固态相变复习总结.docx

第一章：
1、固态相变概念
金属（包括纯金属与合金）和陶瓷等固态材料在温度和压力改变时，组织、结构的变化。
2.共析转变
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转变（如珠光体转变）
3.相变阻力
新相与母相基体间形成界面所增加的界面能
新相与母相体积差所引起的弹性应变能
新相中亚结构的形成所需要的能量
4.几种相界面和惯习面
（1）共格界面
（2）半共格界面
（3）非共格界面
5.固态相变的基本特点：
（1）相变阻力大。
（2）一般有特定的形状。
（3）新相与母相一般有特定的为相关系和习惯面。
（4）原子迁移率低，多数相变受扩散控制。
（5）相变市容易产生压稳相。
（6）在新相得非均匀形核。
第三章
1、奥氏体定义
奥氏体是碳溶于γ-Fe（面心立方）中形成的间隙固溶体，存在于共析温度以上，最大碳含量为2.11%
2.奥氏体的性能
硬度、屈服强度均不高
塑性好（面心立方，滑移系多），易锻造加工。
比容小（fcc是最密排的点阵结构），利用此特性可用膨胀仪来测定奥氏体的转变情况。
扩散系数小，使热强性好，可用作高温用钢
导热性差，线膨胀系数较F和Fe3C高一倍
顺磁性，可作为无磁性钢
3.A的组织 颗粒状和针状
4.平衡组织
通过缓慢冷却所得到的珠光体以及先共析铁素体与渗碳体等组织
5.不平衡组织
通过较快的速度进行冷却时获得的组织；
如马氏体，贝氏体等
6.过热度：
转变温度与临界点A1之差（ΔT）
过热度越大，驱动力越大，转变速度越快。
7.奥氏体的形成是一个渗碳体的溶解，铁素体到奥氏体的点阵重构以及碳在奥氏体中的扩散的过程。
有4个阶段： （1）奥氏体形核；
（2）奥氏体晶粒长大；
（3）残留碳化物溶解；
（4）奥氏体成分均匀化；
8形核：

形成位置：在F和Fe3C交界面上通过扩散机制形成。
原因：（1）成分上：在相界面上容易形成A所需 的浓度起伏；
（2）能量上：在相界上形核使界面能减小，应变能减小，使热力学条件更容易满足
9.影响奥氏体形成速度的因素：
（1）钢的成分；
（2）原始组织；
（3）加热温度；
（4）合金元素；
10.等温转变动力学曲线：
奥氏体的等温动力学曲线是一定温度下等温时，奥氏体的形成量与等温时间的关系曲线
特点： 1）转变需要孕育期
　 2）曲线呈S型
　　 初期：速度随时间加快；50%后：速度下降
　 3）随温度升高，孕育期缩短，速度加快
11.亚共析钢A转变的特点：
珠光体首先转变为A。受C在A中扩散控制，速度较快。
A向F界面推移，使F慢慢转变为A。受C在F中扩散所控制。C原子作较长距离的扩散，形成速度极慢。
转变速度与碳含量有关，碳含量越高，转变速度越快。
12.连续加热时奥氏体的形成特点：
在一定的加热速度范围内，临界点随加热速度增大而升高。
相变是在一个温度范围内完成的（速度越快，范围越宽）。
A形成速度随加热速度增加而加快。
快速连续加热时形成的A成分不均匀性增大。
奥氏体起始晶粒度随加热温度增大而细化。
13.
亚共析钢的原始组织：先共析铁素体加珠光体
过共析钢的原始组织：珠光体加渗碳体。
14.晶粒度
设n为放大100倍时每平方英寸in2面积内的晶粒数，则下式中N即为晶粒度。 n=2 N-1 晶粒越细，N越大。
起始晶粒：加热转变终了时所得的A晶粒；
实际晶粒：长大到冷却开始时的A晶粒；
本质晶粒：930ºC保温3~8小时所得的晶粒；
15. A晶粒长大机理
长大方式：通过界面迁移而长大
驱动力：来自A晶界的界面能。A晶粒的长大将导致界面能降低
P＝2γ/R
P－驱动力，R－球面晶界曲率半径， γ－界面能
晶粒越小，界面能越大，长大驱动力越大
16.影响奥氏体晶粒长大的因素：
（1） 加热温度和保温时间；
（2） 加热速度；（快速加热和短时保温可以获得细小奥
（3） 碳含量； 氏体晶粒）
（4） 氧化剂及合金含量；
（5） 原始组织；
（6） 第二相粒子；（阻止A长大，对晶界起钉扎作用）
17组织遗传：
非平衡的粗晶有序组织（马氏体、贝氏体、魏氏组织等）在一定加热条件下所形成的奥氏体晶粒继承或恢复原始粗大晶粒的现象。
18.影响因素
原始组织（非平衡组织，马氏体、贝氏体等）
加热速度（慢速或快速加热）
奥氏体形态（针状和颗粒状）
第四章
1.(过冷)奥氏体
钢加热至临界点以上，保温一定时间，将形成高温稳定组织－A。A冷却至临界点以下，就不再是稳定组织，一般称过冷A。
2.转变类型
依据转变机制不同，过冷奥氏体转变分为：
珠光体转变（高温转变）
贝氏体转变（中温转变）
马氏体转变（低温转变）
3.珠光体转变
扩散型转变
γ→P（F+Fe3C）
常见组织形态：片状，粒状
4. 片状珠光体，粒状珠光体力学性能：
片状珠光体的强度、硬度以及塑性均随着珠光体团直径和片间距的减小而升高。
粒状珠光体与片状珠光体相比，在成分相同的情况下，粒状珠光体的强度、硬度稍低，塑性较好，可切削加工性好，对刀具磨损小，加热淬火时的变形、开裂倾向小。
高碳钢在机加工和热处理前常要求先进行球化处理得到粒状珠光体组织。
5.贝氏体转变;
中温转变（也是F和Fe3C的混合物）
铁原子难以扩散，碳原子扩散能力下降
转变机制不同
形态：上贝氏体（350-550℃）（羽毛状）
下贝氏体（Bs-350℃）（黑色针状或竹叶状）
与上贝氏体相比，下贝氏体具有较高的强度和硬度，同时塑性和韧性也较好。因此生产中常采用等温淬火方法以获得下贝氏体组织来改善钢的机械性能，并能减小淬火内应力及变形、开裂倾向。
6.马氏体转变：
低温转变（淬火-主要的强化手段）
铁、碳原子均无扩散能力---无扩散型转变
转变机制-晶格改组
实质：碳在a-Fe中的过饱和固溶体。
组织形态： 片状马氏体（高碳钢）
板条状马氏体（低碳钢）
7.过冷A的TTT图：
过冷A分为三个温度区：
　 高温区：临界点以下由高温向低温：
珠光体®索氏体®屈氏体
　 低温区：Ms点以下为M
　 中温区：上贝氏体®下贝氏体
转变开始线，终了线 孕育期、鼻子
8. TTT图的测定方法：
金相硬度法：
膨胀法：利用钢在相变时发生的比容变化来测定
磁性法：利用A为顺磁性，而转变产物为铁磁性的特性
电阻法：利用转变产物与过冷A具有不同的电阻率的特点
9.TTT图基本类型：
（1）具有单一C形曲线（碳钢、含硅、镍等合金钢）
（2）双C形，珠光体转变向右显著推移
（3）双C形，贝氏体转变向右推移
（4）只有贝氏体转变的C曲线
（5）只有珠光体转变的C曲线
（6）在Ms点以上整个温度区间不出现C曲线（奥氏体钢）
10.影响过冷A－TTT图的因素：
（1）碳含量及合金元素影响
随着碳含量的增加，奥氏体稳定性增大，C曲线位置向右移动。
Co、Al Me，均使C曲线右移即增加了过冷A的稳定性。
( 2 )A的均匀化程度
（3）A晶粒尺寸和均匀化程度
细小晶粒有利于P形核，使P转变线左移
A均匀化程度越高，曲线右移，并使Ms点下降
（4）奥氏体塑性变形的影响
形变可使奥氏体晶粒细化（通过再结晶），或增加亚结构（位错、孪晶、滑移带），将加速P转变
11.过冷奥氏体连续冷却转变
与等温转变律差别较大
连续冷却时，在一定温度范围内进行转变，转变往往重叠，组织不均匀
12.过冷奥氏体CCT图特点
有一组冷却曲线，曲线的终端数字表示在该冷却速度下转变产物的硬度值
冷却曲线和转变终了点交点处的数字为转变产物的百分量
Ms点右侧为斜线，因为P、B转变提高了A中的碳含量，使Ms点下降。
13.CCT图与TTT图的比较
（1）连续冷却转变CCT曲线都处于同种材料的等温转变TTT曲线的右下方。
（2）从形状上看，连续冷却转变CCT曲线不论是珠光体转变区还是贝氏体转变区，都只有相当于等温转变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。
14.TTT图和CCT图的应用
（1）预测热处理后零件的组织及性能
（2）确定淬火临界冷却速度
（3）确定工艺规程

钢的热处理
钢的退火:
退火是钢的热处理工艺中应用最广，花样最多的一种工艺。
目的：降低硬度、改善组织、提高加工性能。
退火是将钢加热到适当的温度，经过保温后以适当的速度冷却的一种处理

2.退火的分类
完全退火
等温退火
球化退火
扩散退火（均匀化退火）
再结晶退火
去应力退火

1)完全退火和不完全退火:
①完全退火：指加热使钢完全得到A后慢冷的工艺
亚共析钢T＞Ac3，
过共析钢T＞Acm－ (不能采用?）
?过共析钢加热会产生网状渗碳体。
目的：获得低硬度，改善组织和切削加工性，消除内应力
冷却方式：随炉冷却，冷速＜30°C/h
组织：接近平衡状态的组织
应用：中低碳钢的铸件、焊接件、热轧或热锻件
②不完全退火：将钢件加热到Ac1与Ac3或Acm之间的某一温度，经保温后缓冷下来的工艺。
目的：减小组织的分散度，消除应力，降低硬度
对于共析或过共析钢来说，不完全退火可以使片状珠光体变为粒状珠光体或球状珠光体，也称球化退火。
完全退火的工艺参数选择：
加热温度
原则上碳钢选用Ac3以上30～50℃，
合金钢选用Ac3以上50～90℃。
加热速度
碳钢的加热速度常用150～200℃/小时，
合金钢加热速度常用50～100℃/小时。
保温时间
为了得到比较均匀的奥氏体。
冷却速度
2）等温退火
温度与完全退火相同，冷却时则在Ar1以下的某一温度等温，使之发生P转变，然后出炉空冷到室温。
特点：等温退火可缩短退火时间，所得组织更均匀
应用：合金结构钢，碳钢一般不采用

完全退火与等温退火工艺曲线比较

3）球化退火
目的：得到球化体组织（具有最佳塑性、最低硬度）
应用：塑性-有利于低碳钢和中碳钢的冷成形
　低硬度-有利于工具钢和轴承钢最终热处理前的切削加工。
获得球化体的途径：
① P的球化 ② 由A转化为球化
③M在高温下(低于A1)分解－调质处理（回火索氏体）
4）扩散退火（均匀化退火）
目的：消除钢锭钢铸件中不可避免的成分　　　偏析
温度：远高于Ac3，一般为1100－1200°C
时间：1h/25mm截面厚
为了节省能耗，一般在钢开坯后锻轧加热时，适当延长保温时间
5）低温退火（消除应力退火）
目的：消除因冷加工或切削工以及热加工后快冷而引起的残余应力，避免变形、开裂或随后处理的困难
温度： 碳钢、低合金钢　550－650°C
高合金钢　600－750°C
冷却： 炉冷到500°C后再空冷
6）再结晶退火
目的：使冷变形钢通过再结晶完全转变为均匀的等轴晶粒，而恢复塑性、降低硬度，以利于随后的再变形或获得稳定的组织。
温度：650°C，0.5－1h
工业纯金属的再结晶温度经验公式
T再＝（0.35～0.40）T熔
2.钢的正火
定义：将钢加热到Ac3或Accm以上30－50°C保温，然后空气中自然冷却。获得细珠光体组织
目的：细化晶粒，使组织均匀化，改善铸件的组织和低碳钢的切削加工性
可作为预备处理，为随后的热处理作准备
可作为最终热处理，用以改善板、管、带材的力学性能
正火与退火的性能比较
项目
正火
退火
冷却方式
F先与P形成温度
F晶粒尺寸和P层片间距
强度、硬度
塑性
空冷
低
小
高
低
炉冷
稍高
稍大
稍低
高
2）正火工艺的选择
（1） 正火温度
正火温度一般为Ac3（或Acm）＋ 30～50℃。如果正火作为预先热处理，应采用上限温度，这样有利于组织均匀化。如果正火作为最终热处理，则应采用下限温度，可以得到较细小的奥氏体晶粒。
（2） 正火的加热速度和保温时间
与完全退火相似，碳钢的加热速度常用150～200℃/小时，合金钢加热速度常用50～100℃/小时。
（3） 正火的冷却方式应根据工件的成分和尺寸来确定。
中碳钢、低合金结构钢以及尺寸较小的钢件采用较慢的冷却速度。
低碳钢或是尺寸较大的钢件应增大冷却速度。
3）退火和正火的选用
（1）低碳钢
通过正火可以获得晶粒比较细小的铁素体和珠光体，使组织均匀，硬度适当，易于切削。
（2）中碳钢
含碳量不超过0.45％的钢选用正火，含碳量超过0.45％的钢和一些合金含量较高的中碳结构钢，采用退火比较合适。
（3）高碳钢
高碳钢采用退火最合适。高碳工具钢采用正火消除网状碳化物，一般还需进行球化退火处理

4）碳钢的硬度与热处理的关系

3.钢的淬火
定义：将钢加热到临界温度以上，保温一定时间使之A化后，以大于临界冷却速度的冷速进行冷却的一种工艺过程。
组织：M，B或M＋B混合物；少量残余和未溶的第二相。
1）目的（与回火配合）
提高强韧性，如各种机器零件
提高弹性，如弹簧
提高耐蚀性和耐热性，如不锈钢和耐热钢。
提高硬度和耐磨性，如刃具、量具、模具
提高硬磁性，如用高碳钢和磁钢制的永久磁铁
----淬火是使钢强化和获得某些特殊使用性能的主要方法
2）淬火方法
a. 单液淬火　 b. 双液淬火
c. 分级淬火 d. B等温淬火　
e. M等温淬火　 f. 预冷淬火法
3）淬火介质
要求：在中温（鼻子附近）时有较强的冷却能力，在低温时冷却慢，有降低淬火变形和开裂的倾向。
第一类：淬火时发生物态变化：水，油，水溶液
第二类：淬火时不发生物态变化：如熔盐、熔碱、 融熔金属等。
常用淬火介质：
水：使用最早的淬火介质。价廉易得，有较强的冷却能力。
盐水与碱水：在水中添加5~10%盐或碱，可大大提高冷却能力。
油：一般用矿物油，低温区的冷速远小于水，将有利于防止工件的变形与开裂。
熔盐、熔碱及金属：多用于分级淬火及等温淬火，当工件温度较高时，冷速很高；当工件接近于介质温度时，冷速迅速降低。
4）钢的淬透性（可淬性）
指钢在淬火时能够获得M组织的倾向（即钢被淬透的能力）。是钢固有的属性。
淬硬层：工件上的M组织层。
淬硬性（可硬性）：在正常淬火条件下，钢能达到的最高硬度。主要与C%有关，C%越高，淬火后M的硬度也愈高。
淬透性的实用意义：是正确选用钢材和制订热处理工艺的重要依据之一。
钢的淬透性主要取决于钢的临界冷却速度，取决于过冷奥氏体的稳定性。钢的临界冷却速度越小，钢的淬透性愈好。过冷奥氏体越稳定，钢的淬透性愈好。
淬透性与淬硬性区别：影响钢淬透性的主要因素是钢中合金元素的多少，Me越多，淬透性越好。
淬硬性：是指钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到最高硬度的能力取决于马氏体中碳的含量。
5） 淬火缺陷及防止
淬火内应力：是造成变形开裂的根本原因。
包括热应力，组织应力。
淬火变形 ：几何形状和体积变化。
淬火开裂：
6）减少淬火变形和防止淬火开裂的措施
（1）正确选择材料和合理设计工件形状
（2）正确地锻造和预备热处理
（3）采用合适的淬火加热温度，尽量选择淬火下限温度。
4.回火
回火：将淬火钢加热到A1以下某一温度，经过保温，然后以一定的冷却方法冷至室温的工艺过程。
目的：提高淬火钢的塑性和韧性，降低其脆性； 降低或消除淬火引起的残余内应力，这对于稳定尺寸很重要。
（1）低温回火
目的是为了降低淬火应力，减少脆性，尽量保持钢的高硬度、高强度和高耐磨性。
（2）中温回火
目的在于保持较高的硬度和强度，并具有高的弹性极限和足够的韧性，组织为回火屈氏体。
（3）高温回火
习惯上将淬火加高温回火称为调质处理。调质的目的是要得到一定强度、硬度和良好的韧性、塑性相配和的综合力学性能。
思考题：
(1) 何为晶粒度？加热转变终了时所得A晶粒度为__d__.
(a)实际晶粒度 (b)本质晶粒度
(c)加热晶粒度 (d)起始晶粒度
(2) 在加热转变中, 保温时间一定时, 随保温温度升高, A
晶粒不断长大, 称为__a__.
(a)正常长大 (b)异常长大 (c)均匀长大 (d)不均匀长大
(3) 在加热转变中, 保温时间一定时,必须当温度超过
某定值后, 晶粒才随温度升高而急剧长大, 称为__b___.
(a)正常长大 (b)异常长大 (c)均匀长大 (d)不均匀长大
(4) A晶粒的长大是通过晶界的迁移而实行的, 晶界迁移的驱动力来自__c___.
(a)A与P的自由能差 (b)A的吉布斯自由能的降低
(c)界面自由能的降低 (d)相变自由能差
(5) 奥氏体晶粒半径逾小, 长大驱动力_a_
(a)愈大 (b)不变 (c)逾小 (d)无规律

第五章 珠光体
1 .珠光体组织形态
共析成分的奥氏体冷却到A1以下时，将分解为铁素体和渗碳体的混合物，称为珠光体(P)
片间距和过冷度的关系
S0=c/ΔT
因此,层片间距由形成温度决定,
过冷度越大,形成温度越低,片间距越小
3. 过冷奥氏体先在较高温度部分转变为珠光体，未转变的奥氏体随后在较低温度下变为珠光体，由于过冷度不同，形成的珠光体有粗有细，而且先粗后细。这种粗细不均匀的珠光体将引起机械性能不均匀，从而影响钢的切削加工性能。因此可采用在一个温度等温处理（等温正火或等温退火）的方法，获得粗细相近的珠光体，以提高钢的切削加工性能。
4. 珠光体的晶体学
1)片状珠光体和粒状珠光体的结构
铁素体：体心立方
渗碳体： 复杂斜方结构
2)新相与母相之间的位向关系
铁素体与奥氏体位向关系:
｛112｝γ ||｛110｝α ，﹤110﹥γ || ﹤111﹥α
亚共析钢中先共析铁素体与奥氏体位向关系
K-S关系:
｛111｝γ ||｛110｝α ，﹤110﹥γ || ﹤111﹥α
5. P转变热力学
转变驱动力－新旧相的自由焓差
由于珠光体转变温度较高，原子能充分扩散，珠光体有又是在位错等晶界较多的地方形核，相变所需的自由能差较小。
6.片状珠光体形成机制
1）P转变时的领先相
决定于相变温度和钢的化学成分
亚共析钢－F（因为P中的F与F先的位向相同）
过共析钢－ Fe3C（因为Ｐ中Fe3C和Fe3C先位向相同且组织上连续）
共析钢－ Fe3C（A中未溶Fe3C将促进P的形成 ，而先共析F存在则无明显影响）
2）片状Ｐ的形成机制
g → a + Fe3C
碳含量： 0.77％ 0.02% 6.67％
空间点阵：面心立方 体心立方 复杂斜方
Ｐ形成有两个过程： 成分改变 点阵改组
3）Fe3C形核位置
一般情况下在g晶界处
（晶界上缺陷多，能量高，原子易于扩散，容易满足形核需要）
奥氏体化温度低时，也可在奥氏体晶内形核
Fe3C形状：小薄片（应变能小，表面积大，容易接受到Ｃ原子）
长大方向：纵向及横向
7. 粒状Ｐ的形成机制
1）形成的特定条件：
A1以上：A化温度较低，保温时间较短，加热转变未充分进行，A中有许多残留碳化物（Ｋ）（组织愈不均匀愈容易得球状P）
A1以下：转变为Ｐ的等温温度高，等温时间长或冷速极慢
2）球化碳化物形成的途径
由淬火马氏体在高亚临界温度（A1以下附近的温度）分解而形成即：淬火＋高温回火（调质处理）
由P在高亚临界温度长时间保温，使渗碳体变成球状
由A转变为铁素体＋球状渗碳体
高温形变球化
3）球化是自发过程
(a) 从热力学分析
球化是自发过程：因为片状面积大于球状（体积相同时）。
（b）根据胶态平衡理论：
第二相质点的溶解度与其曲率半径有关，半径越小，溶解度越高
4）高温回火
粒状珠光体也可以通过马氏体或贝氏体的高温回火来获得。
马氏体和贝氏体在中温区回火得到回火屈氏体组织，而高温区回火获得回火索氏体组织。
进一步提高回火温度到A1稍下保温，细小弥散的碳化物不断聚集粗化，最后可以得到较大颗粒状的碳化物，成为粒状珠光体组织。
5）形变球化
8.亚（过）共析钢的Ｐ转变
1）相图可划分为四个区:
GSE (1) :单相g 区
GSE’ (2) :先共析Ｆ区
ESG’ (3) :先共析Fe3C区
GSE’ (4) :伪共析区

2）伪共析转变
定义：非共析成分的Ａ被过冷到（4）区后，可以不先析出先共析相而直接分解为F与Fe3C混合物—与共析转变相似。
转变条件：亚共析钢或过共析钢快冷并在（4）区保温
组织：也称为Ｐ
特点：分解机制和分解产物的组织特征与Ｐ转变完全相同。但Ｆ和Fe3C量与Ｐ不同，随Ｃ％升高， Fe3C量增加。
3）亚共析钢中先共析Ｆ的析出
亚共析钢在（2）区析出先共析F
形核位置：A晶界上形成
析出过程：形核、长大
析出形态：网状、片状、块状
析 出 量：决定于Ａ中C含量和析出温度
共格关系：一侧共格满足K-S关系另一侧非共格
界面类型
界面迁移难易程度
界面能变化
形成温度
共格
（半共格）
困难
(针状，片状)
不形成新界面，界面能不变
低
非共格
容易
(颗粒状，球冠状)
形成新界面，界面能增加
高
长大机制（１）：
转变温度较高时：（形成网状或块状）
非共格界面迁移较容易，故Ｆ向γ2晶粒一侧长大球冠状
Ｃ%高时，形成的先共析Ｆ呈网状
Ｃ%低时，形成的先共析Ｆ呈块状（等轴状）
长大机制（２）
转变温度较低时：形成片状
非共格界面迁移不容易（因为Fe原子长距离扩散变难），以共格界面迁移为主，Ｆ向γ１晶粒内长大，为减少弹性能，Ｆ将呈条片状沿Ａ某晶面向晶粒内伸长，惯习面为{111}g面。
因为同一晶粒内{111}或相互平等，或相交一定角度，所以片状Ｆ常呈现彼此平行或互成６０、９０度，称为魏氏组织铁素体或魏氏组织渗碳体
影响先共析Ｆ形态的因素
转变温度：高→网状、块状；低→片状
碳含量：Ｃ％低，形成块状；
Ｃ％高，形成网状；
C％居中，形成魏氏组织（片状）
原始Ａ晶粒大小：粗大晶粒促使魏氏组织形成
4）过共析钢中先共析Fe3C形成
过共析钢在（3）区会析出先共析Fe3C
形态：
网状、片状（针）－魏氏组织
晶体学关系：
Fe3C与Ａ之间具有一定位向关系

珠光体转变动力学
1.Ｐ转变的形核率与长大速度
与温度的关系：随温度降低先增后减，550ºC达最大值
与时间的关系：I随等温时间增大而增大，随时间延长，晶界上形核位置达到饱和，Ｉ急剧下降到零；v与时间无关
2.形核率

d为界面厚度，L晶粒平均直径，i=0,1,2分别表示界隅，
界线，界面，Q为原子扩散激活能，n为原子振动频率
长大速度

共析钢P转变的形核率和长大速度与过冷度的关系

2）形核率与转变时间的关系

3）形核率与长大速度
与温度的关系：随温度降低先增后减，550ºC达最大值
与时间的关系：I随等温时间增大而增大，随时间延长，晶界上形核位置达到饱和，Ｉ急剧下降到零；v与时间无关
4.Ｐ转变动力学图(TTT)

1）P转变动力学图特点：
特点：
（１）转变前有孕育期
（２）存在鼻子，即随Ｔ降低，V增大，降到鼻子温度时，V最大，随后降低。
亚共析钢：P的C曲线的左上方有一先共析F析出线；C%­，向右移
过共析钢：C曲线的左上方有一先共析Fe3C析出线； C%­，向左移
2）影响Ｐ转变动力学因素
一）化学成分的影响：
含碳量
亚共析钢：Ｃ­，Ｆ先 孕育期­ ，析出速度¯ ，P形成速度¯
过共析钢：Ｃ­ ，Fe3C先孕育期¯ ，P形成速度­
合金元素
除Co外，所有Me均使P的C曲线右移；
除Ni外，所有Me均使P的C曲线上移。

二）加热温度和保温时间（影响A成分和状态）
提高加热温度和延长保温时间会使冷却时P转变　减慢（C%­，Me% ­，C曲线右移；A晶粒­ ，形核位置¯）
即：A化温度低，时间短，将加速P转变。
三）原始组织
　　原始组织愈细，P形成速度愈慢
　 （K溶解快，C和Me含量高）
四）应力与塑性变形
　　拉应力和塑性变形加速P转变
5. P转变产物的力学性能
与成分和热处理工艺有关－各相的含量和组织形态;
对于片状P，由层片间距决定；
不同形态P，性能不同;
先共析F和Fe3C含量不同，性能不同。
1）片状P
与P的片间距、P团直径、P中F的亚结构有关－由A化温度和P形成温度决定。
P片间距越小，强度、硬度、塑性均升高（为什么？）
Fe3C很薄时，在外力的作用下可以滑移产生塑性变形，也可产生弯曲，使塑性升高。
应用：派登处理（铅浴处理）
P团直径越小，强度、塑性如何变化？　

问题：连续冷却发生P转变时，是否对性能有利？

2) 粒状P
强度、硬度稍低于片状P；塑性、可切削性好;
K分布愈细，硬度强度愈高，分布愈均匀，韧性愈好
P的组织形态对性能的影响
钢种
显微组织
极限强度（MPa)
疲劳极限
s-1
共析钢
片状P
粒状P
676
676
235
286
0.7% C钢
细片状P
回火索氏体
926
942
371
411

6.亚、过共析钢珠光体转变产物的力学性能
1）亚共析钢的珠光体转变产物的力学性能
亚共析钢完全奥氏体化后冷却，随着钢中碳含量下降，先共析铁素体量增加；当碳含量一定时，随着冷却速度的加大，或转变温度的降低，先共析铁素体量减少，珠光体量增加，但珠光体中的含碳量下降。
与珠光体和铁素体的相对含量有关。
为了获得最佳冲击性能，应使用细晶粒、含硅、含碳低的钢。细化铁素体晶粒、细化珠光体团对韧性是有益的，而固溶强化对韧性是有害的。
2）过共析钢的珠光体转变产物的力学性能
过共析钢珠光体转变产物的力学性能与Fe3CⅡ的形态有关。渗碳体为脆性相，沿晶界呈网状分布时，会造成晶界脆断，必须消除。在连续冷却过程中，应在二次渗碳体析出的温度区间快冷，这样可以减少渗碳体的析出量，从而避免二次渗碳体呈网状分布。
7.派登处理
派登处理用于高碳钢的强韧化处理
具体步骤如下：高碳钢奥氏体化→铅浴等温(560℃)得到索氏体→冷拉(使铁素体内位错密度提高，强度上升，片间距下降，而使渗碳体不致脆断)。最终得到强烈变形后的细珠光体(索氏体)，具有极好的强度与塑性的配合。---铅浴处理
应用：绳用钢丝、琴钢丝和弹簧钢丝等
8.相间析出与纳米结构
1）析出产物形态
定义：低碳合金钢中，含有强碳（氮）化物形成元素（V、Mo、W、Cr、Nb、Ti），冷却时可能首先发生碳化物的析出。由于析出是在g /a相界面上，所以叫相间析出。
形态：K呈极细颗粒状均匀成排分布（几纳米）
形态影响因素：A化温度？A化学成分、冷却条件
与F基体有位向关系：如｛100｝vc//(100) a <110>vc//<100>a　
2）相间析出条件
A化学成分
奥氏体化温度
温度：
　　 C%低时，800－450°C
　　 C%高时，520－450°C
连续冷却时取决于冷却速度

第六章 马氏体
1.马氏体相变与马氏体的定义
马氏体相变－替换原子无扩散切变（原子沿相界面作协作运动）使其形状改变的相变。
马氏体－原子经无扩散切变的不变平面应变的晶格改组，得到的与母相具有严格晶体学关系和惯习面的含有高密度位错、层错或孪晶等晶体缺陷的组织。
马氏体（徐祖耀）－－冷却时马氏体相变的产物
Fe-C合金M ，是碳在α-Fe中的过饱和固溶体
2. M的晶体结构
Fe-C合金M是C在a-Fe中的过饱和固溶体。
具有体心正方或体心立方点阵
3. M的位向关系
1）K－S关系：
｛110｝α’ || ｛111｝γ ，﹤111﹥α’|| ﹤110﹥γ
2）西山关系：
｛110｝α’ || ｛111｝γ ，﹤110﹥ α’ || ﹤211﹥ γ
3）G－T关系：
｛111｝γ ||｛110｝α’ ，差1º
﹤110﹥γ || ﹤111﹥α’　差2º
3.马氏体的组织形态
钢中马氏体根据成分（含碳量）冷却条件呈现不同的形态
按照亚结构分为位错型马氏体、孪晶马氏体
根据形态分为板条马氏体、针片状马氏体、蝶状马氏体、薄板状马氏体、薄片状马氏体
1）板条状马氏体
一般存在于低、中碳钢和不锈钢中
亚结构：位错，故又称为位错马氏体
惯习面{111}γ，位向关系符合K-S关系
2）针状（透镜片状）马氏体
一般存在于中、高碳钢、Fe-Ni合金中
亚结构：孪晶，故又称为孪晶马氏体
惯习面：中脊面
针状马氏体的惯习面与形成温度有关：
温度较高时为{225}γ，位向关系符合K-S关系
温度较低时为{259}γ，位向关系符合西山关系
3）蝶状马氏体
存在于Fe-Ni合金或Fe-Ni-C合金中
形成温度在板条和透镜马氏体形成温度之间
位向关系符合K-S关系
亚结构：以位错为主，有少量孪晶
惯习面：蝶状的两翼为{225}γ，两翼的结合面{100}γ
4）薄板状马氏体
一般出现在Ms为－100℃以下的Fe-Ni-C合金中
内部亚结构：孪晶
惯习面： {259}γ 位向关系：K-S关系
5）薄片马氏体（ε’-马氏体）
出现在层错能低的Fe-Mn、 Fe-Mn-C和Fe-Cr-Ni合金中
晶体结构：密排六方结构
内部亚结构：层错
惯习面： {111}γ
位向关系： {111}γ∥ {0001} ε’，<110> γ ∥ <1120> ε’
ε’-马氏体沿着{111}γ呈魏氏组织分布
马氏体因成分和转变温度不同而形态各异，其中钢中最常见的是板条状马氏体和片状马氏体。
4.影响M形态和亚结构的因素
(1)化学成分
(2)马氏体形成温度（Ms)
(3)奥氏体的层错能
(4)奥氏体的强度
1)化学成分
碳含量是影响M形态的主要因素
C＜0.3％，板条M
C＜1.0％，透镜片状M
C=0.3～1.0％，板条和片状的混合结构
合金元素
缩小γ区的元素利于形成板条M
扩大γ区的元素利于形成片状M
降低γ层错能的元素利于形成ε’-M
2)Ms的影响
随着Ms下降
马氏体形态转化顺序：
板条=>蝶状=>透镜片状=>薄片状
亚结构的转化顺序：
位错亚结构=>孪晶亚结构
3)奥氏体的层错能
层错能低时，易于形成薄板状ε’－M，层错能越低，越趋于形成位错板条M
4)奥氏体的强度
对Fe-Ni系列合金研究表明，ss 小于196MPa时，形成惯习面为｛111｝g的板条马氏体或惯习面为｛225｝g的透镜片状马氏体，ss 大于196MPa时，形成惯习面为｛259｝g的透镜片状马氏体。
综上，影响M形态的主要因素是C%、Ms
5.马氏体相变特点:
非恒温性与不完全性
基体原子的无扩散性*
表面浮凸与界面共格*
马氏体可以发生可逆性转变
1)非恒温性与不完全性
1．马氏体转变无孕育期，在一定温度下转变不能进行到底。
2．马氏体转变有转变开始和转变终了温度。
3．有些Ms在0℃以下的合金，可能爆发形成，有些可能等温形成，但不能转变完全。
2)基体原子的无扩散性

军队式转变 平民式转变
实验证据
碳钢中M转变前后C的浓度无变化，A和M的成分一致，仅发生晶格改组：均匀切变
g-Fe(C) →a -Fe(C)
fcc 　 bcc
M转变可在相当低的温度范围进行，并且转变速度极快。
如：在-20~-196°C，每片M形成时间为5´10-5~10-7 s

3)表面浮凸与界面共格
表面浮凸说明M是以切变方式进行的
是在不变平面上产生的均匀应变
　－－不变平面应变：任一点的位移与该点距不变平面的距离成正比
不变平面可以是相界面（孪晶面）或非相界面（中脊面）
界面上原子排列既同于M又同于A－共格界面（这种共格界面是以母相的切变来维持共格关系的，故称为第二类共格界面。 ）
※不变平面应变－任一点的位移与该点距不变平面的距离成正比的应变。
4)可逆性
冷却时，高温相可以通过马氏体相变机制转变为M，开始点Ms，终了点Mf
加热时，马氏体可通过逆转变转变为高温相，开始点As，终了点Af
通常As＞ Ms，二者之差取决于合金成分
综上：M相变主要特征:
非恒温性：转变开始点Ms, 终了点Mf
共格性和表面浮凸
无扩散性　
位向关系和惯习面
可逆性
思考题:
什么是钢中的马氏体、珠光体和奥氏体？各自具有什么样的晶体结构？
M转变与P转变相比有什么特点？
为什么M转变是非扩散转变？
M有几种主要类型，具有什么样的特点?
6.马氏体转变机理
马氏体区别与其他相变的最基本的特点是：
1)相变以共格切变的方式进行
2)相变的无扩散性
这一特点决定了马氏体的转变机制具有特殊性
7.M转变热力学
1)M转变的热力学条件
(1）热滞:
温度必须过冷到Ms点以下
才能发生M转变，转变需要过冷度：
　 ΔT=T0－Ms
ΔT也称热滞，视合金成分而定， 几十度到几百度,
铁系合金M转变有很大热滞
※为什么马氏体相变需要很大的过冷度？？
2)驱动力：
M与A的自由焓差ΔGV，
　 过冷度越大，ΔGV 越大　
A晶体缺陷所提供的能量ΔGD
3)相变阻力
M转变产生界面－晶面能Sg(不大)
M转变时比容变化产生弹性能－E(大:比容,共格)
M转变时克服切变抗力要消耗的功
形成M时造成的大量位错、孪晶而升高的能量　
邻近M的A中产生塑变所消耗能量　
4)M转变时自由能的变化ΔG
ΔG＝－（ ΔGV+ ΔGD）+S g +E+ ΣT
t=Ms时，（ ΔGV+ ΔGD）即为M转变所需的最小驱动力ΔGg®a’
综上：
　由于M转变时需要增加能量较多，故阻力较大，使转变必须在较大过冷度下才能进行。不同合金的M转变所增加的能量不同，所以ΔGg®a’及热滞不同。