第十一章相變

***金屬固態(tài)相變理論是金屬材

料工程專業(yè)的必修內(nèi)容，極為重

要，是從事金屬材料工程的科技

人員手中的一把鑰匙。如果說“

不懂金屬固態(tài)相變，就等于不懂

金屬材料”，這并不算過分。***1.過冷,過熱,成分過冷,熱過冷.2.人工時(shí)效(沉淀硬化處理),自然時(shí)效.3.連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變,等溫轉(zhuǎn)變.4.珠光體,貝氏體,馬氏體．5.鐵碳合金固態(tài)相變特點(diǎn)(珠,貝,馬轉(zhuǎn)變特點(diǎn)).6.沉淀硬化機(jī)理.本章重點(diǎn)內(nèi)容

過冷或過熱:

在非平衡凝固的過程中,冷卻轉(zhuǎn)變發(fā)生在比相圖上的溫度較低的溫度,對(duì)于加熱而言,發(fā)生在比相圖上的溫度點(diǎn)較高的溫度,這種現(xiàn)象就稱為過冷或過熱.人工時(shí)效(沉淀硬化處理),自然時(shí)效:

合金在室溫下經(jīng)過沉淀硬化處理較短的時(shí)間以后立即淬火,然后在較低的溫度下保存.如果合金仍舊硬度不足,然后允許其在周圍的環(huán)境溫度下時(shí)效硬化稱為自然時(shí)效.如果時(shí)效是在特定的溫度下進(jìn)行的就稱為人工時(shí)效.沉淀硬化:

合金的強(qiáng)度和硬度的增加是通過在熱處理過程中形成均勻分布于基體中的極小的二相顆粒來實(shí)現(xiàn),這一過程就稱為沉淀硬化.

熱處理中鋼在奧氏體化后通常有兩種冷卻方式:一種是連續(xù)冷卻,另一種是等溫冷卻.連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變:

所謂鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變是指在一定冷卻溫度下,過冷奧氏體在一個(gè)溫度范圍內(nèi)所發(fā)生的轉(zhuǎn)變.這種轉(zhuǎn)變可變的外部因素就是過冷奧氏體的冷卻速度,研究連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變實(shí)質(zhì)上是研究冷卻速度對(duì)過冷奧氏體分解及分解產(chǎn)物的影響.等溫冷卻轉(zhuǎn)變:

鋼在等溫冷卻的情況下,可以控制溫度和時(shí)間這兩個(gè)因素,分別研究溫度和時(shí)間對(duì)過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響,從而有助于弄清過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變過程及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能,并能方便地測(cè)定過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線.奧氏體

1.

奧氏體:是碳溶解在γ－Fe中的間隙固溶體，常用符號(hào)A表示。它仍保持γ－Fe的面心立方晶格。其溶碳能力較大，在727℃時(shí)溶碳為ωc＝0.77％,1148℃時(shí)可溶碳2.11％。奧氏體是在大于727℃高溫下才能穩(wěn)定存在的組織。2.奧氏體組織:是由奧氏體單晶體結(jié)晶形成的團(tuán)狀組織,鑲嵌在鋼材只中,改善剛才性能.3.奧氏體的性能：奧氏體塑性好，強(qiáng)度較低的固溶體，具有一定韌性。是絕大多數(shù)鋼種在高溫下進(jìn)行壓力加工時(shí)所要求的組織。馬氏體轉(zhuǎn)變【碳溶解在a－Fe中的過飽和固溶體】1.馬氏體轉(zhuǎn)變：鋼經(jīng)過奧氏體化后快速冷卻。冷速大于上臨界冷速時(shí)，過冷到較低溫度（MS點(diǎn)）下的非擴(kuò)散型相變。

（非擴(kuò)散，以切變的方式進(jìn)行）2.馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)：

（1）體心正方：含碳高的鋼中。

（2）體心立方：低碳或無碳合金中出現(xiàn)。3.馬氏體的組織形態(tài)：

（1）.板條馬氏體：許多的板條，位錯(cuò)密度極高。

（2）.片狀馬氏體：顯微呈針狀或竹葉狀，存在相

變孿晶，又稱孿晶馬氏體。.

4.馬氏體力學(xué)性能：1.馬氏體最主要的特點(diǎn)就是具有高強(qiáng)度和高硬度。它的強(qiáng)度隨著含碳量的升高而升高。

a.含碳量小于0.5%時(shí)，馬氏體的硬度隨著含碳量的增加而

急劇增高。

b.含碳量大于0.8%時(shí)，硬度下降，這是因?yàn)楹剂吭黾雍螅?/p>

殘余奧氏體量增加，從而使鋼的硬度有所降低。2.馬氏體的塑性和韌性很差，很脆。馬氏體的晶粒越細(xì)小，組織的力學(xué)性能越好。馬氏體轉(zhuǎn)變特點(diǎn):1.馬氏體轉(zhuǎn)變是在無擴(kuò)散的情況下進(jìn)行的.由于馬氏體轉(zhuǎn)變是在較大的過冷度條件下進(jìn)行的,鐵原子,碳原子及其它合金元素活動(dòng)能力較低,因此點(diǎn)陣重構(gòu)是由原子集體有規(guī)律的近程性的完成.2.馬氏體的轉(zhuǎn)變過程中會(huì)在表面產(chǎn)生浮凸．

3.馬氏體轉(zhuǎn)變具有一定的位向關(guān)系和慣習(xí)面．馬氏體是在奧氏一定的結(jié)晶面上形成的，此面稱為慣習(xí)面，它在相變過程中不變形，也不轉(zhuǎn)動(dòng)．由于馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)新相和母相始終保持切變共格性，因此馬氏體轉(zhuǎn)變后新相和母相之間存在一定的結(jié)晶學(xué)位向關(guān)系．主要在Ｋ－Ｓ位向關(guān)系和西山位向關(guān)系．

4.降溫轉(zhuǎn)變及馬氏體轉(zhuǎn)變的高速特點(diǎn)．馬氏體轉(zhuǎn)變是在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，馬氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)的主要形式有變溫轉(zhuǎn)變和等溫轉(zhuǎn)變兩種．降溫形成的馬氏體其轉(zhuǎn)變速度極快．

5.馬氏體轉(zhuǎn)變具有可逆性．

6.合金元素?zé)o擴(kuò)散．貝氏體轉(zhuǎn)變【

α-Fe和Fe3C的復(fù)相組織】1.貝氏體轉(zhuǎn)變：共析成分的奧氏體在“鼻溫”-MS點(diǎn)范圍內(nèi)

（半擴(kuò)散型）等溫停留時(shí)，將發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，形成鐵素

（鐵原子不擴(kuò)散）體與碳化物兩相組成的非層片狀組織。2.貝氏體的組織：【羽毛狀和顆粒狀】

（1）.上貝氏體：550-350°羽毛狀。

（2）.下貝氏體：350-MS

由含碳過飽和的片狀鐵素體

和其內(nèi)部沉淀的碳化物兩相組成混合物。（3）.粒狀貝氏體：形成于上貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)上限范圍溫度內(nèi)。3.貝氏體的轉(zhuǎn)變過程：

以鐵原子無擴(kuò)散的方式，由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，以及以

碳原子擴(kuò)散，以碳化物沉淀。

上貝氏體的滲碳體是有奧氏體直接析出。

下貝氏體的滲碳體由過飽和的鐵素體中析出。

4.貝氏體力學(xué)性能：【取決于組織形態(tài)】

1.上貝氏體：形成溫度高，鐵素體粗大，C的過飽和度低；

強(qiáng)度和硬度較高，越靠近貝氏體上限溫度，形成的

上貝氏體韌性越差，強(qiáng)度越低。

2.下貝氏體：

鐵素體細(xì)小，分布均勻，在鐵素體內(nèi)沉淀析出大量細(xì)小，彌散的碳化物，位錯(cuò)密度很大。

強(qiáng)度高，韌性好，缺口敏感性和脆性轉(zhuǎn)折溫度低。

貝氏體轉(zhuǎn)變特點(diǎn)：鋼在珠光體轉(zhuǎn)變溫度以下，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度以上的溫度范圍內(nèi)過冷奧氏體發(fā)生的轉(zhuǎn)變稱為貝氏體轉(zhuǎn)變（中溫轉(zhuǎn)變）．貝氏體也是由鐵素體與滲碳體組成的機(jī)械混合物．貝氏體的組織形態(tài)主要是羽毛狀和顆粒狀．貝氏體的性能主要取決于組織形態(tài)．其各相的形態(tài)，分布都影響貝氏體的性能．上貝氏體的形成溫度較高，鐵素體與碳化物分布具有明顯的方向性，因此這種組織易產(chǎn)生脆斷．下貝氏體中鐵素體針細(xì)小而均勻分布，幫位錯(cuò)密度很高，而且韌性也很好，具有良好的機(jī)械混合性能．粒狀貝氏體的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨小島所占的面積的增多而提高．下貝氏體比回火高碳馬氏體具有更高的韌性，較低的缺口敏感性和裂紋敏感性．（１）貝氏體轉(zhuǎn)變是一個(gè)形核與長(zhǎng)大過程（２）貝氏體中鐵素體是形成是按馬氏體轉(zhuǎn)變機(jī)構(gòu)進(jìn)行的．（３）貝氏體中碳化物的分布與形成溫度有關(guān)．（４）貝氏體的組織形態(tài)具有多樣性特點(diǎn)．（５）貝氏體轉(zhuǎn)變是有擴(kuò)散性，有共格的轉(zhuǎn)變．貝氏體的組織中存在許多的結(jié)構(gòu)．貝氏體轉(zhuǎn)變具有不完全性．合金元素?zé)o擴(kuò)散．珠光體轉(zhuǎn)變【碳原子的重新分布和鐵晶格的重新改組】

【鐵素體薄層和滲碳體薄層交替重疊的層狀復(fù)相物】

1.珠光體：共析成分的奧氏體在A1-550°內(nèi)等溫停留時(shí)，

將發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，形成鐵素體和滲碳體的機(jī)

械混合物。2.珠光體組織：根據(jù)奧氏體化過程的溫度不同，可形成片

狀珠光體和粒狀珠光體.

3.珠光體的形成：

（1）.片狀珠光體形核與長(zhǎng)大：形核發(fā)生在晶界上或缺

陷密集處，當(dāng)碳濃度不均勻時(shí)也可以在晶內(nèi)形核

長(zhǎng)大。

（2）.粒狀珠光體的長(zhǎng)大：通過球化處理得到。珠光體轉(zhuǎn)變特點(diǎn)：過冷奧氏體在Ａ１溫度以下形成的鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物．共析成分的奧氏體過冷到Ａ１線至鼻溫之間發(fā)生的轉(zhuǎn)變稱為珠光體轉(zhuǎn)變．珠光體的機(jī)械性能主要取決于層片間距的大小．層片間距越小其機(jī)械性能也越好．其強(qiáng)度和硬度也越高．同時(shí)塑性韌性也有所改善．

（１）珠光體轉(zhuǎn)變是高溫轉(zhuǎn)變．（２）珠光體的轉(zhuǎn)變也具有形核與長(zhǎng)大兩個(gè)過程．中高碳鋼一般以滲碳體為領(lǐng)先相．（３）珠光體轉(zhuǎn)變是通過鐵碳原子同時(shí)擴(kuò)散來完成的，因?qū)儆跀U(kuò)散性相變．（４）珠光體轉(zhuǎn)變有共格產(chǎn)生．（５）合金元素通過擴(kuò)散完成重新分布．形成的是兩相組織．4.珠光體力學(xué)性能：

a.

片狀珠光體主要取決于珠光體片層的間距，間距越小，珠光體的性能越好：強(qiáng)度和硬度越高，塑性和韌性越好。細(xì)化奧氏體的晶粒也可以提高珠光體的強(qiáng)度，改善塑性和韌性。

b.粒狀珠光體的性能與滲碳體的顆粒大小有關(guān)，顆粒越細(xì)小，鐵素體的相界面積越大，強(qiáng)度和硬度就越高。

（1）.含碳量相同的時(shí)候：粒狀與片狀兩相的相界面少，故粒狀強(qiáng)度較低，但塑性和韌性較高。

（2）.抗拉強(qiáng)度相同時(shí)：粒狀比片狀的疲勞強(qiáng)度更高。

（3）.硬度相同時(shí)：粒狀比片狀的綜合力學(xué)性能好得多，因?yàn)榱畈灰桩a(chǎn)生應(yīng)力集中。珠光體、貝氏體和馬氏體轉(zhuǎn)變的異同點(diǎn)：

珠光體貝氏體馬氏體

1.形成溫度：高溫區(qū)域中溫區(qū)域低溫區(qū)域

（A1~550）550~MSMS以下2.轉(zhuǎn)變過程形核與長(zhǎng)大形核與長(zhǎng)大形核與長(zhǎng)大的領(lǐng)先相：Fe3Ca相3.轉(zhuǎn)變的共無切變共格有切變共格

格性：無共格產(chǎn)生表面浮凸產(chǎn)生表面浮凸4.轉(zhuǎn)變時(shí)點(diǎn)無有有

陣切變：

珠光體貝氏體馬氏體

5.轉(zhuǎn)變是鐵、碳原子碳原子擴(kuò)散鐵、碳均不的擴(kuò)散性：均擴(kuò)散鐵原子不擴(kuò)散擴(kuò)散6.合金元素通過擴(kuò)散合金元素合金元素的分布：重新排布不擴(kuò)散不擴(kuò)散7.轉(zhuǎn)變產(chǎn)物a+Fe3Ca+Fe3C（下）

板條狀和

的組織：(呈片層狀)a+ε-碳化物（呈片層）片狀8.轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的硬度：低中高鋼的淬透性：鋼的淬透性一般指鋼在淬火時(shí)獲得馬氏體的能力．一般用淬硬層深度來表示．鋼的淬硬性：鋼的淬硬性是指鋼在淬火后形成的淬火態(tài)組織所能達(dá)到的硬度．鋼的淬硬性取決于馬氏體的含碳量和殘余奧氏體的數(shù)量．***沉淀硬化

1.

沉淀硬化（析出強(qiáng)化）：指金屬在過飽和固溶體中溶質(zhì)原子偏聚區(qū)和（或）由之脫溶出微粒彌散分布于基體中而導(dǎo)致硬化的一種熱處理工藝。晶體強(qiáng)化途徑：

1.一是提高合金的原子間結(jié)合力，提高其理論強(qiáng)度，并制得無缺陷的完整晶體。2.另一強(qiáng)化途徑是向晶體內(nèi)引入大量晶體缺陷，如位錯(cuò)、點(diǎn)缺陷、異類原子、晶界、高度彌散的質(zhì)點(diǎn)或不均勻性（如偏聚）等。這些缺陷阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，也會(huì)明顯地提高金屬?gòu)?qiáng)度。【有效】沉淀硬化的機(jī)理：沉淀硬化是通過金屬在過飽和固溶體中溶質(zhì)原子偏聚區(qū)和（或）由之脫溶出微粒彌散分布于基體的方式，向晶體內(nèi)引入高度彌散的質(zhì)點(diǎn)和不均勻性（偏聚）等大量晶體缺陷，這些缺陷強(qiáng)烈的阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而會(huì)明顯地提高金屬?gòu)?qiáng)度。