2014材料工程基础—热处理-1讲解.pptVIP

金属热处理 例如，一种特种变速箱的薄壁齿圈，其特点是可以显著减小变速箱的体积和重量，但是用常规的齿轮热处理方法制造遇到很大的难题，渗碳淬火或感应加热淬火都难以控制热处理畸变，而常规的渗氮处理不能满足该齿轮对接触疲劳强度的要求，只有应用动态可控渗氮工艺，使接触疲劳强度由1400MPa提高到1700MPa，并且研究成功控制薄壁齿圈渗氮畸变的方法，才使特种变速箱试制成功。 1.3、固态相变概论1.3.1 固态相变的概念 定义：固态相变是指金属及合金固态材料在温度、压力等外界条件改变时，金属及合金内部组织与结构发生改变，从一种相的状态改变为另一种相的状态，这种固态金属及合金相的状态发生改变的现象，称为固态相变。 1.3.2固态相变的分类 金属及合金的固态相变的分类有如下几种分类方法，具体为 按经典的热力学分类（相变前后热力学函数的变化） 一级相变 二级相变 高级相变 按平衡状态图分类 平衡相变 非平衡相变 按原子迁移状况分类 扩散型相变 非扩散型相变 按相变方式分类 有核相变 非核相变 1.4金属固态相变的热力学条件 根据热力学的能量最低原理，系统发生的变化都是由于新相与旧相能量状态高低不同引起的，一切自发过程的进行方向总是从高的自由能状态向低的自由能状态过渡，这就是金属固态相变所必需的热力学条件。 1.4.1 固态相变的驱动力 对于金属的固态相变而言，相变能够自发进行，就只有新相的自由能低于旧相的自由能才能进行转变。因此，金属固态相变的驱动力必然是新旧两相的自由能差。 根据热力学自由能与焓、熵的关系式： 式中，G为自由能，H为焓，S为熵。 对式 进行全微分： 对于固态相变的可逆过程，热力学第一定律和第二定律的一般方程式可写为 由于固态相变时所能引起的体积变化是有限的，故可以忽略。假定W是膨胀功（PdV），那么在等容过程中，体积V为常数，dW=0，则由式 可得 将 式代入式 ，可得： 即， 由 S 0，所以， 0，也就是说，在等容条件下，随着温度T的升高，自由能G是降低的。 对式 再求导数，则得： 由于熵S总是随着温度T增加而增加，所以， 这说明自由能与温度的特性曲线G-T总是凹面向下的。这也意味着在一定温度条件下，如果新旧两相的G-T曲线相交（这是由于新旧两相的熵值随温度的变化程度不同引起的），那么必然在该交点温度的两边就存在一个自由能差，这个自由能差就是金属固态相变的驱动力。如图所示。 1.4.2 金属固态相变的特点 相界面 金属固态态相变时，新旧两相都是固相：根据界面上新旧两相原子在晶体学上匹配程度的不同，可分为共格界面、半共格界而和非共格界面，如图 所示。新旧两相的相界面关系直接影响着新相的形核与长大。 弹性应变能 金属固态相变时，因新相和母相的晶体学参数不同，使得新旧两相的比容不同，可能导致系统体积发生变化。但是，由于是“固态”条件下的转变，这种体积的改变必然要受到周围母相的约束，使得新相就不能自由的胀缩，这就必然在新相与其周围母相之间产生严重弹件应变于应力，使系统额外地增加了一项弹性应变能。 原子的扩散 大部分金属固态相变都需要原子的扩散来完成，与液态金属相比，固态金属中原子的扩散速率远远低于液态金属中原子的扩散，那么在固态相变中，原子的扩散速率便成为控制相变的关键因素。受扩散控制的固态相变，在冷却时可以产生很大程度的过冷；随着过冷度的增大，相变驱动力增大，相变速度也增大，但是，当过冷度增大到—定程度后，由于原子扩散能力下降，相变速度反面随过冷度增大而减慢，形成一种半扩散的相变；若进一步增大过冷度，也可使扩散与半扩散型相变被抑制，在低温下发生无扩散型相变，形成亚稳定的过渡相。例如，碳钢从奥氏体状态快速冷却时，可以抑制扩散型相变，而在低温下以切变方式发生无扩散的马氏体相变，生成亚稳定的马氏体组织。 惯习面 金属固态相变时，新相与旧相之间往往存在一定的位向关系，新相习惯性的沿着母相一定的晶面上形成，这个晶面称为惯习面，一般以母相的晶面指数来表示。惯习面的存在说明新旧两相界面处原子排列相近，匹配较好，有助于减少界面能。例如，钢中的K—S关系就是奥氏体向马氏体转变时，奥氏体（γ）的密排面{111}与马氏体的密排面{110}相平行，奥氏体（γ）的密排方向110与马氏体的密排方向111相平行。即： 过渡相 金属固态相变的驱动力是新旧两相的自由能差，这种驱动力主要是力求促使自由能较高的不稳定母相能够迅速转变为自由能最低的稳定新相。但是，实践中新相与母相的晶体结构与参数相差很大，新旧两相只能形成高能量的非共格界面。此时新相的临界尺寸很小，单位体积新相有较大的界面体积，界面能对形核的阻碍作用很大，并且非共格界面的界而能和形核功均较大，相变不容易发生。