第一章金属固态相变

界面弹性应变能降低。在这种界面上两相原子变为部分地保持匹
配，故称为半（或部分）共格界面。
（b）伸缩型半共格
来不及析出，待冷到室温时
便得到一过饱和固溶体a´。
如在室温或低于MN线的温度
下，溶质原于尚具有一定扩
散能力，则在上述温度停留
α
期间过饱和固溶体便会自发地发生分解，从中逐渐析出
γ
新相。 ——不平衡脱熔沉淀或时效
综上所述，尽管金属固态相变的类型很多，但就相变过程 的实质来说，其变化不外乎以下三个方面：
（三）共析转变 合金在冷却时由一个固相同时分解为两个不同的固相的转变
称为共析转变。如钢中的共析转变 γ → a + Fe3C
（四）调幅(增幅)转变 某些合金在高温下为均匀的单一固溶体，待冷却至某一温度范围 时，将分解成为两种与原固溶体的结构相同，而成分明显不同的 微区的转变称为调幅（或增幅）分解。反应式：γ → a + β
（一）共格界面 当界面上的原子所占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，这种 界面叫做共格界面。
（二）半共格界共格面晶面上弹性应变能的大小取决于相邻
两相界面上原子间距的相对差值δ,该相对
界面上弹性应变能的大小取决差于值即两为相错界配面度。上b原ram子fi间tt通距过的试相验得对出差，
值，即错配度
δ
= aβ − aα aβ
在非均质形核时，δ<6%的形核最有效，
。显然δ，=6δ-12愈%大的形，核弹中性等应有变效，能δ便≥愈12大%。的形
核无效。而且取向的三组晶向之间的夹角
当δ增大到一定程度时，便难以不继应该续为维钝持角完。全共格，这样就会在
界而上产生一些刃型位措，以补偿原子间距差别过大的影响，使
金属热处理
主讲 从善海
材冶学院金属材料工程系
教材：钢的热处理原理（原理与工艺）胡光立等编著
参考书： 《金属热处理原理》：戚正风编著，机械工业出版社出
版，1987年 6月《钢铁热处理原理及应用》，上海 科学技术出版社出版，1979年1月 《金属热处理工艺学》：夏立方编，哈尔滨工业大学出版 社，1996年2月 《热处理工艺学》：安运铮主编，机械工业出版社出版， 1988年6月
纯铁：熔点1538 → 1394℃ → 912℃ → 室温
体心立方 δ-Fe
面心立方 γ-Fe
体心立方 α-Fe
1538
温 1394 度 ℃
912
C L→δ-Fe
A δ-Fe → γ-Fe
N
γ-Fe → a-Fe G
L bbc:δ-Fe ffc: γ-Fe
bbc: a-Fe
冷却曲线
Q 相图
纯铁冷却曲线与相图
①结构，②成分，②有序化程度。 有些转变只具有某一种变化，而有些转变则同时兼有两 种或三种变化。例如，同素异构转变、马氏体转变、块状 转变等只有结构上的变化；调幅分解只有成分上的变化； 有序化转变只有有序化程度的变化，而共析转变、贝氏体 转变、脱溶沉淀等则兼有结构和成分的变化等等。不同的 转变可以获得不同的转变产物（即不同的组织和结构）， 因此，同一种金属或合金通过不同的热处理，便可获得不 同的性能。
如何改进现有材料？ 如何挖掘其潜力？如
何试制新材料等？
如何解决出 现的问题？
何谓金属固 态相变？
固态金属（包括纯金属及合金）在温度 和压力改变时，组织和结构会发生变 化，这种变化统称为金属固态相变。
金属中固态相变的类型很多，有的金属在不同的条件下会发生 几种不同类型的转变。掌握金属固态相变的规律及影响因素， 就可以采取措施控制相变过程，以获得预期的组织，从而使其 具有预期的性能。对于金属材料常用的措施就是特定加热和冷 却，也就是热处理。
二、热处理发展概况
人们在开始使用金属材料起，就开始采用热处理，其发展过 程大体上经历了三个阶段。 1、民间技艺阶段
西汉时代就出现了经淬火处理的钢制宝剑。战国时期即出 现了淬火处理，古书中有“炼钢赤刀，用之切玉如泥也”，可 见当时热处理技术发展的水平。在明朝以后热处理技术就逐 渐落后于西方。虽然我们的祖先很有聪明才智，掌握了很多 热处理技术，但是把热处理发展成一门科学还是近百年的事。 在这方面，西方和俄国的学者走在了前面，新中国成立以 后，我国的科学家也作出了很大的贡献。
调幅（增幅）转变是固溶体转变的一种特殊形式，它是一种无 核转变，即转变是不存在形核阶段，而是按扩散偏聚机制转 变，由一种固溶体分解为两种结构相同而成分不同的固溶体
调幅转变特点
在转变初期，新形成的两个微区之 间并无明显的界面和成分的突变， 但通过上坡扩散，最终使一均匀固 溶体变为一个不均匀固溶体。
何谓上坡 扩散？
占70%~80%； （2）机床工业中占60%~70％， （3）轴承、工具、模具、刀具达100%， （4）含预备热处理，则所有金属零件都需要进行
热处理。
●金属材料从服役条件出发要考虑的问题
选择什么样 的材料？
如何对材料 进行处理？
在使用和处理 过程中会出现
什么问题？
热处理原理有 着密切的关系
最终可能得到 什么样的性 能？
绪论
一、热处理及其作用
1.热处理 热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定
的时间，然后以预定的方式冷却下来的一种热加工工艺，其工艺
曲线ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ下图所示。
℃
Ac3
完全奥氏体化
部分奥氏体化
Ac1 加热
保温
珠光体
等温
贝氏体
室温：钢
马氏体 时间
原理
2. 热处理原理与工艺概念
研究热处理过程钢 中组织转变规律与 性能之间关系的理 论基础
在某些条件下，原子的扩散方向由 低浓度向高浓度方向迁移，这种扩 散称为上坡扩散。
●上坡扩散的结果是使均匀的固溶体分解为浓度 不同的两相混合物
� 实际金属中，上坡扩散现象是很普遍的，例如： 第二相的析出、晶界溶质偏聚、过饱和固溶体中 溶质的偏聚、溶质原子运动过程，均属上坡扩散。
在这些情况下，原子只有进行上坡扩散才能 使体系自由能降低。另外，当晶体处于应力场、 温度场及电、磁场等外界条件作用下，若这些外 加能量场分布不均匀，则往往驱动原子进行上坡 扩散。
2、技术科学阶段（实验科学）— 金相学
大约从1665年1895年，主要表现为实验技术的发展阶段。 1665年：显示了Ag—Pt组织、钢质刀片的组织； 1772年：首次用显微镜检查了钢的断口； 1808年：首次显示了陨铁的组织，后称魏氏组织； 1831年：应用显微镜研究了钢的组织和大马士革剑； 1864年：发现了索氏体； 1868年：发现了钢的临界点，建立了Fe—C相图； 1871年：英国学者T. A. Blytb 著“金相学作为独立的科学”在伦敦出版； 1895年：发现了马氏体；
在一般情况下，由于化学位梯度大都与浓度梯度 方向一致，故扩散向低浓度方向进行时，较为合乎 一般情理，使人们容易理解和接受，但这掩盖了化 学位梯度的作用。
在一些特定情况下，化学位梯度与浓度梯度方向 相反，则化学位梯度的本质作用便显示出来，使原 子发生上坡扩散。因此，扩散方程中的浓度梯度应 采用化学位梯度才更符合本质情况。
亚共析钢或过共析钢从奥氏体状态快 速冷却到Ar1温度以下，先共析相来不 及析出，奥氏体直接转变为铁素体和 渗碳体（F+Fe3C），这种转变称为伪 共析转变 。
这种由非共析成分所获得的共析组织称为伪共析组织
（二）马氏体转变 冷却速度达到一定数时，奥氏体来不及进行伪 共析转变而被过冷到更低温度，由于在低温下 铁和碳原子都难于扩散，这时奥氏体便以一种 持殊的机理，即无需借助于原子扩散的方式将r 点阵改组为a点阵，这种相变称为马氏体转变， 其转变产物称为马氏体。
● 消除或改善钢材经铸造、锻造、焊接等热加工 工艺造成的各种缺陷，可细化晶粒、消除偏析、降 低内应力，使组织和性能更加均匀。
● 通过预备热处理，获得良好的机加工切削性能，也 可以为最终热处理作好组织准备。
4. 热处理的运用范围
热处理在机械制造工业中被广泛地应用： （1）汽车、拖拉机工业中需要进行热处理的零件
（二）平衡脱熔沉淀
●平衡脱熔沉淀 设A-B二元合金，当成分为K的 合金被加热到t1温度时，β相将 全部溶入a相中而成为单一的固 溶体。若自t1温度缓慢冷却至固 溶度曲线MN以下温度时，β相 又将逐渐析出，这一过程称为 平衡脱熔沉淀。
特点：新相的成分与结构始 终与母相不同；随着新相的 折出，母相的成分和体积分 数将不断变化，但母相不会 消失。钢在冷却时，二次渗 碳体从奥氏体中析出，即属 这种转变。
有关块状转变同学们有 兴趣可查阅相关资料
（四）贝氏体转变 当奥氏体过冷至珠光体转变和马氏体转变之间 的温度范围时，由于Fe原子巳难于扩散，而C 碳原子尚具有一定扩散能力，故出现一种不同 于马氏体转变的独特的不平衡转变，称为贝氏 体转变。——属于过渡型相变。
（五）不平衡脱落沉淀
合金K自t1温度快冷，则β相
（五）有序化转变 固溶体中，各组元质子的相对位置从无序到
有序（指长程有序）的转变过程称为有序化转 变。在Cu-Zn、Cu-Al、Fe-Ni等多种合金系中 都可发生这种转变。
二、不平衡转变
（一）伪共析转变
当奥氏体以较快冷速过冷到GS和ES的延 长线以下温度时（如图1-2中虚线），奥 氏体中同时析出铁素体和渗碳体。
何谓下坡 扩散？
扩散定律表明，扩散原子通常是由高浓 度向低浓度方向迁移的，这种扩散可称 为下坡扩散。下坡扩散主要是因浓度梯 度的作用而致。
●下坡扩散的结果是形成浓度均匀的单相固溶体
扩散的实质：
扩散的实质是原子从高化学位区域向低化学位 区域迁移而使系统自由能降低的自发过程。
注意：扩散的真正驱动力并非来自浓度梯度 决定原子扩散的驱动力主要是化学位梯度，而 非浓度梯度！！！