金属固态相变原理
金属固态相变
一段时间后，使过冷奥氏体转变迟滞的现象。
（2）机械稳定化 在应力—应变作用下可以促进钢中的相变发生，即形变诱发 相变。 形变诱发M体相变的最高温度为Ｍd（>ＭS）。
T>Ｍd形变:使A体稳定性提高，随后M体相变困难。
T<Ｍd形变:诱发M体生成，但随之淬火后，剩余A
体将稳定化，也产生机械稳定化。
9.3.4 珠光体转变— 扩散型相变
惯习方向
（母相） 惯习面
原因：沿应变能最小的方向和界面能最低的界面发展。
3. 晶体缺陷的影响 晶体缺陷对相变起促进作用。 点… 缺陷类型 线… 晶格畸变自由能高，易获得 面… 更大的驱动力促进形核及相 变。 思考：晶粒细化对相变的影响？
4. 原子扩散的影响 对于扩散型相变，随过冷度的增加，相变的驱动力增
2. 惯析面和位向关系 新相与母相的界面为两种晶体的界面。 根据匹配关系可分为： 共格界面：错配度〈0.05 界面能量低 半共格界面：0.05〈错配度〈0.25
非共格界面：错配度〉0.25 界面能量最高
新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系
新相习惯于在母相的一定晶面上形成 新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成。
而塑韧性下降。
M体相变膨胀产生塑变，引起应变时效。 d 细晶强化
M体相变使晶粒细化，晶界面积大增，产生细晶强化。
② 塑性与韧性 塑性：用δ=Δl/缺口标准试样，在冲击机
上一次冲断，记录冲击功AK（J），作系列冲击实验，求塑 脆转变温度。
M体的塑性、韧性好坏取决与其亚结构： 亚结构为位错时（板条M），塑性韧性较好。
第九章 固态相变
9.1 固态相变总论
9.1.1 固态相变分类
（1）一级相变：相变时两相的自由焓相等，而自由炩对
第九章 金属固态相变
3. 晶界促进形核 具有高能量的大晶界可以释放界面能为形核提供相变 驱动力，以降低形核功。 驱动力，以降低形核功。 三、晶核长大 1. 长大机制 新相晶核的长大，实质是相界面向旧相迁移的过程。 新相晶核的长大，实质是相界面向旧相迁移的过程。 新旧相成分不同时： 新旧相成分不同时：晶核的长大依赖于溶质原子在旧 相中的长程扩散。 相中的长程扩散。
五、母相晶体缺陷促进相变 在母相晶体中的缺陷处，晶格畸变、自由能高， 在母相晶体中的缺陷处，晶格畸变、自由能高，促进形 核及相变。 核及相变。 六、易出现过渡相 固态相变阻力大， 直接转变困难， 固态相变阻力大 ， 直接转变困难 ， 往往先形成协调性 中间产物（过渡相） 中间产物（过渡相）。 母相→较不稳定的过渡相→较稳定的过渡相→ 母相→较不稳定的过渡相→较稳定的过渡相→稳定相
二、新相与母相界面上原子排列的匹配性 固态相变时， 固态相变时，新相与母相界面上原子排列越保持一定 的匹配性，越有利于相变阻力的降低。 的匹配性，越有利于相变阻力的降低。 固态相变产生的相界面根据两相原子在晶体学上匹配 程度不同可分为三种类型， 共格界面，半共格界面和 程度不同可分为三种类型，即共格界面，半共格界面和非 共格界面，如图9-1所示 所示。 共格界面，如图 所示。
3. 非共格界面 当界面处的原子排列差异很大， 原子匹配关系不能继 当界面处的原子排列差异很大 ， 续维持，形成非共格界面。 续维持，形成非共格界面。 一般认为， 小于 小于0.05时完全共格； δ大于 时完全共格； 大于 大于0.25时形成 一般认为，δ小于 时完全共格 时形成 非共格界面； 介于 介于0.05和 0.25之间时，形成半共格界面， 之间时， 非共格界面；δ介于 和 之间时 形成半共格界面， 它们的能量是不同的。 它们的能量是不同的。
金属固态相变原理
金属固态相变原理
金属固态相变原理是指金属在一定条件下从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的现象。
金属固态相变是金属材料性质变化的根本原因，对于金属材料的微结构和力学性能具有重要影响。
金属固态相变通常发生在固态下的高温和高压条件下。
当金属的温度或压力发生变化，原子间的相互作用力也会发生变化，从而引起晶体结构的转变。
金属固态相变的过程中，原子重新排列形成新的晶体结构，相应地，金属材料的物理性质和力学性能也会发生改变。
金属固态相变的原理是基于金属的晶体结构和原子间的排列方式。
金属材料的晶体结构可以分为多种不同的形态，包括体心立方结构、面心立方结构、六方最密堆积结构等。
不同的晶体结构具有不同的密堆积方式和原子排列方式，决定了金属材料的力学性能和物理性质。
金属固态相变的原理还涉及到金属的晶格畸变和原子扩散。
晶格畸变是指金属晶体结构在相变过程中的形变和畸变现象，它可以影响金属材料的晶体结构稳定性和力学性能。
原子扩散是指金属内部原子的迁移和重新排列的过程，是金属固态相变发生的基础。
总之，金属固态相变原理是基于金属材料的晶体结构和原子间的相互作用力，通过改变材料的温度、压力和其他外界条件，使金属发生晶体结构的转变，进而影响金属材料的物理性质和
力学性能。
这一原理对于金属材料的研究和应用具有重要的意义。
14第一章 金属固态相变基础
2 2 V V V V V V 等压膨胀系数 TP V P P TT V T P
一级相变
二级相变
一级、二级相变时，两相的自由能、熵及体积的变化
S T P
第一章 金属固态相变基础
§1 金属固态相变概论
1 相和相平衡
相：相是系统中均匀的（成分和性质相同或者 连续变化）、与其他部分有界面分开的部分。
描述相的稳定性——Gibbs自由能
G H TS
相平衡的条件：
GP,T minGP,T
非稳定态：不存在这种能垒， 则体系处于非稳定态，它一定 会转变为平衡态或亚稳态。
(2) 平衡脱溶转变
定义：高温过饱和固溶体缓慢 冷却过程中析出第二相的过程 表达式： α→ α′+θ 特点： (a) 新相的成分和结构始终 与母相的不同； (b) 母相不会消失。 钢中？
可发生脱溶转变的合金
例：钢冷却时A中析出Fe3CⅡ或F中析出Fe3CⅢ的过程
（3）共析转变
定义：合金冷却时，由一个固相同时析出两个 不同晶体结构固相的过程称为共析转变。 表达式： γ →α+β 钢中？ 例：钢中的珠光体转变
亚稳态相：相的自由能并不处 于最低，但是与最低自由能态 之间有能垒相分隔；
平衡相：相的自由能最 低时——该相稳定 相平衡关系的描述—相图
两相平衡时——各元素在两相中的化学位相等 B元素在相 中的化学位
P E
A元素在相 中的化学位
G
G
A元素在相 中的化学位
B元素在相 中的化学位
x
2.4.2 不平衡转变
(1) 伪共析转变 定义：接近共析点成分的合 金，过冷到共析点以下发生 共析转变的过程。
金属固态相变原理
等离子热处理
形变热处理
真空热处理
化学热处理
• ( 2) 结合产业形势, 反映当前市场需求。
• 现代工业的发展，对制造业提出了更高的要求， 因此材料工业也遇到了很好的提升空间。
• ( 3) 将科研成果引入教学中, 实行产学结合。例 如, 讲到马氏体时，把ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ近分析的T12钢锉刀的失 效工件结合理论分析, 把实际科研成果转变成生 动的教学案例。让学生们明白： 固态相变可以决定产品的内在质量
• 第三章 珠光体转变
3.1 珠光体的组织特征 3.2 珠光体转变机制 珠光体转变时的领先相/ 珠光体的形成过程 亚(过)共析钢的珠光体转变
3.3 珠光体转变动力学
形核率/ 和长大速度 先共析相的长大动力学 影响珠光体转变动力学的因素 3.4 珠光体转变产物的机械性能 珠光体转变动力学图
P的机械性能
• 第五章贝氏体相变
5.1贝氏体相变的基本特征和组织形态 贝氏体相变的基本特征 钢中贝氏体的组织形态 柯俊贝氏体相变假说
5.2贝氏体相变机制
恩金贝氏体相变假说 贝氏体的形成过程 5.3贝氏体相变动力学及其影响因素 贝氏体等温相变动力学 5.4钢中贝氏体的机械性能 影响贝氏体机械性能的主要因素 贝氏体的强度和硬度 贝氏体的韧性 贝氏体相变时碳的扩散
相变、贝氏体相变、钢中的回火转变和合
金的脱溶沉淀与时效等部分，着重讲述金 属材料在热处理过程中的基本原理和理论
知识。
4. 《金属固态相变原理》授课内容及重点
第一章 金属固态相变基础 1.1 金属固态相变概论 主要分类 主要特点 1.2 金属固态相变热力学 热力学条件 形核 晶核长大 1.3 金属固态相变动力学 金属固态相变的速率 钢中过冷奥氏体转变动力学
金属固态相变的主要特点
金属固态相变的主要特点金属固态相变是指金属在固态下由于温度、压力或其他外界条件的变化而引起的物理结构和性质的变化。
金属固态相变的主要特点有以下几个方面：1. 温度变化引起的相变：金属的固态相变主要是由于温度的变化引起的。
当金属的温度超过一定的临界温度时，金属内部的晶体结构会发生变化，从而导致固态相变。
例如，铁在不同的温度下会发生α相到γ相的相变，这种相变是由于温度变化引起的。
2. 压力变化引起的相变：除了温度变化，金属固态相变还可以由压力的变化引起。
当金属受到外界的压力作用时，原子之间的距离和排列会发生变化，从而导致固态相变。
例如，钻石可以在高压下转变为金刚石，这是由于压力变化引起的相变。
3. 结构和性质的变化：金属固态相变不仅会引起晶体结构的变化，还会导致金属的性质发生改变。
例如，铁的相变会引起其磁性的变化，从铁磁性到顺磁性的转变。
这种结构和性质的变化对金属的应用具有重要的影响。
4. 相变的可逆性：金属固态相变通常是可逆的，即当外界条件恢复到原来的状态时，金属可以再次发生相反的相变。
这与金属的液态相变或气态相变不同，液态和气态的相变通常是不可逆的。
5. 相变的影响因素：金属固态相变的发生受到多种因素的影响，包括温度、压力、晶体结构、晶界能量等。
这些因素会影响金属内部原子的排列和运动方式，从而导致相变的发生和性质的改变。
6. 金属固态相变的应用：金属固态相变在材料科学和工程中具有重要的应用价值。
通过控制金属的相变过程，可以制备出具有特定结构和性质的材料，如形状记忆合金和超弹性材料等。
这些材料在医学、航空航天等领域有着广泛的应用。
金属固态相变是金属在固态下由于温度、压力或其他外界条件的变化而引起的物理结构和性质的变化。
它具有温度和压力变化引起的相变、结构和性质的变化、相变的可逆性、影响因素和应用等主要特点。
金属固态相变的研究对于材料科学和工程具有重要意义，并且在实际应用中有着广泛的应用前景。
第一章__金属固态相变基础
一、相变分类
3. 按原子迁移情况分类 （1）扩散型相变 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。 特点： 相变过程有原子扩散，相变速率受原子扩散速度控制；
新、旧相成分不同； 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、 有序化转变、珠光体转变等
化学势一级偏微商相等
化学势二级偏微商不等
因此：无相变潜热和体积变化，而比热、压缩系数、膨胀系 数是变化的。如材料有序化转变、磁性转变、超导转变等。
一、相变分类
2.按平衡状态图分类
(1)平衡相变
同素异构转变和多形性转变 纯金属 固溶体
纯金属在温度和压力改变时，由一种晶体结构转变为 另一种晶体结构的过程称为同素异构转变。 在固溶体中发生的同素异构转变称为多形性转变。
冷却时：γ→α+Fe3C 共析相变 加热时：α+Fe3C→γ 逆共析型相变
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，如α→α1+α2，这 种转变称为调幅分解。
调幅分解的特点
在转变初期形成的两个微区之间并无明 显界面和成分突变，但是通过上坡扩散，最 终使原来的均匀固溶体变成不均匀固溶体。
1.1 金属固态相变概述
一、相变分类
1.按热力学分类 (1)一级相变 对新、旧相α和β，有： μα=μβ Sα≠ Sβ Vα≠Vβ 说明一级相变有相变潜热和体积变化。 材料凝固、熔化、升华、同素异构转变均为一级相变。 固态相变大部分为一级相变。
1.1 金属固态相变概述
金属固态相变原理PhaseTransformationTheoryofMetalMaterials
Page 13
第一节 金属固态相变动力学（扩散型）
将等温相变动力学曲线 转化为时间-温度-转变量的关系曲线 综合反映物相在冷却时 的等温转变温度、等温时间 和转变量之间的关系
等温转变曲线
（Time-Temperature-Transformation）
TTT曲线
C曲线
（a）相变动力学曲线（b）TTT曲线
过饱和固溶体脱 质点由小尺寸长大
溶
1)以恒定速率形核
2)仅在开始转变时形核
针状物增厚
片状物增厚
n值 4 3 2 1
2.5 1.5 1 0.5
金属固态相变原理 Phase Transformation Theory of Metal Materials
Page 12
第一节 金属固态相变动力学（扩散型）
金属固态相变原理 Phase Transformation Theory of Metal Materials
Page 17
第一节 金属固态相变动力学（扩散型）
（四）C 曲线的测定方法
金相硬度法 奥氏体和转变产物的金相形态和硬度不同。
膨胀法 奥氏体和转变产物的比容不同。
磁性法及电阻法 奥氏体为顺磁性，转变产物为铁磁性。
相变热力学重点内容回顾
1、金属固态相变热力学条件 相变驱动力（自由能降低、相自由能与温度关系） 相变势垒（附加能量、激活能）
2、金属固态相变形核 均匀形核（临界晶核半径、形核功） 非均匀形核（晶界形核、位错形核、空位形核）
3、晶核长大 长大机制 （半共格界面迁移、非共格界面迁移） 新相长大速度 （无成分变化长大、成分变化的新相长大）
dn dV dX (18) dne dVe dX e
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
*本答案基本根据录音整理所得，课本有的标了页码*
金色固态相变原理
简答题
1．简述共析钢加热奥氏体化的过程。
(P42)
答：（1）奥氏体形核奥斯体的形核是通过形核和长大完成的。
奥氏体的晶核是依靠系统的能量起伏、浓度起伏和结构起伏形成的；(2 )奥氏体晶核长大奥氏体的长大过程是两个新旧界面向原来的铁素体和渗碳体中推移的过程，驱动力为奥氏体中的碳浓度差；（3）剩余碳化物的溶解奥氏体中铁素体的溶解速度大了渗碳体的溶解速度，使渗碳体过剩而逐渐溶入奥氏体中；（4）奥氏体的均匀化继续加热或保温，借助碳原子的扩散使碳原子的分布趋于均匀。
2．马氏体相变的主要特征有哪些？(P76)
答：（1）切变共格和表面浮突现象马氏体转变时奥氏体中的原子基集体有规则的向新相中迁移，形成切变共格界面，表面产生浮突效应；（2）无扩散性仅由面心立方点阵通过切边改组为体心立方点阵，而无成分的变化；（3）具有特定的位向关系和惯习面；（4）在一个温度范围内完成相变温度在Ms-Mf完成，但是转变不能完全进行，有一定量的残余奥氏体存在；（5）可逆性
3．什么是第一类回火脆性，避免其发生的方法有哪些？(P143)
答：在250-400°C之间出现的回火脆性称为第一类回火脆性，也称低温回火脆性，也称为不可逆回火脆性。
避免方法：（a）降低钢中杂质元素的含量；（b）用Al脱氧或加入Nb、V、Ti等合金元素以细化奥氏体晶粒；（c）加入Mo、W等能减轻第一类回火脆性的合金元素；（d）加入Cr、Si以调整发生第一类回火脆性的温度范围，使之避开所需的回火温度；（e）采用等温淬火工艺代替淬火加回火工艺。
4．板条马氏体和片状马氏体那种会出现显微裂纹，为什么？(根据录音所得)
答：片状马氏体。
显微裂纹是片状马氏体形成是产生的，先形成的第一片马氏体贯穿整个晶粒，将奥氏体晶粒分成两个部分，而后形成的马氏体片大小受到限制，所以马氏体的大小是不同的。
后形成的马氏体片不断的撞击先形成的马氏体。
由于马氏体的形成速度非常快，所以相互撞击，同时还与奥氏体晶界撞击，产生较大的应力场，另外片状马氏体的含碳量比较高，不能通过滑移和孪晶等变形方式消除应力，所以片状马氏体容易出现显微裂纹。
板条马氏体之间的夹角比较小，基本上是平行的，相互撞击的几率较小，残余奥氏体的存在可以缓解应力，所以板条马氏体没有出现显微裂纹。
5．什么是材料的热处理？其目的是什么？常见的热处理工艺有哪些？（根据录音所得）答：材料的热处理是通过特定的加热保温和冷却方式来获得工程上所需的组织的一种工艺过程的总称。
目的：改变金属及合金的内部组织结构使其满足服役条件所提出的性能要求。
常见的热处理工艺有淬火、正火、退火和回火。
6．如何区别高碳钢中的回火马氏体与下贝氏体？（根据录音所得）
答：（1）高碳钢回火马氏体表面浮突呈锥字型，它的相变是通过共格切变机制完成的。
而下贝氏体的表面浮突是不平行的相交成V字形，而且它的铁素体不是通过切变共格完成的；（2）高碳钢回火马氏体中存在位错和孪晶，而下贝氏体中的铁素体中只有位错盘结没有孪晶结构存在，其韧性较好。
（3）下贝氏体中碳沿着与贝氏体长轴呈50-60°倾斜的直线规则排列与相间析出相似。
回火马氏体中碳在铁素体中是均匀分布的。
7．奥氏体的晶核最容易在什么地方形成？为什么？（P40）
答：奥氏体晶核的形核位置通常在铁素体和渗碳体两相界面上。
原因有三点：（1）在两相界面处，碳原子的浓度差较大，有利于获得形成奥氏体晶核所需的碳浓度；（2）在两相界面处，原子排列不规则，铁原子可能通过短程扩散由母相点阵向新相点阵转移，从而促使奥氏体形核，即形核所需的结构起伏较小；（3）在两相界面处，杂质几其他的晶体缺陷较多，具有较高的畸变能，新相形核是可消除部分的晶体缺陷而使系统的自由能降低。
论述题
一、贝氏体转变和珠光体转变有哪些异同点？(根据录音所得)
答：（1）贝氏体转变和珠光体转变都是在一定的上限温度下进行的，而且珠光体上限转变温度是Ａ1，贝氏体对应的温度是Ds；（2）两者转变的产物都是铁素体和碳化物所组成的两相混合物。
珠光体是层片状的，而贝氏体是非层片状的；（3）贝氏体和珠光体都可以等温形成，都是通过形核和长大过程来完成的；（4）与珠光体不同，贝氏体的等温转变不能进行到终了，具有转变的不完全性；（5）珠光体转变时，铁原子和碳原子均可以扩散。
贝氏体转变时只有碳原子能扩散，而铁原子不能进行扩散；（6）贝氏体的晶体学特征包括位向关系和惯习面均与珠光体不同。
贝氏体中铁素体在形成的时候，抛光表面可以引起浮突效应，而珠光体中是没有的。
二、合金元素对钢中珠光体转变动力学有何影响？（根据录音所得课本P71）
答：（1）降低碳在奥氏体中的扩散速度；（2）降低铁原子的自扩散速度；（3）对相变临界点的影响，除了Mn、Ni之外均可使A1点升高，过冷度增大，孕育期缩短，TTT曲线左移；（4）对相界面的阻碍作用，对于亚共析钢合金元素Mn、Mo可以阻碍r/a相界面的移动，降低先析出铁素体的形成速度，使奥氏体转变为珠光体的孕育期增长；（5）强碳化物形成元素V、Ti、Zr、Nb可以溶入奥氏体中稳定奥氏体使“C“型曲线右移。
三、TTT图和CCT图表示的是什么？两者的区别是什么？(P34)
答：TTT图是过冷奥氏体等温转变动力学图，CCT图是过冷奥氏体连续冷却转变动力学图。
区别：（1）连续冷却转变CCT曲线都是处于同种材料的等温转变TTT曲线的右下方；（2）从形状上看，CCT曲线不论是珠光体转变区还是贝氏体转变区都只有相当于TTT曲线的上半部；（3）碳钢连续冷却时可使中温的贝氏体转变被抑制；（4）合金钢连续冷却时可以有珠光体转变而无贝氏体转变，也可以有贝氏体转变而无珠光体转变，或者两者兼而有之。
四、什么是过冷奥氏体？过冷奥氏体冷却时转变为那些不平衡组织？(根据录音所得)
答：奥氏体是钢中的高温稳定相，当钢冷至临界点以下奥氏体就不在稳定，一般称为过冷奥氏体。
将奥氏体降至适当温度时可以发生高温珠光体转变、中温贝氏体转变和低温马氏体转变，分别得到的是珠光体、贝氏体和马氏体组织。
珠光体是由铁素体和渗碳体组成的层片相间的机械混合物，随着过冷度的增大片层间距减小，性能逐渐变好。
贝氏体是铁素体和碳化物组成的非层片状组织，典型的组织有上贝氏体和下贝氏体，下贝氏体的综合力学性能较好。
典型的马氏体有平行板条状马氏体和透镜片状马氏体，其强度和硬度较高，塑性和韧性较差，多经过回火来改变其性能。