸收。但等温压缩系数，等压比热容，等压膨胀系数有突变。磁性转变、部分有序转变等为二级相变。2、按相变的平衡状态分类n按相变的平衡状态可以分为平衡相变和非平衡相变。2.1平衡相变：在极为缓慢的加热或冷却的条件下获得符合平衡相图的平衡组织的相变。同素异构转变、多形性转变、平衡脱溶分解、共析转变、调幅分解、有序化转变等均属于平衡转变。（1）同素异构转变和多形性转变多形性转变 n纯金属在一定的温度和压力下，由一种结构转变为另一种结构的现象称为同素异晶转变。n若在固溶体中发生这种结构的转变，则称为多形性转变
4、。如奥氏体是碳及合金元素溶入-Fe的固溶体。奥氏体能转变为铁素体、-铁素体。（2）平衡脱溶分解n在高温相中固溶了一定量合金元素，形成含有合金元素的固溶体，当温度降低时溶解度下降，此时固溶体成为过饱和固溶体，随着温度的降低将析出新相，称为平衡脱溶分解。此过程可表示为：（+）n在这个转变中，母相不消失，成分沿固溶度曲线MN变化，由。随着新相的析出，母相的成分和体积分数不断变化。新相的成分、结构与母相不同，且成分沿固溶度曲线变化。例如，奥氏体中析出二次渗碳体，铁素体中析出三次渗碳体，就属于这种转变。（3）共析转变共析转变 n定义：冷却时，固溶体同时析出两个不同成分和结构的新相的过程。n用反应式 +表
5、示。如钢中奥氏体分 解 为 珠 光 体 的 转 变：A P（F+Fe3C）。是两相共生共长的过程。（4）调幅分解n定义：某些合金在高温时形成均匀的单相固溶体，冷却到某一温度范围内时可分解为与原固溶体结构相同但成分不同两相个微区，如1+2，这种转变称为调幅分解.其特点是在初期的两个微区之间并无明显的界面和成分突变，但通过上坡扩散，最终使原来的单相固溶体分解成两个共格相。无需驱动力，且进行的速度极快。（5）有序化转变有序化转变n指固溶体各组元原子在晶体点阵中的相对位置从无序排列到有序排列的转变过程，可表示为（无序）。n 铁-铝合金、金-铜合金、铜-锌合金等合金系中都可以发生有序化转变。n如，在铁铝
6、系平衡图中，铝含量在13.920%的 Fe-Al合金,从700以上的无序-相缓冷下来发生1(Fe3Al)，Fe3Al为有序固溶体，具有体心立方结构。2.2非平衡转变 n在非平衡加热或冷却条件下，平衡转变受到抑制，将发生平衡图上不能反映的转变类型，获得不平衡组织或亚稳状态的组织。钢及有色合金中都能发生不平衡转变。如钢中可以发生伪共析转变，马氏体相变，贝氏体相变、非平衡脱溶分解等。(1)伪共析转变伪共析转变 n某某些些成成分分的的钢钢，当当非非共共析析成成分分的的奥奥氏氏体体快快冷冷到到ES线线和和GS线线的的延延长长线线以以下下阴阴影影区区时时，如如图图所所示示。同同时时析析出出铁铁素素体体和和
7、渗渗碳碳体体，但但二二者者的的相相对对量量随随奥奥氏氏体体的的含含碳碳量量而而变变，故故称为伪共析体。称为伪共析体。（2）马氏体相变n将奥氏体以较大的冷却速度过冷到低温区，奥氏体以无原子扩散、不引起成分改变，通过切变由点阵改组为点阵的方式发生转变，即经经无扩散无扩散过程形成的、过程形成的、与母相成分相同与母相成分相同的一种组织的的一种组织的转变。得到马氏体组织。（3）贝氏体转变n钢、有色金属及合金中均有贝氏体相变。n钢中的奥氏体过冷到中温区，在珠光体和马氏体转变温度之间，碳原子扩散而铁原子不扩散，形成以贝氏体铁素体为基体，其上分布着渗碳体，或碳化物，或残留奥氏体等相的整合组织的转变。（4）不平
8、衡脱溶沉淀 n与上述平衡脱溶不同，合金固溶体在高温下溶入了较多的合金元素，之后快冷，固溶体中来不及析出新相，一直冷却到较低温度下，得到过饱和固溶体。然后，在室温或加热到其溶解度曲线以下的温度进行等温保持，从过饱和固溶体中析出一种新相（第第二二相相），该新相的成分和结构与平衡沉淀相不同，此称不平衡脱溶沉淀。n恒温下析出的第二相粒子保持细小、均匀分布。恒温下析出的第二相粒子保持细小、均匀分布。如FeCu合金过饱和铁素体的脱溶（5）块状相变n块状转变中新相的成分与母相一样，但晶体结构不同，形貌呈块状。新相的长大是通过原子的短程扩散而实现的。如，纯铁或低碳钢在一定的冷却速度下相可通过块状相变的机制转变
9、为与母相成分相同而形貌呈块状的相的过程。3.按原子迁移特征分类按原子迁移特征分类n固态相变发生相的晶体结构的改变或化学成分的调整，需要原子迁移才能完成，即原子的迁移造成原有原子的邻居关系的破坏，则属扩散型相变。n扩散型相变大致有以下几种：平衡脱溶分解、共析转变、有序化转变、块状转变、多形性转变、调幅分解扩散型相变特点n（1）温度足够高，相变过程中有原子扩散运动，相变速率受原子扩散速度控制；n（2）新相和母相的成分不同；n（3）因新相和母相的比容不同而引起一定的体积变化，但无宏观形状的改变。无扩散型相变无扩散型相变n指转变前后未破坏原有原子的邻居关系，组元原子的位移不超过一个原子间距，仅作有规则的切变使晶格改组的转变。通常是在足够快的冷却速度下（即淬火）由于原子没来得及进行扩散型相变而引起的，如马氏体相变。非散型相变特点（1）温度很低，无原子扩散运动，新相和母相的成分相；且新相和母相之间存在一定的位向关系；（2）均匀切变将引起宏观形状的改变，可 在预先制备的抛光试样的表面上出现浮凸现象。4.按相变方式分类n（1）.有核相变：通过形核和长大的方式进行，新相和母相之间有界面分开。n（2）.无核相变：以固溶体中的成分起伏为开端，形成高浓度区和低浓度区，二者无明显的界限，成分由高浓度区连续过渡到低浓度区，通过上坡扩散，最终使原来的单相固溶体分解成两个成分不同而结构相同的共格相，如调幅分解。