材料热处理原理第一章金属固态相变基础
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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
第1章 金属固态相变基础
41
d. 调幅分解 ：由一种高温固 溶体，冷至某一温度范围， 分解为两种与原固溶体结 构相同，而成分不同的微 区的转变称为调幅分解 α→ α1 + α2 特点 ： (a) 新形成的微区之间无明 显的界面和成分的突变； (b) 通过上坡扩散，最终使 均匀固溶体变为不均匀固 溶体。
42
e. 有序化转变： 固溶体中，各组元的相对位置
部（固溶体）原子的扩散，使铸锭（或铸件）晶
内化学成分均匀，组织达到或接近平衡状态，改 善复相合金中第二相的形状和分布，提高合金塑 性，改善加工性能和最终使用性能。
19
b. 基于回复、再结晶的退火 金属冷变形后组织处于亚稳状态，内能高、
强度硬度增加、组织发生变化，有时还出现织
构。若加热到一定温度，会发生回复、再结晶， 变形织构也会发生变化，从而在一定程度上消 除了由冷变形造成的亚稳定状态，使金属材料 获得所需组织、结构和性能。这种热处理还包
31
在实际应用中，无论哪一种具体的热处理工艺过程都 可归诸于上述某种热处理类型，或上述几种热处理类型 的结合。但必须指出，实际应用的热处理工艺多种多样， 而且迄今为止，我国尚无统一的热处理分类标准，在生 产中有些热处理也不一定按上述类别的名称命名。 各种形式的热处理在生产中不总是单独分开的，往往 在一次热处理过程中，同一种金属材料内部就发生了多 种形式热处理的复杂过程，即在金属材料内部进行着多 种固态转变，因此，在遇到实际问题时，必须从具体情 况出发，进行全面、综合分析。
16
基本热处理的主要类型
a. 均匀化退火（扩散退火） ① 退火 b. 基于回复、再结晶的退火 c. ② 淬火 ③ 时效或回火 基于固态相变退火
17
淬火
退火 温 度 时效/回火
第一章 金属固态相变概论2(固态相变1)
• 新相往往容易在母相的晶体缺陷处不均 匀生核。因为在缺陷处不均匀生核，可 以使缺陷消失或破坏而降低系统的能量 (△GB ), 相当于增加了相变驱动力(使系 统自由能降低更多)。在晶体缺陷处不均 匀生核时，体系的自由能变化应写成：
1．晶界形核
母相的晶界，特别是大角晶界具有较 高的能量。A.在晶界处生核可以释放 生该处晶界的晶界能 ，生核容易。B. 晶界处的结构较“松”，形核时产生 的弹性应变易被松弛；C.晶界处易于 原子扩散和晶界处的溶质原子偏析等， 均有利于扩散相变的形核。
2．位错线上生核
• 新相在母相的位错线上生核，使生核处的 位错线消失，这段位错线的能量被释放出 来作为相变的驱动力，促进生核。若新相 形核后位错不消失，则会位于界面上构成 半共格界面的位错部分，降低形成相界面 所需的能量（共格应变能），也会促进形 核。溶质原子易于偏聚在刃型位错上形成 柯垂尔气团，在扩展位错的层错区偏聚形 成玲木气团，给新相形核提供了成分起伏 的有利条件。
• 二级相变：在发生相变时两相的化学 位相等，两相化学位的一阶偏微分也 相等，但二阶偏微分不相等的相变。 • 所以，二级相变时熵不变、比体积不 变，没有相变潜热和体积变化发生， 有比热容、压缩系数和膨胀系数的变 化。 • 磁性转变和有序无序转变等是属于二 级相变。
2．扩散相变和非扩散相变
扩散相变：是在相变的过程中有原子的扩散运 动，相变前后有成分改变的相变。如过饱和固 溶体的分解转变、钢的共析转变等。
7、过渡相(中间亚稳相)的形成
• 在有些情况下，固态相变不能直接形成 自由能最低的稳定相，而是先形成一系 列自由能较低的过渡相 ( 又称中间亚稳 相)，然后在条件允许时才形成自由能最 低的稳定相。 母相 较不稳定过渡相 较稳定过 渡相 稳定相 • 固态相变根据具体条件分阶段进行的规 律，称为相变阶段规则。 • 例如淬火和回火过程。
1．晶界形核
母相的晶界，特别是大角晶界具有较 高的能量。A.在晶界处生核可以释放 生该处晶界的晶界能 ，生核容易。B. 晶界处的结构较“松”，形核时产生 的弹性应变易被松弛；C.晶界处易于 原子扩散和晶界处的溶质原子偏析等， 均有利于扩散相变的形核。
2．位错线上生核
• 新相在母相的位错线上生核，使生核处的 位错线消失，这段位错线的能量被释放出 来作为相变的驱动力，促进生核。若新相 形核后位错不消失，则会位于界面上构成 半共格界面的位错部分，降低形成相界面 所需的能量（共格应变能），也会促进形 核。溶质原子易于偏聚在刃型位错上形成 柯垂尔气团，在扩展位错的层错区偏聚形 成玲木气团，给新相形核提供了成分起伏 的有利条件。
• 二级相变：在发生相变时两相的化学 位相等，两相化学位的一阶偏微分也 相等，但二阶偏微分不相等的相变。 • 所以，二级相变时熵不变、比体积不 变，没有相变潜热和体积变化发生， 有比热容、压缩系数和膨胀系数的变 化。 • 磁性转变和有序无序转变等是属于二 级相变。
2．扩散相变和非扩散相变
扩散相变：是在相变的过程中有原子的扩散运 动，相变前后有成分改变的相变。如过饱和固 溶体的分解转变、钢的共析转变等。
7、过渡相(中间亚稳相)的形成
• 在有些情况下，固态相变不能直接形成 自由能最低的稳定相，而是先形成一系 列自由能较低的过渡相 ( 又称中间亚稳 相)，然后在条件允许时才形成自由能最 低的稳定相。 母相 较不稳定过渡相 较稳定过 渡相 稳定相 • 固态相变根据具体条件分阶段进行的规 律，称为相变阶段规则。 • 例如淬火和回火过程。
第一章合金固态相变基础_合金固态相变
如果相平衡时，两相自由能对温度和压强的一阶偏导数相等， 但二阶偏导数不相等，称为二级相变。
⎛ ∂G ⎞ ⎛ ∂G1 ⎞ ⎜ ⎟ =⎜ 2 ⎟ ⎝ ∂T ⎠ P ⎝ ∂T ⎠ P
⎛ ∂G1 ⎞ ⎛ ∂G 2 ⎞ = ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ∂ ∂ P P ⎠T ⎝ ⎠T ⎝
⎞ ⎟ ⎟ ⎠T
⎛ ∂ 2 G2 ⎛ ∂ 2 G1 ⎞ ⎜ 2 ⎜ ⎟ ≠⎜ ⎜ ∂T 2 ⎟ ⎠ P ⎝ ∂T ⎝
性能
工艺
结构
相变
成分
掌握固态相变规律，采取措施，控制固态相变过程以获得预 期的组织和结构，从而获得预期的性能，最大限度地发挥现 有金属材料的潜力，并可以根据性能要求开发新型材料。
常用措施
热处理 －加热：温度、速度，保温时间 －冷却：速度 固态相变亦称热处理原理（工艺） 原理：解决有哪些相变，相变条件，机理及特征 工艺：解决如何实现这些相变从而达到预期的性能
1.2.1 相变驱动力
固态相变的驱动力来源于新相与母相的体积自由能的差ΔGV， 如图所示。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。
位向关系：
新旧相某些低指数晶面（晶向)相互平行。 K-S关系： 如钢中发生奥氏体（γ）向马氏体（α）的转变时，奥 氏体的密排面｛111｝γ 与马氏体的密排面｛110｝α 平行，马氏体的密排向﹤111﹥α 与奥氏体的密排方 向﹤110﹥ γ平行。 记为：｛110｝α ||｛111｝γ，﹤111﹥ α ||﹤110﹥ γ
热处理考试重点 (陆兴版)
第一章金属固态相变基础一、金属固态相变的主要类型1、按相变过程中原子的运动特点分类1）扩散型相变：相变依靠原子或离子的扩散来进行，如温度足够高，可以改变相的成分。
如钢中的加热相变、珠光体相变等。
2) 非扩散型相变：相变过程中原子或离子不发生扩散，低温下发生，原子或离子仅作有规则的迁移以使点阵发生改组，相对移动距离不超过原子间距。
如马氏体相变2、按平衡状态分类1）平衡相变：在缓慢加热或冷却时所发生的能获得符合平衡相图的平衡组织的相变。
2）非平衡相变：若加热或冷却速度很快，上述平衡相变将被抑制，固态材料可能发生某些平衡相图上不能反映的转变并获得被称为不平衡或亚稳态的组织。
3、按热力学分类1）一级相变：相变时新旧两相的化学势相等，但化学势的一级偏微商不等的相变。
2）二级相变：相变时新旧两相的化学势相等，且化学势的一级偏微商也相等，但化学势的二级偏微商不等的相变。
二、金属固态相变的基本特征固态相变与固-液相变的异同点：（P4 P6）同：金属固态相变与液态金属结晶（液-固相变）一样，其相变驱动力也来自新相与母相的自由能差，也通过形核与长大两个过程完成。
异：a、固态相变时，母相和新相均为固相，故其界面与固/液界面不同b、固态相变的阻力由界面能和弹性应变能构成，与液态金属的结晶相比，固态相变的阻力由于增加了弹性应变能这一项而变大。
c、与液态金属不同，固态金属中存在各种晶体缺陷，如：位错、空位、晶界或亚晶界。
界面和界面能界面能：是在恒温恒压条件下，增加单位界面体系内能的增量。
（非共格晶面＞半共格晶面＞共格晶面）弹性应变能：非共格晶面＜半共格晶面＜共格晶面共格界面：是指界面两侧的两个相的原子能一一对应，相互保持匹配。
半共格界面：指由于界面两侧的院子间距不同，故在界面上只有部分院子能够依靠弹性畸变保持匹配，在不能匹配的位置将形成刃型位错。
非共格界面：指由于两相的原子间距差别太大，在界面上两侧原子不能保持匹配。
三、固态相变中的形核绝大多数金属固态相变是通过形核和长大过程完成的核胚：行核过程中往往先在母相中某些微小区域内形成新相的结构和成份晶核：当核胚尺寸超过一定值时，并能稳定存在并自发长大，成为新相的晶核晶核的行核功：均匀行核自由能变化有极大值存在，此时的核胚半径成为临界晶核半径，对应的自由能称为晶核的行核功位错通过什么方式促进形核1）微错周围的点阵畸变能可以降低核坯的总应变能而减小ε项，从而减小形核功ΔG*。
第一章固态相变基础
与液态金属结晶一样，其相变驱动力也来自新相与母相的自由能差，也 通过形核与长大过程来完成。但因相变前后均为固态，故有以下几个特点。
一、界面和界面能
固/固相界面可按结构特点分为： 共格界面：界面两侧的两个相的原子能一一对应，相互保持匹配。 半共格界面：由于界面两侧的原子间距不同，界面上只有部分原子能够依 靠弹性畸变保持匹配，在不能匹配的位置将形成刃型位错。 非共格界面：两相的原子间距差别太大，在界面上两侧原子不能保持匹 配。 界面能：界面上原子排列的不规则性将导致界面能量的升高。因此，非共格 界面能最高，半共格界面次之，共格界面能最低。
第一部分
热处理原理
第一章 金属固态相变基础
固态相变：固态金属在加热和冷却过 程中可能发生各种相的转变 金属热处理：固态金属通过特定的加 热和冷却，使之发生相、组织转变，获得 所需组织性能的一种工艺过程 两者关系：金属固态相变是金属热处 理的理论基础。
材料科学与工程学院
第一节
金属固态相变的主要类型 扩散型相变
原子运动特点
非扩散型相变
平衡相变
平 衡 状 态 非平衡相变 一级相变 热 力 学 二级相变
材料科学与工程学院
一、按相变过程中原子的运动特点分类
① 脱溶分解
② 共析转变
③ 有序化转变 1.扩散型相变 ④ 块状转变
⑤ 多型性转变
⑥ 调幅分解
材料科学与工程学院
脱溶分解：由过饱和固溶体中析出新相的过程，( + ) 共析转变：冷却时一个固相()分解为结构不同的两个新相和 混合物的相变， ( + )
材料科学与工程学院
二、按平衡状态分类
平衡相变：缓慢加热、冷却，获得符合平衡状态图的平衡组织，多形性转变 平衡脱溶转变、共析转变、有序化转变等。 非平衡相变：加热或冷却很快，平衡相变被抑制，发生某些平衡状态图上 不能反映的转变并获得不平衡或亚稳态的组织，马氏体转变、 贝氏体转变、非平衡脱溶沉淀，伪共析转变属于非平衡相变。
一、界面和界面能
固/固相界面可按结构特点分为： 共格界面：界面两侧的两个相的原子能一一对应，相互保持匹配。 半共格界面：由于界面两侧的原子间距不同，界面上只有部分原子能够依 靠弹性畸变保持匹配，在不能匹配的位置将形成刃型位错。 非共格界面：两相的原子间距差别太大，在界面上两侧原子不能保持匹 配。 界面能：界面上原子排列的不规则性将导致界面能量的升高。因此，非共格 界面能最高，半共格界面次之，共格界面能最低。
第一部分
热处理原理
第一章 金属固态相变基础
固态相变：固态金属在加热和冷却过 程中可能发生各种相的转变 金属热处理：固态金属通过特定的加 热和冷却，使之发生相、组织转变，获得 所需组织性能的一种工艺过程 两者关系：金属固态相变是金属热处 理的理论基础。
材料科学与工程学院
第一节
金属固态相变的主要类型 扩散型相变
原子运动特点
非扩散型相变
平衡相变
平 衡 状 态 非平衡相变 一级相变 热 力 学 二级相变
材料科学与工程学院
一、按相变过程中原子的运动特点分类
① 脱溶分解
② 共析转变
③ 有序化转变 1.扩散型相变 ④ 块状转变
⑤ 多型性转变
⑥ 调幅分解
材料科学与工程学院
脱溶分解：由过饱和固溶体中析出新相的过程，( + ) 共析转变：冷却时一个固相()分解为结构不同的两个新相和 混合物的相变， ( + )
材料科学与工程学院
二、按平衡状态分类
平衡相变：缓慢加热、冷却，获得符合平衡状态图的平衡组织，多形性转变 平衡脱溶转变、共析转变、有序化转变等。 非平衡相变：加热或冷却很快，平衡相变被抑制，发生某些平衡状态图上 不能反映的转变并获得不平衡或亚稳态的组织，马氏体转变、 贝氏体转变、非平衡脱溶沉淀，伪共析转变属于非平衡相变。
第01章 金属固态相变概论
系统自由焓总增值：
∆G =−n∆G +ηn γ + nE V
n代表晶核中的原子数。
临界形核功：
2 3
4 η3γ 3 ∆G∗ = 2 27 (∆G − E) V
推导过程。从表达式中理解 均匀形核的动力与阻力。
形核率：
Q+∆G∗ I = N exp(− ν ) kT
固态下，原子扩散激活能Q较大，相变应 变能进一步加大了形核所需功，所以I十 分小（与凝固转变相比） 均匀形核一般形核率低，不为固态相变 形核的主要形式 固态中存在大量缺陷→ 储存畸变能→ 提 供形核能量→ 能促进形核 非均匀形核为固态相变的主要形核方式
时效合金： 时效合金：能够发生时效现象的合金称为时效型合 金或简称为时效合金。 金或简称为时效合金。 成为这种合金的基本条件：一是能形成有限固溶体； 成为这种合金的基本条件：一是能形成有限固溶体； 二是其固溶度随着温度的降低而减小。 二是其固溶度随着温度的降低而减小。速冷
三、固态相变的特征 结构变化 同素异构转变、多形性转变、马 氏体转变 成分变化 调幅分解 有序程度变化 有序化转变
图1-2 Fe-Fe3C相图的伪共析区 相图的伪共析区
(2) 马氏体相变 钢在快冷时，若能避免其发生扩散型转变， 钢在快冷时，若能避免其发生扩散型转变， 则将无需原子的扩散，以一种切变共格的方式 则将无需原子的扩散， 以一种切变共格的方式 切变共格 实现点阵的改组， 实现点阵的改组，而转变为马氏体 (3) 块状转变 在一定的冷速下奥氏体转变为与母相成分相 同而形貌呈块状的α相的过程 同而形貌呈块状的 相的过程
问题：两个相相同为什么组织不同，性能也不同。 （金属的强化理论）
为什么土木堡之变时明朝50万军队都赢不 了瓦剌，但北京保卫战时仅有22万人却击 退了瓦剌？王振 于谦
∆G =−n∆G +ηn γ + nE V
n代表晶核中的原子数。
临界形核功：
2 3
4 η3γ 3 ∆G∗ = 2 27 (∆G − E) V
推导过程。从表达式中理解 均匀形核的动力与阻力。
形核率：
Q+∆G∗ I = N exp(− ν ) kT
固态下，原子扩散激活能Q较大，相变应 变能进一步加大了形核所需功，所以I十 分小（与凝固转变相比） 均匀形核一般形核率低，不为固态相变 形核的主要形式 固态中存在大量缺陷→ 储存畸变能→ 提 供形核能量→ 能促进形核 非均匀形核为固态相变的主要形核方式
时效合金： 时效合金：能够发生时效现象的合金称为时效型合 金或简称为时效合金。 金或简称为时效合金。 成为这种合金的基本条件：一是能形成有限固溶体； 成为这种合金的基本条件：一是能形成有限固溶体； 二是其固溶度随着温度的降低而减小。 二是其固溶度随着温度的降低而减小。速冷
三、固态相变的特征 结构变化 同素异构转变、多形性转变、马 氏体转变 成分变化 调幅分解 有序程度变化 有序化转变
图1-2 Fe-Fe3C相图的伪共析区 相图的伪共析区
(2) 马氏体相变 钢在快冷时，若能避免其发生扩散型转变， 钢在快冷时，若能避免其发生扩散型转变， 则将无需原子的扩散，以一种切变共格的方式 则将无需原子的扩散， 以一种切变共格的方式 切变共格 实现点阵的改组， 实现点阵的改组，而转变为马氏体 (3) 块状转变 在一定的冷速下奥氏体转变为与母相成分相 同而形貌呈块状的α相的过程 同而形貌呈块状的 相的过程
问题：两个相相同为什么组织不同，性能也不同。 （金属的强化理论）
为什么土木堡之变时明朝50万军队都赢不 了瓦剌，但北京保卫战时仅有22万人却击 退了瓦剌？王振 于谦
1-金属材料与热处理-固态相变原理
1）按相变热力学分类
• 一级相变和二级相变
★一级相变：在相变温度下，新旧相自由能和化学位相等，化学位一级偏导数不等； ★一级相变有体积的膨胀和收缩及潜热的吸收和释放，金属大多数属于一级相变 可用热分析方法或热膨胀仪测量一级相变的开始点
★二级相变：化学位的一级偏导数相等，二级偏倒数不相等，相变时没有体积的膨胀 和收缩及潜热的吸收和释放，如磁性转变，有序转变
相变实质
1、结构变化：同素异构、多晶型性、马氏体、块状转变 2、成分变化：调幅分解 3、有序化程度变化：有序化转变 4、结构和成分变化：贝氏体转变、共析转变、脱溶沉淀析出
9
9
1 概述（钢中的基本相）
铁素体
奥氏体
渗碳体
10
1 概述（钢中的基本相）
11
1 概述 铁碳相图—纯铁的转变
12
1 概述 铁碳相图—共析转变
脱溶转变
过饱和固溶体脱溶分解出亚稳定或稳定的第二相
共析转变
一个固相转变为两个结构不同的固相
包析转变
两个不同结构的固相转变为一个新的固相，组织中一般有某相残余
马氏体转变
新旧相之间成分不变、切变进行、有严格位向关系、有浮凸效应
贝氏体转变
兼具马氏体和扩散转变的特点，借助铁的切变和碳的扩散进行
调幅分解
（3）半扩散型：既有切变，又有扩散。（如贝氏体转变，Fe切变，C扩散。）
8
8
相变过程的特点和实质
特点一：相变阻力大。原因：(1)相变阻力除界面能外，还多弹性应变能。 (2)固相中原子扩散速度远低于液相。
特点二：相变时往往在母相中晶体缺陷处形核 大多数固态相变的形核功较大，极易在晶体缺陷处优先不均匀形核，提高形核率。 特点三：固态相变时，新相往往在母相的一定晶面上开始形成，存在惯习面，且新相晶核与母相之间往往存在一 定晶体学位向关系。目的：减小两相间的界面能。 特点四：易于出现亚稳态过渡相，为了减少界面能，固态相变中往往先形成具有共格相界面的过渡相（亚稳相）。
• 一级相变和二级相变
★一级相变：在相变温度下，新旧相自由能和化学位相等，化学位一级偏导数不等； ★一级相变有体积的膨胀和收缩及潜热的吸收和释放，金属大多数属于一级相变 可用热分析方法或热膨胀仪测量一级相变的开始点
★二级相变：化学位的一级偏导数相等，二级偏倒数不相等，相变时没有体积的膨胀 和收缩及潜热的吸收和释放，如磁性转变，有序转变
相变实质
1、结构变化：同素异构、多晶型性、马氏体、块状转变 2、成分变化：调幅分解 3、有序化程度变化：有序化转变 4、结构和成分变化：贝氏体转变、共析转变、脱溶沉淀析出
9
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1 概述（钢中的基本相）
铁素体
奥氏体
渗碳体
10
1 概述（钢中的基本相）
11
1 概述 铁碳相图—纯铁的转变
12
1 概述 铁碳相图—共析转变
脱溶转变
过饱和固溶体脱溶分解出亚稳定或稳定的第二相
共析转变
一个固相转变为两个结构不同的固相
包析转变
两个不同结构的固相转变为一个新的固相，组织中一般有某相残余
马氏体转变
新旧相之间成分不变、切变进行、有严格位向关系、有浮凸效应
贝氏体转变
兼具马氏体和扩散转变的特点，借助铁的切变和碳的扩散进行
调幅分解
（3）半扩散型：既有切变，又有扩散。（如贝氏体转变，Fe切变，C扩散。）
8
8
相变过程的特点和实质
特点一：相变阻力大。原因：(1)相变阻力除界面能外，还多弹性应变能。 (2)固相中原子扩散速度远低于液相。
特点二：相变时往往在母相中晶体缺陷处形核 大多数固态相变的形核功较大，极易在晶体缺陷处优先不均匀形核，提高形核率。 特点三：固态相变时，新相往往在母相的一定晶面上开始形成，存在惯习面，且新相晶核与母相之间往往存在一 定晶体学位向关系。目的：减小两相间的界面能。 特点四：易于出现亚稳态过渡相，为了减少界面能，固态相变中往往先形成具有共格相界面的过渡相（亚稳相）。
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材料热处理原理
1#楼203 周二 5-6节 周四 1-2节
热处理
热处理原理与工艺
• 热处理：将金属或工件放在一定的介质中，通 过加热、保温和冷却的方法，使金属或合金的 内部组织结构发生变化，从而获得所需性能的 技术。
• 金属材料生产和机械制造过程的重要组成部分 之一。
• 热处理的特点：
– 一般不改变材料或工件的形状和整体的化学成分 – 改变材料或工件的微观组织和结构，或表面的化学成
特点：
（1）存在由于均匀切变引起的宏观形状改变，可在预先制备的抛光试样 表面上出现浮突现象。
（2）相变不需要通过扩散，新相和母相的化学成分相同。 （3）新相和母相之间存在一定的晶体学位向关系。 （4）某些材料发生非扩散相变时，相界面移动速度极快，可接近声速。
4. 按相变方式分类
➢ 有核相变：通过形核-长大方式进行的。
• 其两个生成相的结构和 成分均与母相不同
• 加热时也可发生 α+→转变，称为逆 共析相变
平衡相变
④调幅分解
• 某些合金在高温下具有均匀单相固溶体，但冷却到 某一温度范围时可分解成为与原固溶体结构相同但 成分不同的两个微区，这种转变称为调幅分解。
特点：转变初期不存在明显的相界面和成分突变； 通过上坡扩散实现成分变化； 一个自发分解过程； 不经历形核阶段； 分解速度快
3. 按原子迁移特征分类
扩散型相变
相变时原子迁移特征
非扩散型相变
3. 按原子迁移特征分类
（1）扩散型相变
相变时，相界面的移动是通过原子近程或远程扩散而进行的相变。
如：脱溶型相变、共析型相变(珠光体型转变）、调幅分解和有序化 转变等。
特点：
（1）有原子扩散运动，相变速率受原子扩散速度所控制； （2）新相和母相的成分往往不同； （3）只有因新相和母相比容不同而引起的体积变化，没有宏观形状
弹性应变能：固体在外力作用下，因 变形而储存能量称为变形能或应变能。
3. 弹性应变能
固态相变时，应变能与界面能何为主导作用？
①ΔT大、新相临界晶核rk↓、单位体积新相的表面积S↑→界面能↑（居主 要地位）→两相倾向形成共格或半共格界面→界面能↓（前提：使界面能 的降低足以超过由于形成共格或半共格界面所引起的应变能↑） ②ΔT小→新相临界晶核rk↑→单位体积新相的表面积S↓→界面能↓（居 次要地位）→倾向形成非共格界面
Fe-C合金
非平衡相变
– ③贝氏体相变
• 当奥氏体被冷却至珠光体转变和马氏体相变之 间的温度范围时，由于温度较低，铁原子已不 能扩散，但碳原子尚具有一定的扩散能力，因 此出现了一种独特的碳原子扩散而铁原子不扩 散的非平衡相变，这种相变称为贝氏体相变(或 称为中温转变)。
• 其转变产物也是α相与碳化物的混合物，但α相 的碳含量和形态以及碳化物的形态和分布均与 珠光体不同，称其为贝氏体。
面附近必将产生弹性应变。
ODS钢中富Y-Ti-O纳米团簇的STEM-HAADF像
第一类共格和第二类共格源自两相之间的共格关系依靠正应变来维持时，称为第一类共格（图a）。 两相之间的共格关系以切应变来维持时，称为第二类共格（图b）。
拉伸
晶格畸变
晶面弯曲
压缩
共格界面的特点
一般来说，共格界面的特点是界面能较小，但 因界面附近有畸变，所以弹性应变能较大。共格 界面必须依靠弹性畸变来维持，当新相不断长大 而使共格界面的弹性应变能增大到一定程度时， 可能超过母相的屈服极限而产生塑性变形，使共 格关系遭到破坏。
改变。
3. 按原子迁移特征分类
(2)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的运动是协调一致
的相变称为非扩散型相变，也称为“协同型”转变。非扩散型相变时 原子仅作有规则的迁移以使点阵发生改组。迁移时，相邻原子相对移 动距离不超过一个原子间距，相邻原子的相对位置保持不变。 如：马氏体相变
比容：单位质量的物质所占有的容积
3. 弹性应变能
➢弹性应变能 = 比容差产生应变能 + 共格应变能 ➢ 共格应变能：界面原子强制匹配
共格半共格 非共格 依次降低
➢ 比容差应变能：与比容差、弹性模量、新相几何形状有关
新相形状与相对应变能的关系
新相：圆盘（片） c<<a 应变能最小
棒(针）状 c>>a 应变能居中
➢例如，钢中发生由奥氏体（）到马氏体（′）的
转变时
惯习面：{111} 、{225} 、{259} （与C，T有关） K-S关系：{111} ∥{110}α′<110> ∥<111>α′
2. 位向关系与惯习面
➢一般来说，当新相与母相之间为共格或半共格
界面时必然存在一定的位向关系;
➢若无一定的位向关系，则两相界面必定为非共
HRC：洛氏硬度
1.2 固态相变的主要特点
概述
➢ 形核+长大（大多数） ➢ 相变驱动力：新相与母相间的自由能差 ➢ 主要特点：（固态相变与金属液态结晶过程） （1）相界面 （2）位向关系与惯习面 （3）弹性应变能 （4）晶体缺陷 （5）形成过渡相 （6）原子的迁移率
1. 相界面
• 新旧相在晶体学上匹配程度：
P
T
P
T
2
T 2
P
2
T 2
P
膨胀系数
2
P 2
T
2
P2
T
2 2
TP TP
*无相变潜热和体积改变，只有比热Cp，压缩系数K，膨
胀系数的不连续变化。
*二级相变包括：部分有序转变、磁性转变、超导体转变。
2. 按平衡状态图分类
• 平衡相变和非平衡相变
• 平衡相变
缓慢加热或冷却时发生的能获得符合平衡 状态图的平衡组织的相变
球状
c=a 应变能最大
3. 弹性应变能
➢ 相变阻力：弹性应变能、界面能
➢ 界面类型对界面能和弹性应变能的影响是不同的
➢ 共格界面： 可以降低界面能，但使弹性应变能增大。
➢ 非共格界面：
➢ 盘（片）状新相的弹性应变能最低，但界面能较高；
➢ 球状新相的弹性应变能却最大，但界面能最低。
界面能：界面处原子排列混乱 而使系统升高的能量
热处理原理
• 第一章 金属固态相变基础 • 第二章 钢中奥氏体的形成 • 第三章 珠光体转变 • 第四章 马氏体相变 • 第五章 贝氏体相变 • 第六章 钢中的回火转变 • 第七章 合金的脱溶沉淀与时效
第一章 金属固态相变基础
概述
• 固态相变是热处理的基础
• 相变：构成物质的原子（分子）的聚合状态（相状态）发 生变化的过程。
钢中铁素体奥氏体的转变 奥氏体铁素体的转变
平衡相变
②平衡脱溶沉淀 • 在缓慢冷却条件下，由过
饱和固溶体中析出过剩相 的过程称为平衡脱溶沉淀 • 特点：母相不消失，随着 新相析出，母相的成分和 体积分数不断变化（结构 不变），新相的结构和成 分与旧相不同
平衡相变
③共析相变
• 合金在冷却时由一个固 相分解为两个不同固相 的转变称为共析相变 (或珠光体型转变)
分 – 改善使用性能
热处理原理与工艺
• 热处理原理：金属材料在热处理（在一定的介质 内，加热、保温、冷却）过程中，会发生一系列 的组织变化，这些变化具有严格的规律性。金属 材料中组织转变的规律，就是热处理原理（固态 相变原理）
• 热处理工艺：根据热处理原理制定的热处理温度、 时间、介质等参数，就是热处理工艺。
P
T
P
T
化学势：T 吉P 布 -斯S 自由体积能对成S分 的偏S微分
V
P T
V V
*熵和体积发生不连续变化，有相变潜热和体积改变； *一级相变包括：凝固、熔化、升华、同素异构转变； *几乎所有伴随晶体结构改动的金属固态相变都是一级相 变。
（2）二级相变： 比热
T
P
T
P
压缩系数
新相晶核可以在母相中均匀形核，或在母相中某些有利部 位优先形成（非均匀形核）。大部分的固态相变均属于有 核相变。
➢ 无核相变：相变时没有形核阶段,以固溶体中的成分起伏为
开端，通过成分起伏形成高浓度区和低浓度区，但两者之 间没有明显的界限，成分由高浓度区连续过渡到低浓度区。 以后依靠上坡扩散使浓度差逐渐增大，最后导致由一个单 相固溶体分解成为成分不同而点阵结构相同的以共格界面 相联系的两个相。如调幅分解。
小结
➢ 相变过程的实质：
1、结构：同素异构、多形性、马氏体 2、成分：调幅分解 3、有序化程度：有序化转变 相变：一种、两种或两种以上的变化 结构和成分：贝氏体转变、共析、脱溶沉淀
小结
➢同一种材料在不同条件下可发生不同的相变，
从而获得不同的组织和性能。
➢共析碳钢
平衡转变:珠光体组织，硬度约为HRC23； 快速冷却:马氏体组织，硬度达HRC60以上。
非平衡相变
④非平衡脱溶沉淀
• 若b成分的合金自T1温度快冷 时，相在冷却过程中来不及 析出，则冷到室温时便得到 过饱和的α固溶体。
• 若在室温或低于固溶度曲线 MN的某一温度下溶质原子尚 具有一定的扩散能力，则在 上述温度等温时，过饱和α固 溶体仍可能发生分解，逐渐 析出新相。但在析出的初期 阶段，新相的成分和结构均 与平衡脱溶沉淀相有所不同， 这一过程称为非平衡脱溶沉 淀(或时效)。
• 固态相变：固态材料在T(温度)和P(压力)改变时，其内部 组织或结构会发生变化，即发生从一种相状态到另一种相 状态的转变。
• 母相或旧相：相变前的相状态 • 新相：相变后的相状态
1.1固态相变的分类
1.按热力学分类
• 一级相变和二级相变 （1）一级相变：
：旧相
化学势
：新相
熵
T
P
1#楼203 周二 5-6节 周四 1-2节
热处理
热处理原理与工艺
• 热处理：将金属或工件放在一定的介质中，通 过加热、保温和冷却的方法，使金属或合金的 内部组织结构发生变化，从而获得所需性能的 技术。
• 金属材料生产和机械制造过程的重要组成部分 之一。
• 热处理的特点：
– 一般不改变材料或工件的形状和整体的化学成分 – 改变材料或工件的微观组织和结构，或表面的化学成
特点：
（1）存在由于均匀切变引起的宏观形状改变，可在预先制备的抛光试样 表面上出现浮突现象。
（2）相变不需要通过扩散，新相和母相的化学成分相同。 （3）新相和母相之间存在一定的晶体学位向关系。 （4）某些材料发生非扩散相变时，相界面移动速度极快，可接近声速。
4. 按相变方式分类
➢ 有核相变：通过形核-长大方式进行的。
• 其两个生成相的结构和 成分均与母相不同
• 加热时也可发生 α+→转变，称为逆 共析相变
平衡相变
④调幅分解
• 某些合金在高温下具有均匀单相固溶体，但冷却到 某一温度范围时可分解成为与原固溶体结构相同但 成分不同的两个微区，这种转变称为调幅分解。
特点：转变初期不存在明显的相界面和成分突变； 通过上坡扩散实现成分变化； 一个自发分解过程； 不经历形核阶段； 分解速度快
3. 按原子迁移特征分类
扩散型相变
相变时原子迁移特征
非扩散型相变
3. 按原子迁移特征分类
（1）扩散型相变
相变时，相界面的移动是通过原子近程或远程扩散而进行的相变。
如：脱溶型相变、共析型相变(珠光体型转变）、调幅分解和有序化 转变等。
特点：
（1）有原子扩散运动，相变速率受原子扩散速度所控制； （2）新相和母相的成分往往不同； （3）只有因新相和母相比容不同而引起的体积变化，没有宏观形状
弹性应变能：固体在外力作用下，因 变形而储存能量称为变形能或应变能。
3. 弹性应变能
固态相变时，应变能与界面能何为主导作用？
①ΔT大、新相临界晶核rk↓、单位体积新相的表面积S↑→界面能↑（居主 要地位）→两相倾向形成共格或半共格界面→界面能↓（前提：使界面能 的降低足以超过由于形成共格或半共格界面所引起的应变能↑） ②ΔT小→新相临界晶核rk↑→单位体积新相的表面积S↓→界面能↓（居 次要地位）→倾向形成非共格界面
Fe-C合金
非平衡相变
– ③贝氏体相变
• 当奥氏体被冷却至珠光体转变和马氏体相变之 间的温度范围时，由于温度较低，铁原子已不 能扩散，但碳原子尚具有一定的扩散能力，因 此出现了一种独特的碳原子扩散而铁原子不扩 散的非平衡相变，这种相变称为贝氏体相变(或 称为中温转变)。
• 其转变产物也是α相与碳化物的混合物，但α相 的碳含量和形态以及碳化物的形态和分布均与 珠光体不同，称其为贝氏体。
面附近必将产生弹性应变。
ODS钢中富Y-Ti-O纳米团簇的STEM-HAADF像
第一类共格和第二类共格源自两相之间的共格关系依靠正应变来维持时，称为第一类共格（图a）。 两相之间的共格关系以切应变来维持时，称为第二类共格（图b）。
拉伸
晶格畸变
晶面弯曲
压缩
共格界面的特点
一般来说，共格界面的特点是界面能较小，但 因界面附近有畸变，所以弹性应变能较大。共格 界面必须依靠弹性畸变来维持，当新相不断长大 而使共格界面的弹性应变能增大到一定程度时， 可能超过母相的屈服极限而产生塑性变形，使共 格关系遭到破坏。
改变。
3. 按原子迁移特征分类
(2)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的运动是协调一致
的相变称为非扩散型相变，也称为“协同型”转变。非扩散型相变时 原子仅作有规则的迁移以使点阵发生改组。迁移时，相邻原子相对移 动距离不超过一个原子间距，相邻原子的相对位置保持不变。 如：马氏体相变
比容：单位质量的物质所占有的容积
3. 弹性应变能
➢弹性应变能 = 比容差产生应变能 + 共格应变能 ➢ 共格应变能：界面原子强制匹配
共格半共格 非共格 依次降低
➢ 比容差应变能：与比容差、弹性模量、新相几何形状有关
新相形状与相对应变能的关系
新相：圆盘（片） c<<a 应变能最小
棒(针）状 c>>a 应变能居中
➢例如，钢中发生由奥氏体（）到马氏体（′）的
转变时
惯习面：{111} 、{225} 、{259} （与C，T有关） K-S关系：{111} ∥{110}α′<110> ∥<111>α′
2. 位向关系与惯习面
➢一般来说，当新相与母相之间为共格或半共格
界面时必然存在一定的位向关系;
➢若无一定的位向关系，则两相界面必定为非共
HRC：洛氏硬度
1.2 固态相变的主要特点
概述
➢ 形核+长大（大多数） ➢ 相变驱动力：新相与母相间的自由能差 ➢ 主要特点：（固态相变与金属液态结晶过程） （1）相界面 （2）位向关系与惯习面 （3）弹性应变能 （4）晶体缺陷 （5）形成过渡相 （6）原子的迁移率
1. 相界面
• 新旧相在晶体学上匹配程度：
P
T
P
T
2
T 2
P
2
T 2
P
膨胀系数
2
P 2
T
2
P2
T
2 2
TP TP
*无相变潜热和体积改变，只有比热Cp，压缩系数K，膨
胀系数的不连续变化。
*二级相变包括：部分有序转变、磁性转变、超导体转变。
2. 按平衡状态图分类
• 平衡相变和非平衡相变
• 平衡相变
缓慢加热或冷却时发生的能获得符合平衡 状态图的平衡组织的相变
球状
c=a 应变能最大
3. 弹性应变能
➢ 相变阻力：弹性应变能、界面能
➢ 界面类型对界面能和弹性应变能的影响是不同的
➢ 共格界面： 可以降低界面能，但使弹性应变能增大。
➢ 非共格界面：
➢ 盘（片）状新相的弹性应变能最低，但界面能较高；
➢ 球状新相的弹性应变能却最大，但界面能最低。
界面能：界面处原子排列混乱 而使系统升高的能量
热处理原理
• 第一章 金属固态相变基础 • 第二章 钢中奥氏体的形成 • 第三章 珠光体转变 • 第四章 马氏体相变 • 第五章 贝氏体相变 • 第六章 钢中的回火转变 • 第七章 合金的脱溶沉淀与时效
第一章 金属固态相变基础
概述
• 固态相变是热处理的基础
• 相变：构成物质的原子（分子）的聚合状态（相状态）发 生变化的过程。
钢中铁素体奥氏体的转变 奥氏体铁素体的转变
平衡相变
②平衡脱溶沉淀 • 在缓慢冷却条件下，由过
饱和固溶体中析出过剩相 的过程称为平衡脱溶沉淀 • 特点：母相不消失，随着 新相析出，母相的成分和 体积分数不断变化（结构 不变），新相的结构和成 分与旧相不同
平衡相变
③共析相变
• 合金在冷却时由一个固 相分解为两个不同固相 的转变称为共析相变 (或珠光体型转变)
分 – 改善使用性能
热处理原理与工艺
• 热处理原理：金属材料在热处理（在一定的介质 内，加热、保温、冷却）过程中，会发生一系列 的组织变化，这些变化具有严格的规律性。金属 材料中组织转变的规律，就是热处理原理（固态 相变原理）
• 热处理工艺：根据热处理原理制定的热处理温度、 时间、介质等参数，就是热处理工艺。
P
T
P
T
化学势：T 吉P 布 -斯S 自由体积能对成S分 的偏S微分
V
P T
V V
*熵和体积发生不连续变化，有相变潜热和体积改变； *一级相变包括：凝固、熔化、升华、同素异构转变； *几乎所有伴随晶体结构改动的金属固态相变都是一级相 变。
（2）二级相变： 比热
T
P
T
P
压缩系数
新相晶核可以在母相中均匀形核，或在母相中某些有利部 位优先形成（非均匀形核）。大部分的固态相变均属于有 核相变。
➢ 无核相变：相变时没有形核阶段,以固溶体中的成分起伏为
开端，通过成分起伏形成高浓度区和低浓度区，但两者之 间没有明显的界限，成分由高浓度区连续过渡到低浓度区。 以后依靠上坡扩散使浓度差逐渐增大，最后导致由一个单 相固溶体分解成为成分不同而点阵结构相同的以共格界面 相联系的两个相。如调幅分解。
小结
➢ 相变过程的实质：
1、结构：同素异构、多形性、马氏体 2、成分：调幅分解 3、有序化程度：有序化转变 相变：一种、两种或两种以上的变化 结构和成分：贝氏体转变、共析、脱溶沉淀
小结
➢同一种材料在不同条件下可发生不同的相变，
从而获得不同的组织和性能。
➢共析碳钢
平衡转变:珠光体组织，硬度约为HRC23； 快速冷却:马氏体组织，硬度达HRC60以上。
非平衡相变
④非平衡脱溶沉淀
• 若b成分的合金自T1温度快冷 时，相在冷却过程中来不及 析出，则冷到室温时便得到 过饱和的α固溶体。
• 若在室温或低于固溶度曲线 MN的某一温度下溶质原子尚 具有一定的扩散能力，则在 上述温度等温时，过饱和α固 溶体仍可能发生分解，逐渐 析出新相。但在析出的初期 阶段，新相的成分和结构均 与平衡脱溶沉淀相有所不同， 这一过程称为非平衡脱溶沉 淀(或时效)。
• 固态相变：固态材料在T(温度)和P(压力)改变时，其内部 组织或结构会发生变化，即发生从一种相状态到另一种相 状态的转变。
• 母相或旧相：相变前的相状态 • 新相：相变后的相状态
1.1固态相变的分类
1.按热力学分类
• 一级相变和二级相变 （1）一级相变：
：旧相
化学势
：新相
熵
T
P