江苏大学教师备课笔记

《金属材料组织控制原理》教案

第一章 金属固态相变概论

固态相变：固态下晶体由于温度和压力的改变，导致组织和结构的改变，这种变化称之为

固态相变。

(1) 温度：敏感，易控制，成为控制固态相变的主要因素（热处理炉）；

压力：不易控制，不敏感（等压）。

(2) 组织和结构的改变，包含有成分的变化（局部成分） (3) 固态相变具体表现 ：a. 结构； b. 成分 ； c. 有序性

有些转变仅具有一种变化；而有些转变兼有二种或三种变化。

作用：大多数工程材料，如金属及其合金、陶瓷等晶体材料都存在着固态相变，固态相变的

存在为工程材料提供了丰富的组织和性能，满足加工及不同工况下使用的性能要求：（以钢为例）

最常见组织 奥氏体(A) 球光体(P) 回火马氏体 回火屈氏体 回火索氏体

研究历史：始于矿物学家对万英等矿物的相变研究（陶瓷） 石英SiO2不同温度下，存在不同相结构

随后金属学家开始对钢的相变进行研究：如P相变，马氏体相变，B相变等等。 下面仅介绍固态相变的普遍规律：

特性 滑移系多，较软 硬度低 高强度，低塑性 具有高的强度和韧性 高韧性和抗回火性能 适用场合 压力加工成型 切削加工 高耐磨，高强度 耐疲劳，冲击 高温600℃，冲击 §1.1 金属固态相变的主要类型

一、平衡转变

定义：在缓慢加热或冷却时发生获得符合状态图平衡组织的相变为平衡转变。 (一) 纯金属的同素异构转变（无成分变化）

在纯金属中，发生由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。如Fe Co Ti Sn等。

纯铁 α---γ

(二) 多形性转变（局部成分发生变化）——固溶体

在固溶体中发生的由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。

2 1 2

江苏大学教师备课笔记

如钢中 铁素体

加热冷却 奥氏体（C在Fe中固溶体）

(三) 平衡脱溶沉淀

在缓慢冷却条件下，由过饱合固溶体析出过剩相的过程称为_______。

特点：随着新相析出，旧相成分、体积分数不断变化，但旧相不消失，新相结构、成分始终与旧相不同。

奥氏体析出二次渗碳体铁素体中析出三次渗碳体

(四) 共析转变

固溶度随温度降低而降低

冷却时，由一个固相分解为二个不同固相的转变。 r→α+Fe3C（珠光体转变） (五) 包析转变

冷却时，由两个固相合并成一个固相的转变。 α+β→ r（钢中没有该转变） (六) 调幅分解

高温下具有均匀单相固溶体组织的合金，冷却到某一温度范围内可分解为两种结构与原固溶体相同，但成分有明显差别微区的转变。

α→α1+α2 即通过上坡扩散使均匀固溶体变成不均匀固溶体。 (七) 有序化转变

固溶体中各组元原子的相对位置由无序到有序的转变过程。 如Cn-Zn, Au－Cu中间相为基固溶体。 二、不平衡转变

由于加热或冷却速度过快，平衡转变受到抑制，固态金属可发生某些状态图上未能反映转变，获得不平衡组织或亚稳组织。

实际金属的强韧化均通过不平衡转变，获得不平衡组织达到的， 原因有二，一是实际热处理加热、冷却速度均很快难以按平衡转变；

二是不平衡转变往往获得高强韧化效果的不平衡组织。

(一) 伪共析转变（以钢为例）

当奥氏体以较快速度冷却到ES与GS延长线以下时，将从奥氏体中同时析出比值不定的铁素体与渗碳体。

这一转变类似于共析转变（铁素体、与渗碳体比值一定），不同的是转变产物中铁素体量与渗碳体易比值不是定值，而随奥氏体的碳含量而变。

(二) 马氏体转变

当奥氏体以更快冷速过冷到MS点以下，r点阵通过切变改组为过饱含α点阵的转变。 进一步提高冷速，使奥氏体来不及进行伪共析转变，而过冷到更低的温度，这时Fe、c均难以扩散，通过点阵切变从γ点阵改组为α点阵，成分不发生变化。

2 2 2

江苏大学教师备课笔记

除Fe－C合金外，Cu合金，Ti合金，也发生马氏体相变。 (三) 块状转变

纯Fe或低碳钢在一定冷速下，γ相可以转变为与之具有相同成分，形态呈块状的α相，这种块状新相的长大是通过原子短程扩散使新、旧两相间非共格界面推移而实现的。

这种转变在Cu－Zn、Cn－Ga合金中也存在。 (四) 贝氏体转变

在珠光体和马氏体转变温度之间，存在一个Fe原子已不能扩散而碳原子尚能扩散的一种特殊的不平衡转变。即具有珠光体转变，又具有马氏体转变的某些特征。是一种复杂的不平衡转变。转变产物贝氏体为α相与碳化物混合物，但α相碳含量、形态以及碳化物形态分布与P不同。

以扩散角度

P转变 ?Fe, C均可扩散??M转变 ?Fe, C均不能扩散

(五) 不平衡脱溶沉淀（时效）

过饱合固溶体在室温或室温以上某一温度下，将自固溶体中析出成分与结构均与平衡沉淀相不同的新相的过程。

当成分为b的合金加热到t1时，β相将全部溶于α相中，形成单一固溶体。如自t1缓冷，β相将沿固溶度曲线MN不断析出，发生平衡脱溶沉淀。若自t1快冷，在冷却过程中β相来不及析出，到室温获得过饱合的α固溶体，在室温或低于固溶体曲线MN某一温度下等温将 α相中析出，在成分和结构上不同于平衡沉淀相的新相。

应用：在低碳钢、铝、镁合金通过时效来强化。

综上转变：均在结构、成分、有序化上的变化，有些转变只具有一种变化，而有些转变则同时兼有两种或三种变化。

同素异构转变、多形性转变、马氏体转变、块状转变——只有结构上转变 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 共析转变、脱溶沉淀，兼有结构和成分变化

§1.2 金属固态相变的分类 一、按热力学分类

根据相变前后热力学函数变化，可将固态相变分为一级相变和二级相变。 一级相变：相变时新旧两相化学位相等，但化学位的一级偏微离不等的相变。 α新相 β旧相

2 3 2

江苏大学教师备课笔记

???????????????????????T??????P??T????????????????P???????T??P???SQ??? S?S ?S??T?P???? V?V??T特点：即 一级相变有热效应和体积效应。

除部分有序化转变外，固态金属相变均为一级相变。

二级相变：相变时新、旧两相化学位相等，且化学位一级偏微商也相等，但二级偏微商不相等。

特点：无明显热效应和体积效应

部分有序化转变、磁性转变属于二级相变。 二、按原子迁移情况分类

扩散相变：相变是依靠原子或离子扩散来进行的——无规则的迁移。 要求转变温度足够高，原子或离子具有足够活动能力。

如钢的加热转变（奥氏体转变）和珠光体转变（转变温度较高）。

无扩散相变：相变过程中原子（或离子）不发生扩散，仅作有规则的迁移，使点阵发生改组。

如马氏体相变。 三、按相变方式分类

有核相变：新相的核在旧相中形成，并通过不断长大完成相变。 绝大多数相变属于有核相变，相变过程包括形核及长大两个阶段。

无核相变：（调幅分解）无形核阶段，以固溶体中成分起伏为开端，通过上坡扩散，形成点阵结构相同，而成分不同，并以共格界面相联系的高浓度和低浓度两个相。

§1.3 金属固态相变的一般特征

固态相变不同于凝固过程（固 液两相是在液相中形核并长大）是在固相中形核并长大，因此具有一系列的自身的特点。

一、相界面（由于均为晶体，不同于固液界面）

根据界面上两相原子在晶体学上匹配程度的不同，分为：

(一) 共格界面：两相在界面上的原子可以一对一地相互匹配（即界面上的原子所占位置恰好是两相点阵共有位置）。

只有对称孪晶界是理想的共格界面。

实际上两相点阵总有一定差别，或是点阵结构不同，或是点阵参数不同。因此，两相界面要完全共格在界面附近必将产生弹性应变。

特点：界面能低，应变能高。

(二) 半共格界面：两相在界面上的原子部分地保持匹配。

2 4 2